JP4737208B2

JP4737208B2 - インバータ回路

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Description

本発明のいくつかの態様は、インバータ回路と、インバータ回路を有する有機トランジスタ論理ゲート構成に関する。

近年、有機薄膜トランジスタ（ＯＴＦＴ）は、溶液処理可能な（solution-processable）材料およびインクジェット式製造技法において進歩が見られるなどにより、注目を集めている。例えば、インクジェット有機薄膜トランジスタ技術は、材料を所望の箇所のみに配することによって材料の無駄を省きプロセスのターンアラウンド時間を減少させることで、製造コストを大幅に削減することができる。この他にも、有機薄膜トランジスタの電気特性を改善して、無機分野において有機薄膜トランジスタに相当するアモルファスシリコン技術によって達成されるレベルにするために、研究上の努力が相当なされてきている。

一例として、インクジェット有機薄膜トランジスタの電気特性は、ドレイン・ソース電流（Ｉ_DS）オン／オフ比が低いこと、サブ閾値スロープ（ΔＩ_DS／ΔＶ_GS）が乏しいこと、出力特性における飽和状態が乏しいこと、および、Ｐチャネルデバイスのみしかない、という制限があった。ただし、最後に挙げたＰチャネルデバイスのみしかないという制限は、近年克服されている。これらの制限は、結晶シリコントランジスタ技術には見られないものである。

公知の有機薄膜トランジスタインバータ構成の例を図１０に示す。図１０（ａ）は、Ｖ_DD＞Ｖ_SSとなっている電流供給ラインＶ_DDおよびＶ_SSによって給電されるインバータ構成用の一般回路記号を示している。一方、図１０（ｂ）〜図１０（ｄ）は、このインバータ機構のより詳細な構成を示している。図１０（ｂ）は、純抵抗負荷を駆動するＰチャネル型有機薄膜トランジスタデバイスを示しており、図１０（ｃ）および図１０（ｄ）は、トランジスタ負荷を駆動するＰチャネル型有機薄膜トランジスタを示している。図１０（ｃ）の場合、負荷トランジスタは、ダイオード接続Ｐチャネル型デバイス（ゲートがドレインに接続されている）である。一方、図１０（ｄ）では、負荷トランジスタは、能動負荷として接続されているＰチャネルデバイスである。能動負荷は、出力電圧に対してさらなる制御を行うバイアス電圧をゲートで受容する。

このようなインバータ構成では、ドライバおよび負荷トランジスタのサイズを最適化して、１よりも大きなゲインと充分に広範囲の出力振幅とを提供することが望ましい場合が多い。この充分に広範囲の出力振幅は、広範囲の雑音余裕を達成すべき場合には重要である。不都合にも、既存の有機薄膜トランジスタの制限のせいで、これらの基準を満たすことは難しい。その結果、多くの研究者が、従来の有機薄膜トランジスタインバータ段の前後でゲインを増強させるためのレベルシフタ等の追加の段を提案してきた。この解決法の例を、図１１および図１２に基づいて説明する。

図１１では、レベルシフタはインバータ段の前に含まれている。図１１（ａ）も、この構成の一般回路記号を示す図である。一方、図１１（ｂ）および図１１（ｃ）は、この構成の具体的な実施形態である。図１１（ｂ）は、非特許文献１で公表された構成を示している。第１の段は、飽和領域において機能する直列接続されたＰチャネル有機薄膜トランジスタを使用することで、電圧ドライバとして機能する。第２の段は、ダイオード接続された有機薄膜トランジスタ負荷を使用するインバータである。図１１（ｃ）の例は、同様に機能するが、インバータ段における能動有機薄膜トランジスタ負荷に基づくものである。図１１（ｃ）は、非特許文献２から取ってきたものである。

図１２では、インバータ段の後方にレベルシフタが追加されている。図１２（ｂ）の例は、非特許文献３で公表された。このレベルシフタ段は、インバータステージの出力部から給電される電圧フォロワとして機能する。非特許文献４から取られた図１２（ｃ）では、類似の電圧フォロワ型レベルシフタ段が採用されているが、この場合、インバータ段内の能動有機薄膜トランジスタ負荷の出力部から駆動されるのであって、図１２（ｂ）の例のようにダイオード接続有機薄膜トランジスタ負荷によって駆動されるのではない。さらに、レベルシフタ段内のバイアストランジスタのゲートは、インバータ段のゲートから、異なる電圧供給部によって給電される。

これらの例両方において、レベルシフタ段によって、電圧レールＶ_LSをレベルシフタ段用に設けることにより高レベル電圧を全出力端子（「ＯＵＴ」）に出現させることが確実にできるようになる。この電圧レールＶ_LSは、インバータ段用のインバータ電圧レールＶ_DDよりも高いものである。

Ｈ．Ｇｅｒｗｉｎら著、「Flexible active matrix displays and shift registers based on solution-processed organic transistors」、2004年、Nature Materials誌Ｈ．Ｋｌａｕｋら著、「Pentacene organic thin-film transistors and ICs」、Solid Stage Technology誌、第43号、第3パート、63頁〜67頁、2000年Ｊ．Ｋｒｕｍｍら著、「A polymer transistor circuit using PDHTT」、IEEE Electron Device Letters、第25号、No.6、2004年6月Ｈ．Ｋｌａｕｋら著、「Pentacene organic transistors and ring oscillators on glass on flexible polymeric substrates」、Applied Physics Letters、第82号、No.23、4175頁〜4177頁、2003年

本発明の目的は、有機トランジスタのサイズを適切にするとともにトランジスタの伝達特性においてゲインを充分なものにする、という措置を取らなくても、大きなゲインを獲得することのできるインバータ回路を提供することにある。

本発明の第１の態様によると、インバータ回路であって、第１および第２の供給端子間に接続されている第１および第２の有機トランジスタの直列構成を含むインバータ段であって、第１および第２の有機トランジスタはそれぞれ、第１および第２のゲートを有する、インバータ段と、第１のゲートに接続されている入力端子と、第１および第２の有機トランジスタを連係させるノードに接続されている出力端子と、第１のゲートおよび第２のゲート間に接続されているバイアス制御段であって、バイアス制御段は、第１のゲートの入力電圧が上昇すると第２のゲートの電圧が降下し、逆の場合も同様になるようにしたインバータ段であり、かつ、第３および第４の供給端子間に接続されている第３および第４の有機トランジスタの直列構成、ならびに、第３および第４の供給端子間に接続されている第５および第６の有機トランジスタの直列構成を有しており、第５および第６の有機トランジスタはそれぞれ、第３および第４の有機トランジスタによって制御されるとともに第１および第２のゲートによって給電される、バイアス制御段と、を有する、インバータ回路、が提供される。

この構成の具体的な一形態において、第３、第４、第５および第６の有機トランジスタはそれぞれ、第３、第４、第５および第６のゲートを有している。第３のゲートおよび第５のゲートは、互いに接続されており、かつ、第１のゲートに接続されている。第３および第４の有機トランジスタを連係させるノードが、第２のゲートに接続されている。

第４の有機トランジスタは、第３の有機トランジスタ用のダイオード接続負荷としても能動負荷としても構成し得る。

バイアス制御段は、第３および第４の供給端子間に接続されている有機トランジスタの少なくとも１つのさらなる直列構成を有し得る。この少なくとも１つのさらなる直列構成は、信号流を基準として、第５および第６の有機トランジスタを有する直列構成とインバータ段との間に配置される。

第１および第３の有機トランジスタはそれぞれ、第１および第３の供給端子に接続され得る。そして、第２および第４の有機トランジスタはそれぞれ、第２および第４の供給端子に接続され得る。入力端子は、第１および第３のゲートに、かつ、第３の供給端子に接続されているさらなる直列構成のトランジスタのゲートに接続され得る。さらなる直列構成のこれらのトランジスタのゲートは、第４の供給端子に接続されているが、これら直列構成の有機トランジスタ同士を連係させる前述した直列構成の各ノードに接続され得る。インバータ段に最も近いさらなる直列構成の有機トランジスタ同士を連係させるノードは、第２のゲートに接続され得る。

本発明の第２の態様によると、有機トランジスタインバータ構成であって、第１および第２の供給端子間に接続されている第１および第２の有機トランジスタの直列構成を含むインバータ段であって、第１および第２の有機トランジスタはそれぞれ、第１および第２のゲートを有する、インバータ段と、第１のゲートに接続されている入力端子と、第１および第２の有機トランジスタを連係させるノードに接続されている出力端子と、第１および第２のゲート間に接続されているバイアス制御段であって、バイアス制御段は、第１のゲートの入力電圧が上昇すると第２のゲートの電圧が降下し、逆の場合も同様になるようなインバータ段であり、かつ、第１および第２の供給端子間に接続されている第３および第４の有機トランジスタ直列構成、ならびに、第３の供給端子および上述した第２の供給端子間に接続されている第５および第６の有機トランジスタの直列構成を含む、バイアス制御段と、を有しており、第１のゲートは、第６の有機トランジスタのゲートに接続されており、第２のゲートは、第３および第４の有機トランジスタを連係させるノードに接続されており、第３の有機トランジスタのゲートは、第５および第６の有機トランジスタを連係させるノードに接続されており、第５の有機トランジスタのゲートには、バイアス電圧が供給される、有機トランジスタインバータ構成、が提供される。

第４の有機トランジスタは、第３の有機トランジスタ用のダイオード接続負荷としても能動負荷としても構成され得る。

本発明の第３の態様は、インバータ回路であって、第１および第２の供給端子間に接続されている第１および第２の有機トランジスタの直列構成を含むインバータ段であって、第１および第２の有機トランジスタはそれぞれ、第１および第２のゲートを有している、インバータ段と、第１のゲートに接続されている入力端子と、第１および第２の有機トランジスタを連係させるノードに接続されている出力端子と、第１のゲートおよび第２のゲート間に接続されているバイアス制御段であって、第１のゲートの入力電圧が上昇すると第２のゲートの電圧が降下し、逆の場合も同様になるようなインバータ段である、バイアス制御段と、を有しており、バイアス制御段は、第３および第４の供給端子間に接続されている第３および第４の有機トランジスタの直列構成を有しており、第３の有機トランジスタのゲートは、第１のゲートに接続されており、第２のゲートは、第３および第４の有機トランジスタを連係させるノードに接続されており、第４の有機トランジスタは、第３の有機トランジスタ用のダイオード負荷として構成されている、インバータ回路、である。

第１乃至第６の有機トランジスタが同一の極性を有し得る。

第１の供給端子は、第３の供給端子と同一であり得、かつ／または、第２の供給端子は、第４の供給端子と同一であり得る。

本発明の第４の態様において、有機トランジスタ論理ゲート構成が提供される。この有機トランジスタ論理ゲート構成は、インバータ回路を有している。このインバータ回路は、第１および第２の供給端子間に接続されている第１および第２の有機トランジスタの直列構成を含むインバータ段であって、第１および第２の有機トランジスタはそれぞれ、第１および第２のゲートを有している、インバータ段と、第１のゲートに接続されている入力端子と、第１および第２の有機トランジスタを連係させるノードに接続されている出力端子と、第１および第２のゲート間に接続されているバイアス制御段であって、第１のゲートの入力電圧が上昇すると第２のゲートの電圧が降下するように、かつその逆の場合も同様になるように構成されているインバータ段である、バイアス制御段と、を有している。

論理ゲート構成は、ＮＡＮＤゲート構成であり得る。このＮＡＮＤゲート構成において、第１の有機トランジスタは、一対の並列接続されたトランジスタを有しており、第２の有機トランジスタは、一対の直列接続されたトランジスタを有しており、バイアス制御段は、第１および第２の供給端子間に接続されている第３および第４の有機トランジスタの直列構成と、第１および第２の供給端子間に接続されている第５および第６の有機トランジスタの直列構成と、を有しており、第３および第５の有機トランジスタは、各自のゲートを有しており、一対の直列接続されたトランジスタのゲートはそれぞれ、第３および第４の有機トランジスタを連係させるノードと、第５および第６の有機トランジスタを連係させるノードと、に接続されており、一対の並列接続されたトランジスタのゲートは、第３および第５の有機トランジスタの各ノードおよび論理ゲート構成の各入力端子に接続されている。

代替的に、論理ゲート構成は、ＮＯＲゲート構成であり得る。このＮＯＲゲート構成において、第１の有機トランジスタは、一対の直列接続されたトランジスタを有しており、第２の有機トランジスタは、一対の並列接続されたトランジスタを有しており、バイアス制御段は、第１および第２の供給端子間に接続されている第３および第４の有機トランジスタの直列構成と、第１および第２の供給端子間に接続されている第５および第６の有機トランジスタの直列構成とを有しており、第３および第５の有機トランジスタは、各自のノードを有しており、一対の並列接続されたトランジスタのゲートはそれぞれ、第３および第４の有機トランジスタを連係させるノードと、第５および第６の有機トランジスタを連係させるノードとに接続されており、一対の直列接続されているトランジスタのゲートは、第３および第５の有機トランジスタの各ゲートおよび論理ゲート構成の各入力端子に接続されている。

第４および第６の有機トランジスタは、第３および第５の有機トランジスタ用のダイオード接続負荷または能動負荷として構成され得る。

これによって、広範囲の出力電圧振幅が達成される。

また、本発明の他の態様において、インバータ回路は、第１の供給端子と、第２の供給端子と、第１のゲートを有し、前記第１の供給端子に電気的に接続される、第１の有機トランジスタと、前記第２の供給端子に電気的に接続されるとともに前記第１の有機トランジスタに電気的に接続され、第２のゲートを有する第２の有機トランジスタと、第３の供給端子と、第４の供給端子と、前記第３の供給端子に電気的に接続される第３の有機トランジスタと、前記第３の有機トランジスタと電気的に接続され、前記第４の供給端子に電気的に接続されている第４の有機トランジスタと、前記第３の供給端子に電気的に接続される第５の有機トランジスタと、前記第５の有機トランジスタと電気的に接続され、前記第４の供給端子に電気的に接続されている第６の有機トランジスタと、前記第１のゲートに電気的に接続される入力端子と、前記第１の有機トランジスタおよび前記第２の有機トランジスタを連係させるノードに電気的に接続されている出力端子と、を含み、前記第１の有機トランジスタおよび前記第２の有機トランジスタが１つのインバータ段として機能するように構成されるものであり、前記第５の有機トランジスタおよび前記第６の有機トランジスタの各々が前記第３の有機トランジスタおよび前記第４の有機トランジスタによって制御され、かつ、前記第１のゲートおよび前記第２のゲートの各々に給電するものであり、前記第３の有機トランジスタ、前記第４の有機トランジスタ、前記第５の有機トランジスタおよび前記第６の有機トランジスタが、前記第１のゲートの入力電圧の上昇時に前記第２のゲートの電圧が降下し、前記第２のゲートの入力電圧の上昇時に前記第１のゲートの電圧が降下するよう、バイアス制御段として機能するように構成されるものである、ことを特徴とする。

また、インバータ回路は、第１の供給端子と、第２の供給端子と、前記第１の供給端子に電気的に接続され、第１のゲートを有する第１の有機トランジスタと、前記第２の供給端子に電気的に接続されるとともに前記第１の有機トランジスタに電気的に接続され、第２のゲートを有する第２の有機トランジスタと、第３の供給端子と、前記第１の供給端子に電気的に接続され、第３のゲートを有する第３の有機トランジスタと、前記第３の有機トランジスタに電気的に接続され、前記第２の供給端子に電気的に接続される第４の有機トランジスタと、前記第３の供給端子に電気的に接続され、バイアス電圧が供給される第５のゲートを有する第５の有機トランジスタと、前記第２の供給端子に電気的に接続され、前記第５の有機トランジスタに電気的に接続され、第６のゲートを有する第６の有機トランジスタと、前記第１のゲートおよび前記第６のゲートに電気的に接続される入力端子と、前記第１の有機トランジスタおよび前記第２の有機トランジスタを連係させるノードに電気的に接続される出力端子と、を含み、前記第１の有機トランジスタおよび前記第２の有機トランジスタが１つのインバータ段として機能するように構成されるものであり、前記第２のゲートが前記第３の有機トランジスタおよび前記第４の有機トランジスタを連係させるノードに電気的に接続されるものであり、前記第３のゲートが前記第５の有機トランジスタおよび前記第６の有機トランジスタを連係させるノードに電気的に接続されるものであり、前記第３の有機トランジスタ、前記第４の有機トランジスタ、前記第５の有機トランジスタおよび前記第６の有機トランジスタが、前記第１のゲートの入力電圧の上昇時に前記第２のゲートの電圧が降下し、前記第２のゲートの入力電圧の上昇時に前記第１のゲートの電圧が降下するよう、１つのバイアス制御段として機能するように構成されるものであり、前記第１のゲートが前記第６のゲートに電気的に接続されるものである、ことを特徴とするものでもよい。

さらに、インバータ回路は、第１の供給端子と、第２の供給端子と、前記第１の供給端子に電気的に接続され、第１のゲートを有する第１の有機トランジスタと、前記第２の供給端子に電気的に接続されるとともに前記第１の有機トランジスタに電気的に接続され、第２のゲートを有する第２の有機トランジスタと、第３の供給端子と、第４の供給端子と、前記第１の供給端子および前記第１の有機トランジスタに電気的に接続され、第３のゲートを有する第３の有機トランジスタと、前記第３の有機トランジスタに電気的に接続され、前記第４の供給端子に電気的に接続されている第４の有機トランジスタと、前記第１のゲートに電気的に接続される入力端子と、前記第１の有機トランジスタおよび前記第２の有機トランジスタを連係させるノードに電気的に接続されている出力端子と、を含み、前記第１の有機トランジスタおよび前記第２の有機トランジスタが１つのインバータ段として機能するように構成されるものであり、前記第２のゲートが前記第３の有機トランジスタおよび前記第４の有機トランジスタを連係させるノードに電気的に接続されるものであり、前記第４の有機トランジスタが前記第３の有機トランジスタ用のダイオード負荷として構成されるものであり、前記第３の有機トランジスタおよび前記第４の有機トランジスタが、前記第１のゲートの入力電圧の上昇時に前記第２のゲートの電圧が降下し、前記第２のゲートの入力電圧の上昇時に前記第１のゲートの電圧が降下するよう、バイアス制御段として機能するように構成されるものである、ことを特徴とするものでもよい。

図１を参照して、本発明の根底にある基本原理を説明する。

図１に示す構成によって、供給線に近似し得る広範囲の出力電圧振幅を達成する。この構成は、供給線Ｖ_DD（第１の供給端子）および供給線Ｖ_SS（第２の供給端子）間に直列接続されている２つの有機トランジスタＴ１，Ｔ２から成る有機トランジスタインバータ段（図１（ａ）を参照）を中心にしている（図面では、Ｐチャネル型デバイスが示されているが、本発明の原理はＮチャネル型デバイスにも適用可能である）。これら２つの有機トランジスタＴ１，Ｔ２を連係させるノードは、この段の出力信号としての出力電圧Ｖ_OUTを形成している。一方、有機トランジスタＴ１のゲートは入力信号としての入力電圧Ｖ_INを形成している。広範囲の出力電圧振幅を達成するために、これらの有機トランジスタＴ１，Ｔ２のオン／オフ状態は相補的なものでなくてはならない。
なお、有機トランジスタＴ１が供給線Ｖ_DDに接続されているというとき、それは第１の供給端子に電気的に接続されているということと同義であるので、以降、有機トランジスタＴ２が供給線Ｖ_SSに接続されているといったとき、有機トランジスタＴ２が第２の供給端子に電気的に接続されているという意味も含む。有機トランジスタＴ３，Ｔ４等他の構成についても同様に解するものとする。

とするためには、有機トランジスタＴ１をオンにしかつ有機トランジスタＴ２をオフにしなくてはならない。一方、

とするためには、有機トランジスタＴ２をオンにしかつ有機トランジスタＴ１をオフにしなくてはならない。有機トランジスタＴ１をオンおよびオフにするための条件は簡単なものである。その理由は、入力電圧Ｖ_INは供給線Ｖ_DDに関連して定義されるからである。これに対して、有機トランジスタＴ２をオンおよびオフにするための条件は、それほど簡単ではない。その理由は、電圧Ｖ_BIASは、可変である出力電圧Ｖ_OUTに関連して定義されるからである。このことは、図１（ｂ）に図示されている。入力電圧Ｖ_INが低い場合には、出力電圧Ｖ_OUTは電圧Ｖ_BIASを高くするために供給線Ｖ_DDに近づく。一方、入力電圧Ｖ_INが高い場合には、出力電圧Ｖ_OUTは電圧Ｖ_BIASを低くするために供給線Ｖ_SSに近づく。理想の状況を点線で示した。これは、一方では供給線Ｖ_DDにそして他方では供給線Ｖ_SSに近づく最大出力電圧を特徴づけるものである。

この点から分かるのは、電圧Ｖ_BIASは入力電圧Ｖ_INに依存している必要があるということである。図１（ｃ）は、このような構成を簡略化して示している。自身の入力部において入力電圧Ｖ_INを受け取るとともに自身の出力部において電圧Ｖ_BIASを供給するバイアス制御段１０が提供される。電圧Ｖ_BIASは、入力電圧Ｖ_INとは逆に変化する。バイアス制御段１０は、インバータのように機能し、かつ、負スロープを示す伝達特性を有する。図１（ｄ）は、このような伝達特性を３つの代替形態で示している。曲線（ａ）は、直線特性であるが、曲線（ｂ）は、最初は緩やかに傾斜し、その後漸増する負スロープになる。曲線（ｃ）は、緩やかに開始し、その後比較的急な負スロープとなり、再び緩やかな傾斜に戻る。曲線（ａ）がたいていの用途の場合について充分であると思われるかもしれないが、曲線（ｂ）および曲線（ｃ）は、低いＤＣ電流消費を必要とする用途において有用である。曲線（ｂ）および曲線（ｃ）の急な負スロープ部分は、有機トランジスタＴ２の閾値電圧特性に理想的に適合するものであり、それによって、有機トランジスタＴ１および有機トランジスタＴ２の両方が同時にオンになることを防ぐものである。

なお、バイアス制御段１０は、図１１および図１２に関連して説明するレベルシフタとは異なるものである。伝達特性の勾配は、レベルシフタにおいては正である（つまり、入力が増加すると出力が増加する）。一方、バイアス制御段１０の伝達特性の勾配は負である（入力が増加すると出力は減少する）。

図２（ａ）は、図１に係る構成の第１の実施形態を示している。有機トランジスタＴ１および有機トランジスタＴ２は、図１の有機トランジスタＴ１および有機トランジスタＴ２に相当する。一方、図１（ｃ）のバイアス制御段１０は、２つの供給線間に接続されているさらなる有機トランジスタＴ３および有機トランジスタＴ４の直列構成から成る。有機トランジスタＴ１および有機トランジスタＴ３のゲートは両方とも、入力信号としての入力電圧Ｖ_INによって駆動され、有機トランジスタＴ３および有機トランジスタＴ４を連係させるノードは、有機トランジスタＴ２のゲートに給電する。有機トランジスタＴ４は、有機トランジスタＴ３用のダイオード接続負荷として構成されている。図示の例では、有機トランジスタＴ１および有機トランジスタＴ３はそれぞれ、異なる供給線Ｖ_DD2および供給線Ｖ_DD1から給電されるが、回路要件によっては同一の供給線であってもよい。

図２（ｂ）は、この構成のシミュレーションの伝達特性のグラフである。このグラフでは、供給線Ｖ_DD1および供給線Ｖ_DD2は両方とも同電位（２０Ｖ）であり、Ｖ_SS＝０Ｖである。有機トランジスタはすべてＰチャネル型デバイスであり、かつ同サイズである。曲線１１（電圧Ｖ_BIAS）は、有機トランジスタＴ２のゲート端子に供給されるバイアス制御段の出力電圧に関連する。一方、曲線１３（出力電圧Ｖ_OUT）は、バイアス制御段、すなわち有機トランジスタＴ３，Ｔ４を包含した結果得られる改善されたインバータ機能を表現している。図から分かるように、伝達特性のゲイン（すなわち勾配）のみが大幅に改善されただけではなく、出力電圧Ｖ_OUTも、入力電圧Ｖ_INの低い電圧で供給線Ｖ_DDに大幅に近似している。このことは、インバータを使用してＰチャネル画素切り替えトランジスタを駆動する場合に特に有利である。その理由は、この用途の場合、漏洩電流が可能な限り最小に抑えられるべきだからである。

図３（ａ）および図３（ｂ）は、図２の実施形態のシミュレートされた過渡応答を示している。入力電圧Ｖ_IN（図３（ａ）を参照）は、おおよそ２０Ｖの振幅の５０ｋＨＺ方形波信号である。一方、出力電圧Ｖ_OUT（図３（ｂ）を参照）は、これとは極性が反対になったものであるが、ただし、間ノードの容量チャージフィードスルー効果に起因する立下りエッジおよび幾分のオーバーシュート時には反応が遅くなる。図３（ｃ）は、直列接続された図２のインバータ構成の３つと、入力部に裏面接続された出力部とから成る３段リング発振器の出力波形を示している。振動が維持されるということが意味するのは、各段のゲインが１（unity）よりも大きいということである。この条件は、他の用途についても同様に重要である。たとえば、上記のインバータを直列接続してシフトトランジスタを形成する場合、各インバータ段のゲインが「１」よりも小さい場合、シフトレジスタの入力に供給される論理状態「１」または「０」は、出力部において「１」または「０」として識別されて出てこないだろうが、しかし、最終段（そして場合によってはそれよりも前の段のいくつか）は、供給線Ｖ_SSおよび供給線Ｖ_DD間の中間レベルになるだろう。このレベルは、図２（ｂ）に示す、電圧Ｖ_BIASの曲線のユニティゲイン負荷線１２との交点を構成する。

従来技術に係るインバータにおいては、「１」よりも大きなゲインを保証するために、有機トランジスタＴ１および有機トランジスタＴ２のサイズを適切にするとともにトランジスタの伝達特性においてゲインを充分なものにする、という措置を取らなくてはならなかった。一方、本発明のインバータにおいては、この基準はバイアス制御段を含有しただけで満たされるということがたいていの場合分かる（上述したように、図３の応答曲線は、インバータとバイアス制御段とが同じサイズのトランジスタと同じ供給電圧であることを前提としている。）。

８段動的シフトレジスタ回路が図４（ａ）に示されている。図４（ａ）では、たとえば図２の実施形態の１６個のインバータ回路が、固体スイッチによって直列接続されている。これら固体スイッチは、切り替え信号Φ₁，Φ₂によって制御される。切り替え信号Φ₁および切り替え信号Φ₂は、互いに逆位相になっている。入力端子１４の電圧は、第１のスイッチ１６によって第１のインバータ段の入力部に供給される。そして、この電圧は、この段の寄生入力容量（図示せず）を充電する。この間中、スイッチ１８は開放されている。続いて、第１のスイッチ１６が開放され、スイッチ１８が閉止される。これによって、第１の寄生容量に保持されている入力電圧が、第２の段に移動される。この第２の段において、入力電圧はこの段の寄生容量を充電する。第２の段の出力は、出力ＯＵＴ１となる。各インバータ対のうち第１のもののスイッチすべてが切り替え信号Φ₁の位相によって制御され、各インバータ対のうち第２のもののスイッチが、切り替え信号Φ₂の位相によって制御される。入力端子の電圧は、所望の出力部に現れるまで、種々の段を通過してリップルされる。

図４（ｂ）は、このシフトレジスタのシミュレートされた挙動を示している。同図において、入力パルス２０が、入力パルスが供給された後で、シフトレジスタＯＵＴ８の８クロックパルスの出力部に現れる様子が示されている。このシフトレジスタは、ディスプレイ用のゲートドライバとして好適に使用される。その理由は、出力電圧振幅が充分に大きいので、ディスプレイの画素トランジスタを確実にオンおよびオフさせることができるからである。

本発明に係るインバータ回路の第２の実施形態が、図５に示されている。この実施形態は、図２に示された第１の実施形態を洗練させたものである。その理油は、この第２の実施形態によると、さらに大きな出力電圧振幅が達成されるからである。これを達成するために、バイアス制御段は、さらなる出力段２２，２４，２６を再帰的にインクルードさせることによって増強されている。これらさらなる段はそれぞれ、直列接続された有機トランジスタ対としての「有機トランジスタＴ１１および有機トランジスタＴ１２」、有機トランジスタ対としての「有機トランジスタＴ２１および有機トランジスタＴ２２」、有機トランジスタ対としての「有機トランジスタＴ３１および有機トランジスタＴ３２」を有している。これらは、供給線Ｖ_DDおよび供給線Ｖ_SS間に接続されている。第１の実施形態のものに比べると、これら追加の段それぞれは、より広範囲の出力電圧振幅と、より大きなゲイン（より急な伝達機能勾配）とを達成するので、もとの第１のインバータ段としての有機トランジスタＴ１、第１のインバータ段としての有機トランジスタＴ２の出力電圧振幅およびゲインは、両方とも顕著に改善される。この拡張されたバイアス制御構成によって、図１（ｄ）に示す曲線（ｃ）と同様の伝達機能特性がもたらされる。各段（有機トランジスタＴ１２，Ｔ２２，Ｔ３２）の下流側のトランジスタのゲートは、その前の段の対応の出力部（一般ノード）に給電される。このことは、出力段についても当てはまる。このような図５の構成は、２つの電圧供給線それぞれがインバータ段に関する場合とバイアス制御段に関する場合とで異なっているという一般的な場合について説明するものである。しかしながら、多くの場合において、Ｖ_DD1＝Ｖ_DD2およびＶ_SS1＝Ｖ_SS2であれば充分である。

本発明の第３の実施形態が図６に示されている。第３の実施形態は、第２の実施形態に相当するが、ただし、唯一の追加のバイアス制御段および有機トランジスタＴ４が、ダイオードではなく能動負荷（定電流源）として構成されている。この能動負荷の構成において、有機トランジスタＴ４のゲートは、有機トランジスタＴ４のドレインではなくソースに接続されている。なお、追加のバイアス制御段を使用することなく能動負荷を有機トランジスタＴ４に使用することもできる。この構成は、図２（ａ）の構成に相当するが、有機トランジスタＴ４のゲートが有機トランジスタＴ４のソースに接続されている。

図７は、第４の実施形態を示す。これは、図１１（ｂ）に示したフィリップス社のデザインに基づくものである。したがって、この実施形態では、バイアス制御段は、インバータ３２に給電するレベルシフタ３０から成る。端子ＩＮの入力電圧は、レベルシフタ内の下流側のトランジスタのゲートにも有機トランジスタＴ１のゲートにも供給される。一方、有機トランジスタＴ２のゲートは、インバータ３２の出力部から給電される。この実施形態はさらに、図１（ｃ）に示した実施形態と同様のバイアス制御特性を提供する。

本発明のインバータ回路は、多くの異なる用途で使用することができる。このような構成の１つを既に説明した。すなわち、シフトレジスタ、特にディスプレイ駆動用のものがそれである。他の考えられ得る用途としては、論理ゲートがある。図８（ａ）および図８（ｂ）は、２つのこのような論理ゲートを示している。

図８は、図２に示す本発明に係る第１の実施形態に基づくＮＡＮＤゲートである。図８は、基本的に、それぞれのインバータ段に給電する２つのバイアス制御段を有している。より正確に言うと、第１のバイアス制御段４０は、上記したように電源としての供給線Ｖ_DDおよび供給線Ｖ_SS間に直列に接続された有機トランジスタＴ３および有機トランジスタＴ４とを有しており、第２のバイアス制御段４２は、同様に接続された有機トランジスタＴ３’および有機トランジスタＴ４’を有している。図示の例では、有機トランジスタＴ４および有機トランジスタＴ４’は、ダイオード接続デバイスである。しかし、これらは、代替的に、上述したように能動負荷であってもよい。２つのインバータ段は、第１のインバータ段としての有機トランジスタＴ１，Ｔ２および第２のインバータ段としての有機トランジスタＴ１’，Ｔ２’である。有機トランジスタＴ１および有機トランジスタＴ１’は並列接続されており、一方、有機トランジスタＴ２および有機トランジスタＴ２’は直列接続されている。有機トランジスタＴ１および有機トランジスタＴ３のゲートは、第１の入力としての電気量Ｖ_IN_Ａによって一緒に駆動される。一方、有機トランジスタＴ２および有機トランジスタＴ２’のゲートはそれぞれ、有機トランジスタＴ４および有機トランジスタＴ４’のソースから給電される、すなわち、各自のバイアス制御段の出力部によって給電される。

この構成の種々の論理状態が、図に添付した表に要約されており、これはＮＡＮＤ機能に相当するものであることが分かる。

図５の実施形態と同様のやり方で、ＮＡＮＤゲート構成は、所望の場合には、１つ以上の追加のバイアス制御段を、２つの既存の第１のバイアス制御段４０、第２のバイアス制御段４２それぞれに設けてもよい。各追加のバイアス制御段の１つ以上の上流側のトランジスタのゲートは、各既存の第１のバイアス制御段４０、第２のバイアス制御段４２の各上流側の有機トランジスタ、すなわち有機トランジスタＴ３および有機トランジスタＴ３’のゲートに共通で接続されており、各追加のバイアス制御段の下流側のトランジスタのソースは、後続の追加のバイアス制御段の下流側の有機トランジスタのゲートに接続されている。第１の追加のバイアス制御段の下流側の有機トランジスタのゲートは、既存の第１のバイアス制御段４０、第２のバイアス制御段４２の出力部に接続される。一方、最後の追加のバイアス制御段の出力部は、有機トランジスタＴ２，Ｔ２’のゲートに接続される。

有機トランジスタのＮＯＲゲート構成が、図９に示されている。ＮＡＮＤゲート構成の場合と同様に、この構成も、別体の第１のバイアス制御段４０、第２のバイアス制御段４２を有しているが、インバータ段は別の配置になっている。有機トランジスタＴ１および有機トランジスタＴ１’を並列接続するとともに有機トランジスタＴ２および有機トランジスタＴ２’を直列接続するのではなく、それが逆になっている。これによって、電気量Ｖ_IN_Ａ，Ｖ_IN_Ｂ，Ｖ_OUT_Ｃの種々の論理状態を示す添付の表に示されているＮＯＲ機能が向上する。ＮＡＮＤ構成と同様に、所望の場合には、最終インバータ段のゲインおよび出力電圧を改善するために、追加のバイアス制御段を含めてもよい。

図４（ａ）に示すシフトレジスタ構成を、図２に示すインバータ構成に基づいて説明してきたが、他の実施形態、たとえば図５、図６または図７に基づいていてもよい。

図２および図５と関連して、インバータ段およびバイアス制御段に給電する２つの供給線Ｖ_DDが同一であってもよいし別であってもよい、ということを既に述べ、さらに、このことは、他の実施形態、すなわち図６および図７の実施形態についても同様に当てはまると述べた。別体の供給線Ｖ_DDを使うかどうかは、ＭＯＳトランジスタの閾値電圧に大いに依存する。したがって、バイアス制御段で供給線Ｖ_DDを増加させることによって、バイアス制御段のゲイン（伝達特性）が場合によっては改善する（すなわち、図１（ｄ）の曲線（ｂ）および（ｃ）に近づく）こともある。その理由は、Ｖ_DD1＞Ｖ_DD2とすることによって供給線Ｖ_DDを増加させることで、有機トランジスタＴ１がオンになっているときには有機トランジスタＴ２は完全にオフになることが保証される。同様の状況が、供給線Ｖ_SSの場合にも生じる。したがって、Ｖ_SS1＜Ｖ_SS2とすることによって供給線Ｖ_SSを減少させることで、入力電圧Ｖ_INが高い場合に有機トランジスタＴ２をより完全にオンにすることが保証される。上述したように、このことは、図５の実施形態だけではなく他の実施形態にも同様に当てはまる。

本発明は、特に限定されることなく、シフトレジスタ、特にディスプレイを駆動するためのシフトレジスタにおいて利用することも可能である。

（ａ）〜（ｄ）は、本発明に係るインバータ回路の原理を説明するダイアグラム。（ａ）は、本発明に係るインバータ回路の第１の実施形態の回路図、（ｂ）は、（ａ）の回路についてシミュレートされた伝達特性を示すグラフ。（ａ）、（ｂ）は、図２（ａ）の回路についてシミュレートされた過渡応答を示すグラフ、（ｃ）は、３段リング発振器として構成された図２（ａ）に示されているインバータ回路のシミュレートされた応答を示すグラフ。（ａ）は、８段動的シフトレジスタの回路図、（ｂ）は、パルスが入力部に供給された際のシフトレジスタの応答特性を示す図。本発明に係るインバータ回路の第２の実施形態の回路図。本発明に係るインバータ回路の第３の実施形態の回路図。本発明に係るインバータ回路の第４の実施形態の回路図。本発明に係るインバータ回路の２つの異なる論理ゲート構成のうちの１つを示す回路図。本発明に係るインバータ回路の２つの異なる論理ゲート構成のうちの１つを示す回路図。（ａ）は、インバータの一般回路記号を示す図、（ｂ）〜（ｄ）は、公知のインバータ構成の一例を示す図。（ａ）は、レベルシフタ段から給電されるインバータの一般回路記号を示す図、（ｂ）、（ｃ）は、上流側にレベルシフタ段を有する公知のインバータ構成の一例を示す図。（ａ）は、レベルシフタ段に給電するインバータの一般回路記号を示す図、（ｂ）、（ｃ）は、下流側にレベルシフタ段を有する公知のインバータ構成の一例を示す図。

符号の説明

１０…バイアス制御段、１１，１３…曲線、１２…ユニティゲイン負荷線、１４…入力端子、１６…第１のスイッチ、１８…スイッチ、２０…入力パルス、２２，２４，２６…出力段、３０…レベルシフタ、３２…インバータ、４０…第１のバイアス制御段、４２…第２のバイアス制御段、ＩＮ…端子、ＯＵＴ１…出力、ＯＵＴ８…シフトレジスタ、Ｔ１，Ｔ２…第１のインバータ段としての有機トランジスタ、Ｔ１’，Ｔ２’…第２のインバータ段としての有機トランジスタ、Ｔ１１，Ｔ１２，Ｔ２１，Ｔ２２，Ｔ３’，Ｔ３，Ｔ３１，Ｔ３２，Ｔ４’，Ｔ４…有機トランジスタ、Ｖ_BIAS…電圧、Ｖ_DD…電源としての供給線、Ｖ_DD1，Ｖ_DD2…供給線、Ｖ_IN_Ａ…第１の入力としての電気量、Ｖ_IN_Ｂ，Ｖ_OUT_Ｃ…電気量、Ｖ_IN…入力信号としての入力電圧、Ｖ_OUT…出力信号としての出力電圧、Ｖ_SS…供給線、Φ₁，Φ₂…切り替え信号。

Claims

第１の供給端子と、
第２の供給端子と、
第１のゲートを有し、前記第１の供給端子に電気的に接続される、第１の有機トランジスタと、
前記第２の供給端子に電気的に接続されるとともに前記第１の有機トランジスタに電気的に接続され、第２のゲートを有する第２の有機トランジスタと、
第３の供給端子と、
第４の供給端子と、
前記第３の供給端子に電気的に接続される第３の有機トランジスタと、
前記第３の有機トランジスタと電気的に接続され、前記第４の供給端子に電気的に接続されている第４の有機トランジスタと、
前記第３の供給端子に電気的に接続される第５の有機トランジスタと、
前記第５の有機トランジスタと電気的に接続され、前記第４の供給端子に電気的に接続されている第６の有機トランジスタと、
前記第１のゲートに電気的に接続される入力端子と、
前記第１の有機トランジスタおよび前記第２の有機トランジスタを連係させるノードに電気的に接続されている出力端子と、を含み、
前記第１の有機トランジスタおよび前記第２の有機トランジスタが１つのインバータ段として機能するように構成されるものであり、前記第６の有機トランジスタが前記第３の有機トランジスタおよび前記第４の有機トランジスタによって制御され、前記第５の有機トランジスタ及び前記第６の有機トランジスタが前記第２のゲートに電圧を印加するものであり、前記第３の有機トランジスタ、前記第４の有機トランジスタ、前記第５の有機トランジスタおよび前記第６の有機トランジスタが、前記第１のゲートの入力電圧の上昇時に前記第２のゲートの電圧が降下し、前記第２のゲートの入力電圧の上昇時に前記第１のゲートの電圧が降下するよう、バイアス制御段として機能するように構成されるものである、
ことを特徴とするインバータ回路。
請求項１に記載のインバータ回路において、
前記第３の有機トランジスタ、前記第４の有機トランジスタ、前記第５の有機トランジスタおよび前記第６の有機トランジスタは其々、第３のゲート、第４のゲート、第５のゲートおよび第６のゲートを有し、前記第３のゲートおよび前記第５のゲートが互いに電気的に接続されるとともに前記第１のゲートに電気的に接続され、
前記第３の有機トランジスタおよび前記第４の有機トランジスタを連係させるノードが、前記第６のゲートに電気的に接続され、
前記第５の有機トランジスタおよび前記第６の有機トランジスタを連係させるノードが、前記第２のゲートに電気的に接続されている、
ことを特徴とするインバータ回路。
請求項２に記載のインバータ回路において、
前記第４の有機トランジスタが前記第３の有機トランジスタ用のダイオード接続負荷として構成されている、
ことを特徴とするインバータ回路。
請求項２に記載のインバータ回路において、
前記第４の有機トランジスタが前記第３の有機トランジスタ用の能動負荷として構成されている、
ことを特徴とするインバータ回路。
請求項２に記載のインバータ回路において、
前記バイアス制御段が、前記第３の供給端子および前記第４の供給端子間に接続されている有機トランジスタのさらなる直列構成の少なくとも１つを有し、該少なくとも１つのさらなる直列構成が、信号流を基準として、前記第５の有機トランジスタおよび前記第６の有機トランジスタを有する直列構成と前記インバータ段との間に配置される、
ことを特徴とするインバータ回路。
請求項５に記載のインバータ回路において、
前記第１の有機トランジスタおよび前記第３の有機トランジスタは其々、前記第１の供給端子および前記第３の供給端子に電気的に接続され、前記第２の有機トランジスタおよび前記第４の有機トランジスタは其々、前記第２の供給端子および前記第４の供給端子に電気的に接続され、
前記入力端子は、前記第１のゲートおよび前記第３のゲートと、前記第３の供給端子に電気的に接続されている前記さらなる直列構成の有機トランジスタのゲートの第１の群とに接続され、
前記第４の供給端子に電気的に接続されている前記さらなる直列構成の有機トランジスタのゲートの第２の群が前記最初の直列構成の各ノードに電気的に接続され、該ノードが前記最初の直列構成の前記有機トランジスタを連係させ、
前記インバータ段に最も近い前記さらなる直列構成の前記有機トランジスタを連係させる前記ノードが前記第２のゲートに電気的に接続されている、
ことを特徴とするインバータ回路。
第１の供給端子と、
第２の供給端子と、
前記第１の供給端子に電気的に接続され、第１のゲートを有する第１の有機トランジスタと、
前記第２の供給端子に電気的に接続されるとともに前記第１の有機トランジスタに電気的に接続され、第２のゲートを有する第２の有機トランジスタと、
第３の供給端子と、
前記第１の供給端子に電気的に接続され、第３のゲートを有する第３の有機トランジスタと、
前記第３の有機トランジスタに電気的に接続され、前記第２の供給端子に電気的に接続される第４の有機トランジスタと、
前記第３の供給端子に電気的に接続され、バイアス電圧が供給される第５のゲートを有する第５の有機トランジスタと、
前記第２の供給端子に電気的に接続され、前記第５の有機トランジスタに電気的に接続され、第６のゲートを有する第６の有機トランジスタと、
前記第１のゲートおよび前記第６のゲートに電気的に接続される入力端子と、
前記第１の有機トランジスタおよび前記第２の有機トランジスタを連係させるノードに電気的に接続される出力端子と、を含み、
前記第１の有機トランジスタおよび前記第２の有機トランジスタが１つのインバータ段として機能するように構成されるものであり、前記第２のゲートが前記第３の有機トランジスタおよび前記第４の有機トランジスタを連係させるノードに電気的に接続されるものであり、前記第３のゲートが前記第５の有機トランジスタおよび前記第６の有機トランジスタを連係させるノードに電気的に接続されるものであり、前記第３の有機トランジスタ、前記第４の有機トランジスタ、前記第５の有機トランジスタおよび前記第６の有機トランジスタが、前記第１のゲートの入力電圧の上昇時に前記第２のゲートの電圧が降下し、前記第２のゲートの入力電圧の上昇時に前記第１のゲートの電圧が降下するよう、バイアス制御段として機能するように構成されるものであり、前記第１のゲートが前記第６のゲートに電気的に接続されるものである、
ことを特徴とするインバータ回路。
請求項７に記載のインバータ回路において、
前記第４の有機トランジスタが前記第３の有機トランジスタ用のダイオード接続負荷として構成されている、
ことを特徴とするインバータ回路。
請求項７に記載のインバータ回路において、
前記第４の有機トランジスタが前記第３の有機トランジスタ用の能動負荷として構成されている、
ことを特徴とするインバータ回路。
インバータ回路であって、
第１の供給端子と、
第２の供給端子と、
前記第１の供給端子に電気的に接続され、第１のゲートを有する第１の有機トランジスタと、
前記第２の供給端子に電気的に接続されるとともに前記第１の有機トランジスタに電気的に接続され、第２のゲートを有する第２の有機トランジスタと、
第３の供給端子と、
第４の供給端子と、
前記第３の供給端子に電気的に接続され、第３のゲートを有する第３の有機トランジスタと、
前記第３の有機トランジスタに電気的に接続され、前記第４の供給端子に電気的に接続されている第４の有機トランジスタと、
前記第１のゲート及び前記第３のゲートに電気的に接続される入力端子と、
前記第１の有機トランジスタおよび前記第２の有機トランジスタを連係させるノードに電気的に接続されている出力端子と、を含み、
前記第１の有機トランジスタおよび前記第２の有機トランジスタが１つのインバータ段として機能するように構成されるものであり、前記第２のゲートが前記第３の有機トランジスタおよび前記第４の有機トランジスタを連係させるノードに電気的に接続されるものであり、前記第４の有機トランジスタが前記第３の有機トランジスタ用のダイオード負荷として構成されるものであり、前記第３の有機トランジスタおよび前記第４の有機トランジスタが、前記第１のゲートの入力電圧の上昇時に前記第２のゲートの電圧が降下し、前記第２のゲートの入力電圧の上昇時に前記第１のゲートの電圧が降下するよう、バイアス制御段として機能するように構成されるものである、
ことを特徴とするインバータ回路。
前記第１乃至第６の有機トランジスタが同一の極性を有していることを特徴とする請求項１に記載のインバータ回路。
請求項１に記載のインバータ回路において、
前記第１の供給端子が前記第３の供給端子と同じである、
ことを特徴とするインバータ回路。
請求項１に記載のインバータ回路において、
前記第２の供給端子が前記第４の供給端子と同じである、
ことを特徴とするインバータ回路。