KR20060049960A - 광량 검출 회로 - Google Patents

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KR20060049960A
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다까시 오가와
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산요덴키가부시키가이샤
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Abstract

박막 트랜지스터의 포토센서는, 광량은 매우 미소한 것으로, 피드백이 곤란하다. 박막 트랜지스터의 포토센서에, 출력 전류를 전압으로 변환하는 검출 회로를 부가한다. 이에 따라 미소한 전류를 피드팩이 가능한 원하는 범위의 전압으로 변환할 수 있다. 또한, 회로는 3개의 TFT 및 하나의 용량, 또는 2개의 TFT와 하나의 용량, 하나의 저항으로 구성되므로 부품 점수를 삭감할 수 있다. 또한 동작도 H 레벨의 펄스의 입력만이어도 되므로, 간이한 광량 검출 회로를 실현할 수 있다.
피드백, 박막 트랜지스터, 광량 검출 회로, 포토센서

Description

광량 검출 회로{LIGHT QUANTITY DETECTING CIRCUIT}
도 1은 본 발명의 실시 형태의 광량 검출 회로를 도시하는 회로 개요도.
도 2는 본 발명의 (A) 포토센서의 구조를 도시하는 단면도, (B)(C) 포토센서의 Id-Vg 커브를 나타내는 특성도.
도 3은 본 발명의 광량 검출 회로를 설명하는 (A) 타이밍차트, (B) 특성도, (C) 특성도.
도 4는 본 발명의 광량 검출 회로를 설명하는 특성도.
도 5는 본 발명의 제1 실시 형태의 광량 검출 회로의 다른 구성을 도시하는 회로 개요도.
도 6은 본 발명의 제1 실시 형태의 광량 검출 회로의 다른 구성을 도시하는 회로 개요도.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태의 광량 검출 회로를 도시하는 회로 개요도.
도 8은 본 발명의 광량 검출 회로를 이용한 디스플레이 디바이스를 설명하는 (A) 외관도, (B) 검출 플로우도.
도 9는 본 발명의 광량 검출 회로를 이용한 디스플레이 디바이스를 설명하는 단면도.
도 10은 종래의 포토센서를 도시하는 개요도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 제1 스위칭 트랜지스터
2 : 제2 스위칭 트랜지스터
3 : 저항체
5 : 포토센서
10 : 기판
11, 111 : 게이트 전극
12 : 게이트 절연막
13, 113 : 반도체층
13s, 113s : 소스
13d, 113d : 게이트
13c, 113c : 채널
13LD LDD : 영역
14 : 버퍼층
15 : 층간 절연막
16, 116 : 드레인 전극
18, 118 : 소스 전극
20 : 디스플레이 디바이스
21 : 표시 영역
22 : H 스캐너
23 : V 스캐너
30 : 표시 화소
100 : 광량 검출 회로
120 : 투명 전극
GL : 게이트선
DL : 드레인선
T1 : 제1 전원 단자
<특허 문헌1> 일본 특개평6-11713 공보
<특허 문헌2> 일본 특개2002-176162 공보
<특허 문헌3> 일본 특개2003-37261호 공보
본 발명은, 포토센서의 광량 검출 회로에 관한 것으로, 특히 박막 트랜지스터를 이용한 포토센서의 광량 검출 회로에 관한 것이다.
현재의 디스플레이 디바이스는, 소형화·경량화·박형화의 시장 요구에 의해, 플랫 패널 디스플레이가 보급되고 있다. 이러한 디스플레이 디바이스에는, 예를 들면 외광을 검지하여 디스플레이의 화면의 휘도를 컨트롤하는 것 등, 포토센서가 내장되어 있는 것이 많다.
예를 들면 도 10은, 액정 디스플레이(LCD)(305)에 광 센서(306)를 부착하여, 수광하는 주위의 광에 따라 LCD 디스플레이면의 백라이트 휘도를 제어하는 디스플레이 장치이다. 이 포토센서로서는 예를 들면 Cds 셀의 광전 변환 소자가 이용되고 있다(예를 들면 특허 문헌1 참조).
또한, LCD나, 유기 EL 디스플레이와 동일 기판 상에 반도체층을 형성하여 포토다이오드를 형성하거나(예를 들면 특허 문헌2 참조), 박막 트랜지스터를 포토센서로서 이용하는 기술도 알려져 있다(예를 들면 특허 문헌3 참조).
도 10과 같은 디스플레이에서는, 디스플레이부와 포토센서가, 별개의 생산 설비에 의한 별개의 제조 프로세스를 거쳐 별개의 모듈품으로서 제조되고 있어서, 기기의 부품 점수의 삭감, 각 모듈 부품의 제조 호스트의 저감에도 자연히 한계가 있었다.
따라서, 디스플레이와 포토센서를 동일 기판 상에 만들어 넣은 상기 특허 문헌2와 같은 기술의 개발이 진행되고 있다. 다이오드를 포토센서로서 이용하는 경우, 다이오드의 역바이어스 시의 누설 전류를 광량으로서 검지하지만, 이러한 경우, 소정의 기간에서 강제적으로 리프레시하는 등 하여, 포토센서로서의 특성 향상이나, 포토센서의 장수명화를 꾀하려는 요망이 있다.
그러나 다이오드의 경우, 게이트 전극과 소스(또는 드레인)가 접속되어 있기 때문에 게이트 전극과 소스는 항상 동일 전위로 되어, 게이트 전극과 소스에 독립적으로 전압을 인가할 수 없어, 리프레시할 수 없다. 또한, pn 접합형의 다이오드 인 경우, 광이 닿지 않을 때의 누설 특성이 불안정하기 때문에, 포토센서에는 부적당한 문제가 있었다.
또한, 박막 트랜지스터를 이용하여, 오프 시에 조사한 광에 의한 누설 전류를 광량으로서 검지하는 포토센서도 알려져 있지만, 이 경우의 광량은 매우 미소한 것으로, 피드백이 곤란하다는 문제가 있었다.
본 발명은 상기의 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 첫째, 기판 상에 게이트 전극과, 절연막과 반도체층을 적층하고, 상기 반도체층에 형성된 채널과, 그 채널의 양측에 형성된 소스 및 드레인을 갖는 박막 트랜지스터로 이루어지고, 수광한 광을 전기 신호로 변환하는 포토센서와, 제1 스위칭 트랜지스터와, 제2 스위칭 트랜지스터와, 저항체와, 용량을 구비하고, 고전위의 제1 전원 단자 및 저전위의 제2 전원 단자 사이에 상기 제1 스위칭 트랜지스터와 상기 포토센서를 직렬 접속하고, 상기 제1 전원 단자 및 상기 제2 전원 단자 사이에 상기 제2 스위칭 트랜지스터와 상기 저항체를 직렬 접속하고, 상기 용량의 일단은 제1 접속점에 의해 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 제어 단자에 접속되고, 타단은 상기 제1 전원 단자 또는 제2 전원 단자에 접속되고, 상기 제1 스위칭 트랜지스터를 도통시켜 상기 제1 접속점의 전위를 어느 하나의 상기 전원 단자의 전위로 충전하고, 상기 제1 스위칭 트랜지스터를 차단하여, 상기 포토센서로부터의 방전에 의해 상기 제1 접속점의 전위를 변동시키고, 상기 제1접속점의 전위에 의해 상기 제2 스위칭 트랜지스터를 도통시키거나 또는 차단하여, 상기 제2 스위칭 트랜지스터 및 상기 저항의 제2 접속점으로 부터 출력 전압을 검출함으로써 해결하는 것이다.
또한, 상기 제2 스위칭 트랜지스터는, 상기 제1 전원 단자측에 접속되는 경우에는 p 채널형 트랜지스터이고, 상기 제2 전원 단자측에 접속되는 경우에는 n 채널형 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 상기 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터는 박막 트랜지스터로 형성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 상기 저항체는 정전압이 제어 단자에 인가되는 박막 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 상기 정전압을 변동시킴으로써 상기 출력 전압의 검출 감도를 조절하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 상기 저항체는, 저항값이 103Ω∼108Ω 정도인 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 상기 저항값을 변화시킴으로써 상기 출력 전압의 검출 감도를 조절하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 소정의 기간에 상기 제1 스위칭 트랜지스터에 펄스를 입력하여, 상기 제1 접속점의 전위를 어느 하나의 상기 전원 단자의 전위로 리세트하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 상기 반도체층은, 상기 소스와 상기 채널 사이 또는 상기 드레인과 상기 채널 사이의 접합 영역에서 광을 직접 수광하여, 포토커런트를 발생시키는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 상기 반도체층의 상기 소스와 상기 채널 사이 또는 상기 드레인과 상기 채널 사이에 저농도 불순물 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 것이다.
또한, 상기 저농도 불순물 영역은, 입사광에 의해 발생한 포토커런트를 출력하는 측에 형성되는 것을 특징으로 하는 것이다.
본 발명의 실시 형태를 도 1 내지 도 9를 참조하여 상세히 설명한다.
도 1은 본 실시 형태의 광량 검출 회로를 도시하는 개요도이다.
본 실시 형태의 광량 검출 회로(100)는, 포토센서(5)와, 용량 C와, 제1 스위칭 트랜지스터(1), 제2 스위칭 트랜지스터(2)와, 제1 접속점 n1과, 제2 접속점 n2와, 저항체 (3)와, 제1 전원 단자 T1과 제2 전원 단자 T2를 갖는다.
제1 전원 단자 T1은 제2 전원 단자 T2보다 고전위이면 되고, 본 실시 형태에서는 일례로서 제1 전원 단자 T1을 VDD 전위, 제2 전원 단자 T2를 GND 전위로서 설명한다.
제1 스위칭 트랜지스터(1)는 입력 신호 Vpulse가 제어 단자에 입력됨으로써 도통되며, 포토센서(5)와 직렬 접속된다. 그리고 양자는 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다.
또한 제2 스위칭 트랜지스터(2)와 저항체(3)는 직렬 접속되고, 이들도 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다.
용량 C는 일단이 제1 접속점 n1에 의해 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 제어 단자에 접속되고, 타단이 제1 전원 단자 T1 또는 제2 전원 단자 T2에 접속된다. 용 량 C는, 제1 스위칭 트랜지스터(1)가 도통됨으로써 충전되어, 제1 접속점 n1의 전위를 변동시킨다.
이하, 구체적으로 설명한다. 용량 C는, 제1 접속점 n1에 의해 포토센서(5)의 출력 단자와 일단이 접속되고, 타단이 제1 전원 단자 T1에 접속된다. 그리고 용량 C와 병렬로 제1 스위칭 트랜지스터(1)가 접속된다. 제1 스위칭 트랜지스터(1)의 제어 단자에는, 소정의 기간에 펄스가 입력된다.
제2 스위칭 트랜지스터(2)는, 제1 전원 단자 T1과 제2 전원 단자 T2 사이에 직렬로 접속되고, 그 제어 단자에는 제1 접속점 n1로부터의 출력이 인가된다. 일례로서 제1 스위칭 트랜지스터(1)는, n 채널형의 박막 트랜지스터(Thin Film Transistor ; 이하 TFT라고 칭함)이고, 제2 스위칭 트랜지스터(2)는, p 채널형의 TFT이다. 이들 구조는, 후술하는 포토센서(5)와 마찬가지이다.
저항체(3)는, 제2 접속점 n2에 의해 일단이 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 일단과 접속되고, 타단은 제2 전원 단자 T2와 접속되어 접지된다. 저항체(3)는 예를 들면 p 채널형의 TFT로서, 그 제어 단자에는 정전압 Va가 인가된다. 이와 같이 TFT의 소스-드레인 사이가 고저항으로 되도록, 게이트 전압 Va를 고정하면 TFT를 저항으로서 이용할 수 있다. 이에 의해, 제2 접속점 n2로부터는 포토센서(5)에 의해 검지한 포토커런트가 전압으로 변환되어 출력되고, 정전압 Va의 변동에 의해 출력되는 전압도 변동한다. 또한, 이 경우 소스-드레인 사이의 저항값은 103Ω∼108Ω 정도로 한다.
이와 같이 제1 전원 단자 T1과 제2 전원 단자 T2 사이에 높은 저항값을 갖는 저항체(3)를 접속함으로써, 포토센서(5)에 의해 검지한 포토커런트를 전원 전위 VDD와 접지 전위 GND 사이의 전위차의 분압으로서 출력할 수 있다. 제1 전원 단자 T1, 제2 전원 단자 T2 사이의 전압은, 피드백으로서의 이용이 용이한 범위로 설정하면 된다. 또한, 정전압 Va의 변동이나 상세한 회로 동작에 대해서는 후술하겠다.
도 2를 참조하여, 본 실시 형태의 포토센서(5)에 대하여 설명한다. 도 2의 (A)는 포토센서(5)의 구조를 도시하는 단면도이고, 도 2의 (B)(C)는 포토센서(5)로 되는 TFT의 전류 전압 특성을 도시하는 도면이다.
포토센서(5)는, 도 2의 (A)와 같이 게이트 전극(11)과, 절연막(12)과, 반도체층(13)으로 구성되는 TFT이다.
즉, 석영 글래스, 무알카리 글래스 등으로 이루어지는 절연성 기판(10) 상에 버퍼층으로 되는 절연막(SiN, SiO2 등)(14)을 형성하고, 그 상층에 다결정 실리콘(Poly-Silicon, 이하 「p-Si」라고 칭함)막으로 이루어지는 반도체층(13)을 적층한다. 이 p-Si 막은, 비정질 실리콘막을 적층하여, 레이저 어닐링 등에 의해 재결정화하여 형성해도 된다.
반도체층(13) 상에는 SiN, SiO2 등으로 이루어지는 게이트 절연막(12)을 적층하고, 그 위에 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등의 고융점 금속으로 이루어지는 게이트 전극(11)을 형성한다.
반도체층(13)에는, 게이트 전극(11) 하방에 위치하고, 진성 또는 실질 진성으로 되는 채널(13c)이 형성된다. 또한, 채널(13c)의 양측에는 n+형 불순물의 확산 영역인 소스(13s) 및 드레인(13d)이 형성된다.
게이트 절연막(12) 및 게이트 전극(11) 상의 전면에는, 예를 들면 SiO2막, SiN막, SiO2막의 순으로 적층하여 층간 절연막(15)을 적층한다. 게이트 절연막(12) 및 층간 절연막(15)에는, 드레인(13d) 및 소스(13s)에 대응하여 컨택트 홀을 형성하고, 컨택트홀에 알루미늄(Al) 등의 금속을 충전하여 드레인 전극(16) 및 소스 전극(18)을 형성하고, 각각 드레인(13d) 및 소스(13s)에 컨택트시킨다.
상기한 구조의 p-SiTFT에서는, TFT가 오프 시에 반도체층(13)에 외부로부터 광이 입사하면, 채널(13c)과 소스(13s) 또는 채널(13c)과 드레인(13d)의 접합 영역에서 전자-정공쌍이 발생한다. 이 전자-정공쌍이 접합 영역의 전장 때문에 분리되어 광기전력이 발생하여 포토커런트가 얻어지는데, 포토커런트는 예를 들면 소스 전극(18)측으로부터 출력된다.
즉, 이 오프 시에 얻어지는 포토커런트(이하 Ioff라고 칭함)의 증가를 검지하여, 포토센서로서 이용하는 것이다.
여기서, 반도체층(13)에는, 저농도 불순물 영역을 형성하면 된다. 저농도 불순물 영역이란, 소스(13s) 또는 드레인(13d)의 채널(13c)측에 인접하여 형성되고, 소스(13s) 또는 드레인(13d)보다 불순물 농도가 낮은 영역을 말한다. 이것을 형성함으로써, 소스(13s)(또는 드레인(13d)) 단부에 집중되는 전계를 완화시킬 수 있다. 단 불순물 농도를 너무 내리면 전계가 증가하고, 또한 저농도 불순물 영역의 폭(소스(13s) 단부로부터 채널(13c) 방향으로의 길이)도 전계 강도에 영향을 준다. 즉, 저농도 불순물 영역의 불순물 농도 및 영역 폭에는 최적값이 존재하는데, 예를 들면 0.5㎛∼3㎛ 정도이다.
본 실시 형태에서는 예를 들면 채널(13c)과 소스(13s) 사이(또는 채널(13c)과 드레인(13d) 사이)에, 저농도 불순물 영역(13LD)을 형성하여, 소위 LDD(Light Doped Drain) 구조로 한다. LDD 구조로 하면, 포토커런트의 발생에 기여하는 접합 영역을 게이트 길이 L 방향으로 증가시킬 수 있으므로, 포토커런트가 발생하기 쉽게 된다. 즉, 적어도 포토커런트의 취출측에, 저농도 불순물 영역(13LD)을 형성하면 된다. 또한, LDD 구조로 함으로써 Vg-Id 특성의 OFF 특성(검출하는 영역)이 안정되어, 안정된 디바이스로 된다.
도 2의 (B)(C)는, 포토센서(5)로 되는 TFT의 Vg-Id 커브를 도시하는데, 도 2의 (B)는, 게이트 폭 W가 600㎛인 것이며, 도 2의 (C)는 6㎛인 것이다. 또한, 모두 게이트 길이 L은 13㎛이다. 이 그래프는, 일례로서 n 채널형의 TFT를 이용하여, 드레인 전압 Vd=10V, 소스 전압 Vs=GND의 조건에서, 입사광이 있는 경우(실선)와, 입사광이 없는 경우(파선)를 나타낸다.
도면에서는 게이트 전압 Vg=0V∼-1V 이하에서 오프 상태로 되고, 게이트 전압 Vg가 임계값을 초과하면 TFT가 온 상태로 되어 Id가 증가한다. 예를 들면 TFT가 완전하게 오프 상태인 Vg=-3V 부근에 주목하면, 도 2의 (B)의 경우, 입사광이 없는 경우에 1×10-12A 정도의 드레인 전류 Id가, 광이 닿는 것에 의해 1×10-9A 정도까지 증가한다. 이 입사광에 의해 증가한 드레인 전류 Id는 Ioff이다.
한편, 도 2의 (C)와 같이, 게이트 폭 W가 작은 경우, 입사광이 없는 경우 1×10-14A의 드레인 전류 Id는, 광의 입사에 의해 1×10-11A로 된다.
이와 같이, 게이트 폭 W를 크게 함으로써, 동일한 광량이면 게이트 폭 W가 작은 경우와 비교하여 큰 Ioff를 얻을 수 있다.
그러나, 어떠한 경우에도 Ioff로서 검지할 수는 있지만, 이 레벨의 오더에서는, 피드백이 곤란하다.
따라서, 본 실시 형태에서는, 도 1과 같이 상기한 포토센서(5)의 미소한 전류를 판독하기 위한 회로를 제공하여, 피드백을 위한 충분한 광량의 검출을 가능하게 하였다.
또한, 도 1에 도시하는 회로의 포토센서(5)는, 하나 이상, 500개 미만 정도의 상기의 TFT로 이루어지고, 복수개의 경우에는 게이트 전극(11)을 공통으로 하여, 병렬로 접속한 것이다. 본 실시 형태에서는 일례로서 100개의 TFT가 병렬 접속되는 것으로 한다.
또한, 본 실시 형태에서는 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터(1, 2)도, 도 2의 포토센서(5)와 마찬가지의 박막 트랜지스터이다. 그리고 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터(1, 2)도 소위 LDD 구조로 하면, 소스(또는 드레인) 단부에 집중되는 전계를 완화시킬 수 있기 때문에 적합하다.
또한, 광량 검출 회로(100)를 구성하는 포토센서(5) 이외의 TFT는, 도면과 같이 반도체층(13)의 상층에 게이트 전극(11)을 배치한 소위 톱 게이트 구조이어도 되고, 반도체층(13)의 하층에 게이트 전극(11)을 배치한 보텀 게이트 구조이어도 된다. 포토센서(5) 이외의 TFT가 톱 게이트 구조인 경우, 이들에는 차광층을 형성하면 된다. 차광층은, 예를 들면, 반도체층의 상하에 게이트 전극을 배치하는 등 하여, 하층의 게이트 전극을 차광층으로 하는 것이 생각되어진다. 그 경우 차광층으로 되는 게이트 전극의 전위는 플로팅, 혹은 상층의 게이트 전극과 공통, 또는 상이한 전위로 하는 등, 회로 구성에 따라 적절하게 선택한다.
도 3 및 도 1을 참조하여, 이하에 광량 검출 회로(100)의 동작을 설명한다. 도 3의 (A)는 타이밍차트이고, 도 3의 (B)(C)는 출력 전압 Vout의 출력예이다.
제1 스위칭 트랜지스터(1)의 제어 단자, 즉 게이트 전극에 소정 전압 Vpulse(H 레벨)의 펄스를 일정 기간 입력한다. H 레벨의 펄스의 입력 기간 동안, 제1 스위칭 트랜지스터의 도통은 유지된다. 이에 따라 용량 C에는 전원 전위 VDD가 충전된다.
펄스가 L 레벨(0V)로 되면 제1 스위칭 트랜지스터(1)가 차단된다. 본 실시 형태는 제1 접속점 n1을 기준 전위(VDD 전위)로 하고, 포토센서(5)로부터의 방전에 의해 제1 접속점 n1의 전위를 강하시켜 출력 전압을 얻는다.
포토센서(5)에 광이 조사되면, 예를 들면 10-14A∼10-9A 정도의 매우 미소한 Ioff가 출력된다. Ioff는 전술한 바와 같이, 포토센서(5)를 구성하는 TFT의 오프 시에 조사된 광량에 의해 발생하는 암 전류이다. 즉, 광에 의해 포토센서(5)를 구성하는 TFT로부터 누설되는 전류를 검지하여 광량을 검출하고 있다. 따라서, 포토센서(5)에 광이 조사되면, 그 광량에 따른 전하가 포토센서(5)로부터 방전되어, 도 3의 (A)의 실선 a로 나타낸 바와 같이 제1 접속점 n1의 기준 전위(VDD 전위)가 강하해 간다.
제2 스위칭 트랜지스터(2)는 p 채널형 TFT로서, 그 제어 단자(게이트 전극)는 제1 접속점 n1에 접속되어 있다. 즉, 제1 접속점 n1의 전위가 강하하여 임계값 전압 VTH 이하로 되면, 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 도통된다.
저항체(3)는, 트랜지스터이지만, 정전압 Va에 의해 도통되어, 정전압 Va에 따른 채널이 형성되어 있어, 저항값이 일정한 저항체로서 볼 수 있다. 즉 출력 전압 VOUT는, 제1 전원 단자 T1과 제2 전원 단자 T2의 전위차를, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 저항값과 저항체(3)의 저항 분압으로 출력하게 된다. 즉, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 도통 이전에는, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 저항값이, 저항체(3)의 저항값보다 충분히 커, 제2 접속점 n2는 제2 전원 단자 T2에 보다 가까운 전압으로 된다. 한편 도통되면, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 저항값은, 저항체(3)의 저항값보다 충분히 작게 되어, 제2 접속점 n2는 제1 전원 단자 T1에 가까운 전압으로 된다.
즉, 포토센서(5)에 의해 검지한 포토커런트를, 전원 전위 VDD와 접지 전위 GND 사이의 전위차의 분압으로서, 전원 전위 VDD에 가까운 출력 전압 Vout로서 검출할 수 있다.
여기서, 저항체(3)의 저항값은 매우 고저항이므로, 미소한 포토커런트라도 피드백이 용이할 정도로 충분히 큰 값의 출력 전압 Vout을 얻을 수 있다.
이와 같이 본 실시 형태의 광량 검출 회로(100)는, 제1 스위칭 트랜지스터(1)에 전압 Vpulse의 펄스를 입력하는 것만으로 동작 가능하다. 또한, 회로를 구성하는 구성 요소도 겨우 3개의 TFT와 하나의 용량으로 실현할 수 있어, 부품 점수를 삭감할 수 있다.
도 3의 (B)(C)는, 광량에 의한 출력 전압 Vout의 출력예를 도시한다. 그래프의 X 축은 시간을 나타내고, Y 축은 출력 전압 Vout을 나타내고 있다. 실선 a, 파선 a'는 저항체(3)의 정전압 Va가 동일한 값이지만 포토센서(5)에 의해 검출한 광량이 다른 경우이며, 실선 a, b는 각각 저항체(3)의 정전압 Va가 상이한 경우를 나타낸다.
이 그래프로부터, 광량 및 저항체(3)의 Va의 값(Va값)과, 출력 전압 Vout이 출력되고 있는 시간과의 관계가 분명하게 된다.
우선, 도 3의 (B)를 참조하여 동일한 Va값이며 광량이 큰 경우(실선 a)와 광량이 작은 경우(파선 a')에 대하여 설명한다.
전술한 바와 같이 입력 신호 Vpluse에 의해 기준 전위 VDD로 인상된 제1 접속점 n1의 전압은, 포토센서(5)에 의해 검지하는 광량에 따라 감소한다(도 3의 (A)에서 실선 a). 그리고 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 임계값 전압을 하회하면 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 온되어, 제1 전원 단자 T1로부터 저항체(TFT)(3)에 전류가 흐른다(도 3의 (B) : t1). TFT(3)은 게이트 전압 Va에 따른 채널이 형성되어 소정 의 시간이 경과하면 TFT(3)를 흐르는 전류가 포화 상태로 된다. 이에 따라 일정한 저항값을 갖는 저항체(3)로 되고, 그 시점에서 전원 전압 VDD와 저항체(3)의 분압으로서 제2 접속점 n2로부터 출력 전압 Vout를 검출할 수 있다(도 3의 (B) : t2).
또한 어느 정도의 시간이 경과한 후, 제1 스위칭 트랜지스터(1)에 Vpulse가 입력되면 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 오프로 되므로, 출력 전압 Vout은 거의 0V로 된다(t3). 즉, 출력 전압 Vout이 검출되고 있는 시간(H 레벨), 출력 전압 Vout이 검출되지 않는 시간(L 레벨)으로서 이치(二値)로 검출할 수 있다.
한편 파선 a'과 같이 광량이 적은 경우에는 포토센서(5)의 방전량도 적어지므로, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 임계값 전압에 도달하는 시간이 실선 a보다 늦어진다. 즉, 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 온되는 타이밍이 늦어지고(t4), 출력 전압 Vout이 H 레벨로 되는 타이밍이 늦어진다(t5). 일정 주기에서 제1 스위칭 트랜지스터(1)에 입력되는 Vpluse에 의해, 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 오프되고, 출력 전압 Vout은 L 레벨로 된다(t3). TFT(3)을 흐르는 전류가 포화 상태로 되는 시간은 거의 일정하므로, 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 온되는 타이밍의 지연은, 출력 전압 Vout가 H 레벨로 되어 있는 기간이 짧아지는 것을 나타낸다.
또한, H 레벨의 기간이 길면 그만큼 출력 전압 Vout을 검출할 수 있는 타이밍이 긴 것으로 되므로, 광량 검출 회로로서의 감도가 좋은 것으로 된다. 따라서, 본 실시 형태의 광량 검출 회로(100)는, 광량의 대소(실선 a, 파선 a')에 의해 감도를 바꿀 수 있다.
이어서, 도 3의 (C)를 참조하여 동일한 광량으로 Va값이 큰 경우(실선 a)와 Va값이 작은 경우(실선 b)에 대하여 설명한다.
전술한 바와 같이 입력 신호 Vpluse 입력에 의해 기준 전압 VDD로 인상된 제1 접속점 n1의 전압은, 포토센서(5)에 의해 검지하는 광량에 따라 감소한다(도 3의 (A)에서 실선 a). 그리고 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 임계값 전압을 하회하여 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 온되면, 제1 전원 단자 T1로부터 저항체(TFT)(3)에 전류가 흐른다(도 3의 (C) : t11). TFT(3)는 큰 게이트 전압 Va1에 따른 채널이 형성되어 소정의 시간이 경과하면 흐르는 전류가 포화 상태로 된다. 이에 따라 일정한 저항값을 갖는 저항체(3)로 되고, 그 시점에서 전원 전압 VDD와 저항체(3)의 분압으로서 제2 접속점 n2로부터 출력 전압 Vout를 검출할 수 있다(도 3의 (C) : t12).
또한 어느 정도의 시간이 경과한 후, 제1 스위칭 트랜지스터(1)에 Vpulse가 입력되면 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 오프로 되므로, 출력 전압 Vout는 거의 0V로 된다(t13). 즉, 출력 전압 Vout이 검출되어 있는 시간(H 레벨), 출력 전압 Vout이 검출되지 않는 시간(L 레벨)으로서 이치로 검출할 수 있다.
한편 실선 b와 같이 Va값이 낮은 (Va2) 경우에는, 광량이 동일하면 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 임계값 전압에 도달하는 시간은 실선 a와 거의 동시로 된다. 따라서, 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 온되는 타이밍도 동시로 된다(t11).
제2 스위칭 트랜지스터(2)가 온되면, 제1 전원 단자 T1로부터 저항체(TFT)(3)에 전류가 흐른다. TFT(3)는 낮은 게이트 전압 Va2에 따른 채널이 형성되어 소정의 시간이 경과하면 흐르는 전류가 포화 상태로 되고, 이후에는 저항체(3)의 저항값에 따른 분압으로 출력 전압 Vout를 검출할 수 있다(t14).
또한 어느 정도의 시간이 경과한 후, 제1 스위칭 트랜지스터(1)에 Vpulse가 입력되면 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 오프로 되므로, 출력 전압 Vout은 거의 0V로 된다(도 3의 (C) : t13).
여기서, 게이트 전압 Va2가 낮으면 채널폭도 좁아지므로, TFT(3)를 흐르는 전류가 포화 상태로 되는 시간이 게이트 전압 Va1의 경우보다도 빠르게 된다. 따라서, 출력 전압 Vout을 검출할 수 있는 타이밍이 빨라져, H 레벨로 되는 기간이 길어진다(t12→t14).
즉, Va값이 낮으면 광량 검출 회로(100)의 감도가 향상하여, Va값의 변동에 의해 감도를 조절할 수 있다.
도 4를 참조하여, 더 설명한다. 도 4의 (A)는, TFT(3)의 게이트 전압 Va와 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 Vd-Id 특성의 일례를 도시한다. 실선 c, d가 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 Vd-Id 특성이고, 점선 Va3, Va4는 TFT(3)의 Vd-Id 특성이다. 또한 도 4의 (B)는, 도 4의 (A)와 대응시켜 도 3의 (C)의 출력예의 X 축 및 Y 축을 교체한 모식도이다. 실선 c, d는 광량이 상이하며, 광량 d는 광량 c보다 많다. 또한, 점선 Va3, Va4는 게이트 전압이고, 게이트 전압 Va4는 게이트 전압 Va3보다 큰 것으로 한다.
도 4의 (A)(B)와 같이 게이트 전압 Va3의 경우, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 선형 영역에서 광량 c, d와의 교점 x1이 있고, 광량 c, d 모두 출력 전압 Vout을 H 레벨로서 검지할 수 있다. 그리고 광량 d가 광량 c보다도 검출 기간이 더 길어진다.
한편 도 4의 (C)와 같이, 게이트 전압 Va를 너무 크게 하면(Va4), 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 선형 영역에서의 교점 x2는 광량 d만으로 된다. 광량 c는 TFT(3)의 포화 상태에서 제2 스위칭 트랜지스터(2)도 포화 상태로 되기 때문에, 출력 전압 Vout을 검출할 수 없는 것을 알 수 있다. 또한, 광량 d의 검출 기간도 짧아진다.
따라서, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 선형 영역에서 TFT(3)의 Vd-Id 커브가 교차하도록, Vpulse, Va를 적절하게 선택한다.
이와 같이, 본 실시 형태의 광량 검출 회로(100)에서는, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 온·오프에 의한 이치적인 출력을 얻을 수 있다. 따라서, 임의의 타이밍에서의 포토센서(5)의 온/오프를 판정하는 경우에 이용할 수 있다.
그리고, 저항체로 되는 TFT(3)의 게이트 전압 Va를 조정함으로써, 광량 검출 회로(100)의 출력 전압 Vout의 검출 감도를 바꿀 수 있다.
특히 포토커런트는 TFT의 암전류이기 때문에, 그 값에 변동이 발생한다. 그러나, 저항체(3)의 게이트 전압 Va에 의해 출력 전압 Vout의 검출 감도를 조절할 수 있으므로, 복수의 광량 검출 회로(100)의 검출 감도를 일정하게 할 수 있다. 따라서, 성능의 변동이 적은 광량 검출 회로(100)를 제공할 수 있다.
또한 한편, 적산 면적을 산출하는 등 하여, 출력 전압 Vout의 아날로그 출력도 가능하게 되므로, 임의의 타이밍에서의 광량을 정량적으로 검출하는 경우에 이용할 수 있고, 범용성이 높은 광량 검출 회로(100)를 실현할 수 있다.
본 실시 형태에서는, 저항체(3)의 게이트 전압 Va뿐만 아니라, 포토센서(5) 의 접속 수, 입력 신호 Vpulse의 주기, 용량 C의 크기에 의해서도 검출 감도를 조정할 수 있다. 포토센서(5)의 접속수는 외광을 검지했을 때의 방전량에 기여하고, 입력 신호 Vpulse의 주기는 도 3과 같이 출력 전압 Vout이 H 레벨인 기간에 기여한다. 또한 용량 C의 크기는, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 게이트 전극에 인가되는 전위이고, V=Q/C의 관계로부터 용량 C로부터 전하가 방전됨으로써 전위가 변동한다. 즉, 용량 C가 작은 쪽이 검출 감도를 더 높일 수 있다.
이상, 도 1에 도시하는 광량 검출 회로를 예로 설명했지만, 본 실시 형태의 광량 검출 회로는 이 구성에 한하지 않는다. 즉, 제1 스위칭 트랜지스터(1)를 도통시켜 제1 접속점 n1의 전위를 제1 전원 단자 T1 또는 제2 전원 단자 T2의 전위로 충전하고, 제1 스위칭 트랜지스터를 차단하여, 포토센서(5)로부터의 방전에 의해 제1 접속점 n1의 전위를 변동시키고, 그 전위에 의해 제2 스위칭 트랜지스터(2)를 도통시키거나 또는 차단시켜 제2 스위칭 트랜지스터(2) 및 저항체(3)의 제2 접속점 n2로부터 출력 전압을 검출하는 것이면 된다.
도 5 및 도 6에는 제1 실시 형태의 광량 검출 회로의 다른 구성을 도시한다. 우선 도 5는 출력 전압 Vout을 제1 전원 전위 VDD에 가까운 전위로 검출할 수 있는 회로이다.
도 5의 (A) : 제1 스위칭 트랜지스터(1)는 포토센서(5)와 직렬 접속되고, 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다. 제2 스위칭 트랜지스터(2)와 저항체(3)는 직렬 접속되고, 이들도 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다. 제2 스위칭 트랜지스터(2)는 p 채널형 TFT이고, 저항체(3)는 n 채 널형 TFT이다. 용량 C는 포토센서(5)와 병렬 접속되어 있고, 일단이 제1 접속점 n1에 의해 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 제어 단자에 접속되고, 타단이 제2 전원 단자 T2에 접속된다.
제1 스위칭 트랜지스터(1)의 제어 단자, 즉 게이트 전극에 소정 전압 Vpulsc(H 레벨)의 펄스를 일정 기간 입력한다. H 레벨의 펄스의 입력 기간, 제1 스위칭 트랜지스터(1)의 도통은 유지된다. 이에 따라 용량 C에는 전원 전위 VDD가 충전된다.
펄스가 L 레벨(0V)로 되면 제1 스위칭 트랜지스터(1)가 차단된다. 포토센서(5)에 광이 조사되면, 그 광량에 따른 전하가 포토센서(5)로부터 방전되어, 제1 접속점 n1의 기준 전위(VDD)가 강하해 간다.
제2 스위칭 트랜지스터(2)는, 제1 접속점 n1의 전위가 강하하여 임계값 전압 VTH 이하로 되면 도통된다. 이에 의해, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 저항값은, 저항체(3)의 저항값보다 충분히 작게 되어, 제2 접속점 n2는 제1전원 단자 T1에 가까운 전압으로 된다. 즉, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 도통에 의해, 포토센서(5)에 의해 검지한 포토커런트를 전원 전위 VDD와 접지 전위 GND 사이의 전위차의 분압으로서, 전원 전위 VDD에 가까운 전위에서 출력 전압 Vout을 출력할 수 있다.
도 5의 (B) : 제1 스위칭 트랜지스터(1)는 포토센서(5)와 직렬 접속되고, 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다. 제2 스위칭 트랜지스터(2)와 저항체(3)는 직렬 접속되고, 이들도 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다. 제2 스위칭 트랜지스터(2)는 n 채널형 TFT이고, 저항체(3)도 n 채 널형 TFT이다. 용량 C는 제1 스위칭 트랜지스터(1)와 병렬 접속되어 있으며, 일단이 제1 접속점에 의해 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 제어 단자에 접속되고, 타단이 제1 전원 단자 T1에 접속된다.
제1 스위칭 트랜지스터(1)의 제어 단자, 즉 게이트 전극에 소정 전압 Vpulse(H 레벨)의 펄스를 일정 기간 입력한다. H 레벨의 펄스의 입력 기간, 제1 스위칭 트랜지스터의 도통은 유지된다. 이에 따라 용량 C에는 전원 전위 VDD가 충전된다.
펄스가 L 레벨(0V)로 되면 제1 스위칭 트랜지스터(1)가 차단된다. 포토센서(5)에 광이 조사되면, 그 광량에 따른 전하가 포토센서(5)로부터 방전되어, 제1 접속점 n1의 기준 전위(VDD)가 강하해 간다.
n 채널형 TFT의 제2 스위칭 트랜지스터(2)는, 제1 스위칭 트랜지스터(1)의 도통 시부터 제1 접속점 n1의 전위가 강하하여 임계값 전압 VTH에 도달할 때까지 동안 도통되어 있다. 즉, 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 도통되어 있는 동안에는, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 저항값은, 저항체(3)의 저항값보다 충분히 작게 되고, 제2 접속점 n2는 제2 전원 단자 T2에 가까운 전압으로 된다. 한편 임계값 전압 VTH보다 전압이 내려가면 제2 스위칭 트랜지스터(2)는 차단되고, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 저항값이, 저항체(3)의 저항값보다 충분히 커서, 제2 접속점 n2는 제1 전원 단자 T1에 의해 가까운 전압으로 된다. 즉, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 차단에 의해, 포토센서(5)에서 검지한 포토커런트를 전원 전위 VDD와 접지 전위 GND 사이의 전위차의 분압으로서, 전원 전위 VDD에 가까운 전위에서 출력 전압 Vout을 출력할 수 있다.
도 5의 (C) : 제1 스위칭 트랜지스터(1)는 포토센서(5)와 직렬 접속되고, 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다. 제2 스위칭 트랜지스터(2)와 저항체(3)는 직렬 접속되고, 이들도 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다. 제2 스위칭 트랜지스터(2)는 n 채널형 TFT이고, 저항체(3)도 n 채널형 TFT이다. 용량 C는 포토센서(5)와 병렬 접속되어 있으며, 일단이 제1 접속점에 의해 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 제어 단자에 접속되고, 타단이 제2 전원 단자 T2에 접속된다.
제1 스위칭 트랜지스터(1)의 제어 단자, 즉 게이트 전극에 소정 전압 Vpulse(H 레벨)의 펄스를 일정 기간 입력한다. H 레벨의 펄스의 입력 기간동안, 제1 스위칭 트랜지스터(1)의 도통은 유지된다. 이에 따라 용량 C에는 전원 전위 VDD가 충전된다.
펄스가 L 레벨(0V)로 되면 제1 스위칭 트랜지스터(1)가 차단된다. 포토센서(5)에 광이 조사되면, 그 광량에 따른 전하가 포토센서(5)로부터 방전되어, 제1 접속점 n1의 기준 전위(VDD)가 강하해 간다.
n 채널형 TFT의 제2 스위칭 트랜지스터(2)는, 제1 스위칭 트랜지스터(1)의 도통 시부터 제1 접속점 n1의 전위가 강하하여 임계값 전압 VTH에 도달할 때까지 동안 도통되어 있다. 즉, 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 도통되어 있는 동안에는, 제2 접속점 n2는 제2 전원 단자 T2에 가까운 전압으로 된다. 한쪽 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 차단되면, 제2 접속점 n2는 제1 전원 단자 T1에 보다 가까운 전압으 로 된다. 즉, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 차단에 의해, 전원 전위 VDD에 가까운 전위에서 출력 전압 Vout을 검출할 수 있다.
도 6은, 도 1 및 도 5의 (A) 내지 도 5의 (C)의 제1 스위칭 트랜지스터(1)와 포토센서(5)의 접속을 교체한 구조로서, 이 구성에 의해 출력 전압 Vout은 제2 전원 단자 T2의 전위에 가까운 전위로 검출할 수 있다.
도 6의 (A) : 제1 스위칭 트랜지스터(1)는 포토센서(5)와 직렬 접속되고, 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다. 제2 스위칭 트랜지스터(2)와 저항체(3)는 직렬 접속되고, 이들도 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다. 제2 스위칭 트랜지스터(2)는 p 채널형 TFT이고, 저항체(3)는 n 채널형 TFT이다. 용량 C는 포토센서(5)와 병렬 접속되어 있고, 일단은 제1 접속점 n1에 의해 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 제어 단자에 접속되고, 타단은 제1 전원 단자 T1에 접속된다.
제1 스위칭 트랜지스터(1)의 제어 단자, 즉 게이트 전극에 소정 전압 Vpulse(H 레벨)의 펄스를 일정 기간 입력한다. H 레벨의 펄스의 입력 기간동안, 제1 스위칭 트랜지스터(1)의 도통은 유지된다. 이에 따라 용량 C에는 접지 전위 GND가 충전된다.
펄스가 L 레벨(0V)로 되면 제1 스위칭 트랜지스터(1)가 차단된다. 포토센서(5)에 광이 조사되면, 그 광량에 따른 전하가 포토센서(5)로부터 방전되어, 제1 접속점 n1의 기준 전위(GND)가 상승해 간다.
p 채널형 TFT의 제2 스위칭 트랜지스터(2)는, 제1 스위칭 트랜지스터(1)의 도통 시부터 제1 접속점 n1의 전위가 강하하여 임계값 전압 VTH에 도달할 때까지 도통된다. 이에 의해, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 도통 시에는 제2 접속점 n2는 제1 전원 단자 T1에 가까운 전압으로 된다. 한편, 제1 접속점 n1이 임계값 전압을 초과하면 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 차단된다. 이에 의해, 제2 접속점 n2는 제2 전원 단자 T2에 가까운 전압으로 된다. 즉, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 차단에 의해 접지 전위 GND에 가까운 전위에서 출력 전압 Vout을 검출할 수 있다.
도 6의 (B) : 제1 스위칭 트랜지스터(1)는 포토센서(5)와 직렬 접속되고, 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다. 제2 스위칭 트랜지스터(2)와 저항체(3)는 직렬 접속되고, 이들도 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다. 제2 스위칭 트랜지스터는 p 채널형 TFT이고, 저항체(3)는 n 채널형 TFT이다. 용량 C는 제1 스위칭 트랜지스터(1)와 병렬 접속되어 있고, 일단은 제1 접속점 n1에 의해 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 제어 단자에 접속되고, 타단은 제2 전원 단자 T2에 접속된다.
제1 스위칭 트랜지스터(1)의 제어 단자, 즉 게이트 전극에 소정 전압 Vpulse(H 레벨)의 펄스를 일정 기간동안 입력한다. H 레벨의 펄스의 입력 기간동안, 제1 스위칭 트랜지스터의 도통은 유지된다. 이에 따라 용량 C에는 접지 전위 GND가 충전된다.
펄스가 L 레벨(0V)로 되면 제1 스위칭 트랜지스터(1)가 차단된다. 포토센서(5)에 광이 조사되면, 그 광량에 따른 전하가 포토센서(5)로부터 방전되어, 제1 접속점 n1의 기준 전위(GND)가 상승해 간다.
p 채널형 TFT의 제2 스위칭 트랜지스터(2)는, 제1 스위칭 트랜지스터(1)의 도통 시부터 제1 접속점 n1의 전위가 상승하여 임계값 전압 VTH에 도달할 때까지 도통된다. 이에 의해, 제2 접속점 n2는 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 도통 시에는 제1 전원 단자 T1에 가까운 전압으로 된다. 한편 제1 접속점 n1의 전위가 임계값 전압 VTH를 초과하면, 제2 스위칭 트랜지스터가 차단되어, 제2 접속점 n2는 제2 전원 단자 T2에 가까운 전압으로 된다. 즉, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 차단에 의해 접지 전위 GND에 가까운 전위에서 출력 전압 Vout를 검출할 수 있다.
도 6의 (C) : 제1 스위칭 트랜지스터(1)는 포토센서(5)와 직렬 접속되고, 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다. 제2 스위칭 트랜지스터(2)와 저항체(3)는 직렬 접속되고, 이들도 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다. 제2 스위칭 트랜지스터는 n 채널형 TFT이고, 저항체(3)도 n 채널형 TFT이다. 용량 C는 포토센서(5)와 병렬 접속되어 있고, 일단은 제1 접속점 n1에 의해 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 제어 단자에 접속되고, 타단은 제1 전원 단자 T1에 접속된다.
제1 스위칭 트랜지스터(1)의 제어 단자, 즉 게이트 전극에 소정 전압 Vpulse(H 레벨)의 펄스를 일정 기간 입력한다. H 레벨의 펄스의 입력 기간, 제1 스위칭 트랜지스터의 도통은 유지된다. 이에 따라 용량 C에는 접지 전위 GND가 충전된다.
펄스가 L 레벨(0V)로 되면 제1 스위칭 트랜지스터(1)가 차단된다. 포토센서(5)에 광이 조사되면, 그 광량에 따른 전하가 포토센서(5)로부터 방전되어, 제1 접 속점 n1의 기준 전위(GND)가 상승해 간다.
n 채널형 TFT의 제2 스위칭 트랜지스터(2)는, 제1 접속점 n1의 전위가 임계값 전압 VTH에 도달할 때까지는 차단되어 있으며, 임계값 전압 VTH를 초과하면 도통된다. 제2 접속점 n2는, 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 차단되는 동안에는 제1 전원 단자 T1에 가까운 전압으로 되고, 도통되면 제2 전원 단자 T2에 의해 가까운 전압으로 된다. 즉, 출력 전압 Vout은, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 도통에 의해 접지 전위 GND에 가까운 전위에서 출력할 수 있다.
도 6의 (D) : 제1 스위칭 트랜지스터는 포토센서(5)와 직렬 접속되고, 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다. 제2 스위칭 트랜지스터(2)와 저항체(3)는 직렬 접속되고, 이들도 제1 전원 단자 T1 및 제2 전원 단자 T2 사이에 접속된다. 제2 스위칭 트랜지스터는 n 채널형 TFT이고, 저항체(3)도 n 채널형 TFT이다. 용량 C는 제1 스위칭 트랜지스터(1)와 병렬 접속되어 있으며, 일단은 제1 접속점 n1에 의해 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 제어 단자에 접속되고, 타단은 제2 전원 단자 T2에 접속된다.
제1 스위칭 트랜지스터(1)의 제어 단자, 즉 게이트 전극에 소정 전압 Vpulse(H 레벨)의 펄스를 일정 기간동안 입력한다. H 레벨의 펄스의 입력 기간동안, 제1 스위칭 트랜지스터의 도통은 유지된다. 이에 따라 용량 C에는 접지 전위 GND가 충전된다.
펄스가 L 레벨(0V)로 되면 제1 스위칭 트랜지스터(1)가 차단된다. 포토센서(5)에 광이 조사되면, 그 광량에 따른 전하가 포토센서(5)로부터 방전되어, 제1 접 속점 n1의 기준 전위(GND)가 상승해 간다.
n 채널형 TFT의 제2 스위칭 트랜지스터(2)는, 제1 접속점 n1의 전위가 임계값 전압 VTH에 도달할 때까지는 차단되어 있으며, 임계값 전압 VTH를 초과하면 도통된다. 제2 접속점 n2는, 제2 스위칭 트랜지스터(2)가 차단되는 동안에는 제1 전원 단자 T1에 가까운 전압으로 되고, 도통되면 제2 전원 단자 T2에 보다 가까운 전압으로 된다. 즉, 출력 전압 Vout는, 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 도통에 의해 접지 전위 GND에 가까운 전위에서 출력할 수 있다.
상기한 바와 같이 본 실시 형태의 제2 스위칭 트랜지스터(2)는, 도 1 또는 도 5의 (A), 도 6의 (A), 도 6의 (B)와 같이 고전위의 제1 전원 단자 T1에 일단이 접속되는 경우에는 p 채널형 TFT를 사용한다. 한편, 도 5의 (B), 도 5의 (C), 도 6의 (C), 도 6의 (D)와 같이 저전위인 제2 전원 단자 T2에 제2 스위칭 트랜지스터(2)의 일단을 접속하는 경우에는, 제2 스위칭 트랜지스터는 n 채널형 TFT를 사용한다.
도 7은, 도 1의 광량 검출 회로(100)의 제2 실시 형태로서, 저항체(3)로서 저항 소자를 접속하는 경우이다. 또한, 도 5 및 도 6에 도시하는 광량 검출 회로에서 저항체(3)를 저항 소자로 해도 된다.
저항 소자는, 예를 들면 폴리실리콘 혹은 ITO(Indium Tin Oxide) 등에 n형 불순물을 도핑하는 등 하여, 형성되고, 103Ω∼108Ω 정도의 높은 저항값을 갖고 있다. 또한, 다른 구성 요소 및 회로 동작은 도 1의 회로와 마찬가지이므로 설명은 생략한다.
이것에 따르면, 저항체(3)의 저항값을 바꿈으로써, 상기한 회로의 정전압 Va를 변동한 것과 동일한 상황으로 되어, 포토센서(5)의 감도를 조정할 수 있다.
이어서, 도 8 및 도 9를 참조하여 본 실시 형태의 광량 검출 회로(100)를 예를 들면 LCD나 유기 EL 디스플레이와 동일 기판에 만들어 넣은 경우의 일례에 대하여 설명한다.
도 8의 (A)는, 디스플레이의 외관을 나타내는 일례이고, 도 8의 (B)는 광량 검출 회로(100)의 검출 플로우를 도시하는 도면이다.
도 8의 (A)와 같이, 본 실시 형태의 광량 검출 회로(100)는 LCD나 유기 EL 디스플레이 디바이스(20)와 동일 기판 상에 형성된다. 디스플레이 디바이스(20)는, 글래스 등의 절연 기판(10) 상에 표시 화소(30)를 행렬 형상으로 복수 배치한 표시 영역(21)을 갖는다. 그리고, 광량 검출 회로(100)는, 예를 들면 표시 영역(21)의 외측의 네 구석에 배치된다.
기판 상에는, 복수의 드레인선 DL과, 복수의 게이트선 GL이 배치되고, 드레인선 DL과 게이트선 GL 각각의 교점에 대응하여 표시 화소(30)가 배치된다. 상세하게 설명하면, 각 표시 화소(30)는 구동용의 TFT의 소스와 접속되어 있으며, TFT의 드레인 및 게이트가 드레인선 DL 및 게이트선 GL과 접속되어 있다.
그리고 표시 영역(21) 측변에는, 열측에 드레인선 DL을 순차적으로 선택하는 수평 방향 주사 회로(이후 H 스캐너라고 칭함 : 22)가 배치되고, 행측에 게이트선 GL에 게이트 신호를 보내는 수직 방향 주사 회로(이후 V 스캐너라고 칭함)(23)가 배치된다. 또한, 게이트선 GL이나 드레인선 DL 등에 입력되는 각종 신호를 전달하는 도시하지 않은 배선은, 기판(10)의 측연에 모여, 외부 접속 단자(24)에 접속된다.
그리고, V 스캐너(23)는 수직 스타트 신호 STV에 의해 복수의 게이트선 GL로부터 1개째의 게이트선 GL을 선택하여 게이트 전압을 인가한다. 게이트 신호가 인가된 게이트선 GL에 접속된 TFT는 모두 도통 상태(온)로 된다.
그 동안에 H 스캐너(22)는 소정의 타이밍에서, 수평 스타트 신호 STH에 의해 최초의 드레인선 DL을 선택한다. 이와 같이 복수의 드레인선 DL로부터 소정의 드레인선 DL을 선택하고, 표시 화소(21)에 주사 신호를 공급하여, 교점에 위치하는 표시 화소(30)가 발광한다.
V 스캐너(23)는, 수직 클럭 CKV에 따라 다음 게이트선 GL에 순차적으로 절환하여 선택하고, H 스캐너(22)는, 수평 클럭 CKH에 따라 다음 드레인선 DL에 순차적으로 절환하여 선택한다. 이와 같이 게이트선 GL 및 드레인선 DL을 순차적으로 주사함으로써, 표시 영역(21)에 소정의 화상이 표시된다.
상기 수직 클럭 CKV나 수평 클럭 CKH는, 외부 제어 회로가 출력하는 예를 들면 3 V의 진폭의 저전압 클럭을 전위 변환 회로에 의해 승압함으로써 생성된다.
그리고, 본 실시 형태에서는, V 스캐너(23)의 수직 스타트 신호 STV를 제1 스위칭 트랜지스터(1)의 Vpulse로서 입력한다(도 8의 (B)).
도 9는 광량 검출 회로(100)의 일부(포토센서 : 5) 및 표시 화소(30)의 일부를 설명하는 단면도이다.
광량 검출 회로(100)는 표시 화소(30)가 배치되는 기판(10) 상에 형성되고, 표시 영역(21)과 동등한 광량을 감지할 수 있다. 또한, 포토센서(5)의 소스(13s)와 채널(13c) 또는 드레인(13d)과 채널(13c)의 접합 영역에는 광이 직접 입사된다. 즉, 포토센서(5)는 외광을 직접적으로 수광하게 된다. 따라서, 포토센서(5)에 의해 표시 영역(21)에 닿는 광량을 감지하여 전류로 변환하여, 표시 영역(21)의 휘도를 조절하는데, 예를 들면 컨트롤러의 제어가 가능하게 된다. 컨트롤러는, 포토센서(5)로부터의 출력 전류(Ioff)의 양에 따라 실내가 밝은 경우 또는 옥외에서는 표시 영역(21)을 밝게 하고, 또한 주위가 어두운 경우에는 그에 부합하는 밝기로 한다. 즉, 주위가 밝은 경우에는 휘도를 높게 하고, 어두운 경우에는 휘도를 낮게 한다. 이와 같이 하여, 주위의 광량에 따라 자동적으로 휘도를 조절함으로써, 시인성을 높이면서도 절전할 수 있다. 따라서, 광량 검출 회로(100)에 의해 휘도를 컨트롤함으로써, 특히 유기 EL 소자 등의 자발광 소자를 이용한 디스플레이 디바이스(20)에서는, 그 발광 소자의 수명을 길게 할 수 있다.
도면과 같이, 광량 검출 회로(10)와 표시 화소(30)는, 동일 기판 상에 형성된다. 또한, 여기서는 광량 검출 회로(100)의 포토센서(5)만 표시하고 있지만, 광량 검출 회로(100)를 구성하는 제1 스위칭 트랜지스터(1), 제2 스위칭 트랜지스터(2) 및 저항체로 되는 TFT(3)도 포토센서(5)와 마찬가지의 구조이다.
표시 화소(30)도, 포토센서(5)와 마찬가지 구성의 TFT를 갖는다. 즉, 석영 글래스, 무알카리 글래스 등으로 이루어지는 절연성 기판(10) 상에 버퍼층으로 되 는 절연막(SiN, SiO2 등)(14)을 형성하고, 그 상층에 p-Si 막으로 이루어지는 반도체층(113)을 적층한다. 이 p-Si 막은, 비정질 실리콘막을 적층하고, 레이저 어닐링 등에 의해 재결정화하여 형성해도 된다.
반도체층(113) 상에는 SiN, SiO2 등으로 이루어지는 게이트 절연막(12)을 적층하고, 그 위에 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등의 고융점 금속으로 이루어지는 게이트 전극(111)을 형성한다.
반도체층(113)에는, 게이트 전극(111) 하방에 위치하고, 진성 또는 실질 진성으로 되는 채널(113c)이 형성된다. 또한, 채널(113c)의 양측에는 n+형 불순물의 확산 영역인 소스(113s) 및 드레인(113d)이 형성된다.
게이트 절연막(12) 및 게이트 전극(111) 상의 전면에는, 예를 들면 SiO2막, SiN막, SiO2막의 순서로 적층하여 층간 절연막(15)을 적층한다. 게이트 절연막(12) 및 층간 절연막(15)에는, 드레인(113d) 및 소스(113s)에 대응하여 컨택트홀을 형성하고, 컨택트홀에 알루미늄(Al) 등의 금속을 충전하여 드레인 전극(116) 및 소스 전극(118)을 형성하고, 각각 드레인(113d) 및 소스(113s)에 컨택트시킨다.
또한, 포토센서(5)는 도 2와 마찬가지이므로 설명은 생략하지만, 포토센서(5) 및 표시 화소(30)의 층간 절연막(15) 상에는, 표시 화소(30)를 평탄화하기 위한 평탄화 절연막(17)이 형성된다.
그리고 표시 화소(30)에는, 평탄화 절연막(17) 상에 표시 전극(양극)으로 되 는 ITO(IndIum Tin Oxide) 등의 투명 전극(120)이 형성된다. 투명 전극(120)은, 평탄화 절연막(17)에 형성된 컨택트홀에 의해, 소스 전극(118)(또는 드레인 전극(116))에 접속되어 있다. 또한, 도시는 생략하지만, 투명 전극(120) 상에 유기 EL층(전자 수송층, 발광층, 홀 수송층) 및 음극이 형성되어 표시 화소(30)로 된다.
이와 같이 본 실시 형태에 따르면, 기판 상에 박막 트랜지스터를 형성함으로써 구성되는 디스플레이 디바이스(20)의 제조 프로세스를 이용하여, 본 실시 형태의 광량 검출 회로(100)를 동일 기판에 만들어 넣을 수 있다.
또한, 도 7과 같이 저항체(3)를 저항 소자로 형성하는 경우에는, 예를 들면 n형 불순물을 도핑한 폴리실리콘 혹은, ITO와 같은 투명 전극 재료로 형성하면 된다. 그 경우, 특히 불순물 도핑의 폴리실리콘은 광이 닿는 것에 의해 열화하여, 저항값이 작아진다. 따라서, 이러한 경우에는 저항체(3) 상을 차광하면 된다. LCD나 유기 EL 디스플레이 디바이스(20)에서는 표시 화소(30)가 배치되는 표시 영역(21)에 차광판(도시 생략)이 채용되므로, 차광판의 패터닝에 의해 저항체(3) 상을 차광할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 소위 톱 게이트 구조의 TFT에 대하여 설명했지만, 게이트 전극(11), 게이트 절연막(12), 반도체층(13)의 적층순을 반대로 한 보텀 게이트 구조의 TFT라도 마찬가지로 실시할 수 있다.
본 발명에 따르면, 첫째, 포토센서의 미소한 출력 전류를 전압으로 변환(증폭)하여, 검출할 수 있다. 또한, 출력 전압은 2치로 검출할 수 있고, 또한 적산 면적을 이용하는 등 하여, 아날로그 출력도 가능하게 된다. 즉 출력 전압을 디지털적으로도 아날로그적으로도 이용할 수 있으므로 광량 검출 회로로서 높은 범용성이 얻어진다. 또한 회로의 구성 요소가 적어 부품 점수를 삭감할 수 있다.
둘째, 회로를 구성하는 스위칭 트랜지스터는 박막 트랜지스터이므로, 박막 트랜지스터를 채용한 표시 장치의 제조 프로세스를 이용하여 광량 검출 회로를 만들어 넣을 수 있다.
셋째, 저항체는 소정의 전위가 제어 단자에 인가되는 박막 트랜지스터이므로, 박막 트랜지스터를 채용한 표시 장치의 제조 프로세스를 이용하여 광량 검출 회로를 만들어 넣을 수 있다.
넷째, 저항체로 되는 박막 트랜지스터의 제어 단자에 인가하는 전위를 변화시킴으로써 출력 전압을 변동시킬 수 있으므로, 전위의 변동에 의해 광량 검출 회로의 감도를 조정할 수 있다.
다섯째, 저항체는 투명 전극 재료로 형성되므로, 박막 트랜지스터를 채용한 예를 들면 LCD나 유기 EL 디스플레이 등의 제조 프로세스를 이용하여 광량 검출 회로를 일체로 형성할 수 있다.
여섯째, 제1 스위칭 트랜지스터에 입력되는 하나의 펄스에 의해 회로가 동작하므로, 간이한 동작에 의해 포토센서의 출력 전류를 전압으로 변환할 수 있다.
일곱번째, 포토센서에 광이 직접 조사되어 포토커런트를 발생시키므로, 이것을 검출함으로써 외광을 거의 직접적으로 검지할 수 있다.
여덟번째, 포토센서의 박막 트랜지스터를 LDD 구조로 함으로써, 포토커런트 의 발생을 촉진할 수 있다. 특히, 포토커런트의 출력측을 LDD 구조로 하면, 포토커런트 발생의 촉진에 효과적으로 된다. 또한, LDD 구조로 함으로써 Vg-Id 특성의 OFF 특성(검출하는 영역)이 안정되어, 안정된 디바이스로 된다.

Claims (11)

  1. 기판 상에 게이트 전극과, 절연막과 반도체층을 적층하고, 상기 반도체층에 형성된 채널과, 그 채널의 양측에 형성된 소스 및 드레인을 갖는 박막 트랜지스터로 이루어지고, 수광한 광을 전기 신호로 변환하는 포토센서와,
    제1 스위칭 트랜지스터와, 제2 스위칭 트랜지스터와, 저항체와, 용량을 구비하고,
    고전위의 제1 전원 단자 및 저전위의 제2 전원 단자 사이에 상기 제1 스위칭 트랜지스터와 상기 포토센서를 직렬 접속하고,
    상기 제1 전원 단자 및 상기 제2 전원 단자 사이에 상기 제2 스위칭 트랜지스터와 상기 저항체를 직렬 접속하고,
    상기 용량의 일단은 제1 접속점에 의해 상기 제2 스위칭 트랜지스터의 제어 단자에 접속되고, 타단은 상기 제1 전원 단자 또는 제2 전원 단자에 접속되고,
    상기 제1 스위칭 트랜지스터를 도통시켜 상기 제1 접속점의 전위를 어느 하나의 상기 전원 단자의 전위로 충전하고,
    상기 제1 스위칭 트랜지스터를 차단하여, 상기 포토센서로부터의 방전에 의해 상기 제1 접속점의 전위를 변동시키고,
    상기 제1 접속점의 전위에 의해 상기 제2 스위칭 트랜지스터를 도통시키거나 또는 차단하여, 상기 제2 스위칭 트랜지스터 및 상기 저항의 제2 접속점으로부터 출력 전압을 검출하는 것을 특징으로 하는 광량 검출 회로.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 스위칭 트랜지스터는, 상기 제1 전원 단자측에 접속되는 경우에는 p 채널형 트랜지스터이고, 상기 제2 전원 단자측에 접속되는 경우에는 n 채널형 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 광량 검출 회로.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 스위칭 트랜지스터는 박막 트랜지스터로 형성되는 것을 특징으로 하는 광량 검출 회로.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 저항체는 정전압이 제어 단자에 인가되는 박막 트랜지스터인 것을 특징으로 하는 광량 검출 회로.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 정전압을 변동시킴으로써 상기 출력 전압의 검출 감도를 조절하는 것을 특징으로 하는 광량 검출 회로.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 저항체는, 저항값이 103Ω∼108Ω 정도인 재료로 형성되는 것을 특징으로 하는 광량 검출 회로.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 저항값을 변화시킴으로써 상기 출력 전압의 검출 감도를 조절하는 것을 특징으로 하는 광량 검출 회로.
  8. 제1항에 있어서,
    소정 기간에서 상기 제1 스위칭 트랜지스터에 펄스를 입력하여, 상기 제1 접속점의 전위를 어느 하나의 상기 전원 단자의 전위로 리세트하는 것을 특징으로 하는 광량 검출 회로.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층은, 상기 소스와 상기 채널 사이 또는 상기 드레인과 상기 채널 사이의 접합 영역에서 광을 직접 수광하여, 포토커런트를 발생시키는 것을 특징으로 하는 광량 검출 회로.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 반도체층의 상기 소스와 상기 채널 사이 또는 상기 드레인과 상기 채널 사이에 저농도 불순물 영역을 형성하는 것을 특징으로 하는 광량 검출 회로.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 저농도 불순물 영역은, 입사광에 의해 발생한 포토커런트를 출력하는 측에 형성되는 것을 특징으로 하는 광량 검출 회로.
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