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Die
Erfindung betrifft ein Aktivmatrix-Bauteil, z.B. zur Verwendung
als Display. Das Bauteil kann über
ein Aktivmatrix-Flüssigkristalldisplay
verfügen, das
unter Verwendung von TFT(Dünnschichttransistor)-Techniken
realisiert ist, z.B. auf Grundlage von amorphem Silicium oder Hoch-
oder Niedertemperatur-Polysilicium. Derartige Displays können bei
tragbaren, batteriebetriebenen Geräten verwendet werden.
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Die 1 der
beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht einen herkömmlichen Typ eines Aktivmatrix-Bauteils
mit einer Aktivmatrix 1 von n Zeilen und m Spalten von
Bildelementen (Pixeln), wie 2. Die Pixel jeder Spalte sind
durch eine jeweilige Datenleitung, wie 4, mit einem Datenleitungstreiber 3 verbunden.
Dieser Datenleitungstreiber 3 verfügt über einen Eingang 5 zum
Empfangen von Timing-, Steuer- und Datensignalen.
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Die
Pixel jeder Zeile sind durch eine jeweilige Scanleitung, wie 6,
mit einem Scanleitungstreiber 7 verbunden. Dieser Scanleitungstreiber 7 wird
durch die Timingsignale vom Eingang 5 synchronisiert und er
aktiviert mit wiederholender Sequenz jeweils eine Scanleitung 6.
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Die
2 der
beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht vier Aktivmatrixpixel bekannten Typs, siehe
z.B. die
2A von
US6023074 .
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Jedes
Pixel verfügt über einen
TFT 10, dessen Gate mit der Scanleitung 6 verbunden
ist und dessen Source mit der Datenleitung 4 verbunden
ist. Der Drain des TFT 10 ist mit einer Pixelelektrode 11 und
einem ersten Anschluss eines Speicherkondensators 12 verbunden,
dessen zweiter Anschluss mit einer gemeinsamen Elektrodenleitung 13 verbunden ist,
die von allen Speicherkondensatoren 12 derselben Pixelzeile
gemeinsam genutzt wird. Die gemeinsamen Elektrodenleitungen 13 aller
Zeilen sind mit einer gemeinsamen Gleichspannungsversorgung verbunden.
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Im
Gebrauch wirken die TFTs 10 der Pixel als Schalter, wobei
der Schaltvorgang durch die Signale auf den Scanleitungen 6 gesteuert
wird. Jedes Pixel 2 der Aktivmatrix wird dann mit einer
als Rahmenrate bekannten Frequenz aktualisiert. Das Aktualisieren eines
einzelnen Rahmens von Bilddaten wird im Allgemeinen auf Zeilenbasis
ausgeführt.
Für jede
Pixelzeile empfängt
der Datenleitungstreiber 3 eine Zeile anzuzeigender Bilddaten,
und er lädt
die M Datenleitungen 4 auf die entsprechenden analogen
Spannungen. Der Scanleitungstreiber 7 aktiviert eine der
Scanleitungen 6, damit alle mit der aktivierten Scanleitung
verbundenen TFTs 10 eingeschaltet werden. Die TFTs 10 übertragen
die Ladung von den Datenleitungen 4 auf die Speicherkondensatoren 12,
bis die Spannung an jedem Kondensator der Spannung auf der Datenleitung
entspricht. Dann deaktiviert der Scanleitungstreiber 7 die
Zeile von TFTs 10, deren Source-Drain-Pfade in einen Zustand
hoher Impedanz zurückkehren.
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Die
Aktivmatrixadressierung kann weiter in zwei Kategorien unterteilt
werden, nämlich
Tafel-Abtast/Halte-Adressierung (auch als punktweise Adressierung
bezeichnet) sowie zeilenweise Adressierung. Beim ersteren Schema
werden die Datenleitungen im Allgemeinen von den Datenleitungs-Ladeschaltungen
des Datenleitungstreibers 3 getrennt, wenn eine jeweils
gescannte Leitung aktiviert wird. Beim letzteren Schema werden die
Datenleitungen normalerweise kontinuierlich während der Scanleitungs-Aktivierungszeit
angesteuert.
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Die
nicht unendliche Impedanz jedes TFT 10, wenn er ausgeschaltet
ist, führt
zum Fließen
einer Ladung oder eines Lecks zwischen einem jeweiligen Speicherkondensatoren 12 und
der Datenleitung 4 für
diese Spalte. Dies führt
zu einer unerwünschten Änderung
der Spannung an der Pixelelektrode 11, mit einer sich daraus
ergebenden Beeinträchtigung der
Bildqualität.
Die Stärke
der Spannung hängt
von der Größe des Leckstroms,
der Größe des Speicherkondensators 12 und
der Dauer zwischen Pixelaktualisierung, d.h. der Rahmenrate, ab.
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Der
Leckstrom eines TFT kann durch Bauteildesignmodifizierungen, die Änderungen
am Herstellprozess erforderlich machen, verringert werden. Z.B.
ist es möglich,
einen leicht dotierten Drain (LDD) einzubauen, der, zusätzlich zu
einer Absenkung hoher Drainfelder, auch den Kanalwiderstand erhöht. Jeder
TFT-Schalter kann auch als Bauteil mit Doppel-und Dreifachgate implementiert
werden, um effektiv zwei oder drei Schalter zwischen die Datenleitung
und die Pixelelektrode in Reihe zu bringen. Dies führt zu einer
Vergrößerung des
Kanalwiderstands und einer Verringerung des "Ein"-Funktionsvermögens der
TFTs.
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US 5936686 offenbart eine
Anordnung vom in der
2 dargestellten Typ, bei dem
jedes Pixel auch über
einen TFT verfügt,
der über
den Kondensator
12 angeschlossen ist und durch die vorige
Scanleitung aktiviert wird, um das Pixel rückzusetzen.
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US5517150 und
US5650636 offenbaren Anordnungen vom
in der
3 der beigefügten
Zeichnungen dargestellten Typ. Die Pixelanordnung unterscheidet
sich vom dem, was in der
2 der beigefügten Zeichnungen dargestellt,
durch das Anbringen eines weiteren TFT
15, dessen Source-Drain-Pfad zwischen
den Drain des TFT
10 und die Pixelelektrode
11 geschaltet
ist. Auch ist ein weiterer Kondensator
16 zwischen die
gemeinsame Leitung
13 und die Verbindung zwischen den TFTs
10 und
15 geschaltet.
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Wenn
die Scanleitung 6 für
ein spezielles Pixel aktiviert wird, werden beide Transistoren 10 und 15 eingeschaltet,
so dass beide Kondensatoren 12 und 16 von der
Datenleitung 4 aus geladen werden. Wenn die Scanleitung
deaktiviert wird, werden beide Transistoren ausgeschaltet. Wie oben
beschrieben, führt
der Leckstrom über
den Transistor 10 zu einer Änderung der Spannung am Kondensator 16.
Jedoch existiert nur ein sehr kleiner Spannungsabfall am Transistor 15,
und demgemäß existiert
ein viel kleinerer Leckstrom, so dass eine viel kleinere Spannungsänderung
am Kondensator 12 und demgemäß an der Pixelelektrode 11 vorliegt.
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Durch
ein Ladungsleck verursachte Änderungen
der Pixelspannung können
dadurch kleiner gemacht werden, dass der Wert des Speicherkondensators 12 erhöht wird.
Jedoch kann der Speicherkondensator nicht beliebig groß gemacht
werden. Wenn z.B. das Display vom transmissiven Typ ist, kann ein
großer
Speicherkondensator das Pixelöffnungsverhältnis und
damit die Anzeigehelligkeit verringern. Auch ist es möglicherweise
nicht möglich,
einen relativ großen
Speicherkondensator mit einem relativ kleinen TFT während der
verfügbaren
Scanleitungs-Aktivierungszeit vollständig zu laden. Bei Tafel-Abtast/Halte-Displays
wird die Ladung auf der Datenleitung, die über eine Kapazität Cl verfügt, gemeinsam
mit dem Speicherkondensator, der die Kapazität Cs hat, genutzt. Im Ergebnis
ist die in das Pixel geschriebene Spannung nicht dieselbe (VI),
die mit der Datenleitung 4 abgetastet wird. Dieser Spannungsunterschied ΔV nimmt mit
der Kapazität
des Speicherkondensators zu, und wenn angenommen wird, dass der
Speicherkondensator zunächst
ungeladen ist, ist er durch den folgenden Ausdruck gegeben: ΔV
= [Cs/(Cs + Cl)]VL
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Obwohl
es möglich
ist, die Rahmenrate zu erhöhen,
um die Dauer zu minimieren, während
der die Pixelspannung konstant gehalten wird, ist dies unter Umständen keine
praxisgerechte Wahlmöglichkeit.
Z.B. ist es möglicherweise
nicht möglich,
die Datenleitungen oder Speicherkondensatoren während verkürzter Adressierperioden zu
laden, oder der Energieverbrauch kann über das akzeptierbare Maß hinaus
erhöht
werden. Für
Anwendung mit geringer Leistung kann es wünschenswert sein, die Aktivmatrix
mit relativ niedriger Rahmenrate zu aktualisieren, um den Energieverbrauch
zu senken.
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US6023074 offenbart eine
Pixel-TFT-Anordnung ähnlich
der, wie sie in
US5517150 offenbart
ist. Jedoch sind die Speicherkondensatoren als MOS (Metall-Oxid-Halbleiter)-Kondensatoren
realisiert. Wie es in der
4 der beigefügten Zeichnungen dargestellt
ist, besteht ein MOS-Kondensator aus einem Transistor
18,
dessen Gate g einen Anschluss des Kondensators bildet und dessen
Source s und Drain d miteinander verbunden sind, um den anderen Anschluss
zu bilden. Die Verbindung zwischen der Source und dem Drain kann
durch einen stark dotierten Halbleiter statt durch Verbindungen
mit "ohmschen" Kontakt zu einer
separaten Verbindungsschicht, erzielt werden. Die effektive Kapazität des Bauteils
ist spannungsabhängig,
wie es durch das Kurvenbild in der
4 veranschaulicht
ist. Unter der Schwellenspannung Vt des MOS-Bauteils entspricht die
Kapazität
der Summe aus der Gate-Source- und der
Gate-Drain-Überlappungskapazität. Über der Schwellenspannung
Vt ändert
sich die Kapazität
so, dass zusätzlich
zu den Überlappungskapazitäten die MOS-Oxid-Kapazität enthalten
ist.
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Die
Merkmale des Oberbegriffs sind aus
US6023074 bekannt.
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US5835170 offenbart eine
Anordnung vom in der
5 der beigefügten Zeichnungen dargestellten
Typ, bei dem die gemeinsamen Elektrodenleitungen
13 weggelassen
sind und die zweiten Anschlüsse
der Kondensatoren
12 mit der Scanleitung
6 der benachbarten
Pixelzeile verbunden sind. Ein Vorteil einer derartigen Kondensator-auf-Gate-Anordnung besteht
darin, dass die Anzahl der Horizontalsignale, die über die
Aktivmatrix
1 geschickt werden, im Vergleich zur in der
2 dargestellten
Anordnung halbiert ist, so dass ein höheres Pixelöffnungsverhältnis erzielt werden kann.
Jedoch ist die Scanrichtung der Aktivmatrix
1 fixiert.
Insbesondere müssen
die Zeilen der Aktivmatrix in der
5 von der
unteren Zeile nach oben hin durchgescannt werden.
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Gemäß der Erfindung
ist Folgendes geschaffen: ein Aktivmatrix-Bauteil mit einem Array
von Bildanzeigeelementen, von denen jedes Folgendes aufweist: ein
Bildelement, ein mit diesem verbundenes erstes Ladungsspeicherelement,
einen ersten Halbleiterschalter zum Verbinden einer Datenleitung
mit dem ersten Ladungsspeicherelement und dem Bildelement, ein zweites
Ladungsspeicherelement und einen zweiten Halbleiterschalter, dadurch
gekennzeichnet, dass der zweite Halbleiterschalter so ausgebildet
ist, dass er unabhängig
vom ersten Schalter so gesteuert wird, dass er entweder das zweite
Ladungsspeicherelement vom ersten Ladungsspeicherelement und vom
Bildelement trennt oder das zweite Ladungsspeicherelement parallel
zum ersten Ladungsspeicherelement und zum Bildelement schaltet,
um die Ladungsspeicherkapazität
zu erhöhen.
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Jedes
Bildanzeigeelement kann ein Lichtmodulationselement sein, und es
kann transmissiv oder reflektiv sein. Beispielsweise kann jedes
Bildelement ein Flüssigkristallelement
sein.
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Jedes
Bildelement kann ein Licht emittierendes Element sein.
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Sowohl
der erste als auch der zweite Schalter können ein Dünnschichttransistor sein.
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Die
Ladungsspeicherkapazität
des zweiten Ladungsspeicherelements kann größer als die des ersten Ladungsspeicherelements
sein.
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Für jedes
Bildanzeigeelement können
das zweite Ladungsspeicherelement und der zweite Schalter in Reihe über das
erste Ladungsspeicherelement geschaltet sein.
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Die
Bildanzeigeelemente können
in Zeilen und Spalten angeordnet sein, wobei diejenigen jeder Spalte
mit einer jeweiligen Datenleitung verbunden sind und diejenigen
jeder Zeile mit einer jeweiligen Scanleitung verbunden sind.
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Die
zweiten Schalter jeder Zeile von Bildanzeigeelementen können über Steueranschlüsse verfügen, die
mit einer jeweiligen Steuerleitung verbunden sind. Die Steuerleitungen
können
miteinander verbunden sein.
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Für jedes
Bildanzeigeelement kann der zweite Schalter über einen Steueranschluss verfügen, der mit
den ersten Anschlüssen
des ersten und des zweiten Ladungsspeicherelements verbunden ist.
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Das
erste und das zweite Ladungsspeicherelement jeder Zeile von Bildanzeigeelementen
können über erste
Anschlüsse
verfügen,
die mit einer jeweiligen gemeinsamen Leitung verbunden sind.
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Das
erste und das zweite Ladungsspeicherelement jedes benachbarten Paars
von Zeilen von Bildanzeigeelementen können über erste Anschlüsse verfügen, die
mit einer jeweiligen gemeinsamen Leitung verbunden sind.
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Das
erste und das zweite Ladungsspeicherelement jeder Zeile von Bildanzeigeelementen
können über erste
Anschlüsse
verfügen,
die mit der Scanleitung einer benachbarten Zeile verbunden sind.
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Das
erste und zweite Ladungsspeicherelement jedes Bildanzeigeelements
kann über
einen ersten bzw. zweiten Kondensator verfügen. Der erste und der zweite
Kondensator jedes Bildanzeigeelements können über eine gemeinsame Platte
verfügen.
Die gemeinsame Platte kann einen Teil einer Gatemetall-Verbindungsschicht
bilden. Der erste Kondensator jedes Bildanzeigeelements kann ferner über eine
Platte verfügen,
die einen Teil einer Sourcemetall-Verbindungsschicht bildet. Der zweite
Kondensator jedes Bildanzeigeelements kann ferner über eine
Platte verfügen,
die einen Teil einer stark dotierten Siliciumschicht bildet.
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Der
zweite Kondensator jedes Bildanzeigeelements kann über ein
Dielektrikum mit einem Gateoxid verfügen. Der zweite Kondensator
jedes Bildanzeigeelements kann aus einem Metalloxid-Silicium-Kondensator
bestehen. Dieser Metalloxid-Silicium-Kondensator kann den zweiten
Schalter bilden und über
einen Source- und einen Drainanschluss verfügen, die mit dem ersten Schalter
und dem Bildelement verbunden sind. Der erste Kondensator jedes
Bildanzeigeelements kann über
die Gate/Source-Überlappungskapazität und die
Gate/Drain-Überlappungskapazität des Metalloxid-Silicium-Kondensators
verfügen.
Der Metalloxid-Silicium-Kondensator kann über einen leicht dotierten
Drain unter der Gateelektrode verfügen.
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Das
Bauteil kann ein Display sein.
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So
ist es möglich,
ein Bauteil zu schaffen, bei dem das Speichervermögen jedes
Pixels verändert werden
kann, um einen Betrieb der Aktivmatrix in verschiedenen Modi zu
ermöglichen,
um z.B. die Bildqualität
und den Energieverbrauch zu optimieren. Z.B. kann ein derartiges
Bauteil mit kleinerer Speicherkapazität betrieben werden, was ein
schnelleres und genaueres Aktualisieren ermöglicht, um für eine relativ
hohe Rahmenrate mit hoher Bildqualität zu sorgen. Für niedrigeren
Energieverbrauch kann ein Modus mit niedrigerer Rahmenrate mit größerer Speicherkapazität der Pixel
gewählt
werden, um eine Bildstörung
durch ein Ladungsleck während
Intervallen zwischen Pixelaktualisierungen zu verringern oder zu
verhindern.
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Die
Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beispielhaft weiter erläutert.
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1 veranschaulicht
schematisch ein bekanntes Aktivmatrixdisplay;
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2 ist
ein Schaltbild von Aktivmatrixpixeln eines bekannten Displaytyps;
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3 ist
ein Schaltbild von Aktivmatrixpixeln eines anderen bekannten Displaytyps;
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4 veranschaulicht
einen MOS-Kondensator und die Kapazität über der Gate/Source-Spannung
eines derartigen Bauteils;
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5 ist
ein Schaltbild von Pixeln eines weiteren bekannten Bauteiltyps;
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6 ist
ein Schaltbild von Pixeln eines Bauteils, das eine erste Ausführungsform
der Erfindung bildet;
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7 ist
ein Signalverlaufsdiagramm zum Veranschaulichen des simulierten
Betriebs von in der 6 dargestellten Pixeln in zwei
Betriebsmodi;
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8 ist
ein Signalverlaufsdiagramm zum Veranschaulichen des Simulationsergebnisses
für den
Betrieb von in der 6 dargestellten Pixeln in einem
Tafel-Abtast/Halte-Bauteil;
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9 ist
ein Schaltbild von vier Pixeln eines Bauteils, das eine zweite Ausführungsform
der Erfindung bildet;
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10 ist
ein Schaltbild von vier Pixeln eines Bauteils, das eine dritte Ausführungsform
der Erfindung bildet;
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11 ist
ein Schaltbild von vier Pixeln eines Bauteils, das eine vierte Ausführungsform
der Erfindung bildet;
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12 ist
ein Schaltbild von vier Pixeln eines Bauteils, das eine fünfte Ausführungsform
der Erfindung bildet;
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13 ist
ein Schaltbild von vier Pixeln eines Bauteils, das eine sechste
Ausführungsform
der Erfindung bildet;
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14 veranschaulicht
ein Beispiel eines Maskenlayouts eines Pixels des in der 13 dargestellten
Bauteils;
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15 ist
ein Schaltbild von vier Pixeln eines Bauteils, das eine siebte Ausführungsform
der Erfindung bildet;
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16 zeigt
ein Beispiel eines Maskenlayouts eines Pixels vom in der 15 dargestellten Typ;
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17 veranschaulicht
schematisch den Betrieb des MOS-Kondensators;
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18 ist
ein Schaltbild von vier Pixeln eines Bauteils, das eine achte Ausführungsform
der Erfindung bildet;
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19 zeigt
ein Beispiel eines Maskenlayouts eines in der 18 dargestellten
Pixels; und
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20 ist
ein Schaltbild von vier Pixeln eines Bauteils, das eine neunte Ausführungsform
der Erfindung bildet.
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Gleiche
Bezugszahlen kennzeichnen in allen Zeichnungen gleiche Teile.
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Die 6 zeigt
vier Pixel eines Aktivmatrixbauteils, z.B. in Form einer Flüssigkristalldisplay-Tafel.
Jedes der Pixel verfügt über einen
TFT 10, einen Speicherkondensator 12 und eine
Pixelelektrode 11, wie sie oben unter Bezugnahme auf z.B.
die 2 beschrieben wurden. Außerdem verfügt jedes Pixel über einen
weiteren TFT 20, dessen Drain (oder Source) mit der Pixelelektrode 11 verbunden
ist und dessen Source (oder Drain) mit einer ersten Platte eines
anderen Speicherkondensators 21 verbunden ist, dessen andere
Platte mit der gemeinsamen Elektrodenleitung 13 verbunden
ist. Das Gate des TFT 20 ist mit einer Kondensatorauswählleitung
verbunden, die den Pixelzeilen gemeinsam ist. Die Kapazität Cs2 des
Kondensators 21 muss nicht diesel be wie die Kapazität Cs1 des
Kondensators 12 sein, sondern sie kann z.B. wesentlich
höher sein,
z.B. in der Größenordnung
des Fünffachen
des Werts.
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Jedem
Pixel sind eine Vertikal-Signalleitung und drei Horizontal-Signalleitungen
zugeordnet. Die Vertikalleitung kann mit der Sourcemetall-Verbindungsschicht
hergestellt werden und die Horizontalleitungen können mit der Gatemetall-Verbindungsschicht
hergestellt werden.
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Das
Aktivmatrixbauteil kann in einem von zwei Modi betrieben werden.
Im ersten Modi werden die Kondensator-Auswählsignalleitungen mit einer relativ
niedrigen Spannung verbunden. In diesem Modus werden die TFTs 20 aller
Pixel ausgeschaltet, damit der Kondensator 21 effektiv
von der Pixelelektrode 11 getrennt wird. Dies ist ein Modus
mit relativ niedriger Kapazität,
bei dem die Speicherkapazität an
jedem der Pixel im Wesentlichen dem Wert Cs1 der Speicherkondensatoren 12 entspricht.
Im anderen Modus mit höherer
Kapazität
sind die Leitungen 22 mit einer relativ hohen Spannung
verbunden, damit die Transistoren 20 aller Pixel eingeschaltet
werden und der Kondensator 21 parallel mit dem Kondensator 12 an
jedem Pixel verbunden wird. In diesem Modus entspricht die Speicherkapazität der Summe
der Werte Cs1 und Cs2 der Kondensatoren 12 und 21.
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Die 7 ist
ein Signalverlaufsdiagramm, das die Spannung in Volt über der
Zeit in Mikrosekunden zeigt, wobei ein Simulationsergebnis für das Bauteil
der 6 dargestellt ist, das sowohl im Modus mit niedriger
Kapazität
als auch dem mit hoher Kapazität
arbeitet. Die Simulation repräsentiert
eine Flüssigkristallpixel-Zelle,
die in einem Rahmen eine Spannung von –3,5 Volt und im nächsten Rahmen eine
solche von +3,5 Volt empfängt.
Die Pixelspannung ist auf ein Gegenelektrodenpotenzial von 6 Volt bezogen,
so dass die an die Pixelelektrode 11 gelegte Spannung im
ersten Rahmen 2,5 Volt und im zweiten Rahmen 9,5 Volt beträgt. Die
Scanleitungs-Aktivierungsfrequenz und das Leck wurden so eingestellt,
dass die jeweiligen Effekte innerhalb einer vernünftigen Simulationszeit beobachtet
werden können.
Der Wert Cs1 des Kondensators 12 beträgt 100 fF, was für ein kleines
Aktivmatrix-Flüssigkristalldisplay
für Direktbetrachtung
typisch ist. Der Wert Cs2 des Kondensators 21 beträgt 500 fF.
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Im
Betriebsmodus mit niedriger Kapazität erfolgt das Laden der Pixel
sehr schnell. Wenn jedoch die Scanleitung auf niedrig geht, existiert
eine beträchtliche
Ladungsinjektion aus der Überlappungskapazität des TFT 10.
Auch ist das Auslecken aus dem Speicherkondensator 12 sehr
beträchtlich. Wenn sich
die Pixelelektrodenspannung im Betriebsmodus mit hoher Kapazität zur Datenleitungsspannung
bewegt, benötigt
das Laden von Pixeln länger, es
existiert weniger Ladungsinjektion, wenn der Transistor ausgeschaltet
ist, und das Auslecken ist wesentlich kleiner.
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Das
Simulationsergebnis veranschaulicht nicht eine Störung der
Datenleitungsspannung aufgrund der gemeinsamen Nutzung der Ladung
bei einem Tafel-Abtast/Halte-Typ
eines Displays. Bei einem kleinen Aktivmatrix-Flüssigkristalldisplay für Direktbetrachtung
beträgt
die Datenleitungskapazität typischerweise
10 pF. Bei denselben Speicherkapazitäten beträgt, im Modus mit niedriger
Kapazität,
die an einem Pixel auftretende Spannungsänderung ungefähr 1% der
gewünschten
Datenleitungsspannung. Im Modus mit hoher Kapazität liegt
die Spannungsänderung
näher an
6%. Der zugehörige
Effekt ist in der 8 veranschaulicht. Unmittelbar
vor der zweiten Scanperiode befindet sich die Datenleitung zunächst auf
9,5 Volt. Wenn die Scanleitung aktiviert wird, nutzen die Datenleitung
und die Kondensatoren 12 und 21 die Ladung gemeinsam.
Der Nettoeffekt besteht darin, dass sich die Pixelelektrode 11 schließlich auf
9,1 Volt statt auf den gewünschten
9,5 Volt befindet.
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Die
Implementierung des zusätzlichen
Speicherkondensators 21 von 500 fF gemeinsam mit einem
zusätzlichen
TFT an jedem Pixel verringert das Pixelöffnungsverhältnis bei kleinen transmissiven Flüssigkristalldisplays
beträchtlich,
insbesondere dann, wenn Gate- und Sourcemetall-Verbindungsschichten
dazu verwendet werden, den Speicherkondensator mit parallelen Platten
auszubilden. Jedoch wird das Pixelöffnungsverhältnis bei reflektiven oder transmissiv-reflektiven
Displays nicht wesentlich beeinflusst, bei denen die zusätzlichen
Elemente 20 und 21 unter einer reflektierenden
Elektrode angebracht werden können.
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Die
erhöhte
Pixelladezeit im Betriebsmodus mit hoher Kapazität erfordert eine sorgfältige Berücksichtigung,
insbesondere dann, wenn die TFTs 10 und 20 solche
vom Typ mit amorphem Silicium sind. Die Beweglichkeit bei derartigen
Bauteilen ist sehr gering, z.B. 1 cm2/Vs,
was die Rate des Ladungsflusses von der Datenleitung 4 zu
den Speicherkondensatoren 12 und 21 begrenzt.
Daher kann es erforderlich oder wünschenswert sein, die Aktivmatrixadressierung
zu verlangsamen, damit die Pixel vollständig geladen werden. Alternativ
kann es möglich
sein, dieselben Bilddaten in aufeinanderfolgenden Rahmen in die
Aktivmatrix einzuschreiben, um ein zufriedenstellendes Laden der
Zellen zu gewährleisten.
Derartige Techniken können
da durch berücksichtigt
werden, dass zeitliche Modifizierungen im Datenleitungstreiber 3 und
im Scanleitungstreiber 7 vorgenommen werden. Bei Displays,
die aus Polysilicium-TFTs 10 und 20 hohen Leistungsvermögen, die
eine Beweglichkeit über
50 cm2/Vs aufweisen können, hergestellt werden, ist
es unwahrscheinlich, dass im Modus mit hoher Kapazität eine verlängerte Pixelladeperiode erforderlich
ist.
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Die
verringerte Genauigkeit beim punktweisen Adressieren eines Displays
im Modus mit hoher Kapazität
kann innerhalb des Datenleitungstreibers oder innerhalb einer Flüssigkristalltreiber-Steuerung (nicht
dargestellt), an die das Display angeschlossen wird, kompensiert
werden. Eine derartige Kompensation ist standardmäßige Vorgehensweise,
da es im Allgemeinen erforderlich ist, die nichtlineare Spannung/Transmission-Antwort
der Flüssigkristallpixel zu
kompensieren; dies wird allgemein als "Gammakorrektur" bezeichnet. Jedoch stellt die Berücksichtigung
zweier Kompensationsschemas innerhalb der Treiberschaltung für die Modi
mit hoher und niedriger Kapazität
einen wesentlichen Overhead dar. Es ist wahrscheinlich, dass das
Display im Modus mit hoher Kapazität mit verringerten Rahmenraten
betrieben wird, hauptsächlich,
um den Energieverbrauch zu senken. Wenn dies der Fall ist, ist es
weniger wesentlich, eine hohe Graustufengenauigkeit zu erzielen. Z.B.
kann das Display in einem 1-Bit-Farbmodus mit niedriger Rahmenrate
betrieben werden. Es ist unwahrscheinlich, dass irgendwelche Ungenauigkeiten, die
bei einem derartigen 1-Bit-Farbmodus durch gemeinsame Nutzung der
Ladung hervorgerufen werden, zu wesentlichen Bildqualitätsproblemen
führen.
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Die
in der 9 veranschaulichte Ausführungsform unterscheidet sich
von der in der 6 veranschaulichten dadurch,
dass die Positionen des TFT 20 und des Kondensators 21 gegeneinander vertauscht
sind. Jedoch wird der Betrieb dadurch nicht beeinflusst.
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Das
durch die 10 veranschaulichte Bauteil
unterscheidet sich von dem in der 6 veranschaulichten
dadurch, dass eine Kondensator-auf-Gate-Technik vom in der 5 veranschaulichten
Typ dazu verwendet wird, die Anzahl der Horizontalsignale, die durch
jede Zeile der Aktivmatrix laufen, um eins zu verringern. So sind
die unteren Platten der Kondensatoren 12 und 21 mit
der Scanleitung 6 der benachbarten Pixelzeile verbunden,
so dass die gemeinsame Leitung 13 nicht benötigt wird. Die
Scanleitungen werden dazu verwendet, eine Gleichspannung an die
unteren Anschlüsse
der Kondensatoren 12 und 21 zu liefern, und sie
sind die meiste Zeit auf 0 Volt eingestellt.
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Jedoch
werden die Scanleitungen 6 der Reihe nach auf eine hohe
Gleichspannung umgeschaltet, um die TFTs 10 der Pixelzeile
zu aktivieren. Um eine Störung
der in den Kondensatoren 12 und 21 gespeicherten
Spannungen zu vermeiden, sollte ein derartiger Schaltvorgang vor
dem Laden der Kondensatoren erfolgen. So sollte die in der 10 dargestellte
Aktivmatrix von der unteren Zeile aus nach oben durchgescannt werden.
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Das
in der 11 dargestellte Bauteil unterscheidet
sich von dem in der 6 veranschaulichten dadurch,
dass die gemeinsame Elektrodenleitung 13 und die Kondensatorauswählleitung 22 durch
eine einzelne Leitung 24 ersetzt sind, die mit den weiteren Platten
der Kondensatoren 12 und 21 und dem Gate des TFT 20 verbunden
ist. Dies ist zulässig,
da das Kondensatorauswählsignal
im Wesentlichen ein Gleichspannungssignal ist, wenn einmal der Betriebsmodus
ausgewählt
ist. Im Modus mit niedriger Kapazität wird die Leitung 24 mit
Masse verbunden, damit der TFT 20 ausgeschaltet wird und
die effektive Speicherkapazität
die durch den Kondensator 12 gelieferte ist. Im Modus mit
hoher Kapazität
wird die Leitung 24 mit der positiven Versorgungsspannung
Vdd verbunden, so dass der TFT 20 eingeschaltet wird, um
den Kondensator 21 über
den Kondensator 12 zu schalten. Diese Technik kann auch
bei den nachfolgend beschriebenen Ausführungsformen angewandt werden.
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Die 12 veranschaulicht
ein Bauteil, das sich von dem in der 11 veranschaulichten
dadurch unterscheidet, dass jede Kondensatorauswählleitung und gemeinsame Elektrodenleitung 24 durch
ein benachbartes Paar von Pixelzeilen gemeinsam genutzt wird. So
existieren, im Mittel, nur 1,5 Horizontalsignale, die über jede
Pixelzeile laufen. Diese Technik kann auch bei den nachfolgend beschriebenen
Ausführungsformen
angewandt werden.
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Das
in der 13 veranschaulichte Bauteil ist
dem in der 6 dahingehend ähnlich,
dass jede Pixelzeile über
eine gemeinsame Leitung 13 und eine Kondensatorauswählleitung 22 verfügt. Jedoch
haben die Kondensatoren 12 und 21 eine gemeinsame Platte
gemeinsam, die einen Teil der Gatemetall-Verbindungsschicht der
integrierten Struktur, in der die TFTs 10 und 20 ausgebildet
sind, bildet. Die andere Platte des Kondensators 12 bildet
einen Teil der Sourcemetall-Verbindungsschicht, wohingegen die andere
Platte des Kondensators 21 einen Teil einer stark dotierten
Schicht aus amorphem oder Polysilicium, z.B. vom n-Typ, bildet.
Bei einer typischen TFT-Struktur ist das Dielektrikum des Kondensators 21 ein
Gateoxid, so dass die Kapazität
pro Flächeneinheit
des Substrats für
den Kondensator 21 wesentlich größer als die beim Kondensator 12 ist.
Dies ermöglicht
es, für
die Kapazität
Cs2 des Kondensators 21 einen viel größeren Wert zu erzielen.
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Die 14 zeigt
das Maskenlayout eines Bauteils vom in der 13 dargestellten
Typ mit Realisierung als reflektives Flüssigkristalldisplay mit einer
Doppelgate-TFT-Struktur aus Polysilicium. Die Datenleitung 4 ist
auf der Sourcemetall-Verbindungsschicht (SL) implementiert, und
sie verläuft
auf der rechten Seite des Pixels in vertikaler Richtung, mit einer
Verbindung durch eine Durchführung 30 zur Source
des TFT 10, der über
einen Doppelgateaufbau verfügt.
Der TFT 10 wird zweimal durch die Scanleitung 6 überquert,
die in der Gatemetall-Verbindungsschicht GL ausgebildet ist, so
dass zwei in Reihe geschaltete TFT-Kanäle rechtwinklig zueinander ausgebildet
sind. Diese Anordnung macht das Bauteil robuster gegen Maskenausrichtungsfehler.
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Am
Drain des TFT 10 verbindet eine Durchführung 31 den Anschluss
mit einer großen
SL-Elektrode, die eine Platte des Kondensators 12 bildet, dessen
andere Platte durch einen Teil der GL-Elektrodenleitung gebildet
wird. Die SL-Elektrode steht auch mit einer reflektierenden Elektrode
(RE) 32 in Kontakt. Der Drain des TFT 10 ist auch
mit einer Polysiliciumbahn verbunden, die dort den Transistor 20 bildet,
wo sie von der Kondensatorauswählleitung 22 geschnitten
wird. Die Polysiliciumbahn ist dann mit einer stark dotierten Polysiliciumelektrode
verbunden, die in Verbindung mit der gemeinsamen GL-Elektrodenleitung 13 den
Kondensator 21 bildet.
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Ein
starkes Dotieren einer Schicht aus amorphem oder Polysilicium unter
einer Gateschicht kann nicht in normaler Weise unter Verwendung
des herkömmlichen
TFT-Prozessablaufs bewerkstelligt werden, und es ist wahrscheinlich,
dass eine weitere Maske dazu erforderlich ist, den stark dotierten
Bereich auszubilden.
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Das
in der 15 veranschaulichte Bauteil ist
dem in der 13 veranschaulichten ähnlich,
jedoch unter Verwendung der in der 11 dargestellten
einzelnen Kondensatorauswählleitung
und gemeinsamen Elektrodenleitung 24 und den als MOS-Kondensator
ausgebildeten Kondensatoren 12 und 21. Wenn die
Leitung 24 mit einer niedrigen Spannung, wie Masse, verbunden
ist, ist der TFT 20 ausgeschaltet, und der Kondensator 12 ist
als Kondensator mit parallelen Platten zwischen den Schichten SL
und GL ausgebildet. Wenn das Auswählsignal an der Leitung 24 hoch
ist, z.B. auf Vdd, ist der TFT 20 eingeschaltet, und der
MOS-Kondensator vom Wert Cs2 liegt parallel zum Kondensator 12.
Der MOS-Kondensator 35 wird durch eine Schicht aus amorphem oder
Polysilicium unter einer Gateelektrode gebildet. Die Gateelektrode
besteht aus der auf der Schicht GL verlegten Kondensatorauswählsignal-Leitung,
und demgemäß befindet
sie sich auf einem hohen Potenzial über der Schwellenspannung Vt
der MOS-Struktur 35. Dann entspricht die Gesamtkapazität der Summe
aus der Oxidkapazität
und den Überlappungskapazitäten, wie
oben unter Bezugnahme auf die 4 beschrieben.
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Die 16 veranschaulicht
ein Maskenlayout für
das Bauteil der 15 mit einer Realisierung als
reflektierende Doppelgate-TFT-Struktur aus Polysilicium. Es existieren
nur zwei Horizontalsignale, die über
das Pixel geführt
werden. Die Polysiliciumschicht des MOS-Kondensators erstreckt sich über die
Gatemetallschicht des Kondensators hinaus. Bei einem normalen TFT-Herstellablauf mit
Selbstausrichtung wird dieser Bereich stark dotiert. Wie es mit 33 gekennzeichnet
ist, setzt sich dieser Bereich um drei Kanten des MOS-Kondensators
fort, um für
die erforderliche Source-Drain-Verbindung zu sorgen.
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Die
Kapazität
einer MOS-Struktur ändert sich
abhängig
von der an die gemeinsame Elektrode angelegten Spannung. Die 17 veranschaulicht die
Anschlussspannungen des MOS-Kondensators 35 für zwei Bedingungen.
Im oberen Diagramm der 17 befindet sich die gemeinsame
Elektrode auf 15 Volt, was eine typische Versorgungsspannung für ein Aktivmatrix-Bauteil
ist. Die Pixelelektrode 11 kann bei einem typischen Bauteil über einen
beliebigen Wert zwischen 1,5 Volt und 10,5 Volt verfügen. Damit sich
der Kondensator in der Betriebsweise mit hoher Kapazität befindet,
muss die MOS-Schwellenspannung weniger als 4,5 Volt betragen, was
für Pixel-TFTs
aus amorphem und Polysilicium im Allgemeinen der Fall ist.
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Bei
der im unteren Diagramm der 17 veranschaulichten
Konfiguration befindet sich die gemeinsame Elektrode auf 0 Volt.
Damit sich der Kondensator in seiner Betriebsweise mit niedriger
Kapazität
befindet, muss die MOS-Schwellenspannung größer als –1,5 Volt
sein, was für
Pixel-TFTs aus amorphem und Polysilicium im Allgemeinen der Fall ist.
Demgemäß ist es
durch Schalten der gemeinsamen Elektrodenspannung als solcher möglich, zwischen
den zwei Betriebsweisen des MOS-Kondensators umzuschalten, um die
zwei verschiedenen Speicherkapazitäten auszuwählen.
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Das
in der 18 dargestellte Bauteil nutzt diese
Möglichkeit,
und es unterscheidet sich von dem in der 15 dargestellten
dadurch, dass der TFT 20 weggelassen ist, da das Umschalten
der Kapazität durch
die MOS- Struktur 35 ausgeführt wird.
Das Maskenlayout für
ein Pixel dieses Bauteils ist in der 19 dargestellt.
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Das
in der 20 veranschaulichte Bauteil unterscheidet
sich von dem in der 18 veranschaulichten dadurch,
dass der durch die Verbindungsschichten gebildete Kondensator mit
parallelen Platten weggelassen ist. Daher wird keine Elektrode benötigt, die
auf der Verbindungsschicht SL ausgebildet ist, und dies führt zu einer
sehr einfachen Pixelschaltung. Der dauerhaft angeschlossene Speicherkondensator
wird durch die Überlappungskapazitäten gebildet,
wohingegen der selbstschaltende Kondensator durch die Oxidkapazität gebildet
wird und er nur dann in den Schaltkreis geschaltet wird, wenn die Leitung 24 auf
eine hohe Spannung, wie Vdd, geschaltet wird. Der Wert Cs1 des dauerhaft
angeschlossenen Speicherkondensators kann unter Verwendung bekannter
TFT-Kanal-Entwurfstechniken gewählt
werden, wie durch Einschließen
eines leicht dotierten Drains (LDD) unter der Gateelektrode.