專利名稱：晶體管在低占空因數(shù)情況下工作的移位寄存器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及顯示器的一種驅(qū)動電路，特別涉及一種用以將行選擇線路信號加到液晶顯示(LCD)的行選擇線路的移位寄存器。
顯示器，例如液晶顯示器，由水平成行、垂直成列排列的象素矩陳構(gòu)成。待顯示的視頻信息作為亮度(色調(diào)標度)信號加到與各列象素有關(guān)的各數(shù)據(jù)線路上。行選擇線路中產(chǎn)生的信號依次掃描各行象素。與啟動行選擇線路有關(guān)的象素電容根據(jù)經(jīng)相應(yīng)的數(shù)據(jù)線路加到各列的亮度信號的電平充電到不同的亮度級。
非晶硅可以在低溫下加工，因而這種材料是制造液晶顯示器的較好工藝材料。加工溫度低，這一點很重要，因為這使我們可以采用一般容易物色到的價廉的基片材料。然而，在集成外部象素驅(qū)動器中采用非晶硅薄膜晶體管(a-Si TFT)卻給設(shè)計帶來困難，因遷移率低，閾值電壓漂移不定，而且只可制得N型金屬氧化物半導體(N-MOS)增強型晶體管。
選擇線路的驅(qū)動電路最好直接在同一個基片上制取，而且與液晶元件同時制取。美國專利5,222,082介紹了驅(qū)動行選擇線路的周知的那一種掃描或移位寄在器，可與液晶顯示結(jié)合起來。寄存器的輸出部分設(shè)計成可由若干TFT構(gòu)成的推挽放大器。某給定行不選用時，推挽放大器的下拉TFT導通，以便將適當?shù)淖杩辜拥椒沁x用行的行線路導線上。
各行線路導線在大部分更新周期或幀時間期間是不選用的。因此，各下拉TFT在大部分時間或選用該行的時間以外是導通的。第二開關(guān)TFT將開關(guān)電壓加到下拉TFT的柵極端。為減小第二開關(guān)TFT超載的可能性，最好將驅(qū)動電壓加到下拉TFT的柵極端的第二開關(guān)TFT的占空因數(shù)縮短。
體現(xiàn)出本發(fā)明的一個方面的移位寄存器包括一個有多個移相時鐘信號的信號源和多個級聯(lián)級。其中一個指定的級聯(lián)級包括一個維挽放大器的第一晶體管，它響應(yīng)諸時鐘信號的第一時鐘信號在該指定的級聯(lián)級的輸出端產(chǎn)生輸出脈沖。在有相對于第一時鐘信號移相的時鐘信號出現(xiàn)時，輸入部分響應(yīng)在第二級聯(lián)級輸出端產(chǎn)生的輸出脈沖。于是第一晶體管的控制極產(chǎn)生控制信號。該控制信號調(diào)控第一晶體管使其在第一時鐘信號出現(xiàn)有效工作電平時在該指定級聯(lián)級產(chǎn)生輸出脈沖。推挽放大器的第二晶體管耦合到該指定級聯(lián)級的輸出端，以便將該輸出端箝位在輸出脈沖不起有效工作用的電平。第三開關(guān)晶體管則響應(yīng)該指定的級聯(lián)級下游的一個級聯(lián)級的輸出脈沖將控制信號加到第二晶體管上。


圖1說明有多個級聯(lián)級的移位寄存器的方框圖。
圖2說明體現(xiàn)本發(fā)明的一個方面、可用于圖1的移位寄存器中的移位寄存器級的原理圖。
圖3a至圖3d是出現(xiàn)在圖1采用圖2所示各移位寄存器級的各節(jié)點的輸出信號和相應(yīng)時鐘信號的相對時間圖。
圖4說明體現(xiàn)本發(fā)明的一個方面、補償圖2電路閾值電壓變化的方案。
圖5的曲線用以說明圖4電路的工作過程。
圖2說明圖1移位寄存器100第n級的一個實例。圖1的移位寄存器100驅(qū)動液晶顯示器矩陣的行選擇線路118(圖1中未示出)。移位寄存器100中，各級n-1、n、n+1和n+2彼此按級聯(lián)接法耦合。某給定級的輸出信號耦合到圖2第n級的輸入端12。為舉例說明，這里只圖解地示出四級n-1、n、n+1和n+2，而鏈式寄存器100的總級數(shù)n實際上還要大一些。移位寄存器100可以叫做“走步1”(walking one)移位寄存器。這是因為在視頻幀時間期間，“真值”(TRUE)狀態(tài)傳遍整個寄存器100。
圖1的時鐘脈沖發(fā)生器101產(chǎn)生三相時鐘脈沖信號(時鐘脈沖信號c1、c2和c3)，其波形分別如圖3d、圖3c和3b所示。圖3a信號OUTn-1的脈沖是時鐘脈信號c3的脈沖加到圖1的第n－1級上時產(chǎn)生的。圖1、圖2和圖3a至圖3d中類似的符號和編號表示類似的元件或功能元件。
圖1的信號OUTn-1在圖2第n級的輸入端12產(chǎn)生。處于高電平的信號OUTn-1經(jīng)圖2作為開關(guān)工作的晶體管18耦合到端子18a，以便產(chǎn)生控制信號P1。時鐘脈沖信號C1即將出現(xiàn)之前，端子18a處的信號P1由經(jīng)電容器31加到端子18a的時鐘脈沖信號通過自舉操作提高到更高的電位。耦合到第n級的輸入端12的第n-1級的信號OUTn-1還耦合到晶體管21的柵極。晶體管21的漏極經(jīng)端子21a耦合到晶體管19的柵極，并耦合到下拉晶體管17的柵極，因而兩晶體管19和17都不導通。
信號P1的“高”電平暫時儲存在電極間電容(圖中未示出)和電容器30中。信號P1在輸出晶體管16的柵極產(chǎn)生，調(diào)節(jié)著輸出晶體管16，使其導通。端子18a處于高電平時，圖3d的時鐘脈沖信號c1經(jīng)晶體管16耦合到輸出端13。電極間寄生電容CP有助于端子18a處電位的自舉，給晶體管16提供額外的驅(qū)動電勢。于是寄存器n的輸出端13產(chǎn)生輸出脈沖信號OUTn。在此期間，下拉晶體管17因晶體管21工作而不導通，因而這時對信號OUTn沒有影響。
第n級的信號OUTn加到圖1下一級n＋1的輸入端。第n＋1級的工作情況與第n級類似，只是不采用第n級的時鐘脈沖信號c1而采用時鐘脈沖信號c2來使相應(yīng)的晶體管導通。時鐘脈沖信號c1達到不能有效工作的“低”電平時，晶體管16仍然導通，直到信號P1進入低電平為止。第n級的信號OUTn在時鐘脈沖信號c1處于低電平時因通過晶體管16的放電而變?yōu)榈碗娖健?br> 晶體管25耦合在端子18a與基準電位VSSI之間的漏極/源極導通通路在晶體管25導通時足以使上拉晶體管16截止。第n級的晶體管25，其柵極耦合到圖1鏈路中下一第n＋2級的輸出端，且由輸出信號OUTn+2控制。信號OUTn＋2在寄存器100中脈沖傳播通路的下游產(chǎn)生。
信號OUTn+2的脈沖與圖3b時鐘脈沖信號c3同時出現(xiàn)。信號OUTn+2的脈沖促使圖2的晶體管25使端子18a處的上述電極間電容CP放電。晶體管25將端子18a處的信號箝位在能防止晶體管16在出現(xiàn)時鐘脈沖信號c1的下一個脈沖時產(chǎn)生信號OUTn的任何另一個脈沖。
按照本發(fā)明的特點，信號OUTn+2的脈沖還耦合到TFT晶體管20的柵極上，以便使晶體管20導通。晶體管20將電壓VDD加到端子21a上，以便使晶體管17和19導通。這樣，晶體管20只有在從例如560行選取一行的過程中導通。因此，晶體管20只在很低的占空因數(shù)中導通。結(jié)果，晶體管20受到的應(yīng)力不大，從而減小其閾值電壓漂移，同時延長了其使用壽命。
在信號OUTn+2的脈沖之后，晶體管20截止。但耦合到晶體管17和19的柵極的電容器32在晶體管20工作時儲存電荷。儲存在電容器32中的電荷使晶體管17和19保持導通，直到下一個掃描周期為止，這時端子12處的信號促使晶體管21導通，從而使晶體管17和19截止。電容器32還對端子12處的信號起濾除噪聲作用。
晶體管17只要導通就作為下拉晶體管工作，將適當?shù)淖杩辜拥蕉俗?3上。因此，晶體管17起吸收電流i17的作用。這里有這樣的好處，即晶體管17漏極/源極阻抗低得足以使行選擇線路上的高電平放電，此外低得應(yīng)足以吸收從LCD矩陣各列線路耦合到行選擇線路的任何寄生電流。若晶體管17不把寄生電流分散開，這些電流產(chǎn)生的電勢可能會大得足以在以后寄存階段造成誤選擇。這樣，晶體管17的閾值電壓只要在整個工作壽命期間沒有大幅度增加就可以避免誤選擇。晶體管19導通時有這樣的好處，即可以防止時鐘信號c1和c3促使晶體管16導通。
例如，在圖1寄存器100的各輸出端有脈沖時，信號OUTn+2的脈沖在大約16.6毫秒的幀掃描時間只出現(xiàn)一次。因次有這樣的好處，即圖2第n級經(jīng)轉(zhuǎn)換的晶體管18、16、20和25沒有一個因所加的偏壓而在各幀掃描時間里導通的時間超過1個時鐘周期。另一方面，晶體管17和19上所加的偏壓都使其在幀掃描的大部分時間繼續(xù)導通?？赡茏詈檬墙档图拥骄w管17和19上的電壓，因為這個電壓會促使晶體管17和19的閾值電壓提高，并使其吸收電流有能力下降。
為減小晶體管17和19中的應(yīng)力，在晶體管17的柵極上形成的電壓其電平高于晶體管17閾值電壓的幅度在使用壽命開始時不應(yīng)大于例如2伏。由于晶體管17的閾值電壓VTH因應(yīng)力而升高，因而最好應(yīng)這樣補償閾值電壓VTH中的這種升高，使晶體管17和19的導電能力在整個使用壽命期間基本上保持不變。
控制晶體管17和19導通的可變化電壓VDD最好使將其調(diào)高時在使用壽命期間跟隨晶體管17和19中和閾值電壓漂移，這樣做有好處。電壓VDD的變化可以防止晶體管17的導通能力因其電壓VTH的閾值電壓漂移而下降。
圖4示出了產(chǎn)生圖2和圖4的電壓VDD的閾值電壓漂移補償電路40。除TFT 199例外，電路40的電路元件都與圖1的移位寄存器100分開形成，這樣可以使電路40的所有其它晶體管采用單晶晶體管而不采用TFT。TFT 199與圖1的移位寄存器100在LCD的玻璃上一起形成，用來檢測TFF中的任何閾漂移。
電路40中，P型MOS晶體管41與電阻器42串聯(lián)連接，供在晶體管41中產(chǎn)生預定的恒定控制電流用。晶體管43以電流反射鏡結(jié)構(gòu)形式耦合到晶體管41上。因此，晶體管41電流反射鏡控制著晶體管43中的電流i43。電流i43耦合到串聯(lián)耦合的三個N型晶體管，即晶體管44、晶體管45和TFT 199。由于有電流i43，跨過串聯(lián)電路在端子46產(chǎn)生閾電壓補償電壓46a。
TFT 199的柵極耦合到其漏極上。因此，TFT 199兩端的源極/漏極電壓V199等于TFT 199的源極/柵極電壓。TFT 199兩端的柵極/源極電壓V199形成電壓46a第一部分。電壓V199表示晶體管199的閾值電壓。由于TFT199的閾值電壓變化特性曲線與圖2晶體管17的類似，因而電壓V199也表示晶體管199的閾值電壓VTH。為便于設(shè)計，TFT199取較大的晶體管。因此電壓V199是采用大于流經(jīng)晶體管17電流的電流i43產(chǎn)生的。當由于應(yīng)力而使圖2晶體管17中的閾值電壓VTH升高時，圖4的電壓V199由于特性曲線和應(yīng)力類似而也相應(yīng)地升高。
與TFT199串聯(lián)耦合的各晶體管44和45，其柵極耦合到其漏極，且其基片端經(jīng)導線8耦合到基準電平G。晶體管44和45中產(chǎn)生的電壓46a一部分與電壓V199相加產(chǎn)生電壓46a。這樣就使電壓46a比電壓V199大2伏左右。電壓V199大致等于圖2晶體管17的閾值電壓VTH，且在電壓VTH升高時升高。
電壓46a耦合到增益等于1的非反相放大器上，供產(chǎn)生等于電壓46a的電壓VDD。電壓VDD通過圖2的晶體管20施加，以改變晶體管17信號P2的電壓電平。
上述由圖4的晶體管44和45產(chǎn)生的例如2伏電壓差是在LCD開始工作時達到的。在工作期間，晶體管199的閾值電壓升高。為保持導通能力與圖2晶體管17的相同，可能最好使電壓46a增加的幅度在于電壓V199增加的幅度。
基片的偏壓最好如上述那樣小于各晶體管44和45的源極電壓。電壓V199升高促使各晶體管44和45中產(chǎn)生溝道調(diào)制。溝道調(diào)制是通過提高源極/基片電壓達到的。于是各電阻器44和45的電阻率隨電壓V199的升高一起增加。這有這樣的好處，即電壓46a以非線性的方式升高。電壓46a的升高幅度成比例地大于晶體管44和45作為線性電阻器或簡單的電平移位電路工作時的升高幅度。這樣，有這樣的好處，晶體管17的導電性即使在其閾電壓VTH升高時也保持相當穩(wěn)定。
圖5示出了源極/漏極電壓維持在低于50毫伏時晶體管17所能吸收的電流i17的大小。從圖5中可以看到，電流i17變化率在電壓VTH相應(yīng)變化10伏左右時小于5％。
權(quán)利要求
1.一種移位寄存器，包括一個信號源，由多個相移時鐘脈沖信號組成；多個級聯(lián)級，其中所述多個級聯(lián)級的某一指定的級聯(lián)級包括推挽放大器的第一晶體管和第二晶體管，第一晶體管響應(yīng)所述時鐘脈沖信號的第一時鐘脈沖信號在所述指定級聯(lián)級的輸出端產(chǎn)生輸出脈沖，第二晶體管耦合到所述指定級聯(lián)級的所述輸出端，供將所述輸出箝位在所述輸出脈沖不起有效工作作用時的電平；所述其中一個級聯(lián)級的特征在于一個輸入部分，當相對于所述第一時鐘信號移相的時鐘脈沖信號出現(xiàn)時，響應(yīng)在所述各級聯(lián)級的第二級聯(lián)級的輸出端產(chǎn)生的輸出脈沖，在所述第一晶體管的控制電極產(chǎn)生控制信號，所述控制信號在所述第一時鐘信號出現(xiàn)有效工作電平時調(diào)節(jié)所述第一晶體管，以產(chǎn)生所述指定級聯(lián)級的所述輸出脈沖；第三開關(guān)晶體管，響應(yīng)所述指定級聯(lián)級下游級聯(lián)級的輸出脈沖將控制信號加到所述第二晶體管上。
2.如權(quán)利要求1所述的移位寄存器，其特征還在于，所述控制信號調(diào)節(jié)所述控制晶體管導通，以箝位所述輸出。
3.如權(quán)利要求2所述的移位寄存器，其特征在于，所述指定級聯(lián)級下游的級聯(lián)級的所述輸出脈沖在低占空因數(shù)下使所述第二晶體管導通，且所述第二晶體管在電容中儲存的電荷促使所述第一晶體管在高占空因數(shù)下導通。
全文摘要
一種供掃描液晶顯示器的移位寄存器，由許多級聯(lián)級組成。其中一個指定的級聯(lián)級由一個輸入晶體管開關(guān)組成，該開關(guān)響應(yīng)鏈式級聯(lián)級上游一個級聯(lián)級的輸出工作。該指定級聯(lián)級的輸出脈沖是在推挽放大器的上拉晶體管中產(chǎn)生的。第三晶體管響應(yīng)該指定級聯(lián)級下游的一個級聯(lián)級的輸出信號將控制信號加到下拉晶體管的柵極，使下拉晶體管導通。
文檔編號G11C19/00GK1135625SQ96102950
公開日1996年11月13日 申請日期1996年3月5日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月6日
發(fā)明者R·I·A·哈克 申請人:湯姆森多媒體公司