DE69216551T2

DE69216551T2 - Analoge Schaltkreise mit geschalteter Kapazität

Info

Publication number: DE69216551T2
Application number: DE69216551T
Authority: DE
Inventors: Alan Gerald Lewis
Original assignee: Xerox Corp
Current assignee: Xerox Corp
Priority date: 1991-09-23
Filing date: 1992-09-17
Publication date: 1997-07-10
Anticipated expiration: 2012-09-18
Also published as: US5589847A; DE69216551D1; EP0540163B1; JPH06291608A; JPH0783237B2; EP0540163A3; EP0540163A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft Schaltkreise mit geschalteter Kapazität und insbesondere, aber nicht ausschließlich, analoge Schaltkreise mit geschalteter Kapazität, wie Integrationseinrichtungen, Verstärker und Digial/Analogwandler, die als analoge Treiberschaltungsanordnung für elektronische Einrichtungen im großen Maßstab verwendet werden können, wie Flüssigkristallanzeigen mit aktiver Matrix, seitenbreite, optische Abtastmehrfachanordnungen oder elektrographische oder ionographische Druckköpfe.
Elektronische Einrichtungen im großen Maßstab bestehen üblicherweise aus ein- oder zweidimensionalen Mehrfachanordnungen von Dünnschichtschaltungselementen (häufig als Bildelemente bezeichnet). Diese Bildelemente können beispielsweise Flüssigkristallichtventile für eine Anzeige oder Photodioden für eine optische Abtastmehrfachanordnung oder Spitzen für eine Druckmehrfachanordnung enthalten. In jedem Fall ist die physikalische Größe der Mehrfachanordnung durch die Anwendung bestimmt und ist viel größer als eine herkömmliche integrierte Siliciumschaltung. Die Mehrf achanordnungen werden deshalb auf großf lächigen Substraten aufgebaut, üblicherweise aus Glas oder Quarz. Die Bildelementmehrfachanordnungen verlangen auch Treiber- und Schnittstellenschaltungsanordnung, und in den meisten Fällen muß diese Schaltungsanordnung vielmehr analog statt digital sein, d.h., sie muß einen Bereich von Eingangssignalen liefern oder erfassen können. Eine geeignete, analoge Schaltungsanordnung kann aufgebaut werden, wobei gut bekannte Techniken mit geschalteter Kapazität in herkömmlichen integrierten Siliciumschaltungen verwendet werden. Diese integrierten Schaltungen müssen dann auf oder nahe bei dem großf lächigen Substrat angebracht werden, das die Bildelementmehrfachanordnung enthält, und eine große Anzahl elektrischer Verbindungen müssen zwischen den beiden gemacht werden. Die Kosten der peripheren Treiber- und der Schnittstellenchips, ihre Befestigung und ihre elektrische Verbindung mit der großflächigen Einrichtung kann einen bedeutenden Anteil der Gesamtkosten eines Systems bilden, das eine großflächige Einrichtung enthält. Wenn die integrierten Schaltungen und Verbindungen ausgeschlossen oder stark verringert werden können, indem eine geeignete Schaltungsanordnung auf dem großf lächigen Substrat integriert wird, dann können die Systemkosten verringert werden und ihre Zuverlässigkeit wird verbessert.
Somit ist es erwünscht, eine Treiberschaltungsanordnung mit den Bildelementen auf einem gemeinsamen Substrat (beispielsweise Glas oder Quarz) zu integrieren. Eine Anzahl von Schaltungen sind mit großf lächigen Anzeigen integriert worden, wobei Dünnschichttechnologien mit Polysilicium und amorphem Silicium verwendet werden. Jedoch sind diese reine digitale Schaltungen gewesen, oder, wo ein analoger Treiber benötigt wird, ist ein einfacher Durchgangstransistor verwendet worden, um der Mehrfachanordnung das Analogsignal zu liefern, wobei der Zustand des Durchgangstransistors durch eine digitale Schaltungsanordnung gesteuert wird.
Es ist erkannt worden, daß eine Dünnschichttechnologie mit Polysilicium die Integration einer Treiberschaltungsanordnung auf einem Substrat mit einer Bildelementmehrfachanordnung ermöglichen kann. Jedoch hat man angenommen, daß wegen der schlechteren Leistung von Polysilicium-Dünnschichttransistoren verglichen mit herkömmlichen MOS-Feldeffekttransistoren mit Einkristall aus Silicium die Herstellung wahrer Analogschaltungen nicht möglich ist, wenn Dünnschichttechnologien mit Polysilicium verwendet werden.
Dünnschichttransistoren aus Polysilicium sind in verschiedener Weise herkömmlichen MOS-Feldeffekttransistoren aus Silicium in verschiedener Weise unterlegen. Erstens ist der elektrische Treiberstrom, der von einem Dünnschichttransistor aus Polysilicium verfügbar ist, viel geringer als der eines MOS-Feldeffekttransistorens. Diese Begrenzung gilt auch bei digitalen Schaltungen, ist aber schwerwiegender unter den Vorspannungsbedingungen, die typischerweise in Analogverstärkern verwendet werden.
Zweitens, die Sättigungseigenschaften von Dünnschichttransistoren aus Polysilicium sind schlecht mit einer niedrigen Ausgangsimpedanz, die durch den sogenannten "Knick"-Effekt hervorgerufen wird, der sich aus der Kanallawinenvervielfachung ergibt und durch die Gegenwart von Fallenzuständen in dem Kanal der Einrichtung schlechter gemacht wird. Diese geringe Ausgangsimpedanz ist bei Analogschaltung wesentlich bedeutender als bei digitalen, da sie die von einem Verstärker verfügbare Spannungsverstärkung begrenzen kann. Drittens, ist von Dünnschichttransistoren aus Polysilicium bekannt, daß sie verglichen mit MOS-Feldeffekttransistoren an relativ hohen Leckströmen im ausgeschalteten Zustand leiten. Bei analogen Anwendungen ist es häufig notwendig, Ladung in einer Kapazität zu speichern, und irgendein Ladungsverlust aufgrund des Leckes eines Dünnschichttransistors bewirkt einen Fehler bei dem Analogsignal. Digitale schaltungen andererseits sind für ein Lecken weniger empfänglich. Selbst bei einer dynamischen Konstruktion, wo Ladung auch an einem kapazitiven Knoten gespeichert wird, muß der gesamte Ladungsverlust irgendeinen Schwellenwert überschreiten, bevor irgendein Signalfehler auftritt, und diese Schwelle ist normalerweise viel höher, als die für einen Ladungsverlust in einer analogen Schaltung annehmbar ist. Viertens, Dünnschichttransistoren aus Polysilicium zeigen ein viel stärkeres Rauschen als MOS-Feldeffekttransistoren, ein Problem, das wiederum bei analogen Anwendungen viel bedeutender als bei digitalen ist.
Dünnschichttechnologien mit Einkristall, auch als Technologien von Silicium auf Isolator bezeichnet, wie Silicium-auf-Saphir (SOS), Trennung durch implantierten Sauerstoff (SIMOX) oder Zonenschmelzrekristallisation (ZMR), leiden auch an einigen der oben erörterten Einschränkungen, insbesondere dem Knick-Effekt (obgleich bei Einkristall-SOI-MOS-Feldeffekttransistoren nicht so schwerwiegend wie bei Dünnschichttransistoren aus Polysilicium ist) und erhöhtem Lecken. Diese Technologien werden üblicherweise nicht für analoge Anwendungen verwendet, teilweise aus diesen Gründen.
Eine Anzahl von Druckschriften erkennt, daß es wünschenswert wäre, Dünnschichttransistoren zu verwenden, um integrierte Treiber für großflächige Einrichtungen zu bilden, wie Flüssigkristallanzeigen. Diese Druckschriften öffenbaren Polysiliciumbearbeitungen, die einige der Eigenschaften von Dünnschichttransistoren verbessern, wobei sich sogar die verbesserten Dünnschichttransistoren aus Polysilicium nicht Einkristalitransistoren bei ihren Betriebseigenschaften annähern. Des weiteren offenbart keine dieser Druckschriften analoge Schaltungen mit geschalteter Kapazität, die unter Verwendung von Polysilicium-Dünnschichttechnologie konstruiert sind.
Alan G. Lewis und Richard Bruce erörtern in "Circuit Design and Performance for Lage Area Elektronics", 1990 IEEE International Solid-State Circuits Conference S. 222-223, 16. Februar 1990, die Verwendung von Dünnschichttransistoren aus Polysilicium, um Operationsverstärker (siehe Fig. 4) zu bilden. Die Verwendung von Cascaden (zwei oder mehrere Transistoren in Reihe mit getrennten Gates) ist geoffenbart, um den Knick-Effekt in Dünnschichttransistoren aus Polysilicium auszugleichen. Trotz der geringen Leistung von Dünnschichttransistoren aus Polysilicium (niedrige Treiberströme, höhere Schwellenspannungen) wurden digitale Schieberregister hergestellt, die bei hohen Geschwindigkeiten (30 MHz) arbeiten. Es wird angenommen, daß dies wegen der geringen parasitären Kapazität zwischen den Dünnschichttransistoren und dem Isolatorsubstrat ist. Ferner ist ein Operationsverstärker, der vollständig aus Dünnschichttransistoren aus Polysilicium konstruiert ist, geoffenbart. Dieser Operationsverstärker minimiert Drainvorspannungen an den n-Kanal Dünnschichttransistoren, die für eine Verschlechterung der Ausgangsimpedanz aufgrund des Knick-Effekts äußerst empfänglich sind, und eine komplementäre Sourcefolge-Ausgangsstufe wird verwendet, um den begrenzten Treiberstrom zu überwinden. Jedoch sind Schaltungen mit geschalteter Kapazität nicht angegeben worden, und solche Gegenstände, wie das Lecken eines Dünnschichttransistors, der Ausgleich des Verstärkers, der für Anwendungen mit geschalteter Kapazität verlangt wird, und die Linearität von Dünnschichtkapazitäten nicht erörtert.
S. N. Lee u.a. offenbaren, in "A 5 x 9 inch Polysilicon Gray- Scale Color Head Down Display Chip", 1990 IEEE Solid-State Circuits Conference, S. 220-221, 16. Februar 1990, und R .G. Stewart u.a. in "A 9V Polysilicon LCD with Integrated Gray-Scale Drivers", S. 319-322, SID 90 Digest offenbaren eine Treiberschaltung für eine Flüssigkristallanzeige, die einen digitalen Eingang und einen analogen Sägezahnspannungseingang erhält, um einen analogen Ausgang zu erzeugen, um die Grauscala der Flüssigkristalleinrichtungen zu steuern. Die gesamte Schaltungsanordnung aus Polysilicium ist digital; der Hauptteil von ihr steuert die Zeit, während ein Durchgangstransistor im leitenden Zustand gehalten wird, und daher wieviel des extern erzeugten Sägezahns an eine gegebene Datenleitung geliefert wird.
N. Yamauchi u.a. offenbaren in "Drastically improved Performance in Poly-Si TFTS With Channel Dimensions Comparable to Grain Size", IEDM, S. 353-356, 1989 Verfahren zum Bilden von Dünnschichttransistoren aus Polysilicium, die ihre Feldeffektbeweglichkeit und das Stromlecken verbessern.
D. M. Kim u.a. offenbaren in "Characterization and Modeling of Polysilicon TFTS and TFT-CMOS Circuits for Display and Integrated Driver Applications", SID Digest, S. 304-306, 1990 digitale Flip-Flops, Pegelschiebeeinrichtungen und Puffereinrichtungen, die aus Dünnschichttransistoren aus Polysilicium konstruiert sind.
K. Nakazawa u.a. erörtern in "Lightly Doped Drain TFT Structure for Poly-SILCDS", SID Digest, S. 311-314, 1990 den Vorteil auf Glas periphere Schaltungen, die aus Dünnschichttransistoren aus Polysilicium hergestellt sind, aufflachen Tafeln von Vollfarb- Flüssigkristallanzeigen zu bilden. Jedoch werden die geringe Feldeffektbeweglichkeit und das hohe Stromlecken als Schwierigkeiten erkannt, die noch überwunden werden müssen.
K. Ono u.a. offenbaren in "Polysilicon TFTS With Low Gate Line Resistance and Low Off-State Current Suitable for Large Area and High Resolution LCDS", IEDM Digest, S. 345-348, 1989 Dünnschichttransistoren aus Polysilicium, die geringere Gateleitungswiderstände und geringere Ströme im Auszustand haben, indem Pt mit den Polysilicumschichten des Gates reagieren.
Alan G. Lewis u.a. erörtern in "Physical Mechanisms for Short Channel Effects in Polysilicon Thin Schicht Transistors", IEDM Digest 349-352 1989 die physikalischen Mechanismen, die für kurze Kanalschwellenverschiebungen in n- und b-Kanaldünnschichttransistoren aus Polysilicium verantwortlich sind.
Die japanische Patentveröffentlichung Nr. 59-182569 von Kumada offenbart einen Dünnschichttransistor, der verbesserte Ausgangseigenschaften aufweist, indem die Oberfläche der Dünnschichtsource und der Drainelektroden durch wärmebehandlung in einem gemischten Gas, das Wasserstoff enthält, inaktiviert werden, wenn der Transistor auf einem isolierenden Substrat gebildet wird.
Wu u.a. erörtern in "Performance of Polysilicon TFT Digital Circuits Fabricated With Various Processing Techniques and Device Architectures", SID Digest, S. 307-310, 1990 Herstellungsverfahren, um Dünnschichttransistoren aus Polysilicium zu verbessern, sowie digitale Treiberschaltungen für großflächige Einrichtungen, die aus diesen Dünnschichttransistoren aus Polysilicium gebildet werden.
Y. Matsueda u.a. offenbaren in "New Technolgies for Compact TFT LCDS With High-Aperture Ratio", SID Digest, S. 315-318, 1990 eine Flüssigkristallmatrix, worin eine Speicherkondensatorleitung für jeweils zwei Abtastleitungen vorgesehen ist.
Zusätzliche Veröffentlichungen, die Dünnschichttransistoren offenbaren, die in digitalen Schaltungen für großflächige Einrichtungen verwendet werden, schließen US Patent Nr. 4,872,002 von Stewart u.a., U.K. Patentanmeldung Nr. 2,117,970 von Oshima u.a. und die japanische Patentveröffentlichung Nr. 61-13665 von Hiranaka ein.
Das US Patent Nr. 4,872,002 von Stewart u.a. beschreibt Lastschaltungen mit geschalteter Kapazität, die in einem integrierten, digitalen Anzeigetreiber verwendet werden. Diese Lastschaltungen werden verwendet, eine Widerstandslast für Dünnschichttransistor-Zwischenspeicher zu simulieren, und gestatten, daß die Verstärkung des Zwischenspeichers verändert werden kann. Diese Lastschaltung enthält keinen Verstärker und ist einfacher als die Schaltungen der vorliegenden Erfindung, dahingehend, daß sie aus weniger Elementen besteht, und was sie erreicht. Komplexere Schaltungen werden nicht vorgeschlagen. Stewart u.a. geben auch an, daß ihre Schaltungen mit geschalteter Kapazität von dem idealen Verhalten (ein Merkmal aller Schaltungen mit geschalteter Kapazität&sub1; die ihre Zweckmäßigkeit begrenzt) abweichen. Es war erwartet, daß die gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten Schaltungen wegen dieser Eigenschaft von Polysiliciumschaltungen mit geschalteter Kapazität ziemlich schlecht sind. Jedoch verhalten sie sich überraschender Weise viel besser, als erwartet.
U.K. Patentanmeldung Nr. 2,117,270 von Oshima u.a. offenbart digitale Schaltungen, die aus Dünnschichttransistoren aus Polysilicium konstruiert sind.
Die Zusammenfassung "Charge-Sensitive Poly-Silicon Amplifiers For A-Si Pixel Partride Detectors", von Cho u.a. gibt an, daß ladungsempfindliche Verstärker aus Dünnschichttransistoren aus Polysilicium hergestellt worden sind, geben aber keine Einzelheiten an.
US Patent Nr. 4,783,146 von Stephany u.a. offenbart Dünnschichttransistoren, die als Schalter in einer Flüssigkristalldruckstange verwendet werden.
US Patent Nr. 4,772,099 von Kato u.a. offenbart die Verwendung von Dünnschichttransistoren aus Polysilicium als Schalter in Flüssigkristallanzeigen.
Weiteres Hintergrundmaterial, das sich auf Dünnschichttransistoren bezieht, schließt "Depositing Active And Passive Thin-Film Elements On One Chip" von Harold Borkan, Electronics, 20. April 1964 und "The TFT-A New Thin-Film Transistor" von Paul K. Weimer, Proceedings of the IRF, 1962, ein.
Die obigen Zitate werden hier unter Bezugnahme auf sie im Hinblick auf Hintergrundmaterial eingegliedert, das digitale und analoge Treiberschaltungsanordnungen betrifft.
Während viele dieser Veröffentlichungen den Wunsch erkennen, Treiber- oder Schnittstellenschaltungen aus Dünnschichttransistoren aus Polysilicium zu bilden, weil solche Schaltungen auf den großf lächigen Substraten integriert werden können, die gegenwärtig Mehrfachanordnungen von Flüssigkristallichtventilen, Photodioden oder Druckspitzen enthalten, offenbart keine dieser Veröffentlichungen die vorliegende Erfindung. Viele der Veröffentlichungen suchen, die Leistung von Polysilicium zu verbessern, so daß Dünnschichttransistoren eher als Einkristalleinrichtungen arbeiten. Andere Veröffentlichungen bilden digitale Schaltungen aus Dünnschichttransistoren aus Polysilicium. Jedoch offenbart keine der Veröffentlichungen wahre Analogschaltungen, die aus Polysilicium gebildet sind, und tatsächlich würde der Durchschnittsfachmann nicht erwarten, daß solche Schaltungen eine nützliche Leistung wegen der begrenzten Leistung von Dünnschichttransistoren aus Polysilicium erreichen, die oben erörtert worden ist.
Es ist eine Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, analoge Schaltungen mit geschalteter Kapazität zu schaffen, die aus Polysilicium auf großf lächigen, isolierenden Substraten, wie Quarz oder Glas, hergestellt werden können.
Es ist eine weitere Zielsetzung der vorliegenden Erfindung, einen analogen Treiber mit geschalteter Kapazität und Schnittstellenschaltungen herzustellen, die zur Integration mit anderen Schaltungselementen in großflächigen, elektronischen Einrichtungen geeignet sind.
Um die vorstehende und andere Zielsetzungen zu erreichen und die obenerwähnten Nachteile zu überwinden, werden Schaltungen mit geschalteter Kapazität unter Verwendung von Dünnschichttransistoren und Dünnschichtkondensatoren aus Polysilicium hergestellt. Während Schaltungen mit geschalteter Kapazität, sowie Dünnschichttransistoren und Dünnschichtkondensatoren gut bekannt sind, war früher nicht angenommen worden, daß Dünnschichttransistoren und Dünnschichtkondensatoren aufgrund der schlechten Leistung von Dünnschichttransistoren aus Polysilicium (gegenüber Einkristall-Silicium-MOS-Feldeffekttransistoren) verwendet werden könnten, um analoge Schaltungen mit geschalteter Kapazität herzustellen. Jedoch hat es sich überraschend herausgestellt, daß analoge schaltungen mit geschalteter Kapazität, die unter Verwendung von Dünnschichttransistoren und Dünnschichtkondensatoren hergestellt werden, ausreichend genau zur Verwendung als eine analoge Steuerungsschaltungsanordnung in großf lächigen Einrichtungen sind. Da Dünnschichttransistoren und Dünnschichtkondensatoren auf Glassubstraten gebildet werden können, können sie des weiteren mit Bildelementen integriert werden (die bereits auf den Substraten unter Verwendung der Dünnschichttechnologie gebildet werden). Demgemäß können Großf lächen hergestellt werden, die eine verringert Anzahl von oder keine peripheren Treiberchips aufweisen, wodurch die Verbindungen der Chips auf dem Substrat verringert werden, so daß die Gesamtkosten verringert werden und die Zuverlässigkeit verbessert wird.
Verstärker mit geschalteter Kapazität, Digital/Analogwandler mit Ladungsverteilung und Abtastverstärker werden geoffenbart und sind gebaut worden, die Leistungseigenschaften zeigen, die zum Treiben von großf lächigen Einrichtungen, wie Flüssigkristallanzeigen, bei seitenweiten Bildsensoren und seitenweiten, elektrographischen oder ionographischen Druckköpfen geeignet sind.
Die Erfindung wird weiter im einzelnen anhand von Beispielen unter Bezugnahme auf die folgenden zeichnungen beschrieben, in denen sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche Elemente beziehen, und in denen: Fig. 1 ein Querschnitt von n- und p-Kanal Dünnschichttransistoren aus Polysilicium und ein Dünnschichtkondensator aus Polysilicium ist, der auf einem gemeinsamen Isolatorsubstrat gebildet ist;
Fig. 2A und 2B typische Kennlinien für n- und p-Typ Dünnschichttransistoren aus Polysilicium zeigen und die niedrigen Treiberströme, hohen Schwellenspannungen und den Knick- Effekt darstellen;
Fig. 3A-3C drei Operationsverstärker mit Dünnschichttransistoren aus Polysilicium sind, die verwendet werden, um Schaltungen mit geschalteter Kapazität zu bilden;
Fig. 4 den Frequenzgang der Operationsverstärker der Fig. 3A-3C zeigt;
Fig. 5 eine Ausführungsform eines Verstärker mit geschalteter Kapazität ist, der aus Dünnschichttransistoren und Dünnschichtkondensatoren aus Polysilicium gebildet ist;
Fig. 6 Wellenformen zeigt, die durch einen Verstärker mit geschalteter Kapazität erzeugt werden, der aus dem Operationsverstärker der Fig. 3A konstruiert ist;
Fig. 7 Wellenformen zeigt, die durch einen Verstärker mit geschalteter Kapazität erzeugt werden, der aus dem Operationsverstärker der Fig. 3C konstruiert ist;
Fig. 8 Wellenformen zeigt, die durch einen Verstärker mit geschalteter Kapazität erzeugt werden, der aus dem Operationsverstärker der Fig. 3A konstruiert ist, der mit einer Taktfrequenz vom 50 kHz mit einem 1 kHz Dreieckswelleneingang betrieben wird; Fig. 9 eine Wellenform zeigt, die durch einen Verstärker mit geschalteter Kapazität erzeugt wird, der aus dem Operationsverstärker der Fig. 3C konstruiert ist, der mit einer Taktfrequenz vom 20 kHz mit einem 1 kHz Dreieckswelleneingang betrieben wird, ähnlich dem der Fig. 8;
Fig. 10 eine Ausführungsform eines Digital/Analogwandlers zur Ladungsverteilung ist, der aus Dünnschichttransistoren und Dünnschichtkondensatoren aus Polysilicium konstruiert ist;
Fig. 11 eine Wellenform ist, die durch den Digital/Analogwandler zur Ladungsverteilung der Fig. 10 erzeugt wird;
Fig. 12 den Gang von Digital/Analogwandlern zeigt, die aus Verstärkern vom Typ I und Typ III konstruiert sind;
Fig. 13A und 13B den Wandlerfehler bei Digital/Analogwandlern zeigen, die aus einem Verstärker vom Typ I bzw. Typ III konstruiert sind;
Fig. 14A eine Videosignal-Abtast-und-Halteschaltung (Abtastverstärker) zur Anzeigeansteuerung darstellt;
Fig. 14B das Zeitdiagramm für die Videosignal-Abtastverstärkerschaltung der Fig. 14A zeigt; und
Fig. 15A und 15B einen Digital/Analogwandler zur Anzeigesteuerung und Zeitsignale hierfür zeigt.
Die vorliegende Erfindung ist besonders anwendbar, analoge Schnittstellen- und Treiberschaltungsanordnungen für großflächige Einrichtungen zu bilden, die auf demselben Substrat wie die Schaltungselemente integriert werden können, mit denen sie verbunden werden.. Beispielsweise können die analogen Schaltungen mit geschalteter Kapazität der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um Datentreiber zu bilden, einschließlich von Abtastverstärkern und Digital/Analogwandlern für Flüssigkristalleinrichtungn mit aktiver Matrix.
Während einige bestimmte Schaltungen, die aus Dünnschichttransistoren und Dünnschichtkondensatoren aus Polysilicium konstruiert sind, gezeigt werden, sind diese Schaltungen nur beispielhaft. Die vorliegende Erfindung beinhaltet die Entdeckung, daß Analogschaltungen mit geschalteter Kapazität, die aus Polysilicium hergestellt sind, konstruiert werden können und Betriebseigenschaften aufweisen, die zur Verwendung als Datentreiber und Schnittstellenschaltungen für großflächige Einrichtungen geeignet sind.
Wie es oben beschrieben worden ist, werden Dünnschichttransistoren aus Polysilicium allgemein verwendet, um Schalter und digitale Schaltungen auf einem Substrat mit Flüssigkristalldioden integriert zu bilden. Vergleiche die oben eingegliederten US Patente Nr. 4,872,002, 4,772,009 und 4,783,146. Die Polysilicium- Dünnschichttechnologie ist auch zur Integration von Kondensatoren gut geeignet. Fig. 1 zeigt Querschnitte von n- und p-Kanal Dünnschichttransistoren 110 bzw. 120 und einen Kondensator 130, der auf demselben isolierenden Quarz- oder Glassubstrat 100 gebaut ist. Jeder Dünnschichttransistor schließt aktive Polysiliciuminseln 112 und 122, eine Gate-Oxidschicht 114, 124 und ein Polysilicium-Gate 116, 126 ein. Der Kondensator verlangt nur eine zusätzliche Implantation, um einen leitenden Bodenbelag 132 aus der aktiven Insel der Einrichtung herzustellen, und verwendet das Gatedielektrikum 134 des Dünnschichttransistors. Beim Layout ist der Kondensator ähnlich einem Diffusionskondensator in einem herkömmlichen analogen MOS-Verfahren. Jedoch hat bei der Dünnschichttechnologie diese Struktur den bedeutenden Vorteil vernachlässigbarer, parasitärer Kapazität, die mit einem beliebigen der Beläge aufgrund ihrer Bildung auf einem isoherenden Substrat 100 verbunden ist.
Fig. 2 zeigt typische Kennlinien für n- und p-Kanal Dünnschichttransistoren, von denen jeder eine Weite (W) von 50 µm und eine
Länge von (L) von 10 µm aufweist. Der Drainstrom ist als eine Funktion der Drain-Source-Vorspannung für verschiedene Werte der Gate-Source-Vorspannung gezeigt. Die Treiberströme sind ungefähr eine Größenordnung niedriger als bei Einkristalleinrichtungen, wie es oben angegeben worden ist, und die Schwellenspannungen sind höher. Die Sättigungskennlinien zeigen auch den oben beschriebenen Knick-Effekt. Der niedrige Treiberstrom und die schlechten Sättigungseigenschaften lassen vermuten, daß diese Einrichtungen nicht zur Konstruktion einer Analogschaltung geeignet sind, wie es oben erörtert worden ist.
Die Fig. 3A-C zeigen Diagramme für drei Operationsverstärker, die ausschließlich unter Verwendung von Polysilicium-Dünnschichttechnologie gebildet worden sind. Diese Schaltungen sind alle unter Verwendung von Dünnschichttransistoren aus Polysilicium hergestellt worden und verwenden Konstruktionsregeln, die mit der großf lächigen Verarbeitung auf 32 cm x 34 cm Platten (d.h. die minimale Merkmalsgröße ist 10 µm) verträglich sind. Der einfache Verstärker (Typ I in Fig. 3A) verwendet Cascoden, um die schlechte Ausgangsimpedanz der Dünnschichttransistoren bei der Sättigung wegen des Knick-Effekts zu überwinden. Vergleiche zum Beispiel die oben einbezogene Veröffentlichung von Lewis und Bruce mit dem Titel "Cicuit Design and Performance for Large Area Electronics", 1990, IEEE International Solid-State Circuits Conference, S. 222-223 (16. Februar 1990). Diese Schaltung verwendete die minimale Anzahl von Dünnschichttransistoren und ist bedeutend, da bei den meisten Anwendungen die für die Schaltungen verfügbare Fläche begrenzt ist. Die Schaltung vom Typ II (Fig. 38) sieht einen Differenzeingang vor und behält die Cascode bei. Die Schaltung vom Typ III ( Fig. 3C) verwendet zwei Stufen für eine erhöhte Verstärkung und eine komplementäre Sourcefolge-Ausgangsstufe für eine erhöhte Ansteuerung; jedoch verlangt sie einen Ausgleich (durch die Kapazität CCOMP), um Stabilität sicherzustellen.
Fig. 4 zeigt den Frequenzgang von jedem Verstärker, wenn er eine Kapazitätslast von 30pF ansteuert. Die Verstärkerverstärkung (dB) ist als eine Funktion der Frequenz gezeigt. Jeder Dünnschichttransistor hat geometrische Eigenschaften von L = 10 µm und W = 200 µm (mit Ausnahme * bei den Verstärkern vom Typ II und Typ III, bei den W = 400 µm). VDD = 20V und der Vorstrom war 100nA/µm weit. Die große Niedrigfrequenzverstärkung der Zweistufenkonstruktion ist zusammen mit ihrer verbesserten Bandbreite klar.
Fig. 5 zeigt das Schema eines Verstärkers 200 mit geschalteter Kapazität, der unter Verwendung der Polysilicium-Dünnschichttechnologie hergestellt worden ist. Die schaltungen mit geschalteter Kapazität der vorliegenden Erfindung sind Standartschaltungen, obgleich sie nicht vorhergehend mit Polysilicium-Dünnschichttechnologie ausgeführt worden sind. Zum allgemeinen Verständnis von Schaltungen mit geschalteter Kapazität vergleiche "Bipolar and MOS Analog Integrated Circuit Design, von Alan B. Grebene, John Wiley & Sons, S. 703-711, dessen Offenbarung hier durch Bezugnahme eingegliedert ist.
Obgleich der Verstärker 200 mit geschalteter Kapazität der Fig. 5 eine unmittelbare Konstruktion ist, wird eine kurze Beschreibung geliefert. Der Verstärker mit geschalteter Kapazität arbeitet, eine Ausgangsspannung VAUS an der Klemme 250 zu liefern, die der Eingangsspannung VEIN proportional ist, die der Klemme 250 zugeführt wird. Die Verstärkung wird durch das Verhältnis der Kapazitäten der Eingangskapazität 225 und der Rückkopplungskapazität 230 gesteuert. Bei einem Beispiel war die Kapazität des Kondensators 225 35 pF, während der Rückkopplungskondensator 230 einen Kapazitätswert von 3,5 pF hatte. Digitale Taktsignale φ und nφ (nφ ist das umgekehrte von φ) werden an die Transistorschalter 210, 220, 235 und 240 gelegt, so daß der Ausgang der Schaltung 200 durch die Übertragung und Verteilung der Ladung zwischen dem Eingangskondensator 225 und dem Rückkopplungskondensator 230 unter der Steuerung der Transistorschalter eingestellt wird. Der Transistor 235 ist ein p-Kanal Dünnschichttransistor und leitet, wenn ein niedriges Taktsignal an sein Gate gelegt wird, während die Transistoren 210, 220 und 240 n-Kanal Dünnschichttransisto ren sind und leiten, wenn ein hohes Taktsignal an ihre Gates angelegt wird.
Um die Arbeitsweise dieser Schaltung zu verstehen, wird zuerst angenommen, daß das Taktsignal φ hoch (und n4) niedrig) ist. Dies ist der Rücksetzzustand; die Dünnschichttransistoren 235 und 240 leiten beide, so daß der Rückkopplungskondensator 230 entladen wird und der Ausgangsknoten 250 auf Masse (0V) ist. Zur gleichen Zeit leitet der Dünnschichttransistor 210 und der Dünnschichttransistor 220 ist nichtleitend, so daß der linksseitige Belag des Eingangskondensators 225 auf dem Potential des Eingangsknotens 205, VEIN ist, das hier als positiv angenommen wird. Der rechtseitige Belag des Kondensators 225 ist mit dem umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers 245 verbunden, der als eine virtuelle Masse wirkt und so auf 0V ist. Somit hat der Eingangskondensator 225 eine Spannung, die gleich der Eingangsspannung VEIN über ihn ist. Die Verstärkungsphase des Zyklus wird initiiert, wenn φ niedrig geht (und n4) hoch geht). Die Rücksetzt- Dünnschichttransistoren 235 und 240 werden dann nichtleitend, und der Rückkopplungskondensator 230 ist frei, geladen zu werden. Zur gleichen Zeit wird der Dünnschichttransistor 210 nichtleitend, wobei der linksseitige Belag des Eingangskondensators 225 von dem Eingangsknoten 205 getrennt wird, und der Dünnschichttransistor 220 wird leitend, wodurch der linksseitige Belag des Eingangskondensators 225 an Masse gelegt wird. Der umkehrende Eingang des Operationsverstärkers 245 wird somit in Richtung zu einer negativen Spannung gesteuert, was bewirkt, daß der Ausgangsknoten 250 zu einer positiven Spannung schwingt. Ein Strom fließt über den Rückkopplungskondensator 230 zu dem umkehrenden Eingang des Operationsverstärkers, und dieser Strom entlädt den Eingangskondensator 225. Das Ergebnis ist eine Übertragung elektrischer Ladung von dem Eingangskondensator 225 zu dem Rückkopplungskondensator 230. Dies setzt sich fort, bis nur eine kleine Restladung auf dem Eingangskondensator 225 zurückgelassen wird, und der Rückkopplungskondensator 230 nahezu die gesamte Ladung hält, die ursprünglich auf dem Eingangskondensator vorhanden war. Die an dem Knoten 250 vorhandene Ausgangsspannung wird gegeben durch
worin VAUS die Endspannung an dem Knoten 250 ist, VEIN die Spannung an dem Knoten 205 zur Zeit ist, wenn φ niedrig geht, CIN die Kapazität des Eingangsgangskondensators 225 ist, CFB die Kapazität des Ausgangskondensators 230 ist und A die Spannungsverstärkung des Operationsverstärkers 245 ist. Normalerweise ist die Verstärkerverstärkung A sehr hoch, so daß die Ausgangsspannung nahe der Eingangsspannung ist, skaliert mit dem Verhältnis des Eingangskondensators und des Rückkopplungskondensators.
Sobald die Ausgangsspannung eingerichtet und verwendet worden ist (beispielsweise, indem sie von einer Datenleitung zu einem ausgewählten Bildelement in einer Flüssigkristallanzeige als aktive Matrix übertragen worden ist), geht das Taktsignal 4) erneut hoch (und nφ niedrig), wodurch der Verstärker zurückgesetzt wird, bereit, um die nächste Eingangsspannung abzutasten.
Fig. 6 und 7 zeigen Takt φ (obere Spur) und Ausgangs-(untere Spur) Wellenformen für den Verstärker mit geschalteter Kapazität der Fig. 5, der mit einem Operationsverstärker vom Typ I bzw. vom Typ III ausgeführt ist. Die zwei Rücksetzphasen (bei hohem Taktsignal) und Verstärkung (bei niedrigem Taktsignal) können erkannt werden. In Fig. 6 sind Ausgangswellenformen für feste Eingangsspannungen von 1,5 und 0V gezeigt, während in Fig. 7 die Eingangsspannungen +0,5V und -0,5V sind. Die Lastkapazität hat 30pF für die Schaltung, die einen Operationsverstärker vom Typ I (Fig. 3a) verwendet, wobei aber mit einem Verstärker vom Typ III (Fig. 3c) eine viel höhere Lastkapazität von 250pF verwendet werden konnte, ohne das Einrichten des Ausgangs zu stark zu verschlechtern. Dies unterstreicht die höhere Ansteuerung, die von dem Operationsverstärker vom Typ III zur Verfügung steht. In den beiden verwendeten Schaltungen, waren, um die Fig. 6 und 7 zu erhalten, die Längen der Dünnschichttransistoren alle 10 µm, und der Vorstrom war 100nA/µm Weite für die Dünnschichttransistoren des Verstärkers, und die Versorgungsspannung und die Amplitude von Spitze zur Spitze des Taktimpulses waren 20V.
Die Leitungszeit, die für eine herkömmliche Flüssigkristallanzeige als aktive Matrix mit Femsehauf lösung verfügbar ist, ist ungefähr 60 µs. Die Fig. 6 und 7 zeigen, daß die Verstärker mit geschalteter Kapazität fähig sind, mit Zykluszeiten gut unterhalb davon zu arbeiten, selbst mit größeren, kapazitiven Lasten. Die Ausgangsschwingungen sind auch für Flüssigkristallanzeigen geeignet. Somit könnte eine Mehrfachanordnung solcher Verstärker verwendet werden, die parallele Ansteuerung zu liefern, die für Datenleitungen einer aktiven Matrixanzeige benötigt wird.
Die Fig. 8 und 9 zeigen die Reaktion der Verstärker bei Dreieckwelleneingängen von 1 kHz Die obere Spur ist von dem Eingangssignal, während die untere Spur von dem Ausgang ist. Die verwendete Taktfrequenz bei der Schaltung vom Typ I war 50 kHz, während eine Taktfrequenz von 20 kHz für die Schaltung vom Typ III verwendet wurde. Eine gute Linearität und das Fehlen von Abklemmen kann gesehen werden.
Man sollte auch beachten&sub1; daß eine Integrationseinrichtung mit geschalteter Kapazität durch einen Operationsverstärker 245, einen Kondensator 230 und Rücksetz-Dünnschichttransistoren 235 und 240 bei der Schaltung der Fig. 5 vorgesehen wird. Der Ausgang der Integrationseinrichtung mit geschalteter Kapazität wird durch Ladungsansammlung auf dem Kondensator 230 unter Steuerung der Transistoren 235 und 240 und eines Operationsverstärkers 245 eingestellt.
Ein anderer nützlicher, aber komplizierterer Schaltkreis für die Datenansteuerung für eine aktive Flüssigkristallanzeigematrix oder andere großflächige Anwendungen ist ein Digital/Analogwand-1er auf dem Glas. Die vorliegende Erfindung gestattet die Konstruktion aller Dünnschicht-Ladungsverteilungs-Digital/Analogwandler. Die Grundschaltung einer Darstellung eines Ladungsverteilungs-Digital/Analogwandlers 255 ist in Fig. 10 gezeigt, und wiederum sind Schaltungen, die die unterschiedlichen Verstärker verwenden, die in Fig. 3A-C gezeigt sind, hergestellt worden. Der Digital/Analogwandler der Fig. 10 erhält 4 Bits Eingangsdaten, um eine veränderbare Ausgangsspannung auf der Grundlage des Eingangs zu erzeugen. Die Arbeitsweise des Digital/Analogwandlers ist in gewisser Weise ähnlich der Arbeitsweise des Verstärkers mit geschalteter Kapazität, der oben erörtert worden ist. Jedoch werden statt eines einzigen Eingangskondensators eine Mehrzahl von Eingangskondensatoren verwendet.
Während der Rücksetzphase ist das Taktsignal φ hoch und der Rück kopplungskondensator 230 ist entladen. Die rechtshändigen Beläge der Eingangskondensatoren 225a-d werden auf einer virtuellen Masse gehalten, aber die linksseitigen Beläge werden entweder auf der Bezugsspannung VREF oder auf Masse in Abhängigkeit von dem Zustand des entsprechenden Eingangsbit gehalten. Wenn das Eingangsbit 1 (hoch) ist, dann verbindet die geeignete Schaltung 260a-d den linksseitigen Belag mit VREF und der Eingangskondensator wird auf VREF aufgeladen, wenn aber das Eingangsbit 0 (niedrig) ist, dann wird der linksseitige Belag auf Masse gehalten und der Eingangskondensator bleibt ungeladen. Während der Verstärkungsphase, wenn das Taktsignal 4) niedrig ist, wird die Ladung von den Eingangskondensatoren 225a-d zu dem Rückkopplungs kondensator 230 übertragen, wie es oben für den Verstärker mit einfacher geschalteter Kapazität erörtert worden ist. Die zu dem Rückkopplungskondensator 230 übertragene Gesamtladung hängt somit von den Größen der Eingangskondensatoren 225a-d und den digitalen Eingangswort ab. Um die richtige Arbeitsweise des Digital/Analogwandlers zu erhalten, müssen die Eingangskondensatoren in binrer Folge aufsteigen; in diesem Beispiel 225a = C&sub0;, 225b = 2C&sub0;, 225c = 4C&sub0;, 225d = 8C&sub0; und der Rückkopplungskondensator 230 = 16C&sub0;, wo C&sub0; gleich 1 pF ist. (In der Praxis werden die Kondensatoren aus parallelen Kombinationen von entweder 1, 2, 4, 8 oder 10 identischen Einheitskondensatoren jeweils in der Reihenfolge hergestellt, um Fehler aufgrund von Randeffekten, Verarbeitungsänderungen usw. auszuschließen.) Fig. 11 zeigt die Takt-(obere Spur) und die Ausgangsspur (niedrige Spur) Wellenform für den Digital/Analogwandler der Fig. 10, der unter Verwendung des Operationsverstärkers vom Typ I (Fig. 3a) hergestellt worden ist. Bei diesem Beispiel arbeitet die Schaltung bei 50 kHz Umwandlungsrate, obgleich die Übergangszeit ausreichend kurz ist, einen schnelleren Betrieb zu gestatten. Die anderen Schaltungsparameter sind die gleichen für die Schaltungen, die in den Fig. 6 und 7 geprüft worden sind. Die Ausgangssignale sind für Eingangscode von 0000 und 1111 gezeigt; irgendein binärer Eingang zwischen diesen Werten erzeugt einen Zwischenausgang.
Fig. 12 zeigt die Ausgangsspannung unmittelbar vor dem Rücksetzen als eine Funktion des digitalen Eingangscodes für die Digital/Analogwandler, der unter Verwendung der Operationsverstärker vom Typ I (Fig. 3a) und vom Typ III (Fig. 3c) gebaut worden sind. Die Fig. 13a und 13b zeigen die differentielle und die integrale Nichtlinearität, die für die in Fig. 12 gezeigten Kurven erhalten wird. Obgleich Digital/Analogwandler mit 4 Bit zum Zweck der Darstellung gebaut worden sind, ist ihre Genauigkeit besser als 1/16 Isb, d.h., die mit dieser beispielhaften Ausgestaltung erhaltene Schaltkreisgenauigkeit ist für einen Digital/Analogwandler mit 8 Bit angemessen.
Die Eingangsschaltschaltungen 260a-d sind aus zum Zweck eines Beispiels gezeigt. Andere Schaltungen zum Erreichen der gleichen Funktion sind für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet offensichtlich.
Im Hinblick auf die schlechte Leistung von Dünnschichttransistoren aus Polysilicium verglichen mit herkömmlichen Mosfeldeffekttransistoren, die normalerweise verwendet werden, um Schaltungen mit geschalteter Kapazität auszuführen, und insbesondere, da ihre Leistungsbeschränkungen (niedrige Ansteuerung, schlechte Sättigung, Lecken und Rauschen) wahrscheinlich eine größere Wirkung auf analoge Schaltungen als auf digitale haben, wie es oben erörtert worden ist, ist es überraschend, daß Schaltungen mit geschalteter Kapazität mit den nützlichen Leistungswerten, die oben beschrieben worden sind, gebaut werden können, wobei diese Einrichtungen verwendet werden.
Schaltungen mit geschalteter Kapazität, die ausschließlich unter Verwendung von Polysilicium-Dünnschichteinrichtungen auf Quarzsubstraten gebaut worden sind, sind zum ersten Mal gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt worden. Ladungsverteilungsverstärker und Digital/Analogwandler sind gezeigt worden, daß sie mit Taktraten von oberhalb von 50 kHz trotz der relativ schlechten Leistung von Dünnschichttransistoren aus Polysilicium im Vergleich mit herkömmlichen MOS-Feldeffekttransistoren arbeiten. Für Digital/Analogwandler ist eine Genauigkeit von besser als 8 Bit gezeigt. Diese Ergebnisse bieten die Möglichkeit einer stark erhöhten Funktionalität auf großf lächigen Einrichtungen, wie Flachtafelanzeigen, seitenweite Abtastmehrfachanordnungen oder seitenweiten Druckköpfen.
Eine Möglichkeit, mit der dies erreicht werden kann, ist in Fig. 14A dargestellt. Diese zeigt eine Mehrfachanordnung von Videoabtastverstärkern, die verwendet werden können, um Datenleitungen einer aktiven Flüssigkristallanzeigematrix anzusteuern. Schaltungen, wie diese, werden im allgemeinen unter Verwendung von Einkristalltechnologien ausgeführt, sind aber nicht in Polysilicium-Dünnschichttechnologie berichtet worden. Die Schaltung verwendet zwei Abtastverstärker ähnlich der in Fig. 5 gezeigten Schaltung für jeden Ausgang. Der erste Verstärker 400 tastet das Eingangsvideosignal ab und wird durch ein herkömmliches Schieberegister 420 mit Dünnschichttransistoren aus Polysilicium nach dem Stand der Technik gesteuert. Wenn der Ausgang Q&sub1; der i-ten Schieberegisterstufe hoch geht (und sein Komplement nQ&sub1; niedrig), wird der entsprechende Verstärker mit geschalteter Kapazität zurückgesetzt und sein Eingangskondensator wird auf die Spannung aufgeladen, die auf der analogen Videoeingangsleitung vorhanden ist. Wenn Q&sub1; wieder niedrig geht, wird die auf der Videoleitung vorhandene Spannung verstärkt und wird an dem Verstärkerausgang verfügbar. Somit wird, indem eine einzige "1" durch das Schieberegister während einer Anzeigeleitungszeit hindurchgeht, der serielle Videoeingang bis zum Ende dieser Leitungszeit in N getrennte Spannungen an den Ausgängen der Verstärker 400 umgewandelt, wo jede Spannung der Date für das Bildelement an einer Stelle über der Anzeigezeile entspricht. Bevor die nächste Zeile beginnt werden alle N Spannungen abgetastet und durch die zweite Gruppe von Verstärkern 430 mit geschalteter Kapazität unter Steuerung des Taktsignals φ seines Komplements nφ verstärkt und werden als die Ausgänge VD1-VDN verfügbar, wo sie aufrechterhalten werden, während die analoge Date für die nachfolgende Zeile von dem ersten Verstärker 400 abgetastet wird.
Die Zeit- und Steuersignale für die Schaltung, die in Fig. 14A gezeigt ist, sind in Fig. 14B gezeigt. In diesem Fall läuft eine doppelte "1" durch das Schieberegister, so daß zwei Ausgänge (Q&sub1; und Q&sub2;, Q&sub2; und Q&sub3;, Q&sub3; und Q&sub4; usw.) Zur gleichen Zeit hoch werden. Diese Anordnung erlaubt dem Eingangskondensator der ersten Verstärkerstufe 400 eine längere Zeit, sich auf das Videoeingangssignal aufzuladen.
Die in Fig. 14A gezeigte Schaltung und das Zeitschema der Fig. 148 sind nur für die Darstellung. Abänderungen der grundsätzlichen Architektur, die die gleiche Funktionalität erzielen würden, sind für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet offensichtlich.
Fig. 15A zeigt eine mögliche Anzeigeansteuerungsarchitektur, wobei Digital/Analogwandlern a-c verwendet werden und die wiederum vollständig mit Dünnschichttransistoren und Dünnschichtkondensatoren aus Polysilicium ausgeführt werden könnte. Fig. 15B zeigt ein Zeitdiagramm für die Architektur der Fig. 15A. Die Eingangsdate ist nun digital, wobei noch weiter die Größe an externer Verarbeitung verringert wird (da bei vielen Anwendungen die Bildquelle digital ist). Die Daten für eine vollständige Zeile werden seriell in ein Schieberegister 505 geladen und dann parallel zu einer Gruppe von digitalen Zwischenspeichern 515a-c übertragen. Diese steuern die Ladungsverteilungsdigital/Analogwandler 255a-c an, die durch einen einzigen Takt gesteuert werden, phi (und sein Komplement) wie es in Fig. 10 angegeben ist. Somit werden alle seriellen Eingangsdigitaldaten in analoge Form umgewandelt und Zur gleichen Zeit an den Ausgängen der Digital/Analogwandler verfügbar gemacht.
Fig. 15A zeigt auch Multiplexer (520a-c) an dem Ausgang von jedem Digital/Analogwandler (255a-c). Da die Digital/Analogwandler selbst groß sind, mag es keinen Platz geben, einen für jede Datenleitung zu haben. Die Multiplexer gestatten jedem Digital/Analogwandler, mehrere Leitungen (vier in diesem Beispiel) zu bedienen, indem der Ausgang des Digital/Analogwandler zwischen Datenleitungen umgeschaltet wird, so daß jede auf die verlangte Spannung der Reihe nach aufgeladen wird. Ein solches Schema bedeutet jedoch, daß die Umwandlungszeit des Digital/Analogwandlers kleiner sein muß. Die Ladung auf jeder Datenleitung wird dann von einem entsprechenden Flüssigkristallichtverschluß 550 erhalten, wenn ein Gate eines Dünnschichttransistors, der damit verbunden ist, eingeschaltet wird. Das grundsätzliche Betätigungsschema der Flüssigkristallanzeige als aktive Matrix ist herkömmlich. Vergleiche beispielsweise das oben einbezogene US Patent Nr. 4,872,002 von Stewart u.a.
Die Anordnung der Fig. 15A-B könnte auch verwendet werden, die Flüssigkristalleinrichtungn in einer Druckstange zu steuern, wie es in dem oben einbezogenen US Patent Nr. 4,783,146 von Stephany u.a. geoffenbart ist. Alternativ könnte eine analoge Ansteuerungsschaltung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden, um elektrographische oder ionographische Druckeinrichtungen zu steuern.
Die Dünnschichttransistoren und Dünnschichtkondensatoren aus Polysilicium können auf Quarz- oder Glassubstraten unter Verwendung der vorhergehend angegebenen Techniken gebildet werden (beispielsweise in der oben einbezogenen Veröffentlichung von Wu u.a. mit dem Titel "Performance of Polysilicon TFT Digital Circuits Fabricated with Various Processing Techniques and Device Architectures", SID 90 Digest, S. 307-310). Die hier beschriebenen und geprüften Schaltungen wurden auf Quarzsubstraten hergestellt, wie folgt. Eine aktive Siliciumschicht wurde abgeschieden und mit Silicium implantiert, um das Komwachstum zu verzögern, was eine größere Korngröße nach dem Kristallisationsausglühen bei 600ºC ergab (Wu u.a., J. Appl. Phys. 65, S. 4036-9 (1989)). Nach der Inselbegrenzung wurde das Gatedielektrikum durch Abscheiden einer SIO&sub2; Schicht mittels chemischer Dampfabscheidung (LPCVD) und durch Ausglühen bei 950ºC in Sauerstoff gebildet, was eine endgültige Gateoxiddicke von loonm ergab. Das Gatematerial war eine 350nm dicke Polysiliciumschicht durch chemische Dampfabscheidung (LPCVD), der durch Implantation von Phosphorionen dotiert wurde. Der sich selbst ausrichtende Source- und Drainbereich wurden durch Implantation von Borionen und Phosphorionen für die p- bzw. n-Kanaleinrichtungen gebildet.
Das verwendete Verfahren, die Dünnschichttransistoren und Dünnschichtkondensatoren aufzubauen, die für die oben beschriebenen Schaltungen mit geschalteter Kapazität verlangt werden, ist das gleiche, wie das, das verwendet wird, die Bildelemente aus Dünnschichttransistoren und Speicherkondensatoren einer aktiven Matrixanzeige aufzubauen. Somit werden keine zusätzliche Verfahrensschritte verlangt, die Schaltungen mit geschalteter Kapazität mit einer Flüssigkristalleinrichtung als aktive Matrix zu integrieren. Alle beschriebenen Schaltungen wurden auf Quarzsubstraten hergestellt, wobei eine maximale Verarbeitungstemperatur gut oberhalb des Schmelzpunktes von Glas verwendet wurde. Geeignete Verfahren zum Aufbauen von Dünnschichttransistoren auf Glassubstraten sind ebenfalls jedoch gut bekannt und können verwendet werden, um Schaltungen mit geschalteter Kapazität in der gleichen Weise herzustellen. Die Schaltungen könnten auch in dem Material auf dem Umfang einer amorphen Silicium-Dünnschichttransistor-Flüssigkristalleinrichtung als aktive Matrix aufgebaut werden, die örtlich, durch beispielsweise Laserausglühen wieder kristallisiert worden ist.
Während diese Erfindung in Verbindung mit besonderen Ausführungsformen von ihr beschrieben worden ist, ist es offensichtlich, daß viele Alternativen, Abänderungen und Variationen für den Durchschnittsfachmann auf dem Gebiet offensichtlich sein werden. Beispielsweise können Analog/Digitalwandler und Filter mit geschalteten Kapazitäten ebenfalls hergestellt werden. Demgemäß sollen die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, wie sie hier angegeben sind, beispielhaft, nicht einschränkend sein. Verschiedene Änderungen können vorgenommen werden, ohne von dem Bereich der Erfindung abzuweichen, wie sie in den folgenden Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Eine Analogschaltung (200) mit geschalteter Kapazität, einschließend:

mindestens eine Kondensatoreinrichtung (225, 230);

mindestens eine Transistorschalteinrichtung (210, 220, 235, 240);

mindestens eine Verstärkereinrichtung (245), die durch Verbindungsmittel betriebsmäßig gekoppelt ist, so daß der Ausgang der genannten Schaltung durch die Ansammlung elektrischer Ladung auf der genannten Kondensatoreinrichtung unter Steuerung der genannten Transistorschalteinrichtung und der genannten Verstärkereinrichtung eingestellt wird; dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Kondensatoreinrichtung, die genannte Transistorschalteinrichtung und die genannte Verstärkereinrichtung als Polysiliciumdünnschichten hergestellt sind und zusammen mit den genannten Verbindungsmitteln alle auf einem gemeinsamen, isolierenden Substrat (100) gebildet sind.

2. Eine Analogschaltung, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens zwei Kondensatoreinrichtungen (225, 230) vorgesehen und mit der genannten Transistorschalteinrichtung und der genannten Verstärkereinrichtung durch die genannten Verbindungsmittel so verbunden sind, daß der Ausgang der genannten Schaltung durch die Ansammlung und Umverteilung von Ladung unter den genannten Kondensatoreinrichtungen (225, 230) unter der Steuerung der genannten Transistorschalteinrichtung und der genannten Verstärkereinrichtung gesetzt wird.

3. Eine Analogschaltung (200) mit geschalteter Kapazität, wie in Anspruch 1 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Verstärkereinrichtung umfaßt:

einen Verstärker (245), der aus Dünnschichttransistoren aus Polysilicium konstruiert ist,

die genannte Kondensatoreinrichtung umfaßt einen Dünnschichteingangskondensator (225) aus Polysilicium, der einen mit einem Eingang des genannten Verstärkers (245) gekoppelten Ausgang hat; und

einen Dünnschichtrückkopplungskondensator (230) aus Polysilicium, der über einen Ausgang und den genannten Eingang des genannten Verstärkers (245) gekoppelt ist,

die genannte Transistorschalteinrichtung einen ersten Dünnschichttransistor (210) aus Polysilicium einschließt, der mit einem Eingang des genannten Eingangskondensators (225) zum selektiven Anlegen des genannten Eingangskondensators (225) an eine Eingangsspannungsquelle auf der Grundlage eines ersten Steuersignals gekoppelt ist; ein zweiter Dünnfilmtransistor (220) aus Polysilicium, der mit dem genannten Eingang des genannten Eingangskondensators (225) zum selektiven Anlegen des genannten Eingangskondensators (225) an Masse auf der Grundlage eines zweiten Steuersignals gekoppelt ist,

und ein dritter Dünnschichttransistor (235) aus Polysilicium, der zwischen dem genannten Ausgang und dem genannten Eingang des genannten Verstärkers (245) zum selektiven Entladen des genannten Rückkopplungskondensators (230) auf der Grundlage von einem von dem genannten ersten und zweiten Steuersignals gekoppelt ist;

worin eine Kapazität des genannten Eingangs- und des genannten Rückkopplungskondensators (225, 230) gewählt wird, und der genannte erste, zweite und dritte Transistor so gesteuert werden, daß der Ausgang der genannten Schaltung durch die Überführung und Verteilung von Ladung unter den genannten Eingangs- und Rückkopplungskondensatoren unter der Steuerung des genannten ersten, zweiten und dritten Transistors gesetzt wird.

4. Eine Analogschaltung, wie in Anspruch 3 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Transistorschalteinrichtung ferner einen vierten Dünnschichttransistor (240) aus Polysilicium umfaßt, der über den genannten Eingang und den genannten Ausgang des genannten Verstärkers (245) zum selektiven Entladen des genannten Rückkopplungskondensators (230) in Verbindung mit dem genannten dritten Transistor (235) auf der Grundlage eines entgegengesetzten des genannten ersten und zweiten Steuersignals gekoppelt ist.

5. Eine Analogschaltung, wie in irgendeinem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Analogschaltung gekoppelt ist, eine Mehrfachanordnung von Schaltungselementen anzusteuern, die integriert auf dem genannten Substrat gebildet sind.

6. Eine Analogschaltung, wie in Anspruch 5 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Mehrfachanordnung von Schaltungselementen eine Matrix aus Anzeigeeinrichtungen ist, wobei jede der genannten Anzeigeeinrichtungen eine Datenleitung (D&sub1;&submin;&sub1;&sub2;) aufweist und die genannte Analogschaltung umfaßt:

eine Mehrzahl von analogen Zusatzschaltungen (255a-c) mit geschalteter Kapazität, die mindestens eine der genannten Kondensatoreinrichtungen, mindestens eine der genannten Transistoreinrichtungen und mindestens eine der genannten Verstärkereinrichtungen aufweisen, die alle auf dem genannten Substrat gebildet sind, wobei jede der genannten Zusatzschaltungen betriebsmäßig mit mindestens einer der genannten Datenleitungen (D&sub1;&submin;&sub1;&sub2;) gekoppelt ist und die Transistorschalteinrichtung für jede der genannten Zusatzschaltungen getrennt steuerbar ist.

7. Eine Analogschaltung, wie in Anspruch 5 beansprucht, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Mehrfachanordnung von Schaltungselementen eine Mehrzahl von durch Schalter gesteuerten Anzeigeelementen umfaßt, die mit entsprechenden Datenleitungen (D&sub1;&submin;&sub1;&sub2;) verbunden sind, und die genannte analoge Schaltung mit geschalteter Kapazität betriebsmäßig mit mindestens einer der genannten Datenleitungen (D&sub1;-D&sub1;&sub2;) gekoppelt ist.

8. Eine Analogschaltung, wie in Anspruch 7 beansprucht, dadurch qekennzeichnet, daß die genannte Analogschaltung eine Mehrzahl von getrennten Steuerungsschaltungen umfaßt, die mindestens eine Dünnschichtkondensatoreinrichtung aus Polysilicium, mindestens eine Dünnschichttransistorschalteinrichtung aus Polysilicium und mindestens eine Dünnschichtverstärkereinrichtung aus Polysilicium umfassen, elektrisch mit mindestens einer der genannten Datenleitungen verbunden, wobei die genannte Transistorschalteinrichtung von jeder der genannten getrennten Steuerschaltungen durch ein getrenntes Steuersignal gesteuert wird.

9. Eine Analogschaltung, wie in Anspruch 4 beansprucht, gekennzeichnet durch, eine Mehrzahl der genannten Eingangskondensatoren, von denen jeder eine verschiedene Kapazität und einen jeweiligen ersten und zweiten Dünnschichttransistor aufweist, jeder der genannten ersten Transistoren mit einer gemeinsamen Bezugsspannungsquelle verbindbar ist und durch ein nterschiedliches Bit eines digitalen Mehrbiteingangs unterschiedlichen Bit steuerbar ist, so daß jeder jeweilige Eingangskondensator durch die Bezugsspannung auf der Grundlage seines Biteingangs aufgeladen wird, wodurch die genannte analoge Schaltung ein Digital/Analogwandler ist.

10. Ein Verfahren zum Herstellen einer analogen Schaltung (200) mit geschalteter Kapazität, umfassend:

a) Bilden von wenigstens einer Dünnschichtkondensatoreinrichtung (225, 230) aus Polysilicium auf einem isolierenden Substrat (100);

b) Bilden von wenigstens einer Dünnschichttransistorschalteinrichtung (210, 220, 235, 240) aus Polysilicium auf dem genannten Substrat (100);

c) Bilden von mindestens einer Dünnschichtverstärkereinrichtung (245) aus Polysilicium auf dem genannten Substrat (100); und

d) Bilden von Dünnschichtverbindungsmitteln aus Polysilicium auf dem genannten Substrat (100), wobei die genannten Verbindungsmittel zum Verbinden der genannten Kondensatoreinrichtung, der genannten Transistorschalteinrichtung und der genannten Verstärkereinrichtung sind, so daß der Ausgang der genannten Schaltung durch die Ansammlung von Ladung auf der genannten mindestens einen Kondensatoreinrichtung unter der Steuerung der genannten Transistorschalteinrichtung festgesetzt wird, worin die genannte Kondensatoreinrichtung, die genannte Transistorschalteinrichtung und die genannte Verstärkereinrichtung während desselben Polysiliciumabscheidungsvorgangs gebildet werden.