JP3911923B2 - シフトレジスタ及び電子装置 - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シフトレジスタ、及びこのシフトレジスタをドライバとして適用した撮像装置、表示装置などの電子装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
マトリクス状に画素が配置された撮像素子や表示素子を線順次で選択して走査するためのドライバには、前段からの出力信号を後段に順次シフトしていくシフトレジスタが広く用いられている。従来、このようなシフトレジスタの中には、前段からの出力信号が後段にシフトしていく度に減衰してしまうものがあった。
【0003】
特に近年における撮像素子や表示素子の高精細化の要請により、このようなシフトレジスタの段数も多くしていく必要が生じている。段数が増えることとなると、後ろの方の段での信号の減衰が激しくなってしまうという問題が生じる。このため、従来、このようなシフトレジスタには、各段からの出力信号を所定レベルまで増幅するバッファを設けるのが通常であった。が、バッファを設けることによって、シフトレジスタが大型化してしまうという問題があった。
【0004】
ところで、このようなシフトレジスタで出力信号を順次シフトさせるために、電界効果トランジスタの電極に外部から制御信号を供給していくものがある。ところが、電界効果トランジスタは寄生容量を有しているために、外部から供給された制御信号の電圧により、そのトランジスタの他の電極の電圧まで上昇してしまうことがある。このため、当該他の電極に接続された他の素子にまで大きな電圧がかかって当該他の素子が破壊されてしまったり、蓄積された電荷によって誤動作を生じてしまうという問題もあった。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、出力信号のレベルを減衰させることなく後段にシフトしていくことが可能なシフトレジスタ、及びこのシフトレジスタを適用した電子装置を提供することを目的とする。
【0006】
本発明は、また、トランジスタの寄生容量に起因する破壊や誤動作を防ぐことが可能なシフトレジスタ、及びこのシフトレジスタを適用した電子装置を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の第1の観点にかかるシフトレジスタは、
複数の段からなるシフトレジスタであって、前記シフトレジスタの各段は、
隣接する一方の段から所定レベルの出力信号が制御端子に供給されることによってオンし、前の段から電流路の一端に供給された所定レベルの信号を電流路の他端に出力する第1のトランジスタと、
制御端子と前記第1のトランジスタの電流路の他端との間の容量に蓄積された電荷によってオンし、負荷を介して電流路の一端に供給される信号を電流路の他端から放出する第2のトランジスタと、
制御端子と前記第1のトランジスタの電流路の他端との間の容量に蓄積された電荷によってオンし、外部から電流路の一端に供給される第1または第2の信号を当該段の出力信号として電流路の他端から出力する第3のトランジスタと、
前記第2のトランジスタがオフしているときに負荷を介して制御端子に供給される信号によってオンし、外部から電流路の一端に供給される定電圧の信号を当該段の出力信号として電流路の他端から出力する第4のトランジスタと、
隣接する他方の段から所定レベルの出力信号が制御端子に供給されることによってオンし、前記第1のトランジスタの電流路の他端と前記第2、第3のトランジスタの制御端子との間に形成された容量に蓄積された電荷を排出させる第5のトランジスタと、
前記第5のトランジスタの電流路の一端と前記容量との間に設けられ、前記容量の電圧を分圧させて、前記第5のトランジスタの電流路の両端にかかるようにする分圧素子とを備える
ことを特徴とする。
【0022】
ここで、シフトレジスタの1番最初の段及び1番最後の段には、隣接する段の片方がない。この場合、第1のトランジスタの電流路の一端から供給される所定レベルの信号及び第5のトランジスタの制御端子に供給される信号は、例えば、外部の制御装置などから供給される、これに相当する所定の信号で代用することができる。
【0023】
本発明のシフトレジスタでは、各段からの出力信号のレベルは、第3、第4のトランジスタがそれぞれオンしているときに外部から供給される信号のレベルにほぼ等しいものとすることができる。このため、出力信号のレベルを減衰させることなく、順次シフトしていくことが可能となる。
【0024】
また、第3のトランジスタがオンしているときに、電流路の一端にハイレベルの第3または第4の信号が供給されると、その寄生容量がチャージアップされ、容量の電圧が上昇することが起こりうる。しかし、上記第の観点にかかるシフトレジスタでは、各段に分圧素子を設けているため、第5のトランジスタの電流路の一端と他端との間の電圧が必要以上に大きくなることを防ぐことができる。このため、第5のトランジスタが破壊されて、シフトレジスタが故障するといったことを防ぐことができる。
【0025】
本発明のシフトレジスタにおける前記分圧素子は、制御端子に所定の電圧が印加され、電流路の両端がそれぞれ、前記第5のトランジスタの電流路の一端と前記容量とに接続されているものとすることができる。
【0026】
本発明のシフトレジスタにおいて、奇数番目の段には、第3、第4の信号のうちの第3の信号が外部から供給され、偶数番目の段には、第3、第4の信号のうちの第4の信号が外部から供給されるものとすることができる。この場合、第3、第4の信号はそれぞれ、前記シフトレジスタの出力信号をシフトしていくタイムスロットのうちの所定期間、タイムスロット毎に交互に駆動レベルとなるものとすることができる。
【0027】
本発明のシフトレジスタにおいて、前記複数の段のそれぞれを構成する各トランジスタは、同一のチャネル型の電界効果トランジスタであることを好適とする。
【0032】
上記目的を達成するため、本発明の第の観点にかかる電子装置は、
複数の段からなり、出力信号をシフトさせることによって所定レベルの信号を各段から順次出力するドライバと、複数の画素によって構成され、前記ドライバの各段から出力された出力信号によって駆動される駆動素子とを備え、
前記ドライバの各段は、
隣接する一方の段から所定レベルの出力信号が制御端子に供給されることによってオンし、前の段から電流路の一端に供給された所定レベルの信号を電流路の他端に出力する第1のトランジスタと、
制御端子と前記第1のトランジスタの電流路の他端との間の容量に蓄積された電荷によってオンし、負荷を介して電流路の一端に供給される信号を電流路の他端から放出する第2のトランジスタと、
制御端子と前記第1のトランジスタの電流路の他端との間の容量に蓄積された電荷によってオンし、外部から電流路の一端に供給される第1または第2の信号を当該段の出力信号として電流路の他端から出力する第3のトランジスタと、
前記第2のトランジスタがオフしているときに負荷を介して制御端子に供給される信号によってオンし、外部から電流路の一端に供給される定電圧の信号を当該段の出力信号として電流路の他端から出力する第4のトランジスタと、
隣接する他方の段から所定レベルの出力信号が制御端子に供給されることによってオンし、前記第1のトランジスタの電流路の他端と前記第2、第3のトランジスタの制御端子との間に形成された容量に蓄積された電荷を排出させる第5のトランジスタと、
前記第5のトランジスタの電流路の一端と前記容量との間に設けられ、前記容量の電圧を分圧させて、前記第5のトランジスタの電流路の両端にかかるようにする分圧素子とを備える
ことを特徴とする。
【0033】
本発明の電子装置において、前記駆動素子は、例えば、撮像素子とすることができる。
【0034】
この場合において、前記撮像素子は、励起光によりキャリアを生成する半導体層と、前記半導体層の両端にそれぞれ接続されたドレイン電極及びソース電極と、第1ゲート絶縁膜を介して前記半導体層の一方側に設けられた第1ゲート電極と、第2ゲート絶縁膜を介して前記半導体層の他方側に設けられた第2ゲート電極とを、画素毎に備えるものとしてもよい。そして、
前記ドライバは、出力信号を第1のゲート電極に出力する第1のドライバと、出力信号を第2のゲート電極に出力する第2のドライバとを含むものとすることができる。
【0035】
ここで、撮像素子の各画素の構成から第1ゲート電極または第2ゲート電極を除いた構造のものを、ドライバを構成する各トランジスタとして適用することが可能となる。このため、撮像素子を形成した基板と同一の基板上に、同一のプロセスにおいて、ドライバを形成することが可能となる。
【0036】
本発明の電子装置において、前記駆動素子は、また、表示素子とすることもできる。
【0037】
この場合において、前記表示素子は、制御端子に前記ドライバの各段のいずれかの出力信号が供給され、電流路の一端に外部から画像データが供給される第6のトランジスタを、画素毎に備えるものとすることができる。
【0038】
このとき、表示素子が備える第6のトランジスタには、ドライバを構成する各トランジスタと同一の構造のものを適用することが可能となる。このため、撮像素子を形成した基板と同一の基板上に、同一のプロセスにおいて、ドライバを形成することが可能となる。
【0039】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
【0040】
[第1の実施の形態]
図1は、この実施の形態にかかる撮像装置の構成を示すブロック図である。図示するように、この撮像装置は、画像を撮影する撮像素子1、並びにコントローラからの制御信号に従って撮像素子1を駆動するためのトップゲートドライバ2、ボトムゲートドライバ3及びドレインドライバ4から構成されている。
【0041】
撮像素子1は、マトリクス状に配置された複数のダブルゲートトランジスタ10で構成される。ダブルゲートトランジスタ10のトップゲート電極はトップゲートラインTGLに、ボトムゲート電極はボトムゲートラインBGLに、ドレイン電極はドレインラインDLに、ソース電極は接地されたグラウンドラインGrLにそれぞれ接続されている。撮像素子1を構成するダブルゲートトランジスタ10の詳細については後述する。
【0042】
トップゲートドライバ2は、撮像素子1のトップゲートラインTGLに接続され、コントローラからの制御信号Tcntに従って、各トップゲートラインTGLに+25(V)または−15(V)の信号を出力する。トップゲートドライバ2は、コントローラから供給される信号に従って、+25(V)の信号を各トップゲートラインTGLに順次選択的に出力するシフトレジスタで構成される。トップゲートドライバ2の詳細については後述する。
【0043】
ボトムゲートドライバ3は、撮像素子1のボトムゲートラインBGLに接続され、コントローラからの制御信号Bcntに従って、各ボトムゲートラインBGLに+10(V)または0(V)の信号を出力する。ボトムゲートドライバ3は、コントローラから供給される信号に従って、+10(V)の信号を各ボトムゲートラインBGLに順次選択的に出力するシフトレジスタで構成される。ボトムゲートドライバ3の詳細については後述する。
【0044】
ドレインドライバ4は、撮像素子1のドレインラインDLに接続され、コントローラからの制御信号Dcntに従って、後述する所定の期間において全てのドレインラインDLに定電圧(+10(V))を出力し、電荷をプリチャージさせる。ドレインドライバ4は、プリチャージの後の所定の期間においてダブルゲートトランジスタ10の半導体層にチャネルが形成されているか否かによって変化する各ドレインラインDLの電位を読み出し、画像データDATAとしてコントローラに供給する。
【0045】
次に、図1に示す撮像素子1を構成するダブルゲートトランジスタ10の構造とその駆動原理について説明する。
【0046】
図2は、ダブルゲートトランジスタ10の概略的な構造を示す断面図である。図示するように、基板10a上にクロムなどからなるボトムゲート電極10bが形成されている。このボトムゲート電極10bを覆うように、窒化シリコンからなるボトムゲート絶縁膜10cが形成されている。
【0047】
ボトムゲート絶縁膜10c上のボトムゲート電極10bと対向する位置には、アモルファスシリコンまたはポリシリコンからなる半導体層10dが形成されている。そして、半導体層10d上のブロッキング層、n型半導体層(図示せず)を介して、半導体層10dからボトムゲート絶縁膜10cに渡るように、クロムからなるドレイン電極10eとソース電極10fとが形成されている。これら半導体層10d、ドレイン電極10e及びソース電極10fを覆うように、窒化シリコンからなるトップゲート絶縁膜10gが形成されている。
【0048】
トップゲート絶縁膜10g上の半導体層10dと対向する位置には、ITO(Indium Tin Oxide)からなるトップゲート電極10hが形成されている。そして、このトップゲート電極10hを覆うように、窒化シリコンからなる絶縁保護膜10iが形成されている。なお、このダブルゲートトランジスタ10において、半導体層10dへの光の入射は、それぞれ透明材料で形成された絶縁保護膜10i、トップゲート電極10h及びトップゲート絶縁膜10gを介してなされる。
【0049】
図3(a)〜(d)は、ダブルゲートトランジスタ10の駆動原理を示す模式図である。
【0050】
図3(a)に示すように、トップゲート電極(TG)に印加されている電圧が+25(V)で、ボトムゲート電極(BG)に印加されている電圧が0(V)であると、半導体層10d内に連続したnチャネルが形成されず、ドレイン電極(D)10eに+10(V)の電圧が供給されても、ソース電極(S)10fとの間に電流が流れない。また、この状態では、後述するフォトセンス状態において半導体層10dの上部に蓄積された正孔が、同じ極性のトップゲート電極10hの電圧により反発することにより、突出される。以下、この状態をリセット状態という。
【0051】
図3(b)に示すように、半導体層10dに光が入射されると、その光量に応じて半導体層10d内に正孔−電子対が生じる。このとき、トップゲート電極(TG)10hに印加されている電圧が−15(V)で、ボトムゲート電極(BG)10bに印加されている電圧が0(V)であると、発生した正孔−電子対のうちの正孔が半導体層10d内のブロッキング層(図の上部)に蓄積される。以下、この状態をフォトセンス状態という。なお、半導体層10d内に蓄積された正孔は、リセット状態となるまで半導体層10dから吐出されることはない。
【0052】
図3(c)に示すように、フォトセンス状態において十分な量の正孔が半導体層10d内に蓄積されず、トップゲート電極(TG)10hに印加されている電圧が−15(V)で、ボトムゲート電極(BG)10bに印加されている電圧が+10(V)であると、半導体層10d内に空乏層が広がり、nチャネルがピンチオフされ、半導体層10dが高抵抗となる。このため、ドレイン電極(D)10eに+10(V)の電圧が供給されても、ソース電極(S)10fとの間に電流が流れない。以下、この状態を第1の読み出し状態という。
【0053】
図3(d)に示すように、フォトセンス状態において十分な量の正孔が半導体層10d内に蓄積され、トップゲート電極(TG)10hに印加されている電圧が−15(V)で、ボトムゲート電極(BG)10bに印加されている電圧が+10(V)であると、蓄積されている正孔が負電圧の印加されているトップゲート電極10hに引き寄せられて保持し、トップゲート電極10hの負電圧が半導体層10dに及ぼす影響を緩和させる。このため、半導体層10dのボトムゲート電極10b側にnチャネルが形成され、半導体層10dが低抵抗となる。このため、ドレイン電極(D)に+10(V)の電圧が供給されると、ソース電極(S)10fとの間に電流が流れる。以下、この状態を第2の読み出し状態という。
【0054】
次に、図1に示すトップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3の詳細について説明する。図4は、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用されるシフトレジスタの全体の構成を示すブロック図である。撮像素子1に配されているダブルゲートトランジスタ10の行数(トップゲートラインTGLの数)をnとすると、いずれのドライバ2、3として適用される場合も、このシフトレジスタは、n個の段RS1(1)〜RS1(n)から構成される。
【0055】
各段RS1(k)(k:1〜nの整数)は、入力信号端子IN、出力信号端子OUT、制御信号端子Φ、定電圧入力端子SS、基準電圧入力端子DD、及びクロック信号入力端子clkを有している。出力信号端子OUTは、各段RS1(k)の出力信号out(k)を出力する端子である。出力信号out(k)は、それぞれ撮像素子1の各トップゲートラインTGL(トップゲートドライバ2として適用の場合)、或いは各ボトムゲートラインBGL(ボトムゲートドライバ3として適用の場合)に出力される。
【0056】
入力信号端子INは、コントローラからのスタート信号Vst(1番目の段RS1(1)の場合)、または前の段RS(k−1)(k:2〜nの整数)から出力された出力信号out(k−1)(2番目以降の段の場合)が入力される端子である。
【0057】
定電圧入力端子SSは、コントローラからの定電圧Vssが供給される端子である。定電圧入力端子SSに供給される定電圧Vssのレベルは、−15(V)(トップゲートドライバ2として適用の場合)、或いは0(V)(ボトムゲートドライバ3として適用の場合)である。基準電圧入力端子DDは、所定の基準電圧Vddが供給される端子である。基準電圧入力端子DDに供給される基準電圧のレベルは、+25(V)である。
【0058】
クロック信号入力端子clkは、コントローラからのクロック信号CK1(奇数番目の段の場合)、或いはクロック信号CK2(偶数段目の段の場合)が供給される端子である。クロック信号CK1、CK2はそれぞれ、前記シフトレジスタの出力信号をシフトしていくタイムスロットのうちの所定期間、タイムスロット毎に交互に駆動レベルとなる。トップゲートドライバ2として適用した場合は、クロック信号CK1、CK2は、ハイレベル(nチャネルトランジスタにおけるオン電圧レベル)が+25(V)、ローレベル(nチャネルトランジスタにおけるオフ電圧レベル)が−15(V)である。一方、ボトムゲートドライバ3として適用した場合は、ハイレベル(nチャネルトランジスタにおけるオン電圧レベル)が+10(V)、ローレベル(nチャネルトランジスタにおけるオフ電圧レベル)が0(V)である。
【0059】
制御信号端子Φは、コントローラからの制御信号φ1(奇数番目の段の場合)、或いは制御信号φ2(偶数番目の段の場合)が供給される端子である。制御信号φ1、φ2のハイレベルは、後述するようにこれが供給されるnチャネルのTFTのオンレベルとなる所定の値、ローレベルは、そのTFTのオフレベルとなる所定の値である。
【0060】
図5は、上記構成のシフトレジスタの各段RS1(1)〜RS1(n)の回路構成を示す図である。図示するように、各段RS1(1)〜RS1(n)は、基本構成として5つのTFT(Thin Film Transistor)21〜25と、付加構成として1つのTFT31とを有している。TFT21〜25、31は、いずれもnチャネルMOS型の電界効果トランジスタで構成されるもので、図2に示したダブルゲートトランジスタ10のボトムゲート電極10bまたはトップゲート電極10hを除いた構造となっている。
【0061】
TFT21のゲート電極(制御端子)は制御信号端子Φに、ドレイン電極(電流路の一端)は入力信号端子INに、ソース電極(電流路の他端)はTFT22、24のゲート電極(制御端子)に接続されている。TFT23のゲート電極(制御端子)とドレイン電極(電流路の一端)とは基準電圧入力端子DDに接続されている。TFT22のドレイン電極(電流路の一端)はTFT23のソース電極(電流路の他端)に、ソース電極(電流路の他端)は定電圧入力端子SSに接続されている。TFT24のドレイン電極(電流路の一端)はクロック信号入力端子clkに、ソース電極(電流路の他端)はTFT25のドレイン電極(電流路の一端)と出力信号端子OUTとに接続されている。TFT25のゲート電極(制御端子)はTFT23のソース電極(電流路の他端)に、ソース電極(電流路の他端)は定電圧入力端子SSに接続されている。
【0062】
また、TFT21のソース電極とTFT22、24のゲート電極との間の配線及びこれと関係するTFT21、22、24の寄生容量とによって、電荷を蓄積するための容量Aが形成されている。
【0063】
TFT21のゲート電極には、コントローラからの制御信号φ1またはφ2が供給される。TFT21のドレイン電極には、前の段RS1(k−1)からの出力信号out(k−1)が供給される。TFT21は、ハイレベル(オンレベル)の信号φ1またはφ2が供給されたときにオンし、出力信号out(k−1)によりドレイン電極とソース電極との間に電流が流れる。これにより、TFT31を介して容量Aに電荷をチャージさせる。
【0064】
TFT23のゲート電極とドレイン電極とには、基準電圧Vddが供給されている。これにより、TFT23は、常にオン状態となっている。TFT23は、基準電圧Vddを分圧する負荷としての機能を有する。
【0065】
TFT22は、容量Aに電荷がチャージされていないときにオフ状態となり、TFT23を介して供給された基準電圧VddをTFT25のゲート電極に供給させる。また、TFT22は、容量Aに電荷がチャージされているときにオン状態となり、ドレイン電極とソース電極との間に貫通電流を流させる。ここで、TFT22、23は、いわゆるEE型の構成となっているため、TFT23が完全なオフ抵抗とならないことで、TFT23のソース電極とTFT25のゲート電極との間に蓄積された電荷が完全にディスチャージされないことがあるが、TFT25の閾値電圧よりも十分に低い電圧となる。
【0066】
TFT24は、容量Aがチャージされているとき(すなわち、TFT25がオフ状態のとき)にオン状態となり、入力されたクロック信号CK1、CK2によりゲート電極及びソース電極並びにそれらの間のゲート絶縁膜からなる寄生容量がチャージアップされる。TFT24のゲート電極及びドレイン電極並びにそれらの間のゲート絶縁膜による寄生容量がチャージアップされることにより、容量Aの電位が後述するように上昇し、そして、ゲート飽和電圧にまで達するとソース−ドレイン電流が飽和する。これにより、出力信号out(k)は、実質的にクロック信号CK1、CK2とほぼ同電位となる。TFT24は、また、容量Aに電荷がチャージされていないとき(すなわち、TFT25がオン状態のとき)にオフ状態となり、ドレイン電極に供給されたクロック信号CK1、CK2の出力を遮断する。
【0067】
TFT25のドレイン電極には、定電圧Vssが供給される。TFT25は、容量Aに電荷がチャージされていないとき(すなわち、TFT25がオン状態のとき)にオフ状態となり、TFT24のソース電極から出力された信号のレベルを当該段の出力信号out(k)として出力させる。TFT25は、また、容量Aに電荷がチャージされているとき(すなわち、TFT25がオフ状態のとき)にオン状態となり、ドレイン電極に供給された定電圧Vssのレベルをソース電極から当該段の出力信号out(k)として出力させる。
【0068】
TFT31は、ゲート電極(制御端子)に基準電圧Vddが常時供給され、常にオン状態となっており、ドレイン電極(電流路の一端)がTFT21のソース電極に接続され、ソース電極(電流路の一端)がTFT22、24のゲート電極に接続されている。TFT31は、そのオン抵抗により、TFT24の寄生容量に起因して上昇した容量Aの電圧を分圧させて、TFT21のドレイン電極とソース電極との間の電圧を低く抑える負荷としての機能を有する。付加構成のTFT31が果たす役割については、さらに詳しく後述する。
【0069】
以下、この実施の形態にかかる撮像装置の動作について説明する。最初に、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3の動作について説明する。なお、トップゲートドライバ2とボトムゲートドライバ3とは、それぞれ入出力される信号のレベルとタイミングとが異なるだけであるので、以下の説明において、ボトムゲートドライバ3の動作の説明は、トップゲートドライバ2と異なる部分のみに止めることとする。
【0070】
図6は、トップゲートドライバ2として適用した場合における、この実施の形態のシフトレジスタの動作を示すタイミングチャートである。図中、1t分の期間が1選択期間である。ここでは、1番目以外の奇数番目の段RS1(k)(k:3,5,・・・,n−1)を例としているが、1番目の段も出力信号out(k−1)をコントローラからのスタート信号Vstとすれば、他の奇数番目の段と同じである。また、偶数番目の段も、制御信号φ1を制御信号φ2に、クロック信号CK1をクロック信号CK2とすれば、奇数番目の段と同じ動作である。ただし、上述したように通常コントローラからトップゲートドライバ2の各段の定電圧入力端子SSに供給される定電圧Vssのレベルは−15(V)であるが、定電圧Vssのレベルが0(V)でもほぼ同じように動作される。
【0071】
タイミングt0〜t1の間、クロック信号CK2がハイレベル(25(V))となると、前の段RS1(k−1)から当該段RS1(k)の入力端子INに供給される出力信号out(k−1)のレベルが25(V)となる(図中、一点鎖線で示す)。この間において、制御信号端子Φから入力される制御信号φ1が一定期間ハイレベルに変化すると、この一定期間だけTFT21がオンし、入力端子INに供給された出力信号out(k−1)の25(V)がTFT21のソース電極から出力される。
【0072】
これにより、TFT21のソース電極とTFT31のドレイン電極との間の配線Cの電位(図中、点線で示す)が上昇し、さらに、常時オンしているTFT31の電位からこれが出力されることにより、容量Aの電位(図中、実線で示す)が上昇する。容量Aの電位が上昇し、TFT22、24の閾値電圧を超えると、当該段RS1(k)のTFT22、24がオン、TFT25がオフする。
【0073】
次に、タイミングt1〜t2の間において、クロック信号入力端子clkから入力されるクロック信号CK1が25(V)に変化する。すると、TFT24のゲート電極及びソース電極並びにそれらの間のゲート絶縁膜からなる寄生容量がチャージアップされる。そして、この寄生容量の電位がゲート飽和電圧に達すると、TFT24のドレイン電極とソース電極との間に流れる電流が飽和する。これにより、当該段RS1(k)の出力端子OUTから出力される出力信号out(k)は、クロック信号CK1のレベルとほぼ同電位の25(V)となる(図中、破線で示す)。
【0074】
また、このタイミングt1〜t2の間は、TFT24の前述した寄生容量がチャージアップされることにより、容量Aの電位もほぼ45(V)にまで達する。このとき、トップゲートドライバ2の各段の定電圧入力端子SSに供給される定電圧Vssのレベルが−15(V)の場合、入力端子INに供給される出力信号out(k−1)も−15(V)に変化していることから、実際の入力端子INと容量Aとの間の電圧は、ほぼ60(V)となる。また、定電圧Vssのレベルが0(V)の場合、その差は45(V)となる。しかしながら、このような電圧は、負荷として作用するTFT31とTFT21との間で分圧され、配線Cの電位は、25(V)程度に抑えられる。すなわち、TFT31によって、TFT21のドレイン電極とソース電極との間の電圧が抑えられる。
【0075】
次に、タイミングt2になると、クロック信号CK1のレベルが−15(V)に変化する。これにより、出力信号out(k)のレベルもほぼ−15(V)となる。また、TFT24の寄生容量へチャージされた電荷が放出され、容量Aの電位が低下する。配線Cの電位も、容量Aの電位と同程度にまで低下する。さらに、タイミングt3までの間で制御信号φ1が一定期間ハイレベルになると、TFT21が再びオンし、容量Aに蓄積された電荷がTFT31、21、及び前の段RS1(k−1)のTFT25(オン状態)を介して放出される。これにより、容量A及び配線Cの電位が、定電圧Vssのレベルが−15(V)の場合−15(V)に、また定電圧Vssのレベルが0(V)の場合ほぼ0(V)にまで低下する。
【0076】
なお、前の段RS1(k−1)の出力信号out(k−1)がハイレベルとならない期間においても当該段RS1(k)のTFT21のゲート電極に供給される制御信号φ1がハイレベルとなり、またTFT24のドレイン電極に供給されるクロック信号CK1のレベルがハイレベルとなることがある。この際、TFT21のゲート電極及びソース電極並びにそれらの間のゲート絶縁膜による寄生容量、或いはTFT24のゲート電極及びドレイン電極並びにそれらの間のゲート絶縁膜による寄生容量に電荷がチャージされることから、容量Aの電位は、図に示すように若干変動する。
【0077】
このような動作を奇数段、偶数段共に順次繰り返していくことにより、トップゲートドライバ2の各段RS1(k)(k:1〜n)の出力信号out(k)がそれぞれ1選択期間1tずつ25(V)に変化し、順次シフトしていく。
【0078】
また、ボトムゲートドライバ3の動作は、トップゲートドライバ2の動作とほぼ同じであるが、コントローラから供給される信号CK1、CK2のハイレベルが10(V)であるため、各段RS1(k)(k:1〜n)の出力信号out(k)のハイレベルはほぼ10(V)であり、この際の容量Aのレベルは18(V)程度である。また、クロック信号CK1、CK2がハイレベルとなっている期間は、1選択期間1tよりも短い所定の期間である。
【0079】
次に、撮像素子1を駆動して画像を撮影するための全体の動作について、図7(a)〜(i)に示す模式図を参照して説明する。なお、以下の説明において、1Tの期間は、1水平期間と同じ長さを有するものとする。また、説明を簡単にするため、撮像素子1に配置されているダブルゲートトランジスタ10のうち、最初の3行のみを考えることとする。
【0080】
まず、タイミングT1からT2までの1Tの期間において、図7(a)に示すように、トップゲートドライバ2は、1行目のトップゲートラインTGLを選択して+25(V)を出力し、2、3行目(他の全行)のトップゲートラインTGLに−15(V)を出力する。一方、ボトムゲートドライバ3は、すべてのボトムゲートラインBGLに0(V)を出力する。この期間において、1行目のダブルゲートトランジスタ10がリセット状態となり、2、3行目のダブルゲートトランジスタ10が前の垂直期間での読み出し状態を終了した状態(フォトセンスに影響しない状態)となる。
【0081】
次に、タイミングT2からT3までの1Tの期間において、図7(b)に示すように、トップゲートドライバ2は、2行目のトップゲートラインTGLを選択して+25(V)を出力し、他のトップゲートラインTGLに−15(V)を出力する。一方、ボトムゲートドライバ3は、すべてのボトムゲートラインBGLに0(V)を出力する。この期間において、1行目のダブルゲートトランジスタ10がフォトセンス状態となり、2行目のダブルゲートトランジスタ10がリセット状態となり、3行目のダブルゲートトランジスタ10が前の垂直期間での読み出し状態を終了した状態(フォトセンスに影響しない状態)となる。
【0082】
次に、タイミングT3からT4までの1Tの期間において、図7(c)に示すように、トップゲートドライバ2は、3行目のトップゲートラインTGLを選択して+25(V)を出力し、他のトップゲートラインTGLに−15(V)を出力する。一方、ボトムゲートドライバ3は、すべてのボトムゲートラインBGLに0(V)を出力する。この期間において、1、2行目のダブルゲートトランジスタがフォトセンス状態となり、3行目のダブルゲートトランジスタ10がリセット状態となる。
【0083】
次に、タイミングT4からT4.5までの0.5Tの期間において、図7(d)に示すように、トップゲートドライバ2は、すべてのトップゲートラインTGLに−15(V)を出力する。一方、ボトムゲートドライバ3は、すべてのボトムゲートラインBGLに0(V)を出力する。また、ドレインドライバ4は、すべてのドレインラインDLに+10(V)を出力する。この期間において、すべての行のダブルゲートトランジスタ10がフォトセンス状態となる。
【0084】
次に、タイミングT4.5からT5までの0.5Tの期間において、図7(e)に示すように、トップゲートドライバ2は、すべてのトップゲートラインTGLに−15(V)を出力する。一方、ボトムゲートドライバ3は、1行目のボトムゲートラインBGLを選択して+10(V)を出力し、他のボトムゲートラインBGLに0(V)を出力する。この期間において、1行目のダブルゲートトランジスタ10が第1または第2の読み出し状態となり、2、3行目のダブルゲートトランジスタ10がフォトセンス状態のままとなる。
【0085】
ここで、1行目のダブルゲートトランジスタ10は、フォトセンス状態となっていたタイミングT2からT4.5までの期間で十分な光が半導体層に照射されていると、第2の読み出し状態となって半導体層内にnチャネルが形成されるため、対応するドレインラインDL上の電荷がディスチャージされる。一方、タイミングT2からT4.5までの期間で十分な光が半導体層に照射されていないと、第1の読み出し状態となって半導体層内のnチャネルがピンチオフされるため、対応するドレインラインDL上の電荷はディスチャージされない。ドレインドライバ4は、タイミングT4.5からT5までの期間で各ドレインラインDL上の電位を読み出し、1行目のダブルゲートトランジスタ10が検出した画像データDATAとしてコントローラに供給する。
【0086】
次に、タイミングT5からT5.5までの0.5Tの期間において、図7(f)に示すように、トップゲートドライバ2は、すべてのトップゲートラインTGLに−15(V)を出力する。一方、ボトムゲートドライバ3は、すべてのボトムゲートラインBGLに0(V)を出力する。また、ドレインドライバ4は、すべてのドレインラインDLに+10(V)を出力する。この期間において、1行目のダブルゲートトランジスタ10が読み出しを終了した状態となり、2、3行目のダブルゲートトランジスタ10がフォトセンス状態となる。
【0087】
次に、タイミングT5.5からT6までの0.5Tの期間において、図7(g)に示すように、トップゲートドライバ2は、すべてのトップゲートラインTGLに−15(V)を出力する。一方、ボトムゲートドライバ3は、2行目のボトムゲートラインBGLを選択して+10(V)を出力し、他のボトムゲートラインBGLに0(V)を出力する。この期間において、1行目のダブルゲートトランジスタ10が読み出しを終了した状態となり、2行目のダブルゲートトランジスタ10が第1または第2の読み出し状態となり、3行目のダブルゲートトランジスタ10がフォトセンス状態となる。
【0088】
ここで、2行目のダブルゲートトランジスタ10は、フォトセンス状態となっていたタイミングT3からT5.5までの期間で十分な光が半導体層に照射されていると、第2の読み出し状態となって半導体層内にnチャネルが形成されるため、対応するドレインラインDL上の電荷がディスチャージされる。一方、タイミングT3からT5.5までの期間で十分な光が半導体層に照射されていないと、第1の読み出し状態となって半導体層内のnチャネルがピンチオフされるため、対応するドレインラインDL上の電荷はディスチャージされない。ドレインドライバ4は、タイミングT5.5からT6までの期間で各ドレインラインDL上の電位を読み出し、2行目のダブルゲートトランジスタ10が検出した画像データDATAとしてコントローラに供給する。
【0089】
次に、タイミングT6からT6.5までの0.5Tの期間において、図7(h)に示すように、トップゲートドライバ2は、すべてのトップゲートラインTGLに−15(V)を出力する。一方、ボトムゲートドライバ3は、すべてのボトムゲートラインBGLに0(V)を出力する。また、ドレインドライバ4は、すべてのドレインラインDLに+10(V)を出力する。この期間において、1、2行目のダブルゲートトランジスタ10が読み出しを終了した状態となり、3行目のダブルゲートトランジスタ10がフォトセンス状態となる。
【0090】
次に、タイミングT6.5からT7までの0.5Tの期間において、図7(i)に示すように、トップゲートドライバ2は、すべてのトップゲートラインTGLに−15(V)を出力する。一方、ボトムゲートドライバ3は、3行目のボトムゲートラインBGLを選択して+10(V)を出力し、他のボトムゲートラインBGLに0(V)を出力する。この期間において、1、2行目のダブルゲートトランジスタ10が読み出しを終了した状態となり、3行目のダブルゲートトランジスタ10が第1または第2の読み出し状態となる。
【0091】
ここで、3行目のダブルゲートトランジスタ10は、フォトセンス状態となっていたタイミングT4からT6.5までの期間で十分な光が半導体層に照射されていると、第2の読み出し状態となって半導体層内にnチャネルが形成されるため、対応するドレインラインDL上の電荷がディスチャージされる。一方、タイミングT4からT6.5までの期間で十分な光が半導体層に照射されていないと、第1の読み出し状態となって半導体層内のnチャネルがピンチオフされるため、対応するドレインラインDL上の電荷はディスチャージされない。ドレインドライバ4は、タイミングT6.5からT7までの期間で各ドレインラインDL上の電位を読み出し、3行目のダブルゲートトランジスタ10が検出した画像データDATAとしてコントローラに供給する。
【0092】
こうしてドレインドライバ4から行毎に供給された画像データDATAに対して、コントローラが所定の処理を行うことで、撮像対象物の画像データが生成される。
【0093】
以下、付加構成のTFT31が果たす役割について詳細に説明する。ここでは、比較例を以てその役割を説明する。図8は、この比較例においてトップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用されるシフトレジスタの1段分の構成を示す回路図である。これは、図5に示す回路から付加構成のTFT31を除いたもので、TFT21のソース電極10fが容量Aに直接接続されている。なお、シフトレジスタの全体構成としては、上記の図4に示すものと同じである。
【0094】
次に、この比較例のシフトレジスタの動作を、トップゲートドライバ2として適用した場合を例として説明する。図9は、トップゲートドライバ2として適用した場合におけるこの比較例のシフトレジスタの動作を示すタイミングチャートである。ここでも、1t分の期間が1選択期間であり、また、1番目以外の奇数番目の段RS1(k)(k:3,5,・・・,n−1)を例としている。
【0095】
この比較例のシフトレジスタは、出力信号out(k)のレベルがハイレベルとなるタイミングt1〜t2の間における動作が、上記の実施の形態のシフトレジスタにおけるものと大きく異なる。
【0096】
タイミングt1〜t2の間は、TFT24のゲート電極及びドレイン電極並びにそれらの間のゲート絶縁膜からなる寄生容量がチャージアップされることにより、容量Aの電位もほぼ45(V)にまで達する。このとき、入力端子INに供給される出力信号out(k−1)も−15(V)に変化し、入力端子INと容量Aとの間の電圧は、ほぼ60(V)となる。
【0097】
この60(V)の電圧は、付加構成のTFT31がないことから、分圧されることなくTFT21のドレイン電極とソース電極との間にかかり、上記の実施の形態の場合よりも、TFT21が破損し易くなる。また、長時間の使用によるTFT21の特性変動も、上記の実施の形態の場合よりも大きくなる。このため、この比較例のシフトレジスタは、上記の実施の形態のシフトレジスタよりも故障し易いものとなる。
【0098】
また、付加構成のTFT31を有しないことにより、TFT24の上述した寄生容量、或いはTFT21のゲート電極及びソース電極並びにそれらの間のゲート絶縁膜による寄生容量による容量Aの電位の変動が緩衝されない。このため、長期間の使用によって容量Aに累積的に蓄積される電荷の量が上記の実施の形態のものよりも多くなり、TFT22、24の閾値電圧を超えることになるまでの時間が上記の実施の形態のものよりも短い。また、TFT22、24のゲート電極の電位の変動も激しくなり、長期間の使用によってTFT22、24の特性も、上記の実施の形態のものよりも変動しやすくなる。
【0099】
以上説明したように、この実施の形態にかかる撮像装置では、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用されるシフトレジスタの各段RS1(k)(k:1〜nの整数)から信号CK1、CK2のハイレベルをほぼそのまま出力信号のレベルとして出力することができる。このため、各段RS1(k)にバッファ等を設けなくても、出力信号のレベルを減衰させることなく、順次シフトしていくことができる。
【0100】
また、シフトレジスタの各段RS1(k)は、基本構成のTFT21〜25に加えて、付加構成のTFT31を有している。このため、TFT24がオンしているとき、TFT24のドレイン電極に供給されるクロック信号CK1、CK2がハイレベルとなり、その寄生容量がチャージアップされて容量Aの電位が上昇しても、TFT31が分圧するためにTFT21のドレイン電極とソース電極との間の電圧がそれほど大きくならない。このため、容量Aの電位上昇によってTFT21が破壊されて、シフトレジスタが故障するのを防ぐことができる。
【0101】
また、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用されるシフトレジスタは、TFT21〜25、31のみで、他の素子を用いることなく構成することができる。ここで、TFT21〜25、31は、撮像素子1を構成するダブルゲートトランジスタ10のボトムゲート電極10bまたはトップゲート電極10hを除いた構造を有している。このため、撮像素子1を基板10a上に形成する際に、同一の基板10a上に、同一プロセスでTFT21〜25、31を、すなわちトップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3を形成することができる。
【0102】
さらに、図6と図9とを比較して分かるように、この実施の形態においてトップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用されるシフトレジスタは、比較例のシフトレジスタに比べて、各段RS1(k)からハイレベルの出力信号out(k)を出力しない期間において、容量Aの電位のばらつきが小さい。すなわち、この実施の形態で適用されたシフトレジスタは、長期間使用した場合においても、比較例のシフトレジスタに比べて意図せずに容量Aに蓄積されてしまう電荷の量が少ない。このため、長期間安定して動作することが可能となる。
【0103】
[第2の実施の形態]
この実施の形態にかかる撮像装置の構成は、第1の実施の形態にかかるものとほぼ同じである。但し、この実施の形態では、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3の構成が第1の実施の形態のものと異なり、また、これらにコントローラから供給される制御信号Tcnt、Bcntに含まれる信号が第1の実施の形態のものと異なる。
【0104】
図10は、この実施の形態において、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用されるシフトレジスタの全体の構成を示すブロック図である。このシフトレジスタは、ドライバ2、3のいずれとして適用される場合にも、撮像素子1に配されているダブルゲートトランジスタ10の行数(トップゲートラインTGLの数)をnとすると、n個の段RS2(1)〜RS2(n)から構成される。
【0105】
各段RS2(k)(k:1〜nの整数)は、入力信号端子IN、出力信号端子OUT、定電圧入力端子SS、基準電圧入力端子DD、クロック信号入力端子clk、及びリセット信号入力端子RSTを有している。入力信号端子IN、出力信号端子OUT、定電圧入力端子SS、基準電圧入力端子DD、及びクロック信号入力端子clkの機能、供給される信号の内容は、第1の実施の形態のものと同様である。
【0106】
リセット信号入力端子RSTは、後ろの段RS2(k+1)(k:1〜n−1の整数)からの出力信号out(k+1)(n−1番目迄の段の場合)、或いはコントローラからのリセット信号Vrst(1番目の段RS2(1)の場合)が入力される端子である。
【0107】
図11は、上記構成のシフトレジスタの各段RS2(1)〜RS2(n)の回路構成を示す図である。図示するように、各段RS2(1)〜RS2(n)は、基本構成として6つのTFT22〜27と、付加構成として1つのTFT32とを有している。TFT22〜25の機能は、第1の実施の形態のものと同様である。また、TFT26、27、32も、TFT22〜25と同様に、nチャネルMOS型の電界効果トランジスタで構成されている。
【0108】
TFT26のゲート電極及びドレイン電極は入力信号端子INに、ソース電極はTFT22、24のゲート電極に接続されている。TFT27のゲート電極(制御端子)は基準電圧入力端子DDに、ドレイン電極(電流路の一端)は後述するように形成された容量Aの配線に、ソース電極(電流路の他端)は定電圧入力端子SSに接続されている。TFT26のソース電極とTFT22、24のゲート電極及びTFT27のドレイン電極との間の配線には、この配線自体と関係するTFT22、24、26、27の寄生容量とによって、電荷を蓄積するための容量Aが形成されている。
【0109】
TFT26のゲート電極とドレイン電極とには、前の段RS2(k−1)からの出力信号out(k−1)が供給される。TFT26は、ハイレベル(御レベル)の出力信号out(k−1)が供給されたときにオンし、この出力信号out(k−1)によりドレイン電極とソース電極との間に電流が流れる。これにより、TFT32を介して容量Aに電荷をチャージさせる。
【0110】
TFT27のゲート電極には、後ろの段RS2(k+1)の出力信号out(k+1)が供給される。TFT27は、ゲート電極に供給される出力信号out(k+1)がハイレベルになったときにオンし、容量Aに蓄積された電荷をディスチャージさせる。
【0111】
TFT32は、ゲート電極(制御端子)に基準電圧Vddが常時供給され、常にオン状態となっており、ドレイン電極(電流路の一端)はTFT26のソース電極に接続され、ソース電極(電流路の他端)は、TFT27のソース電極(電流路の他端)、及びTFT22、24のゲート電極(制御端子)に接続されている。TFT32は、そのオン抵抗により、TFT24の寄生容量に起因して上昇した容量Aの電圧を分圧させて、TFT21のドレイン電極とソース電極との間の電圧を低く抑える負荷としての機能を有する。付加構成のTFT32が果たす役割については、さらに詳しく後述する。
【0112】
以下、この実施の形態にかかる撮像装置の動作について説明する。第1の実施の形態との違いは、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3の動作のみであり、これについて説明する。この実施の形態でも、トップゲートドライバ2とボトムゲートドライバ3とは、それぞれ制御信号Tcnt、Bcntとして供給される入出力される信号のレベルとタイミングとが異なるだけであるので、ボトムゲートドライバ3の動作の説明は、トップゲートドライバ2と異なる部分のみに止めることとする。
【0113】
図12は、トップゲートドライバ2として適用した場合における、この実施の形態のシフトレジスタの動作を示すタイミングチャートである。ただし、上述したように通常コントローラからトップゲートドライバ2の各段の定電圧入力端子SSに供給される定電圧Vssのレベルは−15(V)であるが、ここでは、0(V)に設定している。図中、1t分の期間が1選択期間である。ここでは、最終段以外の偶数番目の段RS2(k)(k:2,4,・・・,n−2)を例としている。最終段も出力信号out(k+1)をコントローラからのリセット信号Vrstとすれば、他の偶数番目の段と同じである。また、奇数番目の段もクロック信号CK2をクロック信号CK1と、さらに1番目の段では出力信号out(k−1)をコントローラからのスタート信号Vstとすれば、偶数番目の段と同じである。
【0114】
タイミングt0〜t1の間の一定期間、クロック信号CK2がハイレベル(25(V))となると、前の段RS2(k−1)から当該段RS2(k)の入力端子INに供給される出力信号out(k−1)のレベルが25(V)となる(図中、一点鎖線で示す)。この間、TFT26は、ゲート電極の電位が25(V)となってオンし、出力信号out(k−1)の25(V)がTFT26のソース電極から出力される。
【0115】
これにより、TFT26のソース電極とTFT32のドレイン電極との間の配線Cの電位(図中、点線で示す)が上昇し、さらに、常時オンしているTFT32の電位からこれが出力されることにより、容量Aの電位(図中、実線で示す)が上昇する。容量Aの電位が上昇し、TFT22、24の閾値電圧を超えると、当該段RS2(k)のTFT22、24がオン、TFT25がオフする。
【0116】
次に、タイミングt1〜t2の間の一定期間、クロック信号入力端子clkから入力されるクロック信号CK2が25(V)に変化する。すると、TFT24のゲート電極及びソース電極並びにそれらの間のゲート絶縁膜からなる寄生容量がチャージアップされる。そして、この寄生容量の電位がゲート飽和電圧に達すると、TFT24のドレイン電極とソース電極との間に流れる電流が飽和する。これにより、当該段RS2(k)の出力端子OUTから出力される出力信号out(k)は、クロック信号CK2のレベルとほぼ同電位の25(V)となる(図中、破線で示す)。
【0117】
この期間は、TFT24の前述した寄生容量がチャージアップされることにより、容量Aの電位もほぼ45(V)にまで達する。このとき、定電圧Vssのレベルが−15(V)であれば入力端子INに供給される出力信号out(k−1)も−15(V)に変化していることから、入力端子INと容量Aとの間の電圧は、ほぼ60(V)となる。また定電圧Vssのレベルが0(V)の場合、入力端子INと容量Aとの間の電圧は45(V)となる。しかしながら、このような電圧は、負荷として作用するTFT32とTFT26との間で分圧され、配線Cの電位は、25(V)程度に抑えられる。すなわち、TFT32によって、TFT26のドレイン電極とソース電極との間の電圧の上昇が抑えられる。
【0118】
次に、タイミングt1〜t2の間の終わりの方の期間になると、クロック信号CK2のレベルが−15(V)に変化する。これにより、出力信号out(k)のレベルもほぼ−15(V)となる。また、TFT24の寄生容量へチャージされた電荷が放出され、容量Aの電位が低下する。配線Cの電位も、容量Aの電位と同程度にまで低下する。
【0119】
さらに、タイミングt3になると、リセット信号入力端子RSTに後ろの段RS2(k+1)の出力信号out(k+1)(ハイレベル)が入力される。これにより、TFT27がオンし、容量Aに蓄積された電荷がTFT27を介して放出される。これにより、容量A及び配線Cの電位が、定電圧Vssのレベルが−15(V)の場合−15(V)に、また定電圧Vssのレベルが0(V)の場合ほぼ0(V)にまで低下する。
【0120】
このような動作を奇数段、偶数段共に順次繰り返していくことにより、トップゲートドライバ2の各段RS2(k)(k:1〜n)の出力信号out(k)がそれぞれ1選択期間1tずつ25(V)に変化し、順次シフトしていく。
【0121】
また、ボトムゲートドライバ3の動作は、トップゲートドライバ2の動作とほぼ同じであるが、コントローラから供給される信号CK1、CK2のハイレベルが10(V)であるため、各段RS1(k)(k:1〜n)の出力信号out(k)のハイレベルはほぼ10(V)であり、この際の容量Aのレベルは18(V)程度である。また、クロック信号CK1、CK2がハイレベルとなっている期間は、トップゲートドライバ2として適用した場合よりも短い所定の期間である。
【0122】
以下、付加構成のTFT32が果たす役割について詳細に説明する。ここでは、比較例を以てその役割を説明する。図13は、この比較例においてトップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用されるシフトレジスタの1段分の構成を示す回路図である。これは、図11に示す回路から付加構成のTFT32を除いたもので、TFT27のソース電極10fが容量Aに直接接続されている。なお、シフトレジスタの全体構成としては、上記の図10に示すものと同じである。
【0123】
次に、この比較例のシフトレジスタの動作を、トップゲートドライバ2として適用した場合を例として説明する。図14は、トップゲートドライバ2として適用した場合におけるこの比較例のシフトレジスタの動作を示すタイミングチャートである。ここでも、1t分の期間が1選択期間であり、また、1番目以外の偶数番目の段RS2(k)(k:2,4,・・・,n)を例としている。
【0124】
タイミングt1〜t2の間は、TFT24のゲート電極及びドレイン電極並びにそれらの間のゲート絶縁膜からなる寄生容量がチャージアップされることにより、容量Aの電位もほぼ45(V)にまで達する。このとき、定電圧Vssのレベルが−15(V)であれば入力端子INに供給される出力信号out(k−1)も−15(V)に変化し、入力端子INと容量Aとの間の電圧は、ほぼ60(V)となる。また定電圧Vssのレベルが0(V)の場合、入力端子INと容量Aとの間の電圧は45(V)となる。
【0125】
この60(V)または45(V)の電圧は、付加構成のTFT32がないことから、分圧されることなくTFT26のドレイン電極とソース電極との間にかかり、上記の実施の形態の場合よりも、TFT26が破損し易くなる。また、長時間の使用によるTFT26の特性変動も、上記の実施の形態の場合よりも大きくなる。このため、この比較例のシフトレジスタは、上記の実施の形態のシフトレジスタよりも故障し易いものとなる。
【0126】
以上説明したように、この実施の形態にかかる撮像装置において、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用されるシフトレジスタも、各段RS2(k)(k:1〜n)から出力される出力信号のレベルを減衰させることなく、順次シフトしていくことができる。
【0127】
また、シフトレジスタの各段RS2(k)は、基本構成のTFT22〜27に加えて、付加構成のTFT32を有している。このため、TFT24がオンしているとき、TFT24のドレイン電極に供給されるクロック信号CK1、CK2がハイレベルとなり、その寄生容量がチャージアップされて容量Aの電位が上昇しても、TFT32が分圧するためにTFT26のドレイン電極とソース電極との間の電圧がそれほど大きくならない。このため、容量Aの電位上昇によってTFT26が破壊されて、シフトレジスタが故障するのを防ぐことができる。
【0128】
また、この実施の形態でトップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用されるシフトレジスタも、TFT22〜27、32のみで他の素子を用いることなく構成することができるので、撮像素子1を基板10a上に形成する際に、同一の基板10a上に、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3を形成することができる。さらに、第1の実施の形態と同様に、この実施の形態で適用されるシフトレジスタも、実験結果によれば、長期間使用しても安定的に動作するものとなる。
【0129】
[第3の実施の形態]
この実施の形態にかかる撮像装置の構成は、第1、第2の実施の形態にかかるものとほぼ同じである。また、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用されるシフトレジスタの全体の構成も第2の実施の形態のものと同じである。但し、この実施の形態では、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用されるシフトレジスタの各段の構成が第2の実施の形態のものと異なる。
【0130】
図15は、この実施の形態において、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用されるシフトレジスタの1段分の構成を示す回路図である。図示するように、このシフトレジスタの各段RS2(k)(k:1〜nの整数)は、図13に示す構成に加えて、付加構成としてのTFT33を有している。
【0131】
TFT33は、ゲート電極(制御端子)に基準電圧Vddが常時供給され、常にオン状態となっており、ドレイン電極(電流路の一端)がTFT27のソース電極に接続され、ソース電極(電流路の一端)がTFT22、24のゲート電極に接続されている。TFT33は、そのオン抵抗により、TFT24の寄生容量に起因して上昇した容量Aの電圧を分圧させて、TFT27のドレイン電極とソース電極との間の電圧を低く抑える負荷としての機能を有する。
【0132】
以下、この実施の形態にかかる撮像装置の動作について説明する。第2の実施の形態の図11に示す構成との違いは、付加構成としてTFT32がなく、TFT33があることであるので、容量Aに蓄積された電荷がTFT33、TFT27を介してディスチャージされること以外は、容量Aの電位がどのように分圧されるかだけなので、以下ではこの部分のみを説明することとする。
【0133】
タイミングt1〜t2の間の一定期間、TFT24のゲート電極及びドレイン電極並びにそれらの間の寄生容量がチャージアップされることにより、容量Aの電位もほぼ45(V)にまで達する。このとき、定電圧Vssのレベルが−15(V)であれば入力端子INに供給される出力信号out(k−1)も−15(V)に変化していることから、定電圧入力端子SSと容量Aとの間の電圧は、ほぼ60(V)となる。また定電圧Vssのレベルが0(V)の場合、入力端子INと容量Aとの間の電圧は45(V)となる。しかしながら、このような電圧は、負荷として作用するTFT33とTFT27との間で分圧され、配線Cの電位は、25(V)程度に抑えられる。すなわち、TFT33によって、TFT23のドレイン電極とソース電極との間の電圧の上昇が抑えられる。
【0134】
次に、タイミングt1〜t2の間の終わりの方の期間になると、クロック信号CK2のレベルが−15(V)に変化する。これにより、出力信号out(k)のレベルもほぼ−15(V)となる。また、TFT24の寄生容量へチャージされた電荷が放出され、容量Aの電位が低下する。配線Cの電位も、容量Aの電位と同程度にまで低下する。そして、タイミングt3になると、リセット信号入力端子RSTに後ろの段RS2(k+1)の出力信号out(k+1)(ハイレベル)が入力される。これにより、TFT27がオンし、容量Aに蓄積された電荷がTFT33及びTFT27を介して放出される。これにより、容量A及び配線Cの電位が、定電圧Vssのレベルが−15(V)の場合−15(V)に、また定電圧Vssのレベルが0(V)の場合ほぼ0(V)にまで低下する。
【0135】
以上説明したように、この実施の形態にかかる撮像装置において、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用されるシフトレジスタも、各段RS2(k)(k:1〜n)から出力される出力信号のレベルを減衰させることなく、順次シフトしていくことができる。
【0136】
また、シフトレジスタの各段RS2(k)は、基本構成のTFT22〜27に加えて、付加構成のTFT33を有している。このため、TFT24がオンしているとき、TFT24のドレイン電極に供給されるクロック信号CK1、CK2がハイレベルとなり、その寄生容量がチャージアップされて容量Aの電位が上昇しても、TFT33が分圧するためにTFT27のドレイン電極とソース電極との間の電圧がそれほど大きくならない。このため、容量Aの電位上昇によってTFT27が破壊されて、シフトレジスタが故障するのを防ぐことができる。
【0137】
また、この実施の形態でトップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用されるシフトレジスタも、TFT22〜27、33のみで他の素子を用いることなく構成することができるので、撮像素子1を基板10a上に形成する際に、同一の基板10a上に、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3を形成することができる。さらに、第1の実施の形態と同様に、この実施の形態で適用されるシフトレジスタも、実験結果によれば、長期間使用しても安定的に動作するものとなる。
【0138】
[実施の形態の変形]
本発明は、上記の第1〜第3の実施の形態に限られず、種々の変形、応用が可能である。以下、本発明に適用可能な上記の実施の形態の変形態様について説明する。
【0139】
上記の第2、第3の実施の形態では、シフトレジスタのn番目の段RS2(n)は、他の段と異なり、コントローラからリセット信号Vrstをリセット端子RSTに供給するものとしていた。これに対して、シフトレジスタの段数を撮像素子1の段数nよりも1だけ多いn+1とし、段RS2(n+1)の出力信号out(n+1)を段RS2(n)のリセット信号として供給してもよい。この場合、段RS2(n+1)の出力信号out(n+1)は、リセット信号としてだけ用いられ、撮像素子1には出力されない。
【0140】
上記の第2、第3の実施の形態では、シフトレジスタの各段RS2(k)(k:1〜nの整数)は、基本構成のTFT22〜27に加えて、それぞれ付加構成として1つずつのTFT32、TFT33を有するものとしていた。これに対して、図17に示すように、シフトレジスタの各段RS2(k)が付加構成として2つのTFT32、33を有していてもよい。この場合、上記の第2、第3の実施の形態のものの複合的な効果を得ることができる。
【0141】
上記の第1〜第3の実施の形態では、シフトレジスタの各段RS1(k)、RS2(k)(k:1〜nの整数)は、ゲート電極に基準電圧Vddが常時印加されたTFT31〜33を備え、これによって容量Aの電圧を分圧させることによって、それぞれTFT21、26、27のゲート電極とソース電極との間の電位差が膨大な値になるのを防いでいた。しかしながら、電圧の分圧が目的であるならば、TFT21、26、27の特性に合わせた他の素子(例えば、抵抗素子)を適用することも可能である。
【0142】
この他にも、上記の第1〜第3の実施の形態で示したシフトレジスタの各段RS1(k)、RS2(k)(k:1〜nの整数)の構成は、適宜変更することが可能である。例えば、基本構成としてのTFT23は、TFT以外の抵抗素子に置き換えてもよい。また、シフトレジスタの各段RS1(k)、RS2(k)(k:1〜nの整数)は、ゲート電極にクロック信号CK1、CK2のレベルを反転した信号が供給され、ドレイン電極がTFT24のソース電極に接続され、ソース電極が定電圧供給端子SSに接続されたTFTをさらに備えるものとしてもよい。
【0143】
さらに、シフトレジスタの各段RS1(k)、RS2(k)(k:1〜nの整数)は、フローティングを防ぐためのプルアップ用、プルダウン用のTFTや抵抗素子などを適宜付加した構成としてもよい。さらに、クロック信号入力端子clkとTFT25のゲート電極との間に、TFTを挿入した構成とすることなどもできる。
【0144】
上記の第1〜第3の実施の形態では、ダブルゲートトランジスタ10をマトリクス状に配した撮像素子1を、トップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3を用いて駆動する撮像装置を例として説明した。しかしながら、本発明は、これに限られず、マトリクス状などの所定の配列で画素を配した他のタイプの撮像素子或いは表示素子を、第1〜第3の実施の形態で示したシフトレジスタと同一の構成を有するドライバで駆動する撮像装置或いは表示装置にも適用することができる。
【0145】
例えば、図18に示すような液晶表示装置への適用を例として説明する。図示するように、この液晶表示装置は、液晶表示素子5と、ゲートドライバ6と、ドレインドライバ7とを有している。
【0146】
液晶表示素子5は、一対の基板に液晶を封入して構成されるもので、その一方の基板には、TFT50がマトリクス状に形成されている。各TFT50のゲート電極はゲートラインGLに、ドレイン電極はドレインラインDLに、ソース電極は同様にマトリクス状に形成された画素電極に形成されている。他方の基板には、定電圧が印加されている共通電極が形成されており、この共通電極と各画素電極との間に、画素容量51が形成される。そして、画素容量51に蓄積された電荷によって液晶の配向状態が変化することで、液晶表示素子5は、透過させる光の量を制御して画像を表示するものである。
【0147】
ゲートドライバ6は、上記の第1〜第3の実施の形態においてトップゲートドライバ2及びボトムゲートドライバ3として適用したシフトレジスタのいずれか、或いは上記で説明した変形例のものを以て構成される。ゲートドライバ6は、コントローラからの制御信号Gcntに従って、ゲートラインGLを順次選択して所定の電圧を出力する。但し、制御信号Gcntとして供給される定電圧Vssは0(V)であり、また、出力電圧は、TFT50の特性に従うもので、コントローラから制御信号Gcntとして供給される信号CK1、CK2のレベルもこれに従っている。
【0148】
ドレインドライバ7は、コントローラからの制御信号Dcntに従って、コントローラから画像データdataを順次取り込む。1ライン分の画像データdataを蓄積すると、ドレインドライバ7は、コントローラからの制御信号Dcntに従ってこれをドレインラインDLに出力し、ゲートドライバ6によって選択されたゲートラインGLに接続されているTFT50(オン状態)を介して、画素容量51に蓄積させる。
【0149】
この液晶表示装置において、液晶表示素子5上に画像を表示する場合には、まず、ゲートドライバ6は、画像データdataを書き込むべき行のゲートラインGLに対応した段からハイレベルの信号を出力し、当該行のTFT50をオンさせる。当該行のTFT50がオンしているタイミングにおいて、ドレインドライバ7は、蓄積した画像データdataに応じた電圧をドレインラインDLに出力し、オンしているTFT50を介して画素容量51に書き込む。以上の動作の繰り返しにより、画素容量51に画像データdataが書き込まれ、これに応じて液晶の配向状態が変化して、液晶表示素子5上に画像が表示される。
【0150】
この液晶表示装置では、液晶表示素子5は、一方の基板上にTFT50がマトリクス状に形成されたものとなっている。このTFT50の構造も、ゲートドライバ6に適用したシフトレジスタを構成するTFT21〜27、31〜33と基本的に同じである。従って、ゲートドライバ6を、液晶表示素子5を構成する一方の基板上に、同時プロセスにおいて形成することが可能となる。
【0151】
さらには、上記の第1〜第3の実施の形態における構成、或いはそれを上記したように変形した構成を有するシフトレジスタは、撮像素子または表示素子を駆動するためのドライバとしての用途以外にも適用することができる。例えば、これらのシフトレジスタは、データ処理装置などにおいて直列のデータを並列のデータに変換する場合などの用途にも適用することができる。
【0152】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明のシフトレジスタによれば、出力信号のレベルを減衰させることなく、順次シフトしていくことが可能となる。
【0153】
また、各段に分圧素子を設けることによって、特定のトランジスタの電流路の両端に大きな電圧がかかってそのトランジスタが破壊してしまうのを防ぐことができる。
【0154】
さらに、本発明の電子装置では、撮像素子或いは表示素子などの駆動素子に、ドライバを構成するトランジスタとほぼ同様の構造を有する素子を含むものを適用することによって、ドライバを撮像素子と同一の基板上に、同一のプロセスで形成することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施の形態にかかる撮像装置の構成を示すブロック図である。
【図2】図1のダブルゲートトランジスタの概略的な構造を示す断面図である。
【図3】(a)〜(d)は、図1のダブルゲートトランジスタの駆動原理を示す模式図である。
【図4】本発明の第1の実施の形態において、トップゲートドライバ及びボトムゲートドライバとして適用されるシフトレジスタの全体の構成を示すブロック図である。
【図5】本発明の第1の実施の形態において、トップゲートドライバ及びボトムゲートドライバとして適用されるシフトレジスタの1段分の構成を示す回路図である。
【図6】本発明の第1の実施の形態におけるシフトレジスタを、トップゲートドライバとして適用した場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図7】(a)〜(i)は、本発明の第1の実施の形態にかかる撮像装置の動作を示す模式図である。
【図8】第1の比較例においてトップゲートドライバ及びボトムゲートドライバとして適用されるシフトレジスタの1段分の構成を示す回路図である。
【図9】第1の比較例におけるシフトレジスタを、トップゲートドライバとして適用した場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図10】本発明の第2の実施の形態において、トップゲートドライバ及びボトムゲートドライバとして適用されるシフトレジスタの全体の構成を示すブロック図である。
【図11】本発明の第2の実施の形態において、トップゲートドライバ及びボトムゲートドライバとして適用されるシフトレジスタの1段分の構成を示す回路図である。
【図12】本発明の第2の実施の形態におけるシフトレジスタを、トップゲートドライバとして適用した場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図13】第2の比較例において、トップゲートドライバ及びボトムゲートドライバとして適用されるシフトレジスタの1段分の構成を示す回路図である。
【図14】第2の比較例におけるシフトレジスタを、トップゲートドライバとして適用した場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図15】本発明の第2の実施の形態において、トップゲートドライバ及びボトムゲートドライバとして適用されるシフトレジスタの1段分の構成を示す回路図である。
【図16】本発明の第3の実施の形態におけるシフトレジスタを、トップゲートドライバとして適用した場合の動作を示すタイミングチャートである。
【図17】トップゲートドライバ及びボトムゲートドライバとして適用されるシフトレジスタの1段分の他の構成を示す回路図である。
【図18】本発明の実施の形態の変形にかかる液晶表示装置の構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
1・・・撮像素子、2・・・トップゲートドライバ、3・・・ボトムゲートドライバ、4・・・ドレインドライバ、5・・・液晶表示素子、6・・・ゲートドライバ、7・・・ドレインドライバ、10・・・ダブルゲートトランジスタ、10a・・・基板、10b・・・ボトムゲート電極、10c・・・ボトムゲート絶縁膜、10d・・・半導体層、10e・・・ドレイン電極、10f・・・ソース電極、10g・・・トップゲート絶縁膜、10h・・・トップゲート電極、10i・・・絶縁保護膜、21〜27・・・TFT(基本構成)、31〜33・・・TFT(付加構成)、50・・・TFT、51・・・画素容量、TGL・・・トップゲートライン、BGL・・・ボトムゲートライン、DL・・・ドレインライン、GL・・・ゲートライン、GrL・・・グラウンドライン

Claims (9)

  1. 複数の段からなるシフトレジスタであって、前記シフトレジスタの各段は、
    隣接する一方の段から所定レベルの出力信号が制御端子に供給されることによってオンし、前の段から電流路の一端に供給された所定レベルの信号を電流路の他端に出力する第1のトランジスタと、
    制御端子と前記第1のトランジスタの電流路の他端との間の容量に蓄積された電荷によってオンし、負荷を介して電流路の一端に供給される信号を電流路の他端から放出する第2のトランジスタと、
    制御端子と前記第1のトランジスタの電流路の他端との間の容量に蓄積された電荷によってオンし、外部から電流路の一端に供給される第1または第2の信号を当該段の出力信号として電流路の他端から出力する第3のトランジスタと、
    前記第2のトランジスタがオフしているときに負荷を介して制御端子に供給される信号によってオンし、外部から電流路の一端に供給される定電圧の信号を当該段の出力信号として電流路の他端から出力する第4のトランジスタと、
    隣接する他方の段から所定レベルの出力信号が制御端子に供給されることによってオンし、前記第1のトランジスタの電流路の他端と前記第2、第3のトランジスタの制御端子との間に形成された容量に蓄積された電荷を排出させる第5のトランジスタと、
    前記第5のトランジスタの電流路の一端と前記容量との間に設けられ、前記容量の電圧を分圧させて、前記第5のトランジスタの電流路の両端にかかるようにする分圧素子とを備える
    ことを特徴とするシフトレジスタ。
  2. 前記分圧素子は、制御端子に所定の電圧が印加され、電流路の両端がそれぞれ、前記第5のトランジスタの電流路の一端と前記容量とに接続されている
    ことを特徴とする請求項2に記載のシフトレジスタ。
  3. 前記シフトレジスタの奇数番目の段には、第3、第4の信号のうちの第3の信号が外部から供給され、
    前記シフトレジスタの偶数番目の段には、第3、第4の信号のうちの第4の信号が外部から供給され、
    第3、第4の信号はそれぞれ、前記シフトレジスタの出力信号をシフトしていくタイムスロットのうちの所定期間、タイムスロット毎に交互に駆動レベルとなる
    ことを特徴とする請求項1または2に記載のシフトレジスタ。
  4. 前記複数の段のそれぞれを構成する各トランジスタは、同一のチャネル型の電界効果トランジスタである
    ことを特徴とする請求項1乃至3のいずれか1項に記載のシフトレジスタ。
  5. 複数の段からなり、出力信号をシフトさせることによって所定レベルの信号を各段から順次出力するドライバと、複数の画素によって構成され、前記ドライバの各段から出力された出力信号によって駆動される駆動素子とを備え、
    前記ドライバの各段は、
    隣接する一方の段から所定レベルの出力信号が制御端子に供給されることによってオンし、前の段から電流路の一端に供給された所定レベルの信号を電流路の他端に出力する第1のトランジスタと、
    制御端子と前記第1のトランジスタの電流路の他端との間の容量に蓄積された電荷によってオンし、負荷を介して電流路の一端に供給される信号を電流路の他端から放出する第2のトランジスタと、
    制御端子と前記第1のトランジスタの電流路の他端との間の容量に蓄積された電荷によってオンし、外部から電流路の一端に供給される第1または第2の信号を当該段の出力信号として電流路の他端から出力する第3のトランジスタと、
    前記第2のトランジスタがオフしているときに負荷を介して制御端子に供給される信号によってオンし、外部から電流路の一端に供給される定電圧の信号を当該段の出力信号として電流路の他端から出力する第4のトランジスタと、
    隣接する他方の段から所定レベルの出力信号が制御端子に供給されることによってオンし、前記第1のトランジスタの電流路の他端と前記第2、第3のトランジスタの制御端子との間に形成された容量に蓄積された電荷を排出させる第5のトランジスタと、
    前記第5のトランジスタの電流路の一端と前記容量との間に設けられ、前記容量の電圧を分圧させて、前記第5のトランジスタの電流路の両端にかかるようにする分圧素子とを備える
    ことを特徴とする電子装置。
  6. 前記駆動素子は、撮像素子である
    ことを特徴とする請求項に記載の電子装置。
  7. 前記撮像素子は、励起光によりキャリアを生成する半導体層と、前記半導体層の両端にそれぞれ接続されたドレイン電極及びソース電極と、第1ゲート絶縁膜を介して前記半導体層の一方側に設けられた第1ゲート電極と、第2ゲート絶縁膜を介して前記半導体層の他方側に設けられた第2ゲート電極とを、画素毎に備え、
    前記ドライバは、出力信号を第1のゲート電極に出力する第1のドライバと、
    出力信号を第2のゲート電極に出力する第2のドライバとを含む
    ことを特徴とする請求項に記載の電子装置。
  8. 前記駆動素子は、表示素子である
    ことを特徴とする請求項に記載の電子装置。
  9. 前記表示素子は、制御端子に前記ドライバの各段のいずれかの出力信号が供給され、電流路の一端に外部から画像データが供給される第6のトランジスタを、画素毎に備える
    ことを特徴とする請求項に記載の電子装置。
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