жидкокристаллический экран с активной матрицей

Формула изобретения

1. Жидкокристаллический экран с активной матрицей, содержащий первую изолирующую подложку, множество адресных шин, сформированных на первой изолирующей подложке параллельно друг другу, множество шин данных 2 - 1" 2 - 2" - 2 - m" и множество шин данных, сформированных на первой изолирующей подложке перпендикулярно адресным шинам, множество элементов изображения, сформированных на первой изолирующей подложке в виде матрицы строк и столбцов, расположенных между адресными шинами и шинами данных соответственно, каждый элемент изображения содержит по крайней мере два электрода изображения, изолированных друг от друга, и по крайней мере два переключающих транзистора, причем сток первого переключающего транзистора присоединен к первой шине данных, сток второго переключающего транзистора присоединен к второму электроду изображения, исток первого переключающего транзистора присоединен к первому электроду изображения, исток второго переключающего транзистора присоединен к второй шине данных, а затворы первого и второго переключающих транзисторов присоединены к первой адресной шине, причем между первым электродом изображения и адресной шиной имеется емкость между вторым электродом изображения и адресной шиной имеется емкость между первым электродом изображения и первой шиной данных имеется емкость между вторым электродом изображения и второй шиной данных имеется емкость вторую изолирующую подложку, множество общих электродов, сформированных на второй изолирующей подложке, причем каждый из этих общих электродов изолирован друг от друга и расположен над первым и вторым электродами изображения, жидкий кристалл, помещенный между первым и вторым электродами изображения и общим электродом, отличающийся тем, что каждый элемент изображения содержит два дополнительных конденсатора причем первый дополнительный конденсатор присоединен к второй шине данных и первому электроду изображения, а второй дополнительный конденсатор присоединен к первой шине данных и к второму электроду изображения.

2. Экран по п.1, отличающийся тем, что в качестве первого и второго дополнительных конденсаторов и использованы два дополнительных переключающих транзистора, причем у одного из них сток присоединен к первой шине данных, исток присоединен к второму электроду изображения, у другого из них сток присоединен к первому электроду изображения, исток присоединен к второй шине данных, а затворы обоих дополнительных переключающих транзисторов присоединены к второй адресной шине, причем затворы дополнительных переключающих транзисторов последней строки матрицы присоединены к дополнительной адресной шине.

3. Экран по п.1, отличающийся тем, что конденсаторы сформированы путем перекрытия электродами изображения шин данных и адресных шин или путем перекрытия шинами данных и адресными шинами электродов изображения.

4. Экран по п.2, отличающийся тем, что емкости конденсаторов определены из уравнений



и

Описание изобретения к патенту

Данное изобретение относится к жидкокристаллическим экранам (ЖКЭ) с активной матрицей, в частности к ЖКЭ с компенсацией эффекта неравномерного свечения экрана, вызываемого влиянием паразитных емкостей между электродами изображения и шинами данных на величину напряжения электрода изображения жидкокристаллической ячейки.

Известна конструкция жидкокристаллического экрана, содержащего две подложки, между которыми размещается слой жидкого кристалла. На одной подложке сформирована активная матрица, содержащая множество адресных шин 1-2 - 1-n, множество шин данных 2-1 - 2-m, расположенных ортогонально по отношению к адресным шинам, и множество элементов изображения, расположенных между адресными шинами и шинами данных и образующих матрицу, состоящую из n строк и m столбцов (фиг. 1). Каждый элемент изображения содержит тонкопленочный переключающий транзистор 3 (далее ТПТ) и электрод изображения 4, который подключается к адресной шине и шине данных через переключающий транзистор 3. На другой подложке формируется общий электрод 5, на который подается общее напряжение V_o. Электроды 4, 5 и содержащийся между ними жидкий кристалл образуют конденсатор C_ЖК, являющийся элементом памяти каждой ячейки изображения.

Недостатком рассмотренной конструкции жидкокристаллического экрана является наличие известного эффекта мерцания изображения за счет влияния паразитной емкости между затвором и истоком переключающих транзисторов на величину напряжения электрода изображения. При этом напряжение на электроде изображения изменяется на величину U:



где

U_g - напряжение на затворе ТПТ, поступаемое с адресной шины;

C_gs - паразитная емкость между затвором и истоком ТПТ;

C_LC - емкость между электродом изображения и общим электродом.

Поскольку C_LC изменяется в зависимости от состояния жидкого кристалла, то изменение напряжения U не является постоянной величиной для всех ячеек изображения, что вызывает большие трудности компенсации этого изменения.

Известна конструкция плоского экрана с активной матрицей, которая позволяет устранить указанный недостаток. В этой конструкции (фиг. 2) конденсатор жидкокристаллической ячейки состоит из двух последовательно соединенных конденсаторов и сформированных с помощью двух электродов изображения 4" и 4"" и общего электрода 5, изолированного от других общих электродов других элементов изображения.

В этой конструкции общий электрод 5 является "плавающим" электродом. Конденсаторы и подключены с помощью двух переключающих транзисторов 3" и 3"" к двум шинам данных и одной адресной шине. Так как на электроды 4" и 4"" от адресной шины через одинаковые паразитные емкости C_gs переключающих транзисторов 3" и 3"" поступает одно и то же напряжение, то изменения напряжения между электродами 4" и 4"" не происходит и так называемый эффект "мерцания" практически исключается.

Однако такая конструкция плоского экрана с активной матрицей обладает следующим существенным недостатком. Во время функционирования экрана за один полупериод времени на шины данных 2-2", 2-2" - 2-m", 2-1"", 2-2"" - 2-m"" поступает напряжение +V_d и -V_d (или +2V_d и 0) соответственно, а во время другого полупериода - соответственно -V_D и +V_D (или 0 и +2V_d). При смене полярности видеосигнала на шинах данных происходит перезарядка емкостей и на величину



где

C_ds=C_ds=C_ds- суммарная емкость между стоком и истоком ТПТ и между электродом изображения и шиной данных;





На фиг. 3 приведена эквивалентная схема одной жидкокристаллической ячейки с емкостями между стоком и истоком ТПТ и между электродами изображения и шинами данных - обозначенными 6" и 6"" соответственно и емкостями между электродами изображения и адресной шиной и между затвором и истоком ТПТ обозначенных 7" и 7"" соответственно.

На фиг. 4 приведена форма напряжения в различных точках схемы фиг. 3, где U- напряжение на шинах данных, U₁- напряжение на адресной шине, находящейся в верхней части экрана, U_n - напряжение на адресной шине, находящейся в нижней части экрана, U_LC1 - напряжение между электродом изображения и общим электродом для жидкокристаллической ячейкой, находящийся в верхней части экрана, U_LCn - напряжение между электродом изображения и общий электродом жидкокристаллической ячейки, находящейся в нижней части экрана. Из фиг. 4 следует, что эффективное напряжение, приложенное к ЖК-ячейкам в верхней и нижней честях экрана, будет различным, что приводит к различной яркости экрана в этих частях, и, следовательно, качество изображения значительно ухудшается. Рассмотренная конструкция ЖКЭ имеет также низкую надежность в работе, так как отказ любого из двух ТПТ элемента изображения приводит к отказу в работе этого элемента изображения. Кроме того, рассмотренная конструкция ЖКЭ имеет низкое апертурное отношение, так как уменьшение зазора между электродами изображения и шинами данных приводит к увеличению емкости между ними и, следовательно, к увеличению неравномерности свечения экрана, как было рассмотрено выше.

В основу изобретения положена задача создания жидкокристаллического экрана с активной матрицей, обладающего высоким качеством передачи изображения за счет уменьшения влияния емкости между стоком и истоком переключающих транзисторов и емкости между электродами изображения и шинами данных на величину напряжения на электродах изображения, увеличения надежности работы жидкокристаллического экрана за счет резервирования переключающих транзисторов, а также увеличения апертурного отношения за счет уменьшения зазора между электродами изображения и шинами данных.

Поставленная задача решается тем, что в жидкокристаллическом экране с активной матрицей, содержащем первую изолирующую подложку, множество адресных шин 1-1 - 1-n, сформированных на первой изолирующей подложке параллельно друг другу, множество первых шин данных 2-1", 2-2" - 2-m" и расположенное параллельно им множество вторых шин данных 2-1"", 2-2"" - 2-m"", сформированных на первой изолирующей подложке перпендикулярно адресным шинам, множество элементов изображения, сформированных на первой изолирующей подложке в виде матрицы строк и столбцов, расположенных между адресными шинами и шинами данных соответственно, каждый элемент изображения содержит по крайней мере два электрода изображения, изолированных друг от друга, и по крайней мере два переключающих транзистора, причем сток первого переключающего транзистора присоединен к первой шине данных, сток второго переключающего транзистора присоединен к второму электроду изображения, исток первого переключающего транзистора присоединен к первому электроду изображения, исток второго переключающего транзистора присоединен к второй шине данных, а затворы первого и второго переключающих транзисторов присоединены к 1-n адресной шине, где n = 1, 2, 3, причем между первым электродом изображения и адресной шиной имеется емкость , между вторым электродом изображения и адресной шиной имеется емкость , между первым электродом изображения и первой шиной данных имеется емкость C_ds , между вторым электродом изображения и второй шиной данных имеется емкость , вторую изолирующую подложку, множество общих электродов, сформированных на второй изолирующей подложке, причем каждый из этих общих электродов изолирован друг от друга и расположен над первым и вторым электродами изображения, жидкий кристалл, помещенный между первым и вторым электродами изображения и общим электродом, согласно изобретению каждый элемент изображения содержит два дополнительных конденсатора и C_ad , причем первый дополнительный конденсатор C_ad присоединен к второй шине данных и к первому электроду изображения, а второй дополнительный конденсатор C_ad присоединен к первой шине данных и к второму электроду изображения.

Желательно, чтобы в качестве первого и второго дополнительных конденсаторов использовались два дополнительных переключающих транзистора, причем у одного из них сток присоединен к первой шине данных, исток присоединен к второму электроду изображения, у другого из них сток присоединен к первому электроду изображения, исток присоединен к второй шине данных, а затворы обоих дополнительных переключающих транзисторов присоединены к адресной шине следующего ряда, причем затворы дополнительных переключающих транзисторов последней строки матрицы присоединены к дополнительной адресной шине 1- (n+1).

Желательно, чтобы конденсаторы были сформированы путем перекрытия электродами изображения шин данных и адресных шин или путем перекрытия шинами данных и адресными шинами электродов изображения.

Желательно, чтобы емкость конденсаторов определялись из уравнений



.

Использование отличительных признаков данного изобретения позволяет решать поставленную задачу создания жидкокристаллического экрана с активной матрицей, обладающего высоким качеством передачи изображения за счет уменьшения влияния емкости между стоком и истоком переключающих транзисторов и емкости между электродами изображения и шинами данных на величину напряжения на электродах изображения, увеличения надежности работы жидкокристаллического экрана за счет резервирования переключающих транзисторов, а также увеличения апертурного отношения за счет уменьшения зазора между электродами изображения и шинами данных.

Как было указано выше в прототипе, при смене полярности видеосигнала на шинах данных происходит перезарядка емкостей и на величину



При этом эффективное напряжение между электродом изображения и общим электродом для жидкокристаллических ячеек, находящихся в верхней части экрана, будет составлять величину ~V, а для нижней части экрана ~(V_D-V/2). Это приводит к различной яркости свечения экрана в верхней и нижней частях. В отличие от этого в патентуемой конструкции жидкокристаллического экрана с активной матрицей, показанной на фиг. 5, между электродами изображения и шинами данных подключены дополнительные конденсаторы 8" и 8"", которые позволяют величину V сделать малой и таким образом ликвидировать эффект неравномерности свечения экрана в различных частях. На фиг. 6 приведена эквивалентная схема одной жидкокристаллической ячейки экрана с дополнительными емкостями

Для того, чтобы в патентуемой конструкции ЖКЭ полностью исключить эффект неравномерности свечения экрана в верхней и нижней частях, величины дополнительных емкостей и должны быть определены в соответствии со следующими двумя условиями (требованиями). Во-первых, при изменении напряжения на шине данных 2-1" (при выключенных транзисторах 3" и 3"") в точках b и c изменения напряжений должны быть одинаковыми по величине и по знаку. Во-вторых, при изменении напряжения на шине данных 2-1"" (при выключенных транзисторах 3" и 3"") в точках b и c изменения напряжений также должны быть одинаковыми по величине и по знаку. При выполнении этих условий перезарядки емкостей и не происходит при изменении напряжений на шинах данных 2-1" и 2-1"". Указанные условия выражаются двумя уравнениями:





Кроме того, если емкости и являются достаточно большим, то необходимо выполнение еще одного условия, которое должно исключать появление эффекта "мерцания" ЖКЭ и которое имеет место вследствие перезарядки и при изменении напряжения на адресной шине. Это условие заключается в следующем. При изменении напряжения на адресной шине 1-1 (при выключенных транзисторах 3" и 3"") в точках b и c изменения напряжения должны быть одинаковыми по величине и по знаку. При выполнении этого условия перезарядки емкостей и не происходит при изменении напряжения на адресной шине 1-1. Это условия выражается уравнением



Решая уравнения (3), (4), (5) относительно и получим





Обычно в конструкциях ЖКЭ с активной матрицей

.

Поэтому для таких конструкций ЖКЭ



Выбор емкостей конденсаторов и в соответствии с уравнениями (6) и (7) обеспечивает исключение эффекта неравномерности свечения экрана и эффекта мерцания в патентуемой конструкции ЖКЭ.

Для увеличения надежности работы ЖКЭ с активной матрицей в качестве дополнительных конденсаторов и используются два дополнительных переключающих транзистора, у которых емкости между стоком и истоком и между затвором и истоком соответствуют уравнению (6) или (7). Схема подключения дополнительных переключающих транзисторов 9" и 9"" показана на фиг. 7. Исток переключающего транзистора 9"" подключен к электроду изображения 4"", а исток - к шине данных 2-1", исток переключающего транзистора 9" подключен к шине данных 2-1"", а сток - к электроду изображения 4". Затворы обоих переключающих транзисторов подключены к последующей адресной шине 1-2. Затворы дополнительных переключающих транзисторов последней строки матрицы подключены к дополнительной адресной шине 1 - (n + 1). Надежность работы такого ЖКЭ с активной матрицей значительно выше, чем надежность работы ЖЭК по схеме фиг. 5, так как выход из строя в одной жидкокристаллической ячейке одного или двух переключающих транзисторов, подключенных к одной адресной шине, не приводит к отказу этой жидкокристаллической ячейки.

Для увеличения апертурного отношения ЖКЭ конденсаторы можно формировать путем перекрытия электродами изображения шин данных и адресных шин или перекрытия шинами данных и адресными шинами электродов изображения. На фиг. 8 показана топология участка активной матрицы ЖКЭ, выполненной таким образом, что электроды изображения 4" и 4"" перекрывают в плане шины данных и адресные шины. При этом в местах перекрытия сформированы конденсаторы Такая конструкция ЖКЭ обеспечивает очень высокое апертурное отношение.

Ниже со ссылками на прилагаемые чертежи приводятся примеры конкретной реализации данного изобретения.

На фиг. 1 показана схема известного ЖКЭ с активной матрицей.

На фиг. 2 показана схема ЖКЭ с активной матрицей и "плавающим " общим электродом, выбранная авторами в качестве прототипа.

На фиг. 3 показана схема одной жидкокристаллической ячейки с паразитными емкостями между стоком и истоком переключающих транзисторов.

На фиг. 4 показана форма напряжения в различных точках жидкокристаллической ячейки.

На фиг. 5 показана схема ЖКЭ с активной матрицей, выполненного в соответствии с п.1 формулы патентуемого изобретения.

На фиг. 6 показана эквивалентная схема жидкокристаллической ячейки ЖКЭ, выполненного в соответствии с п.1 формулы патентуемого изобретения.

На фиг. 7 показана схема ЖКЭ с активной матрицей, выполненного в соответствии с п.2 формулы патентуемого изобретения.

На фиг. 8 показана топология участка активной матрицы ЖКЭ, выполненной в соответствии с п.3 формулы патентуемого изобретения.

На фиг. 9 показано поперечное сечение вдоль оси А-А фиг. 8.

На фиг. 10 показан вариант схемы ЖКЭ, выполненного в соответствии с п.2 формулы патентуемого изобретения.

На фиг. 11 показана топология участка активной матрицы, выполненной в соответствии с п.2 формулы патентуемого изобретения.

На фиг. 12 показано поперечное сечение вдоль оси В-В фиг. 11

Практический пример 1. На фиг. 5 показана схема ЖКЭ с дополнительными конденсаторами обозначенными на схеме индексами 8" и 8"" соответственно, выполненного в соответствии с п.1 патентуемого изобретения.

На фиг. 4 показана форма напряжения на шинах данных U_d, на адресных шинах U_a, на жидкокристаллических конденсаторах C_LC, образованных электродами изображения 4" и 4"" и общим электродом 5.

Схема работает следующим образом. При появлении напряжения U_a на адресной шине открываются переключающие транзисторы (ТПТ) 3" и 3"" и происходит зарядка конденсатора до напряжения +V_d, а конденсатора до напряжения -V_d (или наоборот). При этом общий электрод 5 всегда находится под нулевым напряжением относительно электродов 4" и 4"". В обычной схеме ЖКЭ при смене полярности напряжения на шинах данных с +V_d на -V_d или наоборот и при отсутствии напряжения U_a на адресной шине происходит перезарядка конденсаторов и на величину U, которая определяется величинами конденсаторов которые являются, как правило, паразитными конденсаторами между электродами изображения и шинами данных и адресными шинами. Для исключения этого эффекта в патентуемой конструкции ЖКЭ фиг. 5 сформированы два дополнительных конденсатора и величины которых выбираются такими, чтобы при изменении напряжения на любой шине данных изменения напряжения на электродах изображения 4" и 4"" одного и того же элемента изображения были одинаковыми по величине и по знаку. Поэтому перезарядка конденсаторов и не происходит и, следовательно, эффект неравномерно свечения экрана в такой конструкции ЖКЭ исключается. При этом величины и выбираются в соответствии с уравнениями (3) и (4).

Практическая реализация конструкции такого ЖКЭ показана на фиг. 8 и 9. На фиг. 8 показана топология участка ЖКЭ, выполненного в соответствии с п.3 патентуемого изобретения. Конденсаторы , обозначенные нa фиг. 8 индексами 8", 8"", 6", 6"", 7", 7"" соответственно, сформированы путем перекрытия электродами изображения 4" и 4"" шин данных 2-1", 2-1"" и адресной шины 1-1. На фиг. 9 показано поперечное сечение А-А на фиг. 8, которое поясняет последовательность формирования технологических слоев конструкции ЖКЭ фиг. 8. Структуру, показанную на фиг. 8 и 9, изготавливали описываемым ниже образом. На изолирующую подложку 10 с помощью вакуумного напыления наносили пленку хрома. Используя фотолитографию, из этой пленки формировали адресные шины, не показанные на фиг. 9, и затворы 11 переключающих транзисторов. Затем осаждали пленку нитрида кремния 12, используемую в качестве затворного диэлектрика. Далее наносили последовательно пленку высокоомного аморфного кремния 13 и пленку аморфного кремния, легированную фосфором 14. С помощью фотолитографии формировали полупроводниковые области переключающих транзисторов. Полупроводниковые области переключающих транзисторов, выполненные из аморфного кремния, на фиг. 10 не показаны для упрощения рисунка. Затем последовательно наносили пленку хрома 15 и алюминия 16 и, используя фотолитографию и химическое травление, формировали шины данных, области стока и истока переключающих транзисторов. При этом для формирования низкоомного контакта к аморфному кремнию осуществляли избирательное травление легированного аморфоного кремния 14 по отношению к высокоомному кремнию в областях между стоком и истоком переключающих транзисторов. После этого наносили пленку нитрида кремния 17, служащую защитным диэлектриком, в которой с использованием фотолитографии вскрывали контактные окна к областям истока переключающих транзисторов. Далее наносили прозрачную проводящую пленку окиси индия, из которой с помощью фотолитографии формировали электроды изображения 4" и 4"". Затем на вторую изолирующую подложку 19 наносили прозрачную проводящую пленку окиси индия и, используя фотолитографию, формировали общие электроды 5, изолированные друг от друга. После этого подложки 17 и 18 совмещали друг с другом на расстоянии, определяемом размерами спейсеров, расположенных между подложками и не показанных на фиг. 9. Совмещение проводим таким образом, чтобы общий электрод располагается над электродами изображения 4" и 4"". Расположение общего электрода показано на фиг. 8 штрихпунктирной линией. Далее пространство между подложками заполнялось жидким кристаллом. Описанный способ изготовления ЖКЭ характерен для изготовления ЖКЭ, работающих на просвет. При изготовлении ЖКЭ отражательного типа достаточно вместо пленки окиси индия для создания электродов изображения 4" и 4"" напылять отражающую металлическую пленку, например, алюминия.

Из приведенного примера видно, что апертурное отношение описанных ЖКЭ очень высокое, так как электроды изображения занимают практически всю площадь экрана, за исключением зазора между электродами.

Кроме того, варьируя площади перекрытия между электродами изображения и сигнальными шинами, нетрудно получить любую желаемую комбинацию соотношения между емкостями в соответствии с уравнениями (3) и (4), (5).

Практический пример 2. На фиг. 7 показана схема ЖКЭ с дополнительными переключающими транзисторами 9" и 9"", используемыми в качестве дополнительных конденсаторов и выполненного в соответствии с п.2 патентуемого изобретения. Роль дополнительных конденсаторов играют емкости между стоком и истоком дополнительных переключающих транзисторов. Такую схему ЖКЭ выгодно реализовать, когда все переключающие транзисторы 3", 3"", 9" 9"" идентичны и имеют одинаковые межэлектродные емкости. В этом случае условия соответствия емкостей уравнениям (6) и (7) выполняет автоматически ЖКЭ, выполненный по схеме фиг. 7, который кроме указанных выше достоинств обладает еще высокой надежностью в работе, так как переключающие транзисторы 9" и 9"" играют роль резервных переключающих транзисторов. В такой схеме отказ в работе одного или двух переключающих транзисторов любой пары переключающих транзисторов 3", 3"" или 9" 9"" не приводит к отказу в работе элемента изображения.

Пример практической реализации ЖКЭ с двумя дополнительными переключающими транзисторами показан на фиг. 10, 11 и 12.

На фиг. 10 показан вариант схемы фиг. 7, выполненный в соответствии с п. 2 формулы патентуемого изобретения и являющийся наиболее выгодным для практического использования. Этот вариант отличается тем, что переключающие транзисторы соседних строк матрицы, подключенные в одной адресной шине, имеют одинаковые подключения стоков и истоков к сигнальным шинами и электродам изображения.

На фиг. 11 показана топология участка ЖКЭ, выполненного по схеме фиг. 10. На фиг. 12 показано поперечное сечение В-В фиг. 11, которое поясняет последовательность формирования технологических слоев при изготовлении ЖКЭ с двумя дополнительными переключающими транзисторами в соответствии с п. 2 формулы патентуемого изобретения.

Структуру, показанную на фиг. 11 и 12, изготавливали следующим образом.

На изолирующую подложку 10 наносили технологические слои хрома, нитрида, кремния, аморфного кремния, аморфного кремния легированного бором, и слой хрома, и с использованием фотолитографии формировали в той же последовательности, что и на фиг. 9, адресные шины 11, затворный диэлектрик переключающих транзисторов 12, полупроводниковые области 13 и стоковые и истоковые области переключающих транзисторов 14, 15. Далее наносили изолирующий диэлектрик (нитрид кремния) (17). С помощью фотолитографии формировали в изолирующем диэлектрике окна к стоковым и истоковым электродам переключающих транзисторов и затем наносили пленку алюминия 16. Из пленки алюминия с использованием фотолитографии формировали шины данных и перемычки 20 и 21 к стоковым электродам переключающих транзисторов. После этого наносили проводящую пленку окиси индия и формировали на базе фотолитографии электроды изображения 4" и 4"". Электроды изображения из окиси индия формируют для ЖКЭ просвечивающего типа. Для ЖКЭ отражательного типа электроды изображения формируются из того же материала, что и шины данных (например, алюминия), и одновременно с шинами данных в одном фотолитографическом процессе. Для упрощения рисунка на фиг. 12 изображено поперечное сечение одной подложки. Элементы ЖКЭ, находящиеся на второй подложке, выполняются аналогично указанному выше в практическом примере 1.

Использование в патентуемой конструкции ЖКЭ перемычек 20 и 21 позволяет при необходимости отключать от шин данных неработающие переключающие транзисторы путем лазерного пережигания или химического травления этих перемычек.