JPH04234217A - カスコード回路 - Google Patents

カスコード回路

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JPH04234217A
JPH04234217A JP3195353A JP19535391A JPH04234217A JP H04234217 A JPH04234217 A JP H04234217A JP 3195353 A JP3195353 A JP 3195353A JP 19535391 A JP19535391 A JP 19535391A JP H04234217 A JPH04234217 A JP H04234217A
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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】〔発明の分野〕本発明はアモルファスシリ
コン高電圧薄膜トランジスタ(HVTFT)を実質的に
その全域にわたって効率よくまた安定した方法でスイッ
チング動作させるための改良型回路に関するもので、よ
り特定すれば空間荷電電流制限分流装置を含むカスコー
ド回路に関するものである。
【0002】〔発明の背景〕高電圧薄膜トランジスタの
高速スイッチング動作はトランジスタの端子間容量によ
って厳しい制限を受ける。この付随容量が回路内での電
圧の変化しうる速度を制限し、HVTFTがその電圧範
囲全体にわたって完全なスイッチング動作を所定の割当
時間内に行うことを妨げることがある。
【0003】この問題に関連する典型的な高電圧回路の
応用例は、図1に模式的に描かれている電子印字ヘッド
10に使用される抵抗性インバータ回路がそれである。 薄膜製造技術によって製造可能なこのような印字ヘッド
は、米国特許第4,588,997号に開示されている
。印字ヘッド10には導電性電極に対するわずかな間隙
での高電圧の放電により情報の連続ラスター線を生成す
るための数千にわたる針の線型アレイが含まれる。選択
したアレイ内の針を駆動するため、マルチプレクス方式
が用いられ、ここにおいて各針の荷電はHVTFTスイ
ッチング動作のための薄膜高電圧トランジスタ16のゲ
ートへ選択的に電位をかけ、あるいは放電させる低電圧
薄膜パストランジスタ(LVTFT)によって制御され
ている。この方式によれば、各印字針は印加電位を荷電
と放電の間の実質的な線型時間において保持することが
できる。HVTFT16のドレイン電極18は高電圧バ
ス20(アースに対して450ボルトの電位がかけられ
ている)へ負荷抵抗22を経由して接続されてなり、ま
たこれのソース電極24は接地バス26へ接続されてい
る。20ボルト(オン)と0ボルト(オフ)の電位にあ
るデータ線28からのデータ信号は、約15ないし25
マイクロ秒の「ゲート時間」、すなわちHVTFTのゲ
ートが所望の電位に到達するために必要とされる時間中
に約24ボルト(オン)と0ボルト(オフ)の間でアド
レス線30がLVTFT14のゲートをスイッチング動
作させる際にHVTFTのゲート電極に印加される。
【0004】電子印刷において印字が行われるのは印字
針12とバイアス電圧のかかった相補電極(図示されて
いない)の間の電位差がこれらの間の間隙を打ち破るの
に充分になったときである。この技術の一形態としては
相補電極に数百ボルトのバイアス電圧をかけることがあ
る。HVTFT16のオン状態において印字が行われる
のは、針が低電位に到達することから針と相補電極間の
電位差が間隙を破壊するのに充分高くなる為である。H
VTFTがオンのとき、電流経路は高電圧バス20から
HVTFTを経由して接地へと存在していることになり
、負荷抵抗22にかかる大幅な電圧降下が針12の電位
を接地に近付ける(典型的には約10ボルト)。HVT
FTのオフ状態においては印字は行われず、これは高電
圧バスから接地への電流経路が存在していないためで、
負荷抵抗にかかる電圧降下がなく、また高電位(約45
0ボルト)が針12に印加されるためである。
【0005】この回路においてスイッチング動作の問題
が発生するのは、HVTFTのドレイン電極18とゲー
ト電極32の間の付加容量がゲート時間の間のLVTF
Tの高速スイッチング動作によってもたらされるためで
ある。図2に示してある単一針のドライバーをここで参
照することにすると、付加容量はコンデンサ34(破線
で描かれている)によって表現される。印字ヘッドの動
作において、LVTFT14は高速なスイッチング動作
を行ってHVTFT16の状態を変化させ、そのあとで
ゲート電極32の電位が次にアドレスされるまでフロー
ティングすることになる。上に示したごとく、HVTF
Tがオンになっているとき、ドレイン電極18は低電位
(約10ボルト)になっており、ゲート電極32は約2
0ボルトでフローティングしている。HVTFTをオフ
に切り替えると、ゲート電極は15ないし25マイクロ
秒のゲート時間中に約0ボルトまで急速に放電される。 しかし、10ボルトの低電圧値から450ボルトの高電
圧値へとこのトランジスタのドレイン電極が変化を起こ
すまでには約150ないし200マイクロ秒の時間がか
かるのが普通である。よって、この変位の大半はLVT
FTがオフにスイッチしてゲート電極がフローティング
した後で発生することになる。ドレインとゲートは容量
結合していることから、ドレイン電位が上昇するとHV
TFTが最終的にオンになりドレイン電位のそれ以上の
上昇を停止させるに充分な値に到達するまでゲート電位
はこれに伴って引き上げられることになる。その結果、
スイッチング動作の効率は低下しドレイン電極(および
印字針)は所望した450ボルトにではなく約200な
いし250ボルトまでしか到達しない。これはHVTF
Tが完全にオフにならないためで、印字針は白(非印字
)ではなく灰色を印字する。
【0006】この問題を克服する一つの方法は同一デー
タを2つの連続したパスで書き込み、各行とも二重パル
ス化によって書き込み信号が最初のパルスで約200ボ
ルトにまず到達したのち第2のパルスで所望の450ボ
ルトに到達させようというものである。当然この解決方
法では印字ヘッドの動作速度を厳しく制限してしまう。
【0007】ゲート・ドレイン間の付加容量に起因する
スイッチング動作の効率の問題の公知の解決方法はスイ
ッチングを行うトランジスタがスイッチングされるトラ
ンジスタと直列に接続されて、スイッチングされるトラ
ンジスタのゲートが一定の電位でバイアスされているカ
スコード回路の使用である。しかし、この解決方法をア
モルファスシリコンHVTFT(スイッチされたトラン
ジスタ)に適用する際、経時的にIDS対VDSの特性
曲線を右に変位させるという装置の不安定を引き起こし
てしまう。この不安定はパラメータVX によって特徴
づけられるもので、特性曲線はVX シフトを受けたと
称される。図3において、曲線Aは初期の(ストレスの
かかっていない)状態を表し、曲線BはVX シフトの
かかった状態を表している。この現象が発生するのはゲ
ートからソースへの電圧(VGS)がHVTFTの閾値
(VTH)より大幅に下回っている場合で、ハード・オ
フ条件(図4参照)の例がそれに相当する。結果として
、HVTFTの出力低電圧(特性曲線AおよびBを交差
する450メグΩの挙上抵抗22に基づく負荷線Cに注
意)は時間とともに上昇(8ボルトから80ボルトへ)
し、450ボルトの全帯域にわたるスイッチング動作を
阻止し、その結果としてオン状態において白ではなく灰
色が印字されることになる。この現象は1989年7月
15日付出願の米国特許出願第07/366,822(
ヤップ (Yap)) において議論されており、ここ
においても全面的に参照されている。オフ状態のゲート
電圧と閾値電圧間の差分が上昇するためこの問題は重要
視されるものとなっており、HVTFTの閾値(約0.
5ボルトから1ボルトの範囲にある)の直下にあるゲー
ト電圧においての不安定は全く発生しない。
【0008】アモルファスシリコントランジスタによっ
て提示される別の問題は、装置が長時間にわたってオン
状態におかれた際、通常の使用状態であっても発生する
閾値電圧VTHのシフトである。HVTFTのVTH上
昇によって装置をオフ状態に保つためゲートにかかって
いる通常の0ボルトバイアス電圧がVTH以下に降下し
VX の不安定さを惹起する。
【0009】本発明の主要な対象はアモルファスシリコ
ンHVTFTのスイッチング動作効率の問題を改良型カ
スコード回路を使用することによって克服することで、
これはHVTFTをVx 不安定性から保護するのみな
らずその安定性を改善するものである。
【0010】〔発明の概要〕本発明はその一形態におい
て高電圧薄膜トランジスタを実質的にその高電圧域全体
にわたりスイッチング動作させるためのカスコード回路
を用いることで実施することができ、高電圧薄膜トラン
ジスタと直列に接続した漏電性低電圧薄膜トランジスタ
を含み、これらトランジスタは高電圧源と基準電位源と
の間に接続されるものである。漏電性低電圧薄膜トラン
ジスタは低電圧トランジスタと並列に接続された空間荷
電制限限流器を有するものである。
【0011】〔図面の簡単な説明〕本発明のこれ以外の
目的およびさらなる特徴と利点はより特定すれば以下の
付録図面とともに参照される説明から明らかで、ここに
おいて、
【0012】図1は必須の薄膜印字ヘッドの模式的表現
であり、
【0013】図2は図1のアレイの単一セルの模式的表
現であり、
【0014】図3はVX シフトを示すアモルファスシ
リコンHVTFTの特性IDS対VDS曲線を示し、

0015】図4は閾値電圧(VTH)シフトを示すアモ
ルファスシリコンHVTFTの特性IDS対VDS曲線
を示し、
【0016】図5は本発明の主題である改良型カスコー
ドドライバーの単一セルの模式的表現であり、
【001
7】図6は必須の空間荷電制限並列電流経路を伴う改良
型低電圧薄膜トランジスタの模式的平面図であり、
【0018】図7Aおよび図7Bは図6のA−A線およ
びB−B線に実質的に沿った模式的断面図で本装置のゲ
ート化した部分およびゲート化していない部分を示して
おり、
【0019】図8は図6の改良型空間荷電制限分流化L
VTFTのIDS対VDS曲線を示し、さらに、
【00
20】図9は通常のアモルファスシリコンLVTFTの
IDS対VDS曲線を示したものである。
【0021】〔図示された実施態様の詳細な説明〕図4
に示されたカスコード回路はスイッチング動作および信
頼性の問題を解決している。これには低電圧薄膜パスト
ランジスタ36と新型低電圧薄膜スイッチング用トラン
ジスタ38がHVTFTのソース電極電位をスイッチン
グ動作させ、HVTFTのゲート電極30にかかる固定
電位を維持しつつ本装置をオン・オフさせるために含ま
れている。スイッチング用LVTFTのフローティング
ゲートはHVTFTのドレインの広範囲にわたる電圧変
動から完全に絶縁されているため、この装置のスイッチ
ング動作効率の問題は排除されている。さらに、新型低
電圧薄膜スイッチング用トランジスタ38はスイッチン
グ用トランジスタと並列の空間荷電制限分流器40とと
もに装置され、この後の説明で明らかとなるようにHV
TFTのVx シフトを防止するため基準電位への漏電
経路を保証している。
【0022】図6、図7Aおよび図7Bにおいて、新型
分流LVTFT38は基板42、導電ゲート電極層44
、ゲート誘電層46、実質的に固有のアモルファスシリ
コン電位転送層48、拡散(n+ )アモルファスシリ
コンのソースおよびドレイン電極50と52、導電性の
ソースおよびドレイン端子54および56、および最上
部誘電層58を有する基本的に標準型アモルファスシリ
コンLVTFTであることが見てとれる。アモルファス
シリコン層48およびソース電極とドレイン電極50お
よび52はB−B断面領域内のゲート電極44を超えて
延出していることから、そのアモルファスシリコン電荷
転送アイランドの部分はゲートされず、またトランジス
タを経由してゲートされた電流経路と並列の電流経路を
有している。ソース電極とドレイン電極の間に電圧降下
が発生した場合には空間荷電制限電流がゲート化してい
ない領域内を通過して流出する。この漏電性LVTFT
についてのより完全な記述は、本件と同時に出願され、
代理人整理番号D/90118Qで識別され、かつ同一
譲受人に譲渡された「漏電性低電圧薄膜トランジスタ」
という名称の同時係属出願に見ることができ、その開示
内容を全面的にここにおいても参照している。
【0023】新型分流薄膜トランジスタは容易に製造さ
れ、通常型トランジスタ製造に必要な製造工程以上の工
程を要しない。アモルファスシリコン電荷転送アイラン
ドおよびソースとドレインの電極においてはゲート電極
終端を超えて延出している必要があるだけである。
【0024】新型分流薄膜トランジスタの有利な側面を
理解するためには、何故カスコード回路が標準型アモル
ファスシリコントランジスタでは満足に動作しないのか
を認識している必要がある。基本概念においては、直列
接続されたHVTFT16とスイッチング用LVTFD
Tを通過する電流は同一のものである。LVTFTがオ
ンの状態においてこれが真実であるのみならずオフ状態
においても同様で、ここにおいて装置を経由する漏れ電
流は一致する。ここで図4のHVTFT特性IDS対V
gs曲線(VDS=450ボルトにおける)を図9の通
常のLVTFT特性IDS対Vgs曲線(VDS=20
ボルト)と比較してみると、スイッチング用LVTFT
は例えば0ボルトをゲートに印加することによってオフ
になる際に約10−9.5アンペアの漏洩電流が流れる
のが理解できる(図9参照)。オフ状態にあるHVTF
Tを経由する対向漏洩電流(10−9.5アンペア)に
よって約−0.8ボルト(図3参照)のゲート電圧(V
GS)または約1.5ボルトの基準HVTFT閾値電圧
(VTH)より約2.3ボルト低い電圧が生じる。
【0025】HVTFTを通る通常のスイッチングLV
TFTより高い漏洩電流は常にHVTFTをオフ状態に
なし、その閾値電圧より充分低くなすため、それによっ
てハードオフ状態が生じ、これがVZ シフトの不安定
を招来する。VX のシフトが起こる率はその差分の倍
率とハードオフ状態の存在する時間的長さに強く依存す
る。 ゲート電圧がHVTFTの閾値電圧直下に維持されてい
るとすれば(約0.5ボルト程度)破壊は起こらない。
【0026】パストランジスタにおける過渡特性がもと
でスイッチング用トランジスタのゲート電圧を0ボルト
に保つことは可能ではない。パストランジスタ36がス
イッチング用トランジスタ38のゲートを急速に充放電
するとき、破線で描かれているコンデンサ60で表され
る付加容量がパストランジスタのゲート電極とドレイン
電極の間に介在するようになる。よって、スイッチング
用トランジスタ38がオフ状態に切り替わり、パストラ
ンジスタ36のゲートが24ボルトから0ボルトへ急速
に放電してその電位においてスイッチング用トランジス
タがフローティングし得るようになす際には、付加容量
60はスイッチング用トランジスタのゲートを数ボルト
電圧降下させる(例:0ボルトではなく−4ボルトに)
。図4と図9の特性曲線を比較すれば、新鮮な、ストレ
スのかかっていない−4ボルトにあるLVTFTを通る
漏洩電流は約10−11.1 アンペアとなり、HVT
FTを通る対向電流は約−5ボルトのVGSを発生させ
る。 これは閾値電圧より6.5ボルト低く、HVTFTに深
い空乏状態を発生させるため、急速にVX の不安定性
を引き起こすことになる。
【0027】すでに述べたごとく、アモルファスシリコ
ントランジスタにおける閾値電圧シフト現象は通常HV
TFTにおけるVX の不安定性の問題を悪化させる。 図4並びに図9から明らかにし得るように、VTHが上
昇すれば、時間の経過に従う特性IDS対VGS曲線が
右方シフトしまた高いゲート電圧が装置をオン状態にな
すために必要とされる。例えば、HVTFT装置が新し
ければ、VTHは一般に約1.5ボルトにある。装置が
使用するにつれ時間とともにストレスを増して来れば、
VTHは2ないし3、あるいはそれ以上の電圧にまで上
昇する(図4では2ボルトを描いている)。LVTFT
におけるVTHシフトがVGS=0ボルトにおけるオフ
電流を発生させて実質的な(約10−9.5から約10
−11.2 へ)降下を招く。HVTFTとLVTFT
を通過する電流が対向するカスコード回路において、こ
のHVTFTを通過する減少したオフ電流は上方にシフ
トした閾値電圧より充分低いVGSを発生させる。その
結果としてHVTFTはさらにストレスに曝され、VX
 をさらに右方へとシフトさせることになる。
【0028】カスコード回路による解決方法は付加容量
に起因するスイッチング効率の問題を克服するためとし
て公知であるが、アモルファスシリコンによるこれに実
現ではVX シフト現象というゴーストを発生させる。 並列空間荷電制限分流器40を有する新型LVTFTの
導入によりHVTFTの安定性が向上し得ることを私は
発見した。装置を不安定な状態になすハードオフ状態を
回避することで、新型漏電性LVTFTはHVTFTに
発生するVX シフトを予防するのみならず、現実には
回路をあらゆる条件下で安定にしている。
【0029】スイッチング用トランジスタと並列の空間
荷電電流制限分流器40はHVTFT16以上に漏電性
LVTFT38が常に漏洩するよう保証するものである
。よって、回路が二つの直列接続トランジスタ対を通過
する漏洩のある状態に到達しようとすると、ゲートから
ソースへのHVTFT電位における閾値電圧を大幅に下
回る降下が予防される(VTH以下で約1ボルトを超過
しない)。
【0030】図4および図8に戻ると、漏洩性スイッチ
ング用トランジスタ38が0ボルトでオフ状態になると
き、これを通過する電流は約10−8アンペアであるこ
とがわかる。HVTFTを通過する対向電流はゲート電
位を約0.5ボルトに押し上げる。ゲート電位は閾値電
圧より約1ボルト低いので、vX シフトは最小限に抑
止されるかまたは可能な限り予防される。スイッチング
用トランジスタのゲートを0ボルトではなく−4ボルト
になす付加容量60の効果についても、図8から漏洩電
流が実質的に同一であると読み取ることができる。同様
に、新型漏電性LVTFTが経時的な閾値電圧の右方シ
フトに耐えるので、漏洩電流も実質的に同一量になる。
【0031】図8に示した負のゲート電圧時における比
較的高く平坦な応答性は漏電性LVTFTのオフ状態に
おいて分流器が優位であって本装置がHVTFT以上に
漏電性が高いことを示している。オン状態においては、
回路の動作は影響を受けない。本新型装置のオフ状態で
の漏洩応答性は、HVTFTのオフ状態VGSが常にV
THの直下にあることを保証している。これは、本装置
が上方にシフトし、追従し、そしてそれによって自装置
をHVTFTのVTHシフトにあわせて調節するためで
ある。
【0032】本開示は例示するための手段としてのみ作
成されたものであり、細部における製作時の数多くの変
更および部品の組み合せ並びに配置は、この後の請求項
に見る発明の本質と主題から出発することなしに為し得
ないことは理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図1】  必須の薄膜印字ヘッドの模式的表現である
【図2】  図1のアレイの単一セルの模式的表現であ
る。
【図3】  VX シフトを示すアモルファスシリコン
HVTFTの特性IDS対VDS曲線である。
【図4】  閾値電圧(VTH)シフトを示すアモルフ
ァスシリコンHVTFTの特性IDS対VDS曲線であ
る。
【図5】  本発明の主題である改良型カスコードドラ
イバーの単一セルの模式的表現の説明図である。
【図6】  必須の空間荷電制限並列電流経路を伴う改
良型低電圧薄膜トランジスタの模式的平面図である。
【図7】  AおよびBは図6のA−A線およびB−B
線に実質的に沿った模式的断面図で本装置のゲート化し
た部分およびゲート化していない部分を示している。
【図8】  図6の改良型空間荷電制限分流化LVTF
TのIDS対VDS曲線である。
【図9】  通常のアモルファスシリコンLVTFTの
IDS対VDS曲線である。
【符号の説明】
10  印字ヘッド、12  印字針、14  LVT
FT、16  薄膜高電圧トランジスタ、18  ドレ
イン電極、20  高電圧バス、22  負荷抵抗、2
4  ソース電極、26  接地バス、28  データ
線、30  アドレス線、32  ゲート電極、34 
 コンデンサ、36  低電圧薄膜パストランジスタ、
38  低電圧薄膜スイッチング用トランジスタ、40
  空間荷電制限分流器、42  基板、44導電ゲー
ト電極層、46  ゲート誘電層、48  アモルファ
スシリコン電位転送層、50,52  ドレイン電極、
54,56  ドレイン端子、58  最上部誘電層、
60  コンデンサ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】  高電圧薄膜トランジスタを実質的にそ
    の高電圧域全体にわたってスイッチング動作させるため
    のカスコード回路であって、前記高電圧薄膜トランジス
    タと直列に接続された低電圧薄膜トランジスタを含み、
    前記トランジスタの各々がソース電極、ドレイン電極、
    およびゲート電極を有し、前記高電圧トランジスタの前
    記ドレイン電極が高電圧源に接続され、前記高電圧トラ
    ンジスタのソース電極が前記低電圧トランジスタの前記
    ドレインに接続され、さらに前記低電圧トランジスタの
    前記ソース電極が基準電位源に接続されてなるカスコー
    ド回路において、前記低電圧トランジスタの前記ソース
    電極と前記ドレイン電極の間で前記低電圧トランジスタ
    と並列に接続された薄膜空間電位制限用分流器を含む改
    良。
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