TWI419117B - 像素電路、發光顯示裝置及其驅動方法 - Google Patents

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Description

像素電路、發光顯示裝置及其驅動方法
本發明係有關使用發光顯示裝置元件之像素電路、發光顯示裝置及其驅動方法。本發明尤有關由有機發光二極體(有機發光二極體，後文稱為OLED)元件及用以供應電流至OLED元件之驅動電路構成之像素電路、包含成矩陣形式之像素電路之發光顯示裝置及其驅動方法。
近年來，一直進行使用有機發光二極體(OLED)作為發光元件之OLED顯示器之研發。於OLED顯示器中，普通使用由包含OLED元件之像素電路及包含用以驅動OLED元件之像素電路構成之主動矩陣(主動矩陣，後文稱為AM)型OLED顯示器。AM型OLED顯示器延長OLED元件之服務壽命、抑制耗電並可實現高影像品質。像素電路包含作為組件之薄膜電晶體(薄膜電晶體，後文稱為TFT)。OLED顯示器之基板及TFT部主要被稱為背板(back plane)。
研究以非晶矽(非晶矽，後文稱為a-Si)及聚矽(聚矽，後文稱為p-Si)等作為用於AM型OLED顯示器之背板之TFT的半導體材料。又，最近提議使用畸形氧化物半導體(非晶形一氧化物一半導體，後文稱為AOS)作為TFT之通道層之TFT(後文稱為AOSTFT)。
例如曾列舉以銦(In)、鎵(Ga)及鋅(Zn)之非晶形氧化物(非晶形In-Ga-Zn-O，後文稱為非晶形a-IGZO)及以鋅(Zn)及銦(In)之非晶形氧化物(非晶形Zn-In-O，後文稱為非晶形a-ZIO)作為AOS材料。AOS TFT包含具有a-Si作為通道層之TFT(後文稱為a-Si TFT)十倍或更大之移動率，並被視為因非晶形而獲得高均勻性。因此，此等TFT很有希望作為用於顯示器之背板之TFT。Nomura等人於Nature卷432，pp 488-492，2004及Yabuta等人於APL,89，112123，2006說明使用a-IGZO之TFT。
同時因在a-SiTFT及AOS TFT中電及熱應力下之特徵變化並因在使用p-Si作為通道層之TFT(後文稱為p-Si TFT)中之晶界發生之特徵變化，而研究包含校正特徵變化及變動之功能之像素電路。此等像素電路根據兩項技術粗分：電流寫入型，其以供自像素電路外部之電流決定TFT之電流能力，該TFT控制待供至OLED元件之電流；及電壓寫入型，其藉由施加電壓，決定TFT之電流能力。
於電流寫入型像素電路中，藉所施加電流決定TFT之電壓，並因此，無論表示TFT之特徵之臨限電壓及移動率值如何，供至OLED之電流均可控制。同時，於電壓寫入型像素電路中，藉所施加電壓決定TFT之電流，並因此，將具有已校正臨限電壓及未校正移動率之電流供至OLED。因此，一般咸認為電流寫入型像素電路能以較高精密度控制待供至OLED之電流。
然而，於電流寫入型像素電路情況中，以電流將顯示器上的線路負載充電及放電，並因此，寫入花很多時間。據此，電流寫入型像素電路難以應用於大螢幕顯示器，此乃因為隨著顯示器尺寸越大，線路負載變得越大。因此，如李等人於2007年IEEE“Transaction of Electron Devices”第54卷,2403頁中所述，研究提供一種用以相較於寫入電流，減少像素電路之OLED元件驅動用電流之單元，藉此，應用電流寫入型像素電路於大螢幕顯示器。
李等人於2007年IEEE之“Transaction of Electron Devices”刊物第54卷,2403頁中之像素電路包含兩個電容器元件。若在OLED元件被驅動時位於一電容器元件之一終端之電壓減少，此像素電路即藉由使用於因充電泵效應而電流寫入減少時電流所決定驅動TFT之閘極電壓，將相較於電流寫入時之電流更低之電流供至OLED元件。
為藉AM型OLED顯示器實施高品質之顯示器，須校正諸如OLED元件之電壓亮度特徵之歷時變化、屬於驅動電路之組件之TFT之特徵變化以及因電應力而發生之TFT特徵改變。又，特別是於大螢幕顯示器中，電流寫入很花時間，且難以應用具高精密度的電流寫入型像素電路。
本發明之一目的在於提供發光顯示裝置及其驅動方法，其藉較李等人於IEEE之電子裝置會報卷54,2403,2007中所述之像素電路更簡單之配置及驅動方法，解決上述問題。
本發明人等為解決該問題，戮力研究，結果，臻至本發明。
本發明係一種像素電路，包括：一發光元件；以及一薄膜電晶體，對該發光元件供應第一電流，該第一電流根據該發光元件之照明電流特徵，控制灰階；其中該薄膜電晶體具有：一背閘極電極；一驅動期，其中該薄膜電晶體將第一電流供至該發光元件；以及一寫入期，在該驅動期之前將第二電流寫入該薄膜電晶體，俾在該驅動期設定期間，自該薄膜電晶體供應該第一電流；該驅動期與該寫入期間在施加於該背閘極電極之電壓上的不同使該驅動期與該寫入期間在該薄膜電晶體所決定之電流能力上彼此不同。
第二電流可大於第一電流。
於像素電路中，將於寫入期施加於背閘極電極之電壓設定為電流能力高於在驅動期施加於背閘極電極之電壓所控制之電流能力。
於像素電路中，薄膜電晶體之移動率因施加於背閘極電極之電壓變化而發生的改變為5%或更小。
於像素電路中，施加於背閘極電極之電壓與薄膜電晶體之臨限電壓間的關係以線性關係表示。
於寫入期自像素電路外部流入之第二電流可控制灰階。
於寫入期供至背閘極電極之電壓可控制灰階。
本發明係一種發光顯示裝置，包括：二維配置之像素電路；以及掃瞄單元，施加電壓至沿行方向按各行配置之複數個像素電路之背閘極電極。
本發明係一種攝影機，包括：發光顯示裝置；影像取得單元，取得一標的之影像；及影像信號處理單元，處理於該影像取得單元所取得影像之信號；其中將於該影像信號處理單元中接受信號處理之影像信號顯示於該發光顯示裝置。
本發明係針對一種像素電路之驅動方法，該像素電路包括：一發光元件；以及一薄膜電晶體，對該發光元件供應第一電流，該第一電流根據該發光元件之照明電流特徵，控制灰階；其中該薄膜電晶體具有：一背閘極電極；一驅動期，其中該薄膜電晶體將第一電流供至該發光元件；以及一寫入期，在該驅動期之前將第二電流寫入該薄膜電晶體，俾在該驅動期設定期間，自該薄膜電晶體供應該第一電流；該驅動期與該寫入期間在施加於該背閘極電極之電壓上的不同使該驅動期與該寫入期間在該薄膜電晶體所決定之電流能力上彼此不同。
第二電流可大於第一電流。
於像素電路之驅動方法中，可將於寫入期施加於背閘極電極之電壓設定為電流能力高於在驅動期施加於背閘極電極之電壓所控制之電流能力。
於寫入期間自像素電路外部流入之第二電流能控制灰階。
於寫入期供至背閘極電極之電壓能控制灰階。
本發明係針對一種發光顯示裝置之驅動方法，其使用像素電路驅動方法來驅動，其中該等像素電路二維配置；以及電壓被供至沿行方向按各列配置之複數個像素電路之背閘極電極。
根據本發明，可實現一種發光顯示裝置，例如大螢幕OLED顯示器，其可促成具有臨限電壓之高品質顯示器，且藉由從外部寫入電流校正移動率。
本發明之進一步特點可由以下參考附圖對例示性實施例所作之詳細說明瞭然。
此後，將使用圖式，詳細說明本發明之實施例。
於後面將說明之實施例中，說明包含具有以a-IGZO作為通道層之AOS TFT之OLED顯示器，以及由OLED元件構成之發光元件。然而，本發明亦可適用於發光顯示裝置，其使用具有異於a-IGZO之半導體作為通道層之TFT，以及使用異於OLED元件之發光元件之發光顯示裝置。又，本發明亦可適用於使用異於發光顯示裝置之TFT之AM型裝置，例如使用壓敏元件之壓力感測器，以及使用光敏元件之光學感測器，且可獲得類似效果。茲列舉異於a-IGZO之鋅(Zn)及銦(In)之非晶形氧化物(非晶形Zn-In-O，後文稱為aZIO)。可將異於僅使用a-IGZO或a-IGZO形成之材料，以a-IGZO或a-IGZO作為主成份，包含其他添加材料之材料使用於通道層。又，亦可使用異於AOS材料之p-Si及a-Si作為TFT之通道層。
本發明之一特徵在於使用因施加電壓於背閘極電極而發生之電流能力改變，減小電流寫入期。又，藉由使用氧化物半導體作為通道層，可將背閘極電壓施加下電流能力之控制範圍增至大範圍，並可進一步減小電流寫入期。
本案所用“非晶形”係指無法於X射線繞射中看出之清晰峰值之狀態。
本發明人等藉由進行具有背閘極電極之a-IGZO TFT之評估，發現以下事實。
具有背閘極電極之a-IGZO TFT之汲極電流一閘極電壓特徵根據背閘極電極之電壓(後文稱為背閘極電壓)，平行於閘極電壓移動。換言之，當臨限電壓相對於背閘極電壓變化而改變時，移動率之變化小(5%或更小)。如此，因TFT之背閘極電壓變動而發生之移動率變化以5%或更小較佳。移動率變化越小越佳。
須知，移動率為臨限電壓之變化量所校正之相同閘極電壓中的移動率。例如，當藉由變化背閘極電壓-1V使臨限電壓位移+1V時，這意指變化前閘極電壓10V處之移動率與變化後閘極電壓11V處之移動率之差為變化前移動率之5%或更小。又，於a-IGZO TFT中，在背閘極電壓與臨限電壓間構成線性關係。甚至當背閘極電壓自-10V變化+10V時，亦確立平行位移。於此期間內，臨限電壓於若干伏特範圍內變化。
於p-Si TFT中已知有背閘極電極之a-IGZO TFT之汲極電流一閘極電壓特徵，且在a-IGZO TFT情況下，可藉背閘極電壓及臨限電壓控制之電流-閘極電壓之平行位移變化範圍很大。這似乎主要由於用在通道層之半導體層之帶隙中的差所致。
於本發明，在像素電路中，於供自像素電路外部之電流被寫入期間，一電壓自像素電路外部被施加於TFT之背閘極電極，並藉此增加電流能力。此後，藉由在電流被供至OLED元件之驅動期間，將減小電流能力之電壓施加於背閘極電極，TFT供應低於寫入電流之電流，並驅動OLED元件。
因此，可使在電流寫入期間供自外部之電流為可對顯示器之線路負載充電及放電之電流，並可將像素電路適用於具有大線路負載之顯示器，像是大螢幕顯示器。又，寫入供自像素電路外部之電流。因此，像素電路中TFT之臨限電壓及移動率均可校正。由於電流被供至OLED元件，因此，OLED元件之臨限電壓亦可校正，並因此可實現具有高精確度之影像品質。
又，於本發明中，使在電流寫入期間供自外部之電流為定電流。因此，可減少顯示器之線路負載之充電及放電量。又，藉由自像素電路外部寫入電壓，控制TFT之背閘極電壓，藉此，可控制供至OLED元件之電流。藉電壓寫入自像素電路外部施加之背閘極電壓之控制，並因此可於短的寫入時間內完成。因此，可將像素電路適用於具有大線路負載之顯示器，像是大螢幕顯示器。又由於，自像素電路外部寫入電流，因此，像素電路中TFT之臨限電壓及移動率均可校正。由於電流被供至OLED元件，因此，OLED元件之臨限電壓亦可校正，並因此可實現具有高精確度之影像品質。
藉由使用a-IGZO TFT作為TFT，TFT之電流能力，亦即臨限電壓可控制在大的背閘極電極電壓範圍內。因此，可使在電流寫入期間供自像素電路外部之電流或定電流較其他TFT大。因此，可減少顯示器之線路負載之充電及放電，並可將像素電路適用於具有大螢幕之高解析度顯示器。
<實施例1>
首先，將說明用於本實施例，具有背閘極電極並具有a-IGZO作為通道層之TFT之特徵。
第3圖係具有背閘極電極及作為通道層之a-IGZO之TFT之剖視圖。
後面將說明具有第3圖所示構造之a-IGZO TFT之製造方法。
藉由濺射沉積方法沉積鉬膜(100nm厚)於屬於絕緣基板之玻璃基板110上，並藉由光微刻方法及乾蝕形成閘極電極111。
此後，藉由電漿CVD沉積法沉積氧化矽膜(200nm厚)，並形成閘極電極絕緣層112。
此後，於室溫下，藉由濺射沉積方法沉積a-IGZO膜(30nm厚)，並藉由光微刻法及濕蝕島化。a-IGZO膜作為TFT之通道區(通道層)113以及源極和汲極區114和115之一部分。
此後，藉由濺射沉積方法沉積氧化矽膜(100nm厚)，作為通道保護膜116，並藉由光微刻法及乾蝕刻法形成通道圖案。
此後，藉由電漿CVD沉積法依序堆疊氮化矽膜(300nm厚)及氧化矽膜(50nm厚)作為層間絕緣膜117以沉積氧化矽/氮化矽層疊膜。又，藉由光微刻法及乾蝕刻法形成源極/汲極用接觸孔以及閘極電極用接觸孔。未覆以濺射氧化矽膜之a-IGZO膜在氮化矽膜沉積成源極/汲極區時，具有低電阻。
此後，藉由濺射沉積方法，沉積鉬膜(200nm厚)，並藉由光微刻法及乾蝕刻法形成源極/汲極118和120以及背閘極電極119。如此，形成第3圖所示TFT。
將顯示藉由上述製造方法所獲得a-IGZO TFT之電氣特徵。
第4圖顯示在a-IGZO TFT之汲極電壓VD 0.1V，源極電壓VS 0V及背閘極電壓VBG -10,-5,0,5及10V情形之汲極電流ID-閘極電壓VG特徵(後文稱為ID-VG特徵)。a-IGZO TFT之通道寬度(後文稱為W)為60μm，且通道長度(後文稱為L)為10μm。
第4圖顯示背閘極電壓VBG越低，ID-VG特徵越相對於閘極電壓平行移動至正側。於第4圖中，例如1.0E-5意指1.0×10-5 。
第5圖顯示由ID-閘極電壓VG特徵所得臨限電壓VTH相對於背閘極電壓VBG之依存性。第6圖顯示相對於VBG=0處場效移動率μFE之值的變化率。由第5圖可知，背閘極電壓VBG與臨限電壓VTH之關係以線性關係表示，且當此關係為
VTH=VTH0-a×VBG　...方程式(1)，
其中VTH0代表閘極電極絕緣膜每單位面積之電容，a=CBG/CG，其中CG代表閘極電極絕緣膜每單位面積之電容，且為1.86×10-8 (F/cm2 )，GBG代表存在於背閘極電極與a-IGZO TFT間之絕緣膜每單位面積之電容，且為1.08×10-8 (F/cm2 )。可複製所獲得測量結果。又，由第6圖可知，移動率相對於閘極電壓變動之變化為3%或更小，且移動率不取決於背閘極電壓，且被視為大致恆定。
藉此，TFT之線性區內之汲極電流ID可表示為
ID=β[(VG-VTH)×VD-0.5×VD2 ]　...方程式(2)，且於飽和區內，汲極電流ID可表示為
ID=0.5×β×(VG-VTH)2 　...方程式(3)，
其中，β=μFE×CG×(W/L)
如於第15圖中所示，背閘極電壓相對於在VG=20V及VD=0.1V下由方程式(2)算出於VBG=0之汲極電流之依存性(直線)重現實際測量結果(點)。似此，於a-IGZO TFT中，背閘極電壓與臨限電壓變化間之關係為線性，並因此，包含背閘極電壓之影響之汲極電流可藉簡單方程式表示。因此，使用該TFT有助於設計。
本實施例之OLED顯示器之像素電路顯示於第1圖中。於本實施例中，像素電路由一OLED元件(OLED)、一a-IGZO TFT(TFT 1)、三個開關SW1、SW2及SW3以及一在TFT 1之閘極電極與源極間之電容器C1構成。OLED元件(OLED)係發光元件，且TFT 1係根據OLED之發光照明-電流特徵將用以控制灰階之電流(第一電流)供至OLED之薄膜電晶體。TFT 1係控制待供至有機EL元件(OLED)之驅動TFT，並具有背閘極電極。
控制開關SW1之ON/OFF、SW2之ON/OFF及TFT 1之背閘極電壓之信號被發送至掃瞄線路S1。控制開關SW3之ON/OFF之信號被發送至掃瞄線路S2。電源線VDD 1連接於開關SW3。資料線DATA接於開關SW1，並經由開關SW1將電流供至TFT 1之閘極電極及電容器C1。
茲藉由將一圖框分成電流寫入期及驅動期兩期間，說明本實施例之操作。第2圖顯示操作之時序圖。
(a)電流寫入期
於電流寫入期，透過資料線DATA將供自像素電路外部之電流IDATA(第二電流)寫至TFT 1。電流寫入期發生於驅動期之前。
於電流寫入期，將掃瞄線S1之電壓設定為H位準(VH)，而掃瞄線S2之電壓設定為L位準(VL)。因此，開關SW1、SW2處於電接通(ON)狀態，開關SW3則處於斷開(OFF)狀態。又，TFT 1之背閘極電壓變成VH，電流能力處於高狀態。
於此時，電流IDATA流入TFT 1，並供至OLED元件(OLED)。TFT 1之閘極電壓被設定於用來根據TFT 1之電流一電壓特徵，亦即臨限電壓及移動率，使電流通過之電壓。TFT 1之汲極和閘極電極短路，並因此，TFT 1於飽和區操作。因此，由方程式(3)，TFT 1之各終端之電流IDATA及電壓由以下關係式表示。
IDATA=0.5×β×[(VG-VS)-{VTH0-a×(VH-VS)}]2 　...方程式(4)，
其中VG代表閘極電壓，VS代表源極電壓，μFE代表前述移動率，VTH0代表於VBG=0之臨限電壓，CG代表閘極電極絕緣膜電容，且CBG係於背閘極電極側之電容器。
(b)驅動期
於驅動期中，藉由將根據供自資料線DATA之電流IDATA控制之電流供至OLED元件，驅動OLED元件。
於驅動期中，將掃瞄線S1之電壓設定為L位準(VL)，而掃瞄線S2之電壓設定為H位準(VH)。因此，開關SW1及SW2處於斷開(OFF)狀態，開關SW3則處於接通(ON)狀態。又，TFT 1之背閘極電壓變成VL，並處於電流能力低於電流寫入期之狀態。
由於開關SW1及SW2處於斷開(OFF)狀態，在電流寫入期設定的閘極與源極之間的電壓差被保持，且用以驅動OLED元件的電流IOUT由以下方程式表示。
其中VS’代表於電流寫入期之源極電壓，且於方程式(5)中下段之近似符號()意指省略背閘極電壓與源極電壓間的差。
於方程式(5)之右側未清楚表示閘極電壓。因此，即使諸TFT 1之閘極電壓基於某些原因而於複數電路間不同，個別電流IOUT仍一致。同時，有關移動率，方程式(5)之右側包含β(=μFE×CG×(W/L))，且當移動率不同時，電流IOUT不同。然而由於甚至在移動率不同時，大括弧[]中的第一項(IDATA)1/2 仍不受影響，相較於移動率單純不同情形，電流IOUT中的變化很小，且移動率之變化及變動可修正。
使用方程式(5)研究移動率之變化及變動之影響，結果發現，當IOUT設定為IDATA之1/2時，若移動率之變化或變動為5%或更小，IOUT之變動即變成2%或更小。2%相當於64顯示灰階的精密度()，並因此，為了滿足相鄰像素之灰階，移動率之變化或變動以5%或更小較理想。本實施例中之a-IGZO TFT可實現64灰階的電流精密度，此乃因為背閘極電壓之移動率變化為3%或更小。
於本實施例中，可藉由控制IDATA，進行對應於一圖框期間之灰階之OLED元件之照明之控制，亦即供至OLED元件之電流之控制。決定一圖框期間之照明之供至OLED元件之平均電流IAVG藉以下方程式表示。
IAVG=[(IDATA×t1+IOUT×t2/(t1+t2)]...方程式(6)
，其中t1代表電流寫入期之長度(時間)，且t2代表電流寫入期之長度(時間)。又，IOUT亦可藉方程式(5)中的Vh,VL及“a”控制。
藉由進行以上操作，包含成矩陣形式之本實施例之像素電路之AM型OLED顯示器可校正a-IGZO TFT之特徵(臨限電壓、移動率)，並可進行具有高品質之顯示。本實施例之顯示器可特別是藉由將IDATA增至顯示器之線路負載可在寫入期充電或放電之程度，適用於大螢幕顯示器。
又，於本實施例中，所需電容器之數目相較於2007年IEEE之“Transaction of Electron Devices”第54卷，2403頁之像素電路少一個，且不使用電容器之聯結效用。因此，可想而知，能實現具有小面積及足以防止雜訊之像素電路。
又，本實施例之開關SW1、SW2及SW3可由a-IGZO TFT構成。由於a-IGZO TFT具有小的off電流及S值，因此，可兼具高充電保持能力及高速切換。因此，a-IGZO TFT適用於開關。於稍後將說明之實施例中，開關可由a-IGZO TFT構成。
又，即使本實施例之TFT之背閘極電極與閘極電極互換，仍確立其等之配置關係。於本實施例中，將TFT處理成底部閘極電極構造之a-IGZO TFT，然而，若背閘極電極被處理成頂部閘極電極構造，TFT即亦可被處理成頂部閘極電極構造之TFT。應注意的是閘極絕緣膜每單位面積之電容器CG與通道和背閘極電極間之絕緣膜每單位面積之電容器CBG之比例a=CBG/CG。當被視為底部閘極電極構造者被視為頂部閘極電極構造時，比例變成1/a。若CG與CBG相同，即使任一者被處理成閘極或背閘極，均獲得相同結果。
於稍後將說明之實施例中，背閘極電極與閘極電極之配置關係相同。
又，於本實施例中，掃瞄線S1連接於背閘極電壓，然而，可額外為背閘極電壓準備信號線。於此情況下，像素之佈局面積略微增加，然而，提供控制之自由度變大之優點。
又，於本實施例中，a-IGZO TFT之背閘極電極與臨限電壓間之關係以線性關係表示，然而，線性關係不是本實施例及本發明之要件。本發明可適用於任何關係，只要相對於背閘極電極之TFT之汲極電流-閘極電壓特徵相對於閘極電壓平行移動。然而，方程式(1)至方程式(5)需要修正。例如，若當背閘極電壓為VH及VL時的TFT之臨限電壓為VTH1=VTH0+V1，且VTH2=VTH0+V2，方程式(5)表示如下。
平行位移之條件與稍後將說明之實施例相同。
其次，第13圖顯示OLED顯示器之整體電路配置，其中上述像素電路二維配置。將R(紅)、G(綠)及B(藍)之輸入影像信號10(下文稱為輸入影像信號)輸入多數行控制電路1，此等行控制電路1之數目為OLED顯示器之水平像素之數目的三倍。此後，將水平控制信號11a輸入輸入電路2，輸出水平控制信號11，並將其輸入水平移位暫存器3。
將如副行控制信號13透過輸入電路8輸出之副行控制信號13a及副行控制信號13輸入閘極電路4及16。將輸出至對應水平移位暫存器3之每一行之輸出端子的水平取樣信號群17輸入閘極電路15，自閘極電路16輸出之控制信號21輸入閘極電路15，且於閘極電路15轉換之水平取樣信號群18輸入行控制電路1。將自閘極電路4輸出之控制信號輸入行控制電路1。將垂直控制信號12a輸入輸入電路7，並輸出垂直控制信號12，將其輸入垂直位移暫存器5。將掃瞄信號輸入變成掃瞄線之列控制線104及105。
於本實施例中對應於IDATA之資料信號透過資料線102從行控制電路1輸入顯示區9之各像素電路2。
藉垂直位移暫存器(係掃瞄單元)5，對各列沿列方向配置之複數個上述像素電路掃瞄，並藉行控制電路1對各行沿行方向配置之複數個像素電路提供用以寫入電流之電氣信號。垂直位移暫存器5係用來就各列將電壓施加於背閘極電極之掃瞄單元。
於具有稍後將說明之各實施例之像素電路之OLED顯示器中，可使用上述OLED顯示器之配置。
<實施例2>
第7圖顯示實施例2之OLED顯示器之像素電路。如於第7圖中所示，於本實施例中，自實施例1移除開關SW3及掃瞄線S2，開關SW1之連接變成在TFT 1之閘極與汲極間，且開關SW2之連接換成在TFT 1之源極與資料線間。
下文將說明其操作。
(a)電流寫入期
於電流寫入期，透過資料線DATA，將供自像素電路外部之電流(IDATA)寫入TFT 1。
於電流寫入期，將掃瞄線S1之電壓設定為H位準(VH)。因此，開關SW1及SW2處於接通(ON)狀態。又，TFT 1之背閘極電壓變成VH，且電流能力處於高狀態。又，電源線VDD 1之位準設定為OLED元件之臨限電壓或更小。
此時，IDATA流入TFT 1而不流入OLED元件。將TFT 1之閘極電壓設定於用來根據TFT 1之電流-電壓特徵，亦即臨限電壓及移動率，使IDATA通過之電壓。由於TFT 1之汲極及閘極短路，因此，TFT 1於飽和區操作，且IDATA藉以下方程式(4)表示。
(b)驅動期
於驅動期，藉由將根據供自資料線DATA之IDATA控制之電流供至OLED元件，驅動OLED元件。
於驅動期，將掃瞄線S1之電壓設定為L位準(VL)。因此，開關SW1、SW2成斷開(OFF)狀態。又，TFT 1之背閘極電壓變成VL，並處於電流能力低之狀態。又，TFT 1之電源線VDD1之電壓設定於遠高於TFT 1之臨限電壓及OLED元件之臨限電壓之總和。
由於開關SW1及SW2處於斷開(OFF)狀態，因此，保持在電流寫入期設定之閘極電壓，且用以驅動OLED元件之電流IOUT以如實施例1之方程式(5)表示。
又，對應於一圖框期間顯示器灰階之OLED元件之照明的控制，亦即供至OLED元件之電流的控制可藉由控制IDATA來進行。待供至OLED元件之一圖框，決定照明之平均電流藉以下方程式表示，此乃因為在電流寫入期電流未供至OLED元件。
IAVG=[(IOUT×t 2)/(t1+t2)]　...方程式(7)
又，IOUT可藉方程式(5)之VH,VL及a值控制。
藉由進行以上操作，包含成矩陣形式之本實施例像素電路之AM型OLED元件可修正a-IGZO TFT之特徵(臨限電壓、移動率)之變化及變動，並可進行具有高品質之顯示。本實施例之顯示器可藉由將IDATA增至顯示器之線路負載可在電流寫入期充電及放電，適用於大螢幕顯示器。又，本實施例可藉由變化電源線VDD1之電壓，減少像素電路之組件，並可藉較小面積實現。
又，於本實施例中，掃瞄線S1連接於背閘極電壓，然而，可額外為背閘極電壓準備信號線。於此情況下，像素之佈局面積略微增加，然而，提供控制之自由度變大之優點。
<實施例3>
實施例3之OLED顯示器之像素電路顯示於第8圖中。本實施例使於實施例1及2中背閘極與源極間之電壓變化可校正。藉此，可修正OLED元件之臨限電壓之變化及變動。
如於第8圖中所示，於本實施例中，相較於第7圖所示實施例2之配置，增添電容器C2、開關SW3、開關SW4、開關SW5、掃瞄線S2、掃瞄線S3、參考電壓線VR1及參考電壓線VR2。電容器C2配設在TFT 1之背閘極與源極間。開關SW3配設在TFT 1之背閘極與參考電壓線VR1間，開關SW4配設在TFT 1之源極與參考電壓線VR2間，且開關SW5配設在TFT 1之源極與OLED之陽極間。掃瞄線S2控制開關SW3、SW4之ON/OFF，而掃瞄線S3則控制開關SW5之ON/OFF。
於第9圖中顯示本實施例之時序圖，且後文將說明其操作。
(a)電流設定期92
於本實施例中，在實施例1及2之電流寫入期前後包含背閘極電壓寫入期，且於此三個期間設定供至OLED元件之電流。
(a-1)背閘極電壓寫入期T1
於背閘極電壓寫入期T1，設定電流寫入期中背閘極與源極間之電壓。
於背閘極電壓寫入期T1，將掃瞄線S2之電壓設定為H位準(VH’)，並將掃瞄線S1及S3之電壓設定為L位準(VL’)。因此，開關SW3、SW4處於ON狀態，而開關SW1、SW2及SW5則處於OFF狀態。
於以上情況下，在參考電壓線VR1之電壓設定為H位準(VH)，且參考電壓線VR2之電壓設定為0V時，施加電壓VH至電容器C2。
(a-2)電流寫入期T2
於電流寫入期T2，透過資料線DATA，將供自像素電路外側之電流(IDATA)寫入TFT 1。
於電流寫入期T2，將掃瞄線S1之電壓設定為H位準(VH’)，並將掃瞄線S2及S3之電壓設定為L位準(VL’)。因此，開關SW1及SW2處於ON狀態，而開關SW3、SW4及SW5則處於OFF狀態。此時，藉電容器C2保持在背閘極電壓寫入期T1設定之背閘極與源極間之電壓差VH，且電流能力處於高狀態。
由於開關SW5處於OFF狀態，因此，電流IDATA流入TFT 1而不流入OLED元件。根據TFT 1之電流一電壓特徵，亦即臨限電壓及移動率，將TFT 1之閘極電壓設定於用以使電流IDATA通過之電壓。TFT 1之汲極及閘極短路，並因此，TFT 1於飽和區中操作。因此，電流IDATA藉以下方程式表示。
IDATA=0.5×β×[(VG-VS)-{VTH0-a×VH}]2 ...方程式(4’)
(a-3)背閘極電壓寫入期T3
於背閘極電壓寫入期T3，使TFT 1之背閘極電壓從H位準變成L位準。
於背閘極電壓寫入期T3，將掃瞄線S2之電壓設定為H位準(VH’)，並將掃瞄線S1及S3之電壓設定為L位準(VL’)。因此，開關SW3及SW4處於ON狀態，而開關SW1、SW2及SW5則處於OFF狀態。又，將參考電壓線VR1之電壓設定為L位準(VL)，且保持參考電壓線VR2之電壓於0V。
此時，背閘極與源極間之電壓差變成VL，而在電流寫入期保持TFT 1之閘極與源極間之電壓差。
(b)驅動期93
於驅動期93，藉由供應根據自資料線供至OLED元件之IDATA控制之電流，驅動OLED元件。
於驅動期，將掃瞄線S3之電壓設定為H位準(VH’)，並將掃瞄線S1及S2之電壓設定為L位準(VL’)。因此，開關SW5處於ON狀態，而開關SW1、SW2、SW3及SW4則處於OFF狀態。此時，藉電容器C2保持背閘極與源極間之電壓差H，且電流能力處於低狀態。
藉由於上述電流設定期92(背閘極電壓寫入期T1-背閘極電壓寫入期T3)之操作，將本期間之電流IOUT表示為IOUT=0.5×β×[(VG-VS)-{VTH0-a×VL)]2 =[(IDATA)1/2 -a×(0.5×β)1/2 ×(VH-VL)]2 ...方程式(5’)
在本實施例中，藉由使用電容器C2、開關SW3及SW4、參考電壓線VR1及VR2，決定背閘極與源極間之電壓差。因此，於方程式(5’)之下段中使用等號(=)來替代近似符號()。
又，可藉由控制電流IDATA，進行對應於一圖框期間91之顯示灰階之OLED元件之照明控制，亦即，供至OLED元件之電流之控制。決定照明之供至OLED元件之一圖框期間平均電流之控制以方程式(7)表示，其原因在於，於電流寫入期間不供應電流至OLED元件。然而，在本實施例中，設定t1為電流設定期而非電流寫入期之長度(時間)。IOUT亦可藉電流設定時間控制，並進一步藉方程式(5’)中之VH、VL及a值控制。
藉由進行以上操作，包含成矩陣形式之本實施例像素電路之AM型OLED顯示器可修正特徵(臨限電壓、移動率)之變化及變動，並可進行具有高品質之顯示。本實施例之顯示器可特別是藉由將IDATA增加至於寫入期間顯示器之線路負載可充電及放電之程度，適用於大螢幕顯示器。又，本實施例保持背閘極與源極間的電壓，並因此不僅修正TFT之特徵之變化及變動，亦可修正OLED元件之特徵之變化及變動。
又，於本實施例中，額外準備參考電壓線VR2以設定背閘極電壓，然而，其可以在電流設定期為定電壓之掃瞄線S3替代。同樣地，於本實施例中，準備掃瞄線S3及開關SW5以用於電流寫入期，然而，其可藉由如於實施例2中驅動像素電路，予以省略。
<實施例4>
於第10圖中顯示實施例4之OLED顯示器之像素電路。本實施例之特徵在於，供自像素電路外部並寫入之電流設定為定電流，並以自像素電路外部施加於背閘極之電壓進行OLED元件之照明灰階之控制。
本實施例採用與實施例3中所述電路相同之配置。然而，本實施例異於實施例3之處在於實施例3中供應IDATA之資料線以參考電流線IR1替代，且供應背閘極電壓之參考電壓線VR1以資料線DATA替代。
於第11圖中顯示本發明之時序圖，後面將說明其操作。
(1)電流設定期92
於本實施例中，在電流寫入期前後包含背閘極電壓寫入期及用以控制背閘極電壓之灰階電壓寫入期兩期間，且於此三個期間設定供至OLED元件之電流。
(a-1)背閘極電壓寫入期T4
於背閘極電壓寫入期T4中，設定電流寫入期中之背閘極與源極間之電壓。
於背閘極電壓寫入期T4，將掃瞄線S2之電壓設定為H位準(VH’)，並將掃瞄線S1及S3之電壓設定為L位準(VL’)。因此，開關SW3、SW4處於ON狀態，而開關SW1、SW2及SW5則處於OFF狀態。
於以上情況下，當資料線DATA之電壓設定為H位準(VH)，且參考電壓線VR2之電壓設定為0V時，對電容器C2施加電壓VH。
(a-2)電流寫入期T5
於電流寫入期T5，透過電流參考線IR1，將供自像素電路外部之電流IR寫至TFT 1。
於電流寫入期T5，將掃瞄線S1之電壓設定為H位準(VH’)，並將掃瞄線S2及S3之電壓設定為L位準(VL’)。因此，開關SW1、SW2處於ON狀態，而開關SW3、SW4及SW5則處於OFF狀態。此時，藉電容器C2保持在背閘極電壓寫入期設定之背閘極與源極間之電壓差VH，且電流能力處於高狀態。
由於開關SW5處於OFF狀態，因此，電流IR流入TFT 1而不流入OLED元件。根據TFT 1之電流-電壓特徵，亦即臨限電壓及移動率，將TFT 1之閘極電壓設定於用以使電流IR通過之電壓。TFT 1之汲極及閘極短路，並因此，TFT 1於飽和區中操作。因此，電流IR藉以下方程式表示。
IR=0.5×β×[(VG-VS)-{VTH0-a×VH}]2 ...方程式(4”)
(a-3)灰階電壓寫入期T6
於灰階電壓寫入期T6，將對應灰階之電壓設定於TFT1之背閘極電極。
於灰階電壓寫入期T6，將掃瞄線S2之電壓設定為H位準(VH’)，並將掃瞄線S1及S3之電壓設定為L位準(VL’)。因此，開關SW3、SW4處於ON狀態，而開關SW1、SW2及SW5則處於OFF狀態。又，將資料線DATA之電壓設定為VDATA，保持參考電壓線VR2之電壓於0V。
此時，當在電流寫入期TFT保持背閘極與源極間之電壓差時，背閘極與源極間之電壓差變成VDATA。
(b)驅動期
於驅動期93，藉由將根據供自資料線DATA之背閘極電壓VDATA控制之電流供至OLED元件，驅動OLED元件。
於此期間，將掃瞄線S3之電壓設定為H位準(VH’)，並將掃瞄線S1及S2之電壓設定為L位準(VL’)。因此，開關SW5處於ON狀態，且開關SW1、SW2、SW3及SW4處於OFF狀態。此時，藉電容器C2保持背閘極與源極間之電壓差VDATA。
藉由於上述電流設定期92中之操作，將驅動期93之電流IOUT表示為
IOUT=0.5×β×[(VG-VS)-{VTH0-a×VDATA)]2 =[(IR)1/2 -a×(0.5×β)1/2 ×(VH-VDATA)]2 　...方程式(5”)
如於實施例3，在本實施例中，藉由使用電容器C2、開關SW3及SW4、資料線DATA和參考電壓線VR2，決定背閘極與源極間之電壓差。因此，於方程式(5”)之下段中使用等號(=)來替代近似符號。
又，可藉由控制VDATA，進行對應於一圖框期間91之顯示灰階之OLED元件之照明控制，亦即，供至OLED元件之電流之控制。決定照明之供至OLED元件之電流之控制以方程式(7)表示，其原因在於，於電流寫入期間不供應電流至OLED元件。然而，在本實施例中，設定t1為電流設定期而非電流寫入期之長度(時間)。IOUT亦可藉電流設定時間控制，並進一步藉方程式(5”)中之VH、VDATA及“a”值控制。
藉由進行以上操作，包含成矩陣形式之本實施例像素電路之AM型OLED顯示器可修正a-IGZO TFT之特徵(臨限電壓、移動率)之變化及變動，並可進行具有高品質之顯示。又，本實施例保持背閘極與源極間的電壓，並因此不僅修正TFT之特徵之變化及變動，亦可修正OLED元件之特徵之變化及變動。
又，本實施例藉在寫入定電流被設定為參考電流之後施加於背閘極電壓之電壓VDATA進行IOUT之控制。當寫入定電流時，顯示器之線路負載之充電及放電係校正個別像素電路之TFT之特徵差所需之充電及放電。以電壓表示時，相較於實施例1至3中，在寫入用以控制灰階之電流時，用於充電及放電之若干V電壓，充電及放電為1V或更小，以及自十%至數十%。因此，於本實施例中，寫入電流所需時間短。將電壓寫至背閘極電極所需期間亦短，此乃因為其為電壓寫入。因此，本實施例可應用於大螢幕顯示器。
又，本實施例可藉由使用具有小漏電流之開關，長時間保持定電流IR，並因此，可個別由灰階電壓設定期及驅動期，於電流設定期中準備背閘極電壓寫入期及電流寫入期。例如，於OLED顯示器中，通常於一秒中為60圖框，於一秒中為61圖框。一圖框僅用於背閘極電壓寫入期及電流寫入期，其他60圖框可由灰階電壓設定期及驅動期構成。
a-IGZO TFT之off漏電流很小，並因此在用來作為本實施例之開關時，可進行上述驅動。
可使用若干像素電路，作為本實施例之變更例。
例如，於本實施例中，個別準備參考電壓線VR2以設定背閘極電壓，然而，其可在電流設定期以具有定電流之掃瞄線S3替代。
作為不使用VR2之另一變更例，可構思如第12圖所示，於TFT 1之背閘極與汲極間配置開關SW4之像素電路。然而，為於灰階電壓設定期固定TFT 1之源極電壓，將該期間之電源線VDD1之電壓設定於0V。藉此，於該導出之類型中，以方程式(5”)表示供至OLED元件之電流IOUT。然而，於該導出之類型中，電流寫入期中背閘極與源極間電壓差為VG-VS，其和閘極與源極間電壓差相同。
雖然於本實施例中包含用於電流寫入期之掃瞄線S3及開關SW5，惟作為又另一變更例，其等可藉由如於實施例2驅動像素電路，予以省略。
如以上，包含具有實施例之每一者之背閘極電極之TFT之像素電路具有將供自像素電路外部之電壓施加於背閘極電極之單元，並進一步具有用以將供自像素電路外部之電流寫入之期間。又，實施例之每一者之像素電路於電流寫入期及用以將受控電流供至發光元件之驅動期兩期間控制上述薄膜電晶體之背閘極電極之電壓。藉由使用此等像素電路於發光顯示裝置，可驅動具有大線路負載之發光顯示裝置。
具有上述實施例之每一者之像素電路之OLED顯示器可構成影像處理設備。影像處理設備係行動電話、可攜式電腦、靜像攝影機、影像攝影機或實現複數個此等功能之設備。影像處理設備包含資訊輸入單元。例如，於手機情形下，資訊輸入單元藉由包含天線構成。於PDA或可攜式電腦情形下，資訊輸入單元藉由包含用於網路之界面構成。於靜像攝影機及電影攝影機情形下，資訊輸入單元藉由包含感測器單元(影像取得單元)、CCD及CMOS構成。
作為本發明之較佳實施例，後面將說明使用具有上述實施例之每一者之像素電路之AM型OLED顯示器的數位攝影機。
第14圖係又一數位靜像攝影機例子之方塊圖。第14圖顯示全系統129、取得目標之影像之影像取得單元123、影像信號處理電路124(係影像信號處理單元)、顯示面板125、記憶體126、CPU 127及操作單元128。將影像取得單元123取得之影像或記憶體126所記錄之影像交給影像信號處理電路124進行影像信號處理，並可在屬於發光顯示裝置之顯示面板125上觀看。於CPU 127中，藉由自操作單元128之輸入，控制影像取得單元123、記憶體126、影像信號處理電路124等，並進行適於該狀況之影像取得、記錄、複製及顯示。
雖然本發明業已參考例示性實施例說明，惟須知本發明不限於所揭示之例示性實施例。為涵蓋所有此等變更及均等構造和功能，以下申請專利範圍之範疇須作最廣闊之解釋。
1．．．行控制電路
2．．．像素電路
3．．．水平移位暫存器
4．．．閘極電極電路
5．．．垂直移位暫存器
6,7．．．輸入電路
10．．．輸入影像信號
11,11a．．．水平控制信號
12,12a．．．垂直控制信號
13,13a．．．副行控制信號
15,16．．．閘極電極電路
17,18．．．水平取樣信號群
19,21．．．控制信號
104,105．．．列控制線
111．．．閘極電極
113．．．通道區
114．．．源極區
115．．．汲極區
116．．．通道保護膜
117．．．層間絕緣膜
123．．．影像取得單元
124．．．影像信號處理電路
125．．．顯示面板
126‧‧‧記憶體
127‧‧‧CPU
128‧‧‧操作單元
129‧‧‧全系統
C1‧‧‧電容器
DATA‧‧‧資料線
GND‧‧‧接地
OLED‧‧‧有機發光二極體
TFT‧‧‧薄膜電晶體
SW1,SW2,SW3‧‧‧開關
S1,S2‧‧‧掃瞄線
VDD1‧‧‧電源線
第1圖係根據本發明實施例1之像素電路之電路配置圖。
第2圖係顯示實施例1之像素電路之操作之時序圖。
第3圖係顯示根據本發明用於像素電路之操作之a-IGZO結構之剖視圖。
第4圖係顯示根據本發明用於像素電路之之a-IGZO TFT之Id-Vg特徵及其背閘極電壓之依存性之特徵圖。
第5圖係顯示根據本發明用於像素電路之之a-IGZO TFT之臨限電壓之背閘極電壓依存性之特徵圖。
第6圖係顯示有關背閘極電壓之a-IGZO TFT的場效移動率之變化率之特徵圖。
第7圖係根據本發明實施例2之像素電路之電路配置圖。
第8圖係根據本發明實施例3之像素電路之電路配置圖。
第9圖係顯示實施例3之像素電路之操作之時序圖。
第10圖係根據本發明實施例4之像素電路之電路配置圖。
第11圖係顯示實施例4之像素電路之操作之時序圖。
第12圖係顯示實施例4之像素電路之變更例之電路配置圖。
第13圖係顯示整體OLED顯示器之電路配置之電路配置圖，其中個別像素電路二維配置。
第14圖係顯示使用AM型OLED顯示器之數位相機之配置之方塊圖。
第15圖係顯示背閘極電壓依存性與汲極電壓之變化之關係(ΔID/ID)之特徵圖。
C1．．．電容器
DATA．．．資料線
GND．．．接地
OLED．．．有機發光二極體
TFT．．．薄膜電晶體
SW1,SW2,SW3．．．開關
S1,S2．．．掃瞄線
VDD1．．．電源線

Claims (13)

  1. 一種像素電路，包括：一發光元件；以及一薄膜電晶體，對該發光元件供應第一電流，該第一電流根據該發光元件之照明電流特徵，控制灰階，其中，該薄膜電晶體包含由通道區、源極區及汲極區構成的半導體層、位於該半導體層頂側或底側的閘極電極、以及配置於該半導體層之與該閘極電極相對側的背閘極電極，其中，該薄膜電晶體操作於寫入期，使得一電壓被流入該薄膜電晶體的第二電流寫入於該薄膜電晶體的該閘極電極與該源極區之間，且操作於驅動期，使得該第一電流根據該薄膜電晶體的該閘極電極與該源極區間的該電壓被供應到該發光元件，且其中，於該寫入期及該驅動期，不同的電壓被施加於該背閘極電極，使得該第二電流大於該第一電流。
  2. 如申請專利範圍第1項之像素電路，其中，將於該寫入期施加於該背閘極電極之電壓設定為在該驅動期的該薄膜電晶體的臨限電壓高於在該寫入期的該臨限電壓。
  3. 如申請專利範圍第1項之像素電路，其中，該薄膜電晶體之移動率因施加於該背閘極電極之電壓變化而發生的改變為5%或更小。
  4. 如申請專利範圍第1項之像素電路，其中，被施加於該背閘極電極之電壓與該薄膜電晶體之臨限電壓間的 關係以線性關係表示。
  5. 如申請專利範圍第1項之像素電路，其中，該第二電流於該寫入期間自該像素電路外部供應。
  6. 如申請專利範圍第1項之像素電路，其中，於該寫入期供至該背閘極電極之電壓控制該灰階。
  7. 如申請專利範圍第1項之像素電路，其中，該像素電路係該等複數個二維配置之像素電路之其中之一者，且其中，該像素電路係加入發光顯示裝置，該發光裝置包含掃瞄單元，其用以施加電壓至沿列方向按各列配置之該複數個像素電路之該背閘極電極。
  8. 如申請專利範圍第7項之像素電路，其中，該發光裝置係加入攝影機，該攝影機包含：用以取得一標的之影像的影像取得單元，及用以處理於該影像取得單元中所取得影像之信號的影像信號處理單元，其中將於該影像信號處理單元中接受信號處理之影像信號顯示於該發光顯示裝置。
  9. 一種像素電路之驅動方法，該像素電路包括一發光元件；以及一薄膜電晶體，對該發光元件供應第一電流，該第一電流根據該發光元件之照明電流特徵，控制灰階；其中該薄膜電晶體包含由通道區、源極區及汲極區構成的半導體層、位於該半導體層頂側或底側的閘極電極、以及配置於該半導體層之與該閘極電極相對側的背閘極電極，該方法包括：於寫入期間，藉由流入該薄膜電晶體的第二電流將一 電壓寫入於該薄膜電晶體的該閘極電極與該源極區之間；於驅動期間，在該薄膜電晶體中，根據該薄膜電晶體的該閘極電極與該源極區間的該電壓，供應該第一電流到該發光元件；以及於該寫入期間及該驅動期間，施加不同的電壓於該背閘極電極，使得該第二電流係大於該第一電流。
  10. 如申請專利範圍第9項之像素電路之驅動方法，其中，將在該寫入期施加於該背閘極電極之電壓設定為在該驅動期的該薄膜電晶體的臨限電壓高於在該寫入期的該臨限電壓。
  11. 如申請專利範圍第9項之像素電路之驅動方法，其中，該第二電流於該寫入期間自該像素電路外部供應。
  12. 如申請專利範圍第9項之像素電路之驅動方法，其中，於該寫入期供至該背閘極電極之電壓控制灰階。
  13. 如申請專利範圍第9項之像素電路驅動方法，其中，該像素電路係該等複數個二維配置於發光顯示裝置中之像素電路之其中之一者，以及其中，該電壓被供至沿列方向按各列配置之複數個像素電路之背閘極電極。
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