「電子機器」、「電子部品」、「モジュール」、「半導体装置」の記載について説明する。一般的に、「電子機器」とは、例えば、パーソナルコンピュータ、携帯電話、タブレット端末、電子書籍端末、ウェアラブル端末、AV機器(AV:Audio Visual)、電化製品、住宅設備機器、業務用設備機器、デジタルサイネージ、自動車、又は、システムを有する電気製品などをいう場合がある。また、「電子部品」、又は「モジュール」とは、電子機器が有するプロセッサ、記憶装置、センサ、バッテリ、表示装置、発光装置、インターフェース機器、RFタグ(RF:Radio Frequency)、受信装置、送信装置などをいう場合がある。また、「半導体装置」とは、半導体素子を用いた装置、又は、電子部品又はモジュールが有する、半導体素子を適用した駆動回路、制御回路、論理回路、信号生成回路、信号変換回路、電位レベル変換回路、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路、記憶回路、メモリセル、表示回路、表示画素などをいう場合がある。
本明細書等において、金属酸化物(metal oxide)とは、広い表現での金属の酸化物である。金属酸化物は、酸化物絶縁体、酸化物導電体(透明酸化物導電体を含む)、酸化物半導体(Oxide Semiconductorまたは単にOSともいう)などに分類される。例えば、トランジスタの活性層に金属酸化物を用いた場合、当該金属酸化物を酸化物半導体と呼称する場合がある。つまり、金属酸化物が増幅作用、整流作用、及びスイッチング作用の少なくとも1つを有するトランジスタのチャネル形成領域を構成し得る場合、当該金属酸化物を、金属酸化物半導体(metal oxide semiconductor)、略してOSと呼ぶことができる。また、OS FETと記載する場合においては、金属酸化物または酸化物半導体を有するトランジスタと換言することができる。
また、本明細書等において、窒素を有する金属酸化物も金属酸化物(metal oxide)と総称する場合がある。また、窒素を有する金属酸化物を、金属酸窒化物(metal oxynitride)と呼称してもよい。
(実施の形態1)
本実施の形態では、本発明の一態様の表示装置の構成について説明する。
<表示装置の構成例>
図1は、表示装置1000の構成例をブロック図として図示している。表示装置1000は、表示ユニット100と、タッチセンサユニット200と、センサ441と、ホスト装置440と、を有する。特に、表示ユニット100が有するコントローラIC(Integrated Circuit)400の詳細を示している。なお、表示ユニット100は、表示素子として液晶素子、発光素子などのうち一種類を有する表示ユニットである。
表示ユニット100は、コントローラIC400に加え、表示部102と、ゲートドライバ103と、レベルシフタ104と、ソースドライバIC111と、を有する。なお、表示素子は、表示部102に有する。
コントローラIC400は、インターフェース450、フレームメモリ451、デコーダ452、センサコントローラ453、コントローラ454、クロック生成回路455、画像処理部460、メモリ470、タイミングコントローラ473、記憶回路475、及びタッチセンサコントローラ484を有する。
なお、表示ユニット100において、ソースドライバIC111と、コントローラIC400と、は、COG(Chip On Glass)方式で、表示ユニット100の基材上に実装されるのが好ましい。又は、COF(Chip On Film)方式などで、FPC(Flexible Printed Circuits)上に実装してもよい。また、詳細は、実施の形態4で説明するが、レベルシフタ104、ゲートドライバ103、及び表示部102は、OSトランジスタを備える構成として、該基材上に形成されていることが好ましい。
ホスト装置440は、計算、及び制御などの処理を行うコンピュータであり、CPU(Central Processing Unit)、メモリなどによって構成されている。また、ホスト装置440は、ソフトウェア447を有しており、ソフトウェア447を実行する際は、該CPU及び該メモリを用いる。ホスト装置440に備えることができるソフトウェア447は、例えば、インターネットブラウザ、動画再生ソフトなど、が挙げられる。本発明の一態様の表示装置において、ホスト装置440のソフトウェア447は、ニューラルネットワークの演算処理を行う機能に加え、ニューラルネットワークの教師付き学習を行う機能を有する。ニューラルネットワークの教師付き学習については実施の形態2で説明し、また、本発明の一態様の表示装置の画像補正の動作については、実施の形態3で説明する。
コントローラIC400とホスト装置440との通信は、インターフェース450を介して行われる。ホスト装置440からは、画像データ、各種制御信号等がコントローラIC400に送られる。また、コントローラIC400からは、タッチセンサコントローラ484が取得したタッチ位置などの情報が、ホスト装置440に送られる。なお、コントローラIC400が有するそれぞれの回路は、ホスト装置440の規格、表示ユニット100の仕様等によって、適宜取捨することができる。
センサ441は、複数の種類のセンサを有する。図1の構成例において、センサ441は、光センサ443と、開閉センサ444と、加速度センサ446と、を有する。センサ441は、コントローラIC400と電気的に接続されている。
タッチセンサユニット200は、センス回路212と、TSドライバIC211と、センサアレイ202と、を有する。また、本明細書では、センス回路212と、TSドライバIC211と、を合わせて周辺回路215と呼称する。タッチセンサユニット200は、センサアレイ202に入力されるユーザの指の動き、例えば、タッチ、フリック、マルチタッチなどの動きを周辺回路215によって検出して、その情報をコントローラIC400のタッチセンサコントローラ484に送信する機能を有する。
また、周辺回路215は、COG方式で、タッチセンサユニット200の基材上に実装されるのが好ましい。また、周辺回路215は、COF方式で、FPC上などに実装してもよい。
次に、コントローラIC400について説明する。
フレームメモリ451は、コントローラIC400に入力された画像データを保存するためのメモリである。ホスト装置440から圧縮された画像データが送られる場合、フレームメモリ451は、圧縮された画像データを格納することが可能である。デコーダ452は、圧縮された画像データを伸長するための回路である。画像データを伸長する必要がない場合、デコーダ452は処理を行わない。または、デコーダ452を、フレームメモリ451とインターフェース450との間に、配置することもできる。
画像処理部460は、画像データに対して各種画像処理を行う機能を有する。例えば、画像処理部460は、ガンマ補正回路461、調光回路462、調色回路463、情報処理回路465を有する。
画像処理部460で処理された画像データは、メモリ470を経て、図1のソースドライバIC111に出力される。メモリ470は、画像データを一時的に格納するためのメモリであり、ラインバッファと呼ばれることもある。ソースドライバIC111は、入力された画像データを処理し、表示部102のソース線に書き込む機能をもつ。
タイミングコントローラ473は、ソースドライバIC111、タッチセンサコントローラ484、表示ユニット100に形成されているゲートドライバ103で使用するタイミング信号を生成する機能を有する。なお、図1の構成例では、ゲートドライバ103に入力されるタイミング信号が、表示ユニット100に形成されているレベルシフタ104でレベルシフトされてから、ゲートドライバ103に送信される構成となっている。ゲートドライバ103は、表示部102の画素を選択する機能を有する。
タッチセンサコントローラ484は、図1のタッチセンサユニット200のTSドライバIC211、センス回路212を制御する機能をもつ。センス回路212で読み出されたタッチ情報を含む信号は、タッチセンサコントローラ484で処理され、インターフェース450を介して、ホスト装置440に送出される。ホスト装置440は、タッチ情報を反映した画像データを生成し、コントローラIC400に送出する。なお、コントローラIC400で、画像データにタッチ情報を反映する構成も可能である。
クロック生成回路455は、コントローラIC400で使用されるクロック信号を生成する機能を有する。コントローラ454は、インターフェース450を介してホスト装置440から送られる各種制御信号を処理し、コントローラIC400内の各種回路を制御する機能を有する。
コントローラ454は、コントローラIC400内の領域490内の回路への電源供給を制御する機能を有する。以下、使われていない回路への電源供給を一時的に遮断することを、パワーゲーティングと呼ぶこととする。なお、パワーゲーティングが行われる回路は、領域490内の回路に限定せず、例えば、ゲートドライバ103、レベルシフタ104、ソースドライバIC111、表示部102などに対しても行ってもよい。
特に、表示部102が前述したOSトランジスタを有する場合、OSトランジスタはオフ電流が非常に小さい特性を有するため、表示素子に画像データを長時間保持することができる。つまり、静止画の場合において、画像データのリフレッシュを行う必要が無いため、このとき、表示ユニット100が有する所定の回路をパワーゲーティングすることができる。本明細書では、このような動作をアイドリングストップ(以下、IDSと呼称する。)駆動と呼ぶこととする。
記憶回路475は、コントローラIC400の動作に用いられるデータを格納する。記憶回路475が格納するデータには、画像処理部460が補正処理を行うために使用するパラメータ、タイミングコントローラ473が各種タイミング信号の波形生成に用いるパラメータなどがある。記憶回路475は、複数のレジスタで構成されるスキャンチェーンレジスタを備える。
センサコントローラ453には、光センサ443が電気的に接続されている。光センサ443には外光445を検知し、検知信号を生成する。センサコントローラ453は該検知信号を基に、制御信号を生成する。センサコントローラ453で生成される該制御信号は、例えば、コントローラ454に出力される。なお、光センサ443は、必ずしも有さなくてもよい。
また、センサコントローラ453には、加速度センサ446が電気的に接続されている。加速度センサ446は、コントローラIC400を備える表示ユニット100の傾きを測定し、その情報を電気信号として生成する機能を有する。センサコントローラ453は、傾きの情報の信号などを受けることで制御信号を生成する。該制御信号は、例えば、コントローラ454に出力される。また、傾きを測定するモジュールは、加速度センサ446に限定せず、例えば、ジャイロセンサなどを用いてもよい。
また、センサコントローラ453には、開閉センサ444が電気的に接続されており、開閉センサ444は、表示装置1000が折りたたみ式の電子機器に含まれている場合に有効である。当該電子機器が折りたたまれて、表示装置1000が使用されなくなったとき、開閉センサ444が信号をセンサコントローラ453に送信して、コントローラIC400内の回路などをパワーゲーティングすることができる。なお、当該電子機器が折りたたみ式の形態を有さない場合、表示装置1000は、開閉センサ444を有さなくてもよい。
調光回路462は、表示部102に表示する画像データの明るさ(輝度ともいう。)を調整する機能を有する。ここでは、当該調整を調光、あるいは調光処理と呼ぶ。特に、調光処理は、光センサ443と組み合わせて行うことができる。この場合、光センサ443及びセンサコントローラ453を用いて測定した、外光445の明るさに応じて、表示部102に表示する画像データの輝度を調整することができる。
調色回路463は、表示部102に表示する画像データの色彩(色調ともいう)を補正することができる。ここでは、当該補正を調色、あるいは調色処理と呼ぶ。
情報処理回路465は、利用者の好みに合わせて、表示部102の輝度、及び色調の設定を最適化する機能を有する。情報処理回路465は、後述するニューラルネットワークを構成するハードウェアを有し、教師付き学習を行う機能を有してもよい。なお、情報処理回路465は、ニューラルネットワークのハードウェアとして、積和演算回路465aを有する。
先述したホスト装置440のソフトウェア447のニューラルネットワークで、光センサ443で測定した外光の情報と、加速度センサ446で測定した傾きの情報と、を学習データとし、利用者の好みの輝度、及び色調の設定を教師データとしてソフトウェア447で学習を行って、パラメータ(重み係数と呼ぶ場合がある。)を得る。その後、情報処理回路465のニューラルネットワークで、ソフトウェア447上の該学習で得られたパラメータを用いて、光センサ443で測定した外光の情報、及び加速度センサ446で測定した傾きの情報を入力データとすることで、利用者の好みの輝度、及び色調に対応する設定値を得ることができる。
なお、情報処理回路465のハードウェアによるニューラルネットワークと、ホスト装置440のソフトウェア447によるニューラルネットワークと、は対応した構成とする。例えば、それぞれのニューラルネットワークが階層型パーセプトロンであった場合、情報処理回路465のニューラルネットワークと、ソフトウェア447のニューラルネットワークと、のそれぞれの階層数は等しいものとする。また、更に、情報処理回路465のニューラルネットワークの各階層が有するニューロンの個数は、ソフトウェア447のニューラルネットワークの各階層が有するニューロンの個数と等しいものとする。
画像処理部460は、表示ユニット100の仕様によって、RGB−RGBW変換回路など、他の処理回路を有する場合がある。RGB−RGBW変換回路とは、RGB(赤、緑、青)画像データを、RGBW(赤、緑、青、白)画像データに変換する機能をもつ回路である。すなわち、表示ユニット100がRGBW4色の画素を有する場合、画像データ内のW(白)成分を、W(白)画素を用いて表示することで、消費電力を低減することができる。なお、表示ユニット100がRGBYの4色の画素を有する場合、例えば、RGB−RGBY(赤、緑、青、黄)変換回路を用いることができる。
<パラメータ>
ガンマ補正、調光、調色などの画像補正処理は、入力の画像データXに対して出力の補正データYを作成する処理に相当する。画像処理部460が使用するパラメータは、画像データXを、補正データYに変換するためのパラメータである。
パラメータの設定方式には、テーブル方式、関数近似方式がある。図2(A)に示すテーブル方式では、画像データXnに対して、補正データYnをパラメータとしてテーブルに格納される。テーブル方式では、当該テーブルに対応するパラメータを格納するレジスタを多数必要とするが、補正の自由度が高い。一方、あらかじめ経験的に画像データXに対する補正データYを決められる場合には、図2(B)のように、関数近似方式を採用する構成が有効である。a1、a2、b2等がパラメータである。ここで、区間毎に線形近似する方法を示しているが、非線形関数で近似する方法も可能である。関数近似方式では、補正の自由度は低いが、関数を定義するパラメータを格納するレジスタが少なくて済む。
タイミングコントローラ473が使用するパラメータは、例えば、図2(C)に示すように、タイミングコントローラ473の生成信号が、基準信号に対して低レベル電位“L”(又は高レベル電位“H”)となるタイミングを示すものである。パラメータRa(またはRb)は、基準信号に対して“L”(または“H”)となるタイミングが、クロック何周期分であるかを示している。
上記、補正のためのパラメータは、記憶回路475に格納することができる。また、上記以外に記憶回路475に格納できるパラメータとしては、後述する図6のEL補正回路464のデータ、ユーザが設定した表示ユニット100の輝度、色調、省エネルギー設定(表示を暗くする、または表示を消す、までの時間)、タッチセンサコントローラ484の感度などがある。
<パワーゲーティング>
コントローラ454は、ホスト装置440から送られる画像データに変化がない場合、コントローラIC400内の一部回路をパワーゲーティングすることができる。具体的には、一部回路とは、例えば、領域490内の回路(フレームメモリ451、デコーダ452、画像処理部460、メモリ470、タイミングコントローラ473、記憶回路475)を指す。ホスト装置440から画像データに変化がないことを示す制御信号をコントローラIC400に送信し、当該制御信号をコントローラ454で検出した場合にパワーゲーティングする構成が可能である。
また、パワーゲーティングを行う回路は、コントローラIC400が有する回路に限定せず、例えば、ソースドライバIC111、レベルシフタ104、ゲートドライバ103などに対して、行ってもよい。
領域490内の回路は、画像データに関する回路と、表示ユニット100を駆動するための回路であるため、画像データに変化がない場合は、一時的に領域490内の回路を停止することができる。なお、画像データに変化がない場合でも、表示部102の画素に使用されるトランジスタがデータを保持できる時間(アイドリングストップが可能な時間)を考慮してもよい。また、表示部102の画素が反射素子として液晶素子を適用した場合において、液晶素子が焼き付き防止のため行う反転駆動の時間を考慮してもよい。
例えば、コントローラ454はタイマ機能を組み込むことで、タイマで測定した時間に基づいて、領域490内の回路への電源供給を再開するタイミングを決定してもよい。なお、フレームメモリ451もしくはメモリ470に画像データを保存しておき、当該画像データを反転駆動時に表示部102に供給する画像データとする構成が可能である。このような構成とすることで、ホスト装置440から画像データを送信することなく反転駆動が実行できる。したがって、ホスト装置440からのデータ送信量を低減でき、コントローラIC400の消費電力を低減することができる。
以下、フレームメモリ451、記憶回路475の具体的な回路構成を説明する。なお、パワーゲーティングすることができる回路として説明した、領域490内の回路、センサコントローラ453、およびタッチセンサコントローラ484等は、この限りではない。コントローラIC400の構成、ホスト装置440の規格、表示ユニット100の仕様等によって、様々な組み合わせが考えられる。
<フレームメモリ451>
図3(A)に、フレームメモリ451の構成例を示す。フレームメモリ451は、制御部502、セルアレイ503、周辺回路508を有する。周辺回路508は、センスアンプ回路504、ドライバ505、メインアンプ506、入出力回路507を有する。
制御部502は、フレームメモリ451を制御する機能を有する。例えば、制御部502は、ドライバ505、メインアンプ506、および入出力回路507を制御する。
ドライバ505には、複数の配線WL、CSELが電気的に接続されている。ドライバ505は、複数の配線WL、CSELに出力する信号を生成する。
セルアレイ503は、複数のメモリセル509を有する。メモリセル509は、配線WL、LBL(またはLBLB)、BGLに、電気的に接続されている。配線WLはワード線であり、配線LBL、LBLBは、ローカルビット線であり、配線BGLは、後述するトランジスタMW1のバックゲートに電位を与えるための配線である。図3(A)の例では、セルアレイ503の構成は、折り返しビット線方式であるが、開放ビット線方式とすることもできる。
図3(B)に、メモリセル509の構成例を示す。メモリセル509は、トランジスタMW1、容量素子CS1を有する。メモリセル509は、DRAM(ダイナミック・ランダム・アクセス・メモリ)のメモリセルと同様の回路構成を有する。
トランジスタMW1は、OSトランジスタである。OSトランジスタはオフ電流が極めて小さいため、OSトランジスタでメモリセル509を構成することで、容量素子CS1から電荷がリークすることを抑えられるため、フレームメモリ451のリフレッシュ動作の頻度を低減できる。また、電源供給が遮断されても、フレームメモリ451は長時間画像データを保持することが可能である。また、電圧Vbg_w1を負電圧にすることで、トランジスタMW1の閾値電圧を正電位側にシフトさせることができ、メモリセル509の保持時間を長くすることができる。
ここでいう、オフ電流とは、トランジスタがオフ状態のときにソースとドレインとの間に流れる電流をいう。トランジスタがnチャネル型である場合、例えば、しきい値電圧が0V乃至2V程度であれば、ソースに対するゲートの電圧が負の電圧であるときの、ソースとドレインとの間に流れる電流をオフ電流と呼ぶことができる。また、オフ電流が極めて小さいとは、例えば、チャネル幅1μmあたりのオフ電流が100zA(z;ゼプト、10−21)以下であることをいう。オフ電流は小さいほど好ましいため、この規格化されたオフ電流が10zA/μm以下、あるいは1zA/μm以下とすることが好ましく、10yA/μm(y;ヨクト、10−24)以下であることがより好ましい。
OSトランジスタのチャネル形成領域に有する金属酸化物(酸化物半導体)のバンドギャップは3.0eV以上であるため、OSトランジスタは熱励起によるリーク電流が小さく、また上掲のようにオフ電流が極めて小さい。チャネル形成領域に適用される金属酸化物は、インジウム(In)および亜鉛(Zn)の少なくとも一方を含むことが好ましい。このような金属酸化物としては、In−M−Zn酸化物(元素Mは、例えばAl、Ga、YまたはSn)が代表的である。電子供与体(ドナー)となる水分または水素等の不純物を低減し、かつ酸素欠損も低減することで、酸化物半導体をi型(真性半導体)にする、あるいはi型に限りなく近づけることができる。ここでは、このような金属酸化物は高純度化された金属酸化物と呼ぶことができる。高純度化された金属酸化物を適用することで、チャネル幅で規格化されたOSトランジスタのオフ電流を数yA/μm以上数zA/μm以下程度に低くすることができる。
セルアレイ503が有する複数のメモリセル509の、トランジスタMW1はOSトランジスタである一方、その他の回路のトランジスタは、例えば、シリコンウエハに作製されるSiトランジスタとすることができる。これにより、セルアレイ503をセンスアンプ回路504に積層して設けることができる。よって、フレームメモリ451の回路面積を縮小でき、コントローラIC400の小型化につながる。
セルアレイ503は、センスアンプ回路504に積層して設けられている。センスアンプ回路504は、複数のセンスアンプSAを有する。センスアンプSAは隣接する配線LBL、LBLB(ローカルビット線対)、配線GBL、GBLB(グローバルビット線対)、複数の配線CSELに電気的に接続されている。センスアンプSAは、配線LBLと配線LBLBとの電位差を増幅する機能を有する。
センスアンプ回路504には、4本の配線LBLに対して1本の配線GBLが設けられ、4本の配線LBLBに対して1本の配線GBLBが設けられているが、センスアンプ回路504の構成は、図3(A)の構成例に限定されない。
メインアンプ506は、センスアンプ回路504および入出力回路507に接続されている。メインアンプ506は、配線GBLと配線GBLBの電位差を増幅する機能を有する。メインアンプ506は省略することができる。
入出力回路507は、書き込みデータに対応する電位を配線GBLと配線GBLB、またはメインアンプ506に出力する機能、配線GBLと配線GBLBの電位、またはメインアンプ506の出力電位を読み出し、データとして外部に出力する機能を有する。配線CSELの信号によって、データを読み出すセンスアンプSA、およびデータを書き込むセンスアンプSAを選択することができる。よって、入出力回路507は、マルチプレクサなどの選択回路が不要であるため、回路構成を簡単化でき、占有面積を縮小することができる。
<記憶回路475>
図4は、記憶回路475の構成例を示すブロック図である。記憶回路475は、スキャンチェーンレジスタ部475A、およびレジスタ部475Bを有する。スキャンチェーンレジスタ部475Aは、複数のレジスタ430を有する。複数のレジスタ430によって、スキャンチェーンレジスタが構成されている。レジスタ部475Bは、複数のレジスタ431を有する。
レジスタ430は、電源が遮断された状態でもデータが消失しない不揮発性レジスタである。レジスタ430を不揮発化するため、ここでは、レジスタ430は、OSトランジスタを用いた保持回路を備えている。
他方、レジスタ431は揮発性レジスタである。レジスタ431の回路構成には特段の制約はなく、データを記憶することが可能な回路であればよく、ラッチ回路、フリップフロップ回路などで構成すればよい。画像処理部460、およびタイミングコントローラ473は、レジスタ部475Bにアクセスし、対応するレジスタ431からデータを取り込む。あるいは、画像処理部460、およびタイミングコントローラ473は、レジスタ部475Bから供給されるデータにしたがって、処理内容が制御される。
記憶回路475に格納しているデータを更新する場合、まず、スキャンチェーンレジスタ部475Aのデータを変更する。スキャンチェーンレジスタ部475Aのデータの変更は、上書きするデータとクロック信号をスキャンチェーンレジスタ部475Aに入力すること(Scan In)で行うことができる。なお、クロック信号の周波数に合わせて、上書きするデータを順次入力することによって、各レジスタ430に上書きするデータを格納することができる。なお、図4では、最後の段のレジスタ430からデータを出力する様子(Scan Out)を図示している。スキャンチェーンレジスタ部475Aの各レジスタ430のデータを書き換えた後、スキャンチェーンレジスタ部475Aの各レジスタ430のデータを、レジスタ部475Bの各レジスタ431に一括してロードする。
これにより、画像処理部460、およびタイミングコントローラ473等は、一括して更新されたデータを使用して、各種処理を行うことができる。データの更新に同時性が保たれるため、コントローラIC400の安定した動作を実現できる。スキャンチェーンレジスタ部475Aとレジスタ部475Bとを備えることで、画像処理部460、およびタイミングコントローラ473が動作中でも、スキャンチェーンレジスタ部475Aのデータを更新することができる。
コントローラIC400のパワーゲーティング実行時には、レジスタ430において、保持回路にデータを格納(セーブ)してから電源を遮断する。電源復帰後、レジスタ430のデータをレジスタ431に復帰(ロード)して通常動作を再開する。なお、レジスタ430に格納されているデータとレジスタ431に格納されているデータとが整合しない場合は、レジスタ431のデータをレジスタ430にセーブした後、あらためて、レジスタ430の保持回路にデータを格納する構成が好ましい。データが整合しない場合としては、スキャンチェーンレジスタ部475Aに更新データを挿入中などが挙げられる。
図5に、レジスタ430、レジスタ431の回路構成例を示す。図5には、スキャンチェーンレジスタ部475Aの2段分のレジスタ430と、これらレジスタ430に対応する2個のレジスタ431を示している。
レジスタ430は、保持回路57、セレクタ58、フリップフロップ回路59を有する。セレクタ58とフリップフロップ回路59とでスキャンフリップフロップ回路が構成されている。
保持回路57には、信号SAVE2、LOAD2が入力される。保持回路57は、トランジスタTr41乃至Tr46、容量素子C41、C42を有する。トランジスタTr41、Tr42はOSトランジスタである。トランジスタTr41、Tr42をメモリセル509のトランジスタMW1(図3(B)参照)と同様にバックゲート付きのOSトランジスタとしてもよい。
トランジスタTr41、Tr43、Tr44および容量素子C41により、3トランジスタ型のゲインセルが構成される。同様に、トランジスタTr42、Tr45、Tr46および容量素子C42により、3トランジスタ型のゲインセルが構成される。2個のゲインセルによって、フリップフロップ回路59が保持する相補データを記憶する。トランジスタTr41、Tr42がOSトランジスタであるので、保持回路57は、電源が遮断された状態でも長時間データを保持することが可能である。レジスタ430において、トランジスタTr41、Tr42以外のトランジスタはSiトランジスタで構成すればよい。
保持回路57は、信号SAVE2に従い、フリップフロップ回路59が保持する相補データを格納し、信号LOAD2に従い、保持しているデータをフリップフロップ回路59にロードする。
フリップフロップ回路59の入力端子には、セレクタ58の出力端子が電気的に接続され、データ出力端子には、レジスタ431の入力端子が電気的に接続されている。フリップフロップ回路59は、インバータ60、インバータ61、インバータ62、インバータ63、インバータ64、インバータ65、アナログスイッチ67、及びアナログスイッチ68を有する。アナログスイッチ67、及びアナログスイッチ68の導通状態は、スキャンクロック(Scan Clockと表記)信号によって制御される。フリップフロップ回路59は、図5の回路構成に限定されず、様々なフリップフロップ回路59を適用することができる。
セレクタ58の2個の入力端子の一方には、レジスタ431の出力端子が電気的に接続され、他方には、前段のフリップフロップ回路59の出力端子が電気的に接続されている。なお、スキャンチェーンレジスタ部475Aの初段のセレクタ58の入力端子は、記憶回路475の外部からデータが入力される。セレクタ58は、信号SAVE1に基づいて、2個ある入力端子のどちらかの信号を、出力端子側に出力する。具体的には、セレクタ58は、前段のフリップフロップ回路59から送られるデータ、又はレジスタ431から送られるデータのどちらかを選択して、フリップフロップ回路59に入力する機能を有する。
レジスタ431は、インバータ71、インバータ72、インバータ73、クロックドインバータ74、アナログスイッチ75、及びバッファ76を有する。レジスタ431は信号LOAD1に基づいて、フリップフロップ回路59のデータをロードする。そして、ロードしたデータは、端子Q1、及び端子Q2から出力される。なお、レジスタ431のトランジスタはSiトランジスタで構成すればよい。
<表示装置の他の構成例>
以下に、表示装置1000とは別の表示装置の構成例を説明する。
図6は、表示装置1000Aの構成例をブロック図として図示している。表示装置1000Aは、表示ユニット100Aと、タッチセンサユニット200と、センサ441と、ホスト装置440と、を有する。特に、表示ユニット100Aが有するコントローラIC400Aの詳細を示している。なお、表示装置1000Aは、ハイブリッド表示装置であり、そのため、表示ユニット100Aは、表示素子として反射素子と発光素子を有する。
表示ユニット100Aは、コントローラIC400Aに加え、表示部106と、ゲートドライバ103aと、ゲートドライバ103bと、レベルシフタ104aと、レベルシフタ104bと、ソースドライバIC111と、を有する。なお、表示素子である反射素子と発光素子は、表示部106に有する。
コントローラIC400Aは、コントローラIC400の変形例である。そのため、本明細書において、コントローラIC400Aの説明は、コントローラIC400と異なる部分のみを扱い、コントローラIC400と共通する部分に関しては、説明を省略する。
なお、表示ユニット100Aにおいて、コントローラIC400Aは、COG方式で、表示ユニット100Aの基材上に実装されるのが好ましい。また、コントローラIC400Aは、COF方式でFPC上などに実装してもよい。また、詳細は、実施の形態4で説明するが、レベルシフタ104a、レベルシフタ104b、ゲートドライバ103a、ゲートドライバ103b、及び表示部106は、OSトランジスタを備える構成として、該基材上に形成されていることが好ましい。
コントローラIC400Aは、領域491を有し、コントローラ454は、領域491内の回路に対してパワーゲーティングを行う機能を有する。
前述したとおり、表示ユニット100Aは、ハイブリッド表示装置が有する表示ユニットであるため、表示ユニット100Aの表示部106の画素10に、表示素子として、反射素子10aと発光素子10bと、を有する。反射素子10aは、反射光を利用して表示部106に画像を映す表示素子であり、液晶素子などを適用することができる。また、発光素子10bは、自発光によって、表示部106に画像を映す表示素子であり、有機EL素子などを適用することができる。なお、発光素子10bは、有機ELに限定せず、例えば、バックライトを備えた透過型液晶素子、LED、又は量子ドットを利用した表示素子などとしてもよい。ここでは、反射素子10aとして液晶素子を適用し、発光素子10bとして有機EL素子を適用した場合のコントローラIC400Aの説明を行う。
また、前述したとおり、ソースドライバIC111は、表示ユニット100Aの基材上にCOG方式で実装されるのが好ましい。また、FPC(Flexible Printed Circuits)などの上にCOF方式で実装してもよい。図6の構成例では、ソースドライバIC111は、ソースドライバIC111a、ソースドライバIC111bを有している。ソースドライバIC111aは、反射素子10a、及び発光素子10bの一方を駆動する機能を有し、ソースドライバIC111bは、反射素子10a、及び発光素子10bの他方を駆動する機能を有する。なお、ここでは2種類のソースドライバIC111a、111bで表示部106のソースドライバを構成しているが、ソースドライバの構成はこれに限定されない。例えば、反射素子10aを駆動するためのソースドライバと、発光素子10bを駆動するためのソースドライバと、の双方を駆動できるソースドライバICを表示ユニット100Aに備えてもよい。
また、前述したとおり、ゲートドライバ103a、103bは、基材上に形成されている。ゲートドライバ103aは、反射素子10a、及び発光素子10bの一方に対して走査線駆動を行う機能を有し、ゲートドライバ103bは、反射素子10a、及び発光素子10bの他方に対して走査線駆動を行う機能を有する。なお、ここでは2種類のゲートドライバ103a、103bで表示部106のゲートドライバを構成しているが、ゲートドライバの構成はこれに限定されない。例えば、反射素子10aを駆動するためのゲートドライバと、発光素子10bを駆動するためのゲートドライバと、の双方を駆動できるゲートドライバを表示ユニット100Aに備えてもよい。
表示ユニット100Aは、発光素子10bとして、有機EL素子を適用しているので、コントローラIC400Aの画像処理部460に、EL補正回路464を備えることができる。EL補正回路464は、発光素子10bを駆動するソースドライバIC111(ソースドライバIC111a、又はソースドライバIC111b)に、発光素子10bを流れる電流を検出する電流検出回路を備えている場合に、設けられる。EL補正回路464は、該電流検出回路から送信される信号に基づいて、発光素子10bの輝度を調節する機能を有する。
コントローラIC400Aは、コントローラIC400と同様に、センサコントローラ453に、光センサ443を電気的に接続することができる。光センサ443には外光445を検知し、検知信号を生成する。センサコントローラ453は該検知信号を基に、制御信号を生成する。センサコントローラ453で生成される該制御信号は、例えば、コントローラ454に出力される。
ところで、画像処理部460は、反射素子10aと発光素子10bが同じ画像データを表示する場合、反射素子10aが表示する画像データと、発光素子10bが表示する画像データと、を分けて作成する機能を有する。この場合、上述した光センサ443及びセンサコントローラ453を用いて測定した、外光445の明るさに応じて、反射素子10aの反射強度、及び発光素子10bの発光強度を調整する(調光処理を行う)ことができる。
晴れの日の日中に外で表示ユニット100Aを使用する場合、反射素子10aのみで十分な輝度が得られるときは、発光素子10bを光らせる必要は無い。これは、発光素子10bで表示を行おうとしても、外光の強度に負けて良好な表示が得られないからである。また、夜間や暗所で表示ユニット100Aを使用する場合、発光素子10bを光らせて表示を行う。
外光の明るさに応じて、画像処理部460は、反射素子10aのみで表示を行う画像データを作成、もしくは発光素子10bのみで表示を行う画像データを作成、もしくは反射素子10aと発光素子10bを組み合わせて表示を行う画像データを作成することができる。外光の明るい環境においても、又は、外光の暗い環境においても、表示ユニット100Aは良好な表示を行うことができる。さらに、外光の明るい環境においては、発光素子10bを光らせないことで、又は発光素子10bの輝度を低くすることで、表示ユニット100Aの消費電力を低減することができる。
また、反射素子10aの表示に、発光素子10bの表示を組み合わせることで、色調を補正することができる。このような色調補正のためには、上述した光センサ443及びセンサコントローラ453に、外光445の色調を測定する機能を追加すればよい。例えば、夕暮れ時の赤みがかかった環境において表示ユニット100を使用する場合、反射素子10aによる表示のみでは、G(緑)成分が足りない、B(青)成分が足りない、またはその両方の成分が足りなくなるため、発光素子10bを発光させることで、色調を補正する(調色処理を行う)ことができる。
また、反射素子10aと発光素子10bは、異なる画像データを表示することができる。一般に、反射素子として適用できる液晶や電子ペーパーなどは、動作速度が遅いものが多い(絵を表示するまでに時間を要する。)。そのため、反射素子10aに背景となる静止画を表示し、発光素子10bに動きのあるマウスポインタ等を表示することができる。静止画に対しては、IDS駆動を行うことができる。動画に対しては、発光素子10bを光らせることで、表示ユニット100Aは、なめらかな動画表示と低消費電力を両立することができる。この場合、フレームメモリ451には、反射素子10aと発光素子10b、それぞれに表示する画像データを保存する領域を設ければよい。
コントローラIC400Aに、TSドライバIC211およびセンス回路212の一方または双方を設けてもよい。コントローラIC400についても同様である。
<動作例>
表示ユニット100Aに関するコントローラIC400A、と記憶回路475の動作例について、出荷前と、表示ユニット100Aを有する表示装置の起動時、および通常動作時に分けて説明する。
<<出荷前>>
出荷前には、表示ユニット100Aの仕様等に関するパラメータを、記憶回路475に格納する。これらのパラメータには、例えば、画素数、タッチセンサ数、タイミングコントローラ473が各種タイミング信号の生成に用いるパラメータ、ソースドライバIC(ソースドライバIC111a又はソースドライバIC111b)に発光素子10bを流れる電流を検出する電流検出回路を備えている場合、EL補正回路464の補正データ等がある。これらのパラメータは、記憶回路475以外に、専用のROMを設けて格納してもよい。
<<起動時>>
表示ユニット100Aを有する表示装置の起動時には、ホスト装置440より送られるユーザ設定等のパラメータを、記憶回路475に格納する。これらのパラメータには、例えば、表示の輝度や色調、タッチセンサの感度、省エネルギー設定(表示を暗くする、または表示を消す、までの時間)、また、ガンマ補正のカーブやテーブル等がある。なお、当該パラメータを記憶回路475に格納する際、コントローラ454から記憶回路475にスキャンクロック信号及び当該スキャンクロック信号に同期して当該パラメータに相当するデータが送信される。
<<通常動作>>
通常動作には、動画等を表示している状態、静止画を表示中でIDS駆動が可能な状態、表示を行わない状態等に分けられる。動画等を表示している状態は、画像処理部460、およびタイミングコントローラ473等は動作中であるが、記憶回路475のデータ変更は、スキャンチェーンレジスタ部475Aに対して行われるため、画像処理部460等への影響はない。スキャンチェーンレジスタ部475Aのデータ変更が終わった後、スキャンチェーンレジスタ部475Aのデータをレジスタ部475Bへ一括してロードすることで、記憶回路475のデータ変更が完了する。また、画像処理部460等は当該データに対応した動作に切り替わる。
静止画を表示中でIDS駆動が可能な状態では、記憶回路475は、例えば、領域490内の他の回路と同様、パワーゲーティングすることができる。この場合、パワーゲーティングの前に、スキャンチェーンレジスタ部475Aが有するレジスタ430内では、信号SAVE2に従い、フリップフロップ回路59が保持する相補データを保持回路57に格納する作業が行われる。
パワーゲーティングから復帰する際は、信号LOAD2に従い、保持回路57が保持しているデータをフリップフロップ回路59にロードし、信号LOAD1に従い、フリップフロップ回路59のデータをレジスタ431にロードする。このようにして、パワーゲーティング前と同じ状態で、記憶回路475のデータは有効となる。なお、パワーゲーティングの状態であっても、ホスト装置440より記憶回路475のパラメータ変更要求があった場合、記憶回路475のパワーゲーティングを解除し、パラメータを変更することができる。
表示を行わない状態では、例えば、領域490内の回路(記憶回路475を含む)は、パワーゲーティングすることができる。この場合、ホスト装置440も停止することがあるが、フレームメモリ451および記憶回路475は不揮発性であるので、パワーゲーティングから復帰する際には、ホスト装置440の復帰を待たずに、パワーゲーティング前の表示(静止画)を行うことができる。
例えば、表示ユニット100Aのセンサコントローラ453に、開閉センサ444を電気的に接続する構成を考える。特に、折りたたみ式の携帯電話の表示部に、その構成を有する表示ユニット100Aを適用した場合、開閉センサ444の信号によって、携帯電話が折りたたまれ、表示ユニット100の表示面が使用されないことが検出されたとき、領域490内の回路に加えて、センサコントローラ453、およびタッチセンサコントローラ484等をパワーゲーティングすることができる。
携帯電話が折りたたまれたとき、ホスト装置440の規格によっては、ホスト装置440が停止する場合がある。ホスト装置440が停止した状態で、携帯電話が再び展開されても、フレームメモリ451および記憶回路475は不揮発性であるので、ホスト装置440から画像データ、各種制御信号等が送られる前に、フレームメモリ451内の画像データを表示することができる。
このように、記憶回路475はスキャンチェーンレジスタ部475Aとレジスタ部475Bを有し、スキャンチェーンレジスタ部475Aに対してデータ変更を行うことで、画像処理部460およびタイミングコントローラ473等へ影響を与えることなく、スムーズなデータ変更を行うことができる。また、スキャンチェーンレジスタ部475Aの各レジスタ430は、保持回路57を有し、パワーゲーティング状態への移行と復帰をスムーズに行うことができる。
なお、本発明の一態様の表示装置の構成は、図1に示す表示装置1000、又は図6に示す表示装置1000Aの構成に限定されない。状況に応じて、場合によって、又は、必要に応じて、図1に示す表示装置1000、又は図6に示す表示装置1000Aの構成要素を適宜取捨選択することができる。例えば、図1に示す表示装置1000、又は図6に示す表示装置1000Aが、折りたたみ式の構造を有さない電子機器の表示装置として適用される場合、図1に示す表示装置1000、又は図6に示す表示装置1000Aは、開閉センサ444を有さなくてもよい。
また、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
(実施の形態2)
本実施の形態では、実施の形態1で説明した、ホスト装置440と、センサ441と、コントローラIC400又はコントローラIC400Aの画像処理部460と、を用いた画像補正の方法について説明する。なお、画像補正の方法としては、ニューラルネットワークを用いて行う。
ニューラルネットワークとは、神経回路網をモデルにした情報処理システムである。ニューラルネットワークを利用することで、従来のノイマン型コンピュータよりも高性能なコンピュータが実現できると期待されており、近年、電子回路上でニューラルネットワークを構築する種々の研究が進められている。
ニューラルネットワークでは、ニューロンを模したユニットが、シナプスを模したユニットを介して、互いに結合された構成となっている。この結合の強度を変更することで、様々な入力パターンに対して学習し、パターン認識や連想記憶などを高速に実行できると考えられている。
例えば、本実施の形態で説明する積和演算回路を畳み込み演算の特徴抽出フィルター、若しくは全結合演算回路として用いることによって、CNN(Convolutional Neural Network)による特徴量の抽出を行うことができる。なお、特徴抽出フィルターの各重み係数に乱数を用いて値を設定することができる。
<階層型ニューラルネットワーク>
本発明の一態様の表示装置に利用できるニューラルネットワークの種類の一として、階層型ニューラルネットワークについて説明する。
図7は、階層型ニューラルネットワークの一例を示した図である。第(k−1)層(kは2以上の整数である。)は、ニューロンをP個(Pは1以上の整数である。)有し、第k層は、ニューロンをQ個(Qは1以上の整数である。)有し、第(k+1)層は、ニューロンをR個(Rは1以上の整数である。)有する。
第(k−1)層の第pニューロン(pは1以上P以下の整数である。)の出力信号zp (k−1)と重み係数wqp (k)と、の積が第k層の第qニューロン(qは1以上Q以下の整数である。)に入力されるものとし、第k層の第qニューロンの出力信号zq (k)と重み係数wrq (k+1)と、の積が第(k+1)層の第rニューロン(rは1以上R以下の整数である。)に入力されるものとし、第(k+1)層の第rニューロンの出力信号をzr (k+1)とする。
このとき、第k層の第qニューロンへ入力される信号の総和uq (k)は、次の式で表される。
また、第k層の第qニューロンからの出力信号zq (k)を次の式で定義する。
関数f(uq (k))は、活性化関数であり、ステップ関数、線形ランプ関数、又はシグモイド関数などを用いることができる。なお、式(D1)の積和演算は、後述する積和演算処理回路(半導体装置700)によって実現できる。なお、式(D2)の演算は、例えば、図10(A)に示す回路771によって実現できる。
なお、活性化関数は、全てのニューロンにおいて同一でもよいし、又は異なっていてもよい。加えて、活性化関数は、層毎において、同一でもよいし、異なっていてもよい。
ここで、図8に示す、全L層(ここでのLは3以上の整数とする。)からなる階層型ニューラルネットワークを考える(つまり、ここでのkは2以上(L−1)以下の整数とする。)。第1層は、階層型ニューラルネットワークの入力層となり、第L層は、階層型ニューラルネットワークの出力層となり、第2層乃至第(L−1)層は、階層型ニューラルネットワークの隠れ層となる。
第1層(入力層)は、ニューロンをP個有し、第k層(隠れ層)は、ニューロンをQ[k]個(Q[k]は1以上の整数である。)有し、第L層(出力層)は、ニューロンをR個有する。
第1層の第s[1]ニューロン(s[1]は1以上P以下の整数である。)の出力信号をzs[1] (1)とし、第k層の第s[k]ニューロン(s[k]は1以上Q[k]以下の整数である。)の出力信号をzs[k] (k)とし、第L層の第s[L]ニューロン(s[L]は1以上R以下の整数である。)の出力信号をzs[L] (L)とする。
また、第(k−1)層の第s[k−1]ニューロン(s[k−1]は1以上Q[k−1]以下の整数である。)の出力信号zs[k−1] (k−1)と重み係数ws[k]s[k−1] (k)と、の積us[k] (k)が第k層の第s[k]ニューロンに入力されるものとし、第(L−1)層の第s[L−1]ニューロン(s[L−1]は1以上Q[L−1]以下の整数である。)の出力信号zs[L−1] (L−1)と重み係数ws[L]s[L−1] (L)と、の積us[L] (L)が第L層の第s[L]ニューロンに入力されるものとする。
次に、教師付き学習について説明する。教師付き学習とは、上述の階層型ニューラルネットワークの機能において、出力した結果と、所望の結果(教師データ、又は教師信号という場合がある。)と異なったときに、階層型ニューラルネットワークの全ての重み係数を、出力した結果と所望の結果とに基づいて、更新する動作をいう。
教師付き学習の具体例として、誤差逆伝播方式による学習方法について説明する。図9は、誤差逆伝播方式による学習方法を説明する図である。誤差逆伝播方式は、階層型ニューラルネットワークの出力と教師データとの誤差が小さくなるように、重み係数を変更する方式である。
例えば、第1層の第s[1]ニューロンに入力データを入力し、第L層の第s[L]ニューロンから出力データzs[L] (L)を出力されたとする。ここで、出力データzs[L] (L)に対する教師信号をts[L]としたとき、誤差エネルギーEは、出力データzs[L] (L)及び教師信号ts[L]によって表すことができる。
誤差エネルギーEに対して、第k層の第s[k]ニューロンの重み係数ws[k]s[k−1] (k)の更新量を∂E/∂ws[k]s[k−1] (k)とすることで、新たに重み係数を変更することができる。ここで、第k層の第s[k]ニューロンの出力値zs[k] (k)の誤差δs[k] (k)を∂E/∂us[k] (k)と定義すると、δs[k] (k)及び∂E/∂ws[k]s[k−1] (k)は、それぞれ次の式で表すことができる。
f’(us[k] (k))は、活性化関数の導関数である。なお、式(D3)の演算は、例えば、図10(B)に示す回路773によって実現できる。また、式(D4)の演算は、例えば、図10(C)に示す回路774によって実現できる。出力関数の導関数は、例えば、オペアンプの出力端子に所望の導関数に対応した演算回路を接続することによって実現できる。
また、例えば、式(D3)のΣδs[k+1] (k+1)・ws[k+1]・s[k] (k+1)の部分の演算は、後述する積和演算処理回路(半導体装置700)によって実現できる。
ここで、第(k+1)層が出力層のとき、すなわち、第(k+1)層が第L層であるとき、δs[L] (L)及び∂E/∂ws[L]s[L−1] (L)は、それぞれ次の式で表すことができる。
式(D5)の演算は、図10(D)に示す回路775によって実現できる。また、式(D6)の演算は、図10(C)に示す回路774によって実現できる。
つまり、式(D1)乃至式(D6)により、全てのニューロン回路の誤差δs[k] (k)及びδs[L] (L)を求めることができる。なお、重み係数の更新量は、誤差δs[k] (k)、δs[L] (L)及び所望のパラメータなどに基づいて、設定される。
以上のように、図10(A)乃至図10(D)に示す回路、及び後述する積和演算処理回路(半導体装置700)を用いることによって、教師付き学習を適用した階層型ニューラルネットワークの計算を行うことができる。
<階層型ニューラルネットワークを構成する回路例1>
次に、上述した階層型ニューラルネットワークを実現するための積和演算処理回路の構成例について、説明する。
図11は、積和演算処理回路として、半導体装置700のブロック図を示している。半導体装置700は、オフセット回路710と、メモリセルアレイ720と、を有する。
オフセット回路710は、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n](ここでのnは1以上の整数である。)と、参照列出力回路Crefと、を有する。
メモリセルアレイ720は、列方向にm個(ここでのmは1以上の整数である。)、行方向にn個、合計m×n個のメモリセルAMと、列方向にm個のメモリセルAMrefと、を有する。メモリセルAMと、メモリセルAMrefと、は、メモリセルアレイ720において、m×(n+1)のマトリクス状に設けられている。特に、図11のメモリセルアレイ720では、i行目j列目に位置するメモリセルAMを、メモリセルAM[i,j](ここでのiは1以上m以下の整数であり、jは1以上n以下の整数である。)と表記し、i行目に位置するメモリセルAMrefを、メモリセルAMref[i]と表記する。
なお、メモリセルAMは、第1アナログデータに応じた電位を保持し、メモリセルAMrefは、所定の電位を保持する。なお、この所定の電位は、積和演算処理に必要な電位であり、本明細書では、この電位に対応するデータを参照アナログデータという場合がある。
メモリセルアレイ720は、出力端子SPT[1]乃至出力端子SPT[n]を有する。
列出力回路OUT[j]は、出力端子OT[j]を有し、参照列出力回路Crefは、出力端子OTrefを有する。
配線ORPは、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]に電気的に接続され、配線OSPは、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]に電気的に接続されている。配線ORP及び配線OSPは、オフセット回路710に制御信号を供給するための配線である。
メモリセルアレイ720の出力端子SPT[j]は、配線B[j]と電気的に接続されている。
列出力回路OUT[j]の出力端子OT[j]は、配線B[j]と電気的に接続されている。
参照列出力回路Crefの出力端子OTrefは、配線Brefと電気的に接続されている。
メモリセルAM[i,j]は、配線RW[i]と、配線WW[i]と、配線WD[j]と、配線B[j]と、配線VRと、に電気的に接続されている。
メモリセルAMref[i]は、配線RW[i]と、配線WW[i]と、配線WDrefと、配線Brefと、配線VRと、に電気的に接続されている。
配線WW[i]は、メモリセルAM[i,1]乃至メモリセルAM[i,n]、及びメモリセルAMref[i]に選択信号を供給するための配線として機能し、配線RW[i]は、メモリセルAM[i,1]乃至メモリセルAM[i,n]、及びメモリセルAMref[i]に基準電位、又は第2アナログデータに応じた電位のどちらかを与える配線として機能する。配線WD[j]は、j列目のメモリセルAMに書き込むデータを供給する配線として機能し、配線VRは、メモリセルAM又はメモリセルAMrefからデータを読み出す際に、メモリセルAM又はメモリセルAMrefに所定の電位を与えるための配線として機能する。
配線B[j]は、列出力回路OUT[j]からメモリセルアレイ720のj列目に有するメモリセルAMに信号を供給する配線として機能する。
配線Brefは、参照列出力回路CrefからメモリセルAMref[1]乃至メモリセルAMref[m]のそれぞれに信号を供給する配線として機能する。
なお、図11に示す半導体装置700は、オフセット回路710、メモリセルアレイ720、列出力回路OUT[1]、列出力回路OUT[j]、列出力回路OUT[n]、参照列出力回路Cref、出力端子OT[1]、出力端子OT[j]、出力端子OT[n]、出力端子OTref、出力端子SPT[1]、出力端子SPT[j]、出力端子SPT[n]、メモリセルAM[1,1]、メモリセルAM[i,1]、メモリセルAM[m,1]、メモリセルAM[1,j]、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[m,j]、メモリセルAM[1,n]、メモリセルAM[i,n]、メモリセルAM[m,n]、メモリセルAMref[1]、メモリセルAMref[i]、メモリセルAMref[m]、配線OSP、配線ORP、配線B[1]、配線B[j]、配線B[n]、配線Bref、配線WD[1]、配線WD[j]、配線WD[n]、配線WDref、配線VR、配線RW[1]、配線RW[i]、配線RW[m]、配線WW[1]、配線WW[i]、配線WW[m]のみ図示しており、それ以外の回路、配線、素子、及びそれらの符号については省略している。
なお、図11に示す半導体装置700は構成例であり、状況に応じて、場合によって、又は、必要に応じて、半導体装置700の構成を変更することができる。例えば、半導体装置700の回路構成によっては、配線WD[j]と配線VRと、をまとめて1本の配線として共有する構成であってもよい。また、半導体装置700の回路構成によっては、配線ORPと配線OSPと、をまとめて1本の配線として共有する構成であってもよい。
<<オフセット回路710>>
次に、オフセット回路710に適用できる回路構成の例について説明する。図12に、オフセット回路710の一例として、オフセット回路711を示す。
オフセット回路711は、電源電圧の供給のため、配線VDD1L、及び配線VSSLと電気的に接続されている。具体的には、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]は、それぞれ配線VDD1L、及び配線VSSLと電気的に接続され、参照列出力回路Crefは、配線VDD1Lと電気的に接続されている。なお、後述するカレントミラー回路CMも、配線VSSLと電気的に接続されている場合がある。配線VDD1Lは、高レベル電位を与える配線であり、配線VSSLは、低レベル電位を与える配線である。
以下、列出力回路OUT[j]の内部の回路構成について説明する。列出力回路OUT[j]は、定電流回路CIと、トランジスタTr51乃至トランジスタTr53と、容量素子C51と、配線OL[j]と、を有する。また、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]、及び参照列出力回路Crefは、カレントミラー回路CMを共有している。
定電流回路CIは、端子CT1と、端子CT2と、を有する。端子CT1は、定電流回路CIの入力端子として機能し、端子CT2は、定電流回路CIの出力端子として機能する。また、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]、及び参照列出力回路Crefで共有しているカレントミラー回路CMは、端子CT5[1]乃至端子CT5[n]と、端子CT6[1]乃至端子CT6[n]と、端子CT7と、端子CT8と、を有する。
定電流回路CIは、端子CT1から端子CT2に流れる電流を一定に保つ機能を有する。
列出力回路OUT[j]において、トランジスタTr51の第1端子は、配線OL[j]と電気的に接続され、トランジスタTr51の第2端子は、配線VSSLと電気的に接続され、トランジスタTr51のゲートは、容量素子C51の第1端子と電気的に接続されている。トランジスタTr52の第1端子は、配線OL[j]と電気的に接続され、トランジスタTr52の第2端子は、容量素子C51の第1端子と電気的に接続され、トランジスタTr52のゲートは、配線OSPと電気的に接続されている。トランジスタTr53の第1端子は、容量素子C51の第1端子と電気的に接続され、トランジスタTr53の第2端子は、配線VSSLと電気的に接続され、トランジスタTr53のゲートは、配線ORPと電気的に接続されている。容量素子C51の第1端子は、配線VSSLと電気的に接続されている。容量素子C51の第2端子は、配線VSSLと電気的に接続されている。
なお、トランジスタTr51乃至トランジスタTr53は、それぞれOSトランジスタであることが好ましい。加えて、トランジスタTr51乃至トランジスタTr53のそれぞれのチャネル形成領域は、実施の形態9で説明するCAC−OSを有するのが好ましい。
OSトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有する。そのため、OSトランジスタが非導通状態であるときにソース−ドレイン間に流れるリーク電流を非常に小さくすることができる。トランジスタTr51乃至トランジスタTr53として、OSトランジスタを用いることにより、トランジスタTr51乃至トランジスタTr53のそれぞれのリーク電流を抑えることができるため、計算精度の高い積和演算回路を実現できる場合がある。
列出力回路OUT[j]において、定電流回路CIの端子CT1は、配線VDD1Lと電気的に接続され、定電流回路CIの端子CT2は、カレントミラー回路の端子CT5[j]と電気的に接続されている。カレントミラー回路CMの端子CT6[j]は、出力端子OT[j]と電気的に接続されている。
なお、配線OL[j]は、カレントミラー回路CMの端子CT5[j]及び端子CT6[j]を介して、定電流回路CIの端子CT2と、出力端子OT[j]と、を電気的に接続する配線である。
次に、参照列出力回路Crefについて説明する。参照列出力回路Crefは、定電流回路CIrefと、配線OLrefと、を有する。また、上述したとおり、参照列出力回路Crefは、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]と、カレントミラー回路CMを共有している。
定電流回路CIrefは、端子CT3と、端子CT4と、を有する。端子CT3は、定電流回路CIrefの入力端子として機能し、端子CT4は、定電流回路CIrefの出力端子として機能する。
定電流回路CIrefは、端子CT3から端子CT4に流れる電流を一定に保つ機能を有する。
参照列出力回路Crefにおいて、定電流回路CIrefの端子CT3は、配線VDD1Lと電気的に接続され、定電流回路CIrefの端子CT4は、カレントミラー回路CMの端子CT7と電気的に接続されている。カレントミラー回路CMの端子CT8は、出力端子OTrefと電気的に接続されている。
なお、配線OLrefは、カレントミラー回路CMの端子CT7及び端子CT8を介して、定電流回路CIrefの端子CT4と、出力端子OTrefと、を電気的に接続する配線である。
カレントミラー回路CMにおいて、端子CT5[j]は、端子CT6[j]と電気的に接続され、端子CT7は、端子CT8と電気的に接続されている。加えて、端子CT5[j]と端子CT6[j]の間に、配線IL[j]が電気的に接続され、端子CT7と端子CT8の間に、配線ILrefが電気的に接続されている。また、端子CT7と端子CT8の間と配線ILrefとの接続箇所をノードNCMrefとする。カレントミラー回路CMは、ノードNCMrefの電位を参照して、配線ILrefに流れる電流の量と、配線IL[1]乃至配線IL[n]のそれぞれに流れる電流の量を等しくする機能を有する。
なお、図12に示すオフセット回路711は、列出力回路OUT[1]、列出力回路OUT[j]、列出力回路OUT[n]、参照列出力回路Cref、定電流回路CI、定電流回路CIref、カレントミラー回路CM、出力端子OT[1]、出力端子OT[j]、出力端子OT[n]、出力端子OTref、端子CT1、端子CT2、端子CT3、端子CT4、端子CT5[1]、端子CT5[j]、端子CT5[n]、端子CT6[1]、端子CT6[j]、端子CT6[n]、端子CT7、端子CT8、トランジスタTr51、トランジスタTr52、トランジスタTr53、容量素子C51、配線OL[1]、配線OL[j]、配線OL[n]、配線OLref、配線ORP、配線OSP、配線B[1]、配線B[j]、配線B[n]、配線Bref、配線IL[1]、配線IL[j]、配線IL[n]、配線ILref、ノードNCMref、配線VDD1L、配線VSSLのみ図示しており、それ以外の回路、配線、素子、及びそれらの符号については省略している。
なお、図11のオフセット回路710の構成は、図12のオフセット回路711の構成に限定されない。状況に応じて、場合によって、又は、必要に応じて、オフセット回路711の構成を変更することができる。
〔定電流回路CI、CIref〕
次に、定電流回路CI、及び定電流回路CIrefの内部の構成例について説明する。
図13に示すオフセット回路712は、図12のオフセット回路711の定電流回路CI、及び定電流回路CIrefの内部の構成の例を示した回路図である。
列出力回路OUT[j]において、定電流回路CIは、トランジスタTr54を有する。トランジスタTr54は、デュアルゲート構造のトランジスタであり、第1ゲートと第2ゲートを有する。
なお、本明細書において、デュアルゲート構造を有するトランジスタの第1ゲートは、フロントゲートとし、第1ゲートはゲートという語句に置き換えて記載する。加えて、デュアルゲート構造を有するトランジスタの第2ゲートは、バックゲートとし、第2ゲートはバックゲートという語句に置き換えて記載する。
トランジスタTr54の第1端子は、定電流回路CIの端子CT1と電気的に接続され、トランジスタTr54の第2端子は、定電流回路CIの端子CT2と電気的に接続され、トランジスタTr54のゲートは、定電流回路CIの端子CT2と電気的に接続されている。トランジスタTr54のバックゲートは、配線BG[j]と電気的に接続されている。
参照列出力回路Crefにおいて、定電流回路CIrefは、トランジスタTr56を有する。トランジスタTr56は、デュアルゲート構造のトランジスタであり、ゲートバックゲートを有する。
トランジスタTr56の第1端子は、定電流回路CIrefの端子CT3と電気的に接続され、トランジスタTr56の第2端子は、定電流回路CIrefの端子CT4と電気的に接続され、トランジスタTr56のゲートは、定電流回路CIrefの端子CT4と電気的に接続されている。トランジスタTr56のバックゲートは、配線BGrefと電気的に接続されている。
この接続構成を適用することで、配線BG[j]、及び配線BGrefに電位を印加することにより、トランジスタTr54、及びトランジスタTr56のそれぞれのしきい値電圧を制御することができる。
なお、トランジスタTr54、及びトランジスタTr56は、それぞれOSトランジスタであることが好ましい。加えて、トランジスタTr54、及びトランジスタTr56のそれぞれのチャネル形成領域は、実施の形態9で説明するCAC−OSを有するのが好ましい。
トランジスタTr54、及びトランジスタTr56として、OSトランジスタを用いることにより、トランジスタTr54、及びトランジスタTr56のそれぞれのリーク電流を抑えることができるため、計算精度の高い積和演算回路を実現できる場合がある。
なお、図13に示すオフセット回路712は、列出力回路OUT[1]、列出力回路OUT[j]、列出力回路OUT[n]、参照列出力回路Cref、定電流回路CI、定電流回路CIref、カレントミラー回路CM、出力端子OT[1]、出力端子OT[j]、出力端子OT[n]、出力端子OTref、端子CT1、端子CT2、端子CT3、端子CT4、端子CT5[1]、端子CT5[j]、端子CT5[n]、端子CT6[1]、端子CT6[j]、端子CT6[n]、端子CT7、端子CT8、トランジスタTr51、トランジスタTr52、トランジスタTr53、トランジスタTr54、トランジスタTr56、容量素子C51、配線OL[1]、配線OL[j]、配線OL[n]、配線OLref、配線ORP、配線OSP、配線B[1]、配線B[j]、配線B[n]、配線Bref、配線BG[1]、配線BG[j]、配線BG[n]、配線BGref、配線IL[1]、配線IL[j]、配線IL[n]、配線ILref、ノードNCMref、配線VDD1L、配線VSSLのみ図示しており、それ以外の回路、配線、素子、及びそれらの符号については省略している。
〔カレントミラー回路CM〕
次に、カレントミラー回路CMの内部の構成例について説明する。
図14に示すオフセット回路713は、図12のオフセット回路711のカレントミラー回路CMの内部の構成の例を示した回路図である。
カレントミラー回路CMは、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]のそれぞれにトランジスタTr55を有し、参照列出力回路CrefにトランジスタTr57を有する。
列出力回路OUT[j]が有するトランジスタTr55の第1端子は、カレントミラー回路CMの端子CT5[j]と、端子CT6[j]と、に電気的に接続されている。列出力回路OUT[j]が有するトランジスタTr55の第2端子は、配線VSSLと電気的に接続されている。列出力回路OUT[j]が有するトランジスタTr55のゲートは、カレントミラー回路CMの端子CT7と、端子CT8と、に電気的に接続されている。
参照列出力回路Crefが有するトランジスタTr57の第1端子は、カレントミラー回路CMの端子CT7と、端子CT8と、に電気的に接続されている。参照列出力回路Crefが有するトランジスタTr57の第2端子は、配線VSSLと電気的に接続されている。参照列出力回路Crefが有するトランジスタTr57のゲートは、カレントミラー回路CMの端子CT7と、端子CT8と、に電気的に接続されている。
この接続構成を適用することで、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]のそれぞれのトランジスタTr55のゲートに、ノードNCMrefの電位を印加することができ、トランジスタTr57のソース−ドレイン間に流れる電流の量と、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]のそれぞれのトランジスタTr55のソース−ドレイン間に流れる電流の量と、を等しくすることができる。
なお、トランジスタTr55、及びトランジスタTr57は、それぞれOSトランジスタであることが好ましい。加えて、トランジスタTr55、及びトランジスタTr57のそれぞれのチャネル形成領域は、実施の形態9で説明するCAC−OSを有するのが好ましい。
トランジスタTr55、及びトランジスタTr57として、OSトランジスタを用いることにより、トランジスタTr55、及びトランジスタTr57のそれぞれのリーク電流を抑えることができるため、計算精度の高い積和演算回路を実現できる場合がある。
なお、図14に示すオフセット回路713は、列出力回路OUT[1]、列出力回路OUT[j]、列出力回路OUT[n]、参照列出力回路Cref、定電流回路CI、定電流回路CIref、カレントミラー回路CM、出力端子OT[1]、出力端子OT[j]、出力端子OT[n]、出力端子OTref、端子CT1、端子CT2、端子CT3、端子CT4、端子CT5[1]、端子CT5[j]、端子CT5[n]、端子CT6[1]、端子CT6[j]、端子CT6[n]、端子CT7、端子CT8、トランジスタTr51、トランジスタTr52、トランジスタTr53、トランジスタTr55、トランジスタTr57、容量素子C51、配線OL[1]、配線OL[j]、配線OL[n]、配線OLref、配線ORP、配線OSP、配線B[1]、配線B[j]、配線B[n]、配線Bref、配線IL[1]、配線IL[j]、配線IL[n]、配線ILref、ノードNCMref、配線VDD1L、配線VSSLのみ図示しており、それ以外の回路、配線、素子、及びそれらの符号については省略している。
<<メモリセルアレイ720>>
次に、メモリセルアレイ720に適用できる回路構成の例について説明する。図15に、メモリセルアレイ720の一例として、メモリセルアレイ721を示す。
メモリセルアレイ721は、メモリセルAMと、メモリセルAMrefと、を有する。メモリセルアレイ721が有する全てのメモリセルAMのそれぞれは、トランジスタTr61と、トランジスタTr62と、容量素子C52と、を有する。メモリセルAMref[1]乃至メモリセルAMref[m]のそれぞれは、トランジスタTr61と、トランジスタTr62と、容量素子C52と、を有する。
メモリセルアレイ721の接続構成について、メモリセルAM[i,j]に着目して説明する。トランジスタTr61の第1端子は、トランジスタTr62のゲートと、容量素子C52の第1端子と、に電気的に接続され、トランジスタTr61の第2端子は、配線WD[j]と電気的に接続され、トランジスタTr61のゲートは、配線WW[i]と電気体に接続されている。トランジスタTr62の第1端子は、配線B[j]と電気的に接続され、トランジスタTr62の第2端子は、配線VRと電気的に接続される。容量素子C52の第2端子は、配線RW[i]と電気的に接続されている。
メモリセルAM[i,j]において、トランジスタTr61の第1端子と、トランジスタTr62のゲートと、容量素子C52の第1端子と、の接続箇所をノードN[i,j]とする。本実施の形態において、ノードN[i,j]には、第1アナログデータに応じた電位を保持する。
次に、メモリセルAMref[i]に着目して説明する。トランジスタTr61の第1端子は、トランジスタTr62のゲートと、容量素子C52の第1端子と、に電気的に接続され、トランジスタTr61の第2端子は、配線WDrefと電気的に接続され、トランジスタTr61のゲートは、配線WW[i]と電気体に接続されている。トランジスタTr62の第1端子は、配線Brefと電気的に接続され、トランジスタTr62の第2端子は、配線VRと電気的に接続される。容量素子C52の第2端子は、配線RW[i]と電気的に接続されている。
メモリセルAMref[i]において、トランジスタTr61の第1端子と、トランジスタTr62のゲートと、容量素子C52の第1端子と、の接続箇所をノードNref[i]とする。
なお、トランジスタTr61、及びトランジスタTr62は、それぞれOSトランジスタであることが好ましい。加えて、トランジスタTr61、及びトランジスタTr62のそれぞれのチャネル形成領域は、実施の形態9で説明するCAC−OSを有するのが好ましい。
トランジスタTr61、及びトランジスタTr62として、OSトランジスタを用いることにより、トランジスタTr61、及びトランジスタTr62のそれぞれのリーク電流を抑えることができるため、計算精度の高い積和演算回路を実現できる場合がある。また、トランジスタTr61として、OSトランジスタを用いることにより、トランジスタTr61が非導通状態における、保持ノードから書き込みワード線へのリーク電流を非常に小さくすることができる。つまり、保持ノードの電位のリフレッシュ動作を少なくすることができるため、半導体装置の消費電力を低減することができる。
更に、上述したトランジスタTr51乃至トランジスタTr57、トランジスタTr61、及びトランジスタTr62の全てにOSトランジスタを適用することによって、半導体装置の作製工程を短縮することができる。つまり、半導体装置の生産時間を少なくすることができるため、一定時間当たりの生産数を増加することができる。また、トランジスタTr51乃至トランジスタTr57、トランジスタTr61、及びトランジスタTr62の全てにOSトランジスタを適用する場合、半導体装置700を直接表示ユニット100の基材上に実装することができる。この構成の詳細は、実施の形態4で説明する。
なお、トランジスタTr51、トランジスタTr54乃至トランジスタTr57、及びトランジスタTr62は、特に断りのない場合は、飽和領域で動作するものとする。すなわち、トランジスタTr51、トランジスタTr54乃至トランジスタTr57、及びトランジスタTr62のゲート電圧、ソース電圧、及びドレイン電圧は、飽和領域で動作する範囲での電圧に適切にバイアスされているものとする。なお、トランジスタTr51、トランジスタTr54乃至トランジスタTr57、及びトランジスタTr62の動作が、理想的な飽和領域での動作からずれていても、出力データの精度が所望の範囲内で得られる場合であれば、トランジスタTr51、トランジスタTr54乃至トランジスタTr57、及びトランジスタTr62のゲート電圧、ソース電圧、及びドレイン電圧は、適切にバイアスされているものとみなす。
なお、図15に示すメモリセルアレイ721は、メモリセルAM[1,1]、メモリセルAM[i,1]、メモリセルAM[m,1]、メモリセルAM[1,j]、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[m,j]、メモリセルAM[1,n]、メモリセルAM[i,n]、メモリセルAM[m,n]、メモリセルAMref[1]、メモリセルAMref[i]、メモリセルAMref[m]、配線RW[1]、配線RW[i]、配線RW[m]、配線WW[1]、配線WW[i]、配線WW[m]、配線WD[1]、配線WD[j]、配線WD[n]、配線WDref、配線B[1]、配線B[j]、配線B[n]、配線Bref、配線VR、出力端子SPT[1]、出力端子SPT[j]、出力端子SPT[n]、ノードN[1,1]、ノードN[i,1]、ノードN[m,1]、ノードN[1,j]、ノードN[i,j]、ノードN[m,j]、ノードN[1,n]、ノードN[i,n]、ノードN[m,n]、ノードNref[1]、ノードNref[i]、ノードNref[m]、トランジスタTr61、トランジスタTr62、容量素子C52のみ図示しており、それ以外の回路、配線、素子、及びそれらの符号については省略している。
また、半導体装置700は、場合によって、状況に応じて、又は、必要に応じて、上述した構成例を互いに組み合わせた構成としてもよい。
<動作例1>
ここでは、半導体装置700の動作の一例について説明する。なお、本動作例で説明する半導体装置700は、オフセット回路710として、図16に示すオフセット回路750を適用し、かつ半導体装置700のメモリセルアレイ720として、図17に示すメモリセルアレイ760を適用した構成とする。
図16に示すオフセット回路750は、図13のオフセット回路712の定電流回路CI及び定電流回路CIrefと、図14のオフセット回路713が有するカレントミラー回路CMと、を適用させた回路構成となっている。図16に示す構成を適用することによって、オフセット回路750を、全て同一の極性のトランジスタによって構成することができる。なお、本動作例の説明として、図16は、列出力回路OUT[j]、列出力回路OUT[j+1]、及び参照列出力回路Crefを図示している。
なお、図16には、列出力回路OUT[j]の定電流回路CIが有するトランジスタTr54の第1端子から第2端子に流れる電流をIC[j]と記載し、列出力回路OUT[j+1]の定電流回路CIが有するトランジスタTr54の第1端子から第2端子に流れる電流をIC[j+1]と記載し、参照列出力回路Crefの定電流回路CIrefが有するトランジスタTr56の第1端子から第2端子に流れる電流をICrefと記載する。また、カレントミラー回路CMにおいて、列出力回路OUT[j]の配線IL[j]を介してトランジスタTr55の第1端子に流れる電流と、列出力回路OUT[j+1]の配線IL[j+1]を介してトランジスタTr55の第1端子に流れる電流と、参照列出力回路Crefの配線ILrefを介してトランジスタTr57に流れる電流と、をICMと記載する。更に、列出力回路OUT[j]の配線OL[j]からトランジスタTr51の第1端子又はトランジスタTr52の第1端子に流れる電流をICP[j]と記載し、列出力回路OUT[j+1]の配線OL[j+1]からトランジスタTr51の第1端子又はトランジスタTr52の第1端子に流れる電流をICP[j+1]と記載する。そして、列出力回路OUT[j]の出力端子OT[j]から配線B[j]に出力する電流をIB[j]と記載し、列出力回路OUT[j+1]の出力端子OT[j+1]から配線B[j+1]に出力する電流をIB[j+1]と記載し、参照列出力回路Crefの出力端子OTrefから配線Brefに出力する電流をIBrefと記載する。
図17に示すメモリセルアレイ760は、図15に示すメモリセルアレイ721と同様の構成であり、本動作例の説明として、図17は、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i,j+1]、メモリセルAM[i+1,j+1]、メモリセルAMref[i]、及びメモリセルAMref[i+1]を図示している。
なお、図17には、配線B[j]から入力される電流をIB[j]と記載し、配線B[j+1]から入力される電流をIB[j+1]と記載し、配線Brefから入力される電流をIBrefと記載する。また、配線B[j]に電気的に接続されている出力端子SPT[j]から出力される電流をΔIB[j]と記載し、配線B[j+1]に電気的に接続されている出力端子SPT[j+1]から出力される電流をΔIB[j+1]と記載する。
図18及び図19に、半導体装置700の動作例のタイミングチャートを示す。図18のタイミングチャートは、時刻T01乃至時刻T08における、配線WW[i]、配線WW[i+1]、配線WD[j]、配線WD[j+1]、配線WDref、ノードN[i,j]、ノードN[i,j+1]、ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、ノードNref[i]、ノードNref[i+1]、配線RW[i]、配線RW[i+1]、配線OSP、及び配線ORPの電位の変動を示し、電流ΣI[i,j]、電流ΣI[i,j+1]、及び電流IBrefの大きさの変動を示している。なお、電流ΣI[i,j]は、メモリセルAM[i,j]のトランジスタTr62に流れる電流をiについて和をとった値であり、電流ΣI[i,j+1]は、メモリセルAM[i,j+1]のトランジスタTr62に流れる電流をiについて和をとった値である。図19のタイミングチャートは、図18のタイミングチャートの時刻T09以降を示しており、時刻T14まで記載している。なお、時刻T09以降において、配線WW[i]、配線WW[i+1]、配線ORP、配線OSPのそれぞれの電位は、低レベル電位のまま変動せず、配線WD[j]、配線WD[j+1]、配線WDrefのそれぞれの電位は、接地電位のまま変動しないため、図19のタイミングチャートでは、配線WW[i]、配線WW[i+1]、配線WD[j]、配線WD[j+1]、配線WDref、配線ORP、配線OSPの電位の変動の記載を省略している。また、図19のタイミングチャートは、後述するΔIB[j]、ΔIB[j+1]の電流の大きさの変動を記載している。
<<時刻T01から時刻T02まで>>
時刻T01から時刻T02までの間において、配線WW[i]に高レベル電位(図18ではHighと表記している。)が印加され、配線WW[i+1]に低レベル電位(図18ではLowと表記している。)が印加されている。加えて、配線WD[j]には接地電位(図18ではGNDと表記している。)よりもVPR−VX[i,j]大きい電位が印加され、配線WD[j+1]には接地電位よりもVPR−VX[i,j+1]大きい電位が印加され、配線WDrefには接地電位よりもVPR大きい電位が印加されている。更に、配線RW[i]、及び配線RW[i+1]にはそれぞれ基準電位(図18ではREFPと表記している。)が印加されている。
なお、電位VX[i,j]、及び電位VX[i,j+1]は、第1アナログデータに対応する電位である。また、電位VPRは、参照アナログデータに対応する電位である。
このとき、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr61のゲートに高レベル電位が印加されるため、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr61は、導通状態となる。そのため、メモリセルAM[i,j]において、配線WD[j]とノードN[i,j]とが電気的に接続されるため、ノードN[i,j]の電位は、VPR−VX[i,j]となる。同様に、メモリセルAM[i,j+1]において、配線WD[j+1]とノードN[i,j+1]とが電気的に接続されるため、ノードN[i,j+1]の電位は、VPR−VX[i,j+1]となり、メモリセルAMref[i]において、配線WDrefとノードNref[i]とが電気的に接続されるため、ノードNref[i]の電位は、VPRとなる。
ここで、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr62の第1端子から第2端子に流れる電流を考える。配線B[j]からメモリセルAM[i,j]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流I0[i,j]は、次の式で表すことができる。
kは、トランジスタTr62のチャネル長、チャネル幅、移動度、及びゲート絶縁膜の容量などで決まる定数である。また、Vthは、トランジスタTr62のしきい値電圧である。
このとき、列出力回路OUT[j]の出力端子OT[j]から配線B[j]に流れる電流は、I0[i,j]となる。
同様に、配線B[j+1]からメモリセルAM[i,j+1]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流I0[i,j+1]は、次の式で表すことができる。
このとき、列出力回路OUT[j+1]の出力端子OT[j+1]から配線B[j+1]に流れる電流は、I0[i,j+1]となる。
更に、配線BrefからメモリセルAMref[i]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流Iref0[i]は、次の式で表すことができる。
このとき、参照列出力回路Crefの出力端子OTrefから配線Brefに流れる電流は、Iref0[i]となる。
なお、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61のゲートに低レベル電位が印加されるため、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61は、非導通状態となる。このため、ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、及びノードNref[i+1]への電位の保持は行われない。
<<時刻T02から時刻T03まで>>
時刻T02から時刻T03までの間において、配線WW[i]に低レベル電位が印加される。このとき、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr61のゲートに低レベル電位が印加されるため、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr61は非導通状態となる。
また、配線WW[i+1]には、時刻T02以前から引き続き、低レベル電位が印加されている。このため、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61は、時刻T02以前から非導通状態となっている。
上述のとおり、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、メモリセルAMref[i]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61は非導通状態となっているため、時刻T02から時刻T03までの間では、ノードN[i,j]、ノードN[i,j+1]、ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、ノードNref[i]、及びノードNref[i+1]のそれぞれの電位が保持される。
特に、半導体装置700の回路構成の説明で述べたとおり、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、メモリセルAMref[i]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61にOSトランジスタを適用することによって、トランジスタTr61のソース−ドレイン間に流れるリーク電流を小さくすることができるため、それぞれのノードの電位を長時間保持することができる。
時刻T02から時刻T03までの間において、配線WD[j]、配線WD[j+1]、及び配線WDrefには接地電位が印加されている。メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、メモリセルAMref[i]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61は、非導通状態となっているため、配線WD[j]、配線WD[j+1]、及び配線WDrefからの電位の印加によって、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、メモリセルAMref[i]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのノードに保持されている電位が書き換えられることは無い。
<<時刻T03から時刻T04まで>>
時刻T03から時刻T04までの間において、配線WW[i]に低レベル電位が印加され、配線WW[i+1]に高レベル電位が印加されている。加えて、配線WD[j]には接地電位よりもVPR−VX[i+1,j]大きい電位が印加され、配線WD[j+1]には接地電位よりもVPR−VX[i+1,j+1]大きい電位が印加され、配線WDrefには接地電位よりもVPR大きい電位が印加されている。更に、時刻T02から引き続き、配線RW[i]、及び配線RW[i+1]には、それぞれ基準電位が印加されている。
なお、電位VX[i+1,j]、及び電位VX[i+1,j+1]は、第1アナログデータに対応する電位である。
このとき、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61のゲートに高レベル電位が印加されるため、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61は、導通状態となる。そのため、メモリセルAM[i+1,j]において、配線WD[j]とノードN[i+1,j]とが電気的に接続されるため、ノードN[i+1,j]の電位は、VPR−VX[i+1,j]となる。同様に、メモリセルAM[i+1,j+1]において、配線WD[j+1]とノードN[i+1,j+1]とが電気的に接続されるため、ノードN[i+1,j+1]の電位は、VPR−VX[i+1,j+1]となり、メモリセルAMref[i+1]において、配線WDrefとノードNref[i+1]とが電気的に接続されるため、ノードNref[i+1]の電位は、VPRとなる。
ここで、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr62の第1端子から第2端子に流れる電流を考える。配線B[j]からメモリセルAM[i+1,j]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流I0[i+1,j]は、次の式で表すことができる。
このとき、列出力回路OUT[j]の出力端子OT[j]から配線B[j]に流れる電流は、I0[i,j]+I0[i+1,j]となる。
同様に、配線B[j+1]からメモリセルAM[i+1,j+1]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流I0[i+1,j+1]は、次の式で表すことができる。
このとき、列出力回路OUT[j+1]の出力端子OT[j+1]から配線B[j+1]に流れる電流は、I0[i,j+1]+I0[i+1,j+1]となる。
更に、配線BrefからメモリセルAMref[i+1]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流Iref0[i+1]は、次の式で表すことができる。
このとき、参照列出力回路Crefの出力端子OTrefから配線Brefに流れる電流は、Iref0[i]+Iref0[i+1]となる。
<<時刻T04から時刻T05まで>>
時刻T04から時刻T05までの間において、時刻T01から時刻T02までの間の動作、又は時刻T03から時刻T04までの間の動作と同様に、残りのメモリセルAMに第1アナログデータに対応する電位が書き込まれ、残りのメモリセルAMrefに電位VPRが書き込まれるものとする。したがって、全てのメモリセルAMのそれぞれのトランジスタTr62に流れる電流の総和は、列出力回路OUT[j]の出力端子OT[j]から配線B[j]に流れる電流となり、ΣI0[i,j](このΣはiについて和をとっている。)となる。
ここで、参照列出力回路Crefについて着目する。参照列出力回路Crefの配線Brefには、メモリセルAMref[1]乃至メモリセルAMref[m]のそれぞれのトランジスタTr62に流れる電流を足し合わせた電流が流れる。つまり、配線Brefには、IBref=ΣIref0[i](このΣはiについて和をとっている。)の電流が流れる。
ところで、図16において、配線ILrefに流れる電流をICMと記載しているが、本明細書では、時刻T09より前の時刻において、配線ILrefに流れる電流をICM0と記載する。
定電流回路CIrefの端子CT4から、電流ICrefが出力されるので、次の式を満たすように、トランジスタTr57のゲートの電位(ノードNCMrefの電位)が設定され、ICM0が決まる。
なお、カレントミラー回路CMは、トランジスタTr57のゲートの電位(ノードNCMrefの電位)を参照しているため、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]のそれぞれの配線IL[1]乃至配線IL[n]に、同じ電流ICM0が流れる。
<<時刻T05から時刻T06まで>>
時刻T05から時刻T06までの間において、配線ORPを高レベル電位とする。このとき、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]のそれぞれのトランジスタTr53のゲートに高レベル電位が印加されるため、トランジスタTr53は導通状態となる。このとき、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]のそれぞれの容量素子C51の第1端子に低レベル電位が印加され、容量素子C51の電位が初期化される。なお、時刻T06の時点において、配線ORPには低レベル電位を印加して、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]のそれぞれのトランジスタTr53を非導通状態としている。
<<時刻T06から時刻T07まで>>
時刻T06から時刻T07までの間において、配線ORPを低レベル電位としている。上述の通り、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]のそれぞれのトランジスタTr53のゲートに低レベル電位が印加されるため、トランジスタTr53は非導通状態となる。
<<時刻T07から時刻T08まで>>
時刻T07から時刻T08までの間において、配線OSPを高レベル電位としている。上述の通り、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]のそれぞれのトランジスタTr52のゲートに高レベル電位が印加されるため、トランジスタTr52は導通状態となる。このとき、トランジスタTr52の第1端子から、トランジスタTr52の第2端子を経由して、容量素子C51の第1端子に電流が流れ、容量素子C51によって電位が保持される。これにより、トランジスタTr51のゲートの電位が保持されるため、トランジスタTr51のソース−ドレイン間に、トランジスタTr51のゲートの電位に応じた電流が流れる。
なお、時刻T08の時点において、配線OSPには低レベル電位を印加して、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]のそれぞれのトランジスタTr52を非導通状態としている。このとき、トランジスタTr51のゲートの電位は、容量素子C51に保持されているため、時刻T08以降もトランジスタTr51のソース−ドレイン間に同じ大きさの電流が流れ続ける。
ここで、列出力回路OUT[j]に着目する。列出力回路OUT[j]において、トランジスタTr51のソース−ドレイン間に流れる電流をICP[j]とし、定電流回路CI[j]のトランジスタTr54のソース−ドレイン間に流れる電流をIC[j]とする。また、トランジスタTr55のソース−ドレイン間に流れる電流は、カレントミラー回路CMによってICM0となる。時刻T01から時刻T08までの間では出力端子SPT[j]から電流を出力しないものとした場合、列出力回路OUT[j]の配線B[j]には、メモリセルAM[1,j]乃至メモリセルAM[n,j]のそれぞれのトランジスタTr62に流れる電流を足し合わせた電流が流れる。つまり、配線B[j]には、ΣI0[i,j](このΣはiについて和をとっている。)の電流が流れる。したがって、上記より次の式が成り立つ。
<<時刻T09から時刻T10まで>>
時刻T09以降は、図19を用いて説明する。時刻T09から時刻T10までにおいて、配線RW[i]に基準電位(図19ではREFPと表記している。)よりもVW[i]高い電位が印加される。このとき、メモリセルAM[i,1]乃至メモリセルAM[i,n]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位VW[i]が印加されるため、トランジスタTr62のゲートの電位が上昇する。
なお、電位VW[i]は、第2アナログデータに対応する電位である。
なお、トランジスタTr62のゲートの電位の増加分は、配線RW[i]の電位変化に、メモリセルの構成によって決まる容量結合係数を乗じた電位となる。該容量結合係数は、容量素子C52の容量、トランジスタTr52のゲート容量、及び寄生容量によって算出される。本動作例では、説明の煩雑さを避けるため、配線RW[i]の電位の増加分もトランジスタTr62のゲートの電位の増加分も同じ値として説明する。これは、メモリセルAM、及びメモリセルAMrefにおけるそれぞれの容量結合係数を1としていることに相当する。
容量結合係数を1としているため、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位VW[i]が印加されることによって、ノードN[i,j]、ノードN[i,j+1]、及びノードNref[i]の電位は、それぞれVW[i]上昇する。
ここで、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr62の第1端子から第2端子に流れる電流を考える。配線B[j]からメモリセルAM[i,j]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流I[i,j]は、次の式で表すことができる。
つまり、配線RW[i]に電位VW[i]を印加することによって、配線B[j]からメモリセルAM[i,j]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流は、I[i,j]−I0[i,j](図19では、ΔI[i,j]と表記する。)増加する。
同様に、配線B[j+1]からメモリセルAM[i,j+1]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流I[i,j+1]は、次の式で表すことができる。
つまり、配線RW[i]に電位VW[i]を印加することによって、配線B[j+1]からメモリセルAM[i,j+1]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流は、I[i,j+1]−I0[i,j+1](図19では、ΔI[i,j+1]と表記する。)増加する。
更に、配線BrefからメモリセルAMref[i]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流Iref[i]は、次の式で表すことができる。
つまり、配線RW[i]に電位VW[i]を印加することによって、配線BrefからメモリセルAMref[i]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流は、Iref[i]−Iref0[i](図19では、ΔIref[i]と表記する。)増加する。
ここで、参照列出力回路Crefについて着目する。参照列出力回路Crefの配線Brefには、メモリセルAMref[1]乃至メモリセルAMref[n]のそれぞれのトランジスタTr62に流れる電流を足し合わせた電流が流れる。つまり、配線Brefには、IBref=ΣIref[i]の電流が流れる。
定電流回路CIrefの端子CT4から、電流ICrefが出力されるので、次の式を満たすように、トランジスタTr57のゲートの電位(ノードNCMrefの電位)が設定され、ICMが決まる。
ここで、配線B[j]から出力される電流ΔIB[j]について考える。時刻T08乃至時刻T09では、数式(E8)を満たすため、配線B[j]に電気的に接続されている端子SPT[j]から電流ΔIB[j]は出力されない。
時刻T09から時刻T10までの間においては、配線RW[i]に基準電位よりもVW[i]高い電位が印加されて、メモリセルAM[i,j]のトランジスタTr62に流れるソース−ドレイン間電流が変化するため、配線B[j]に電気的に接続されている出力端子SPT[j]から電流ΔIB[j]が出力される。具体的には、列出力回路OUT[j]では、定電流回路CIの端子CT2から電流IC[j]が出力され、トランジスタTr55のソース−ドレイン間に電流ICMが流れ、トランジスタTr51のソース−ドレイン間に電流ICP[j]が流れるため、電流ΔIB[j]は、メモリセルAM[i,j]のトランジスタTr62に流れるソース−ドレイン電流をiについて足し合わせたΣI[i,j]を用いて、次の式で表すことができる。
数式(E13)に、数式(E1)、数式(E3)、数式(E7)乃至数式(E9)、数式(E11)、数式(E12)を用いることで、次の式が得られる。
つまり、数式(E14)より、電流ΔIB[j]は、複数の第1アナログデータである電位VX[i,j]と、複数の第2アナログデータである電位VW[i]と、の積の和に応じた値となる。つまり、電流ΔIB[j]を計測することによって、第1アナログデータと第2アナログデータとの積和の値を求めることができる。
時刻T09から時刻T10までにおいて、配線RW[i]を除く配線RW[1]乃至配線RW[m]のそれぞれの電位を基準電位にしたとき、VW[g]=0(ここでのgは1以上m以下であり、かつiではない整数である。)となるので、数式(E14)より、ΔIB[j]=2kVX[i,j]VW[i]が出力される。つまり、メモリセルAM[i,j]に格納された第1アナログデータと、配線RW[i]に印加された選択信号に相当する第2アナログデータと、の積に対応したデータが、配線B[j]に電気的に接続されている出力端子SPT[j]から出力される。
また、同様に、配線B[j+1]に電気的に接続されている出力端子SPT[j+1]から出力される差分電流は、ΔIB[j+1]=2kVX[i,j+1]VW[i]となり、メモリセルAM[i,j+1]に格納された第1アナログデータと、配線RW[i]に印加された選択信号に相当する第2アナログデータと、の積に対応したデータが、配線B[j+1]に電気的に接続されている出力端子SPT[j+1]から出力される。
<<時刻T10から時刻T11まで>>
時刻T10から時刻T11までの間において、配線RW[i]には接地電位が印加されている。このとき、メモリセルAM[i,1]乃至メモリセルAM[i,n]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、接地電位が印加されるため、ノードN[i,1]乃至ノードN[i,n]、及びノードNref[i]の電位は、それぞれ時刻T08から時刻T09までの間の電位に戻る。
<<時刻T11から時刻T12まで>>
時刻T11から時刻T12までの間において、配線RW[i+1]を除く配線RW[1]乃至配線RW[m]のそれぞれの電位を基準電位とし、配線RW[i+1]に基準電位よりもVW[i+1]高い電位を印加するものとする。このとき、時刻T09から時刻T10までの動作と同様に、メモリセルAM[i+1,1]乃至メモリセルAM[i+1,n]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位VW[i+1]が印加されるため、トランジスタTr62のゲートの電位が上昇する。
なお、電位VW[i+1]は、第2アナログデータに対応する電位である。
なお、先述のとおり、メモリセルAM、及びメモリセルAMrefにおけるそれぞれの容量結合係数を1としているため、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位VW[i+1]が印加されることによって、ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、及びノードNref[i+1]の電位は、それぞれVW[i+1]上昇する。
ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、及びノードNref[i+1]の電位がそれぞれVW[i+1]上昇することにより、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr62に流れる電流の量が増加する。メモリセルAM[i+1,j]のトランジスタTr62に流れる電流をI[i+1,j]としたとき、列出力回路OUT[j]の出力端子OT[j]から配線B[j]に流れる電流は、I[i+1,j]−I0[i+1,j](図19では、ΔI[i+1,j]と表記する。)増加することになる。同様に、メモリセルAM[i+1,j+1]のトランジスタTr62に流れる電流をI[i+1,j+1]としたとき、列出力回路OUT[j+1]の出力端子OT[j+1]から配線B[j+1]に流れる電流は、I[i+1,j+1]−I0[i+1,j+1](図19では、ΔI[i+1,j+1]と表記する。)増加することになる。更に、メモリセルAMref[i+1]のトランジスタTr62に流れる電流をIref[i+1]としたとき、参照列出力回路Crefの出力端子OTrefから配線Brefに流れる電流は、Iref[i+1]−Iref0[i+1](図19では、ΔIref[i+1]と表記する。)増加することになる。
時刻T11から時刻T12までの間の動作は、時刻T09から時刻T10までの間の動作と同様に考えることができるので、時刻T11から時刻T12までの間の動作に対して、数式(E14)を用いると、配線B[j]から出力される差分電流は、ΔIB[j]=2kVX[i+1,j]VW[i+1]となる。つまり、メモリセルAM[i+1,j]に格納された第1アナログデータと、配線RW[i+1]に印加された選択信号に相当する第2アナログデータと、の積に対応したデータが、配線B[j]に電気的に接続されている出力端子SPT[j]から出力される。
また、同様に、配線B[j+1]から出力される差分電流は、ΔIB[j+1]=2kVX[i+1,j+1]VW[i+1]となり、メモリセルAM[i+1,j+1]に格納された第1アナログデータと、配線RW[i+1]に印加された選択信号に相当する第2アナログデータと、の積に対応したデータが、配線B[j+1]に電気的に接続されている出力端子SPT[j+1]から出力される。
<<時刻T12から時刻T13まで>>
時刻T12から時刻T13までの間において、配線RW[i+1]には接地電位が印加されている。このとき、メモリセルAM[i+1,1]乃至メモリセルAM[i+1,n]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、接地電位が印加されるため、ノードN[i+1,1]乃至ノードN[i+1,n]、及びノードNref[i+1]の電位は、それぞれ時刻T10から時刻T11までの間の電位に戻る。
<<時刻T13から時刻T14まで>>
時刻T13から時刻T14までの間において、配線RW[i]、及び配線RW[i+1]を除く配線RW[1]乃至配線RW[m]のそれぞれの電位を基準電位とし、配線RW[i]に基準電位よりもVW2[i]高い電位を印加し、配線RW[i+1]に基準電位よりもVW2[i+1]低い電位を印加するものとする。このとき、時刻T09から時刻T10までの動作と同様に、メモリセルAM[i,1]乃至メモリセルAM[i,n]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位VW2[i]が印加されるため、メモリセルAM[i,1]乃至メモリセルAM[i,n]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr62のゲートの電位が上昇する。同時に、メモリセルAM[i+1,1]乃至メモリセルAM[i+1,n]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位−VW2[i+1]が印加されるため、メモリセルAM[i+1,1]乃至メモリセルAM[i+1,n]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr62のゲートの電位が下降する。
なお、電位VW2[i]、及び電位VW2[i+1]は、第2アナログデータに対応する電位である。
なお、メモリセルAM、及びメモリセルAMrefにおけるそれぞれの容量結合係数を1としているため、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位VW2[i]が印加されることによって、ノードN[i,j]、ノードN[i,j+1]、及びノードNref[i]の電位は、それぞれVW2[i]上昇する。また、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位−VW2[i+1]が印加されることによって、ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、及びノードNref[i+1]の電位は、それぞれVW2[i+1]下降する。
ノードN[i,j]、ノードN[i,j+1]、及びノードNref[i]の電位がそれぞれVW2[i]上昇することにより、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr62に流れる電流の量が増加する。ここで、メモリセルAM[i,j]のトランジスタTr62に流れる電流をI[i,j]とし、メモリセルAM[i,j+1]のトランジスタTr62に流れる電流をI[i,j+1]とし、メモリセルAMref[i]のトランジスタTr62に流れる電流をIref[i]とする。
また、ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、及びノードNref[i+1]の電位がそれぞれVW2[i+1]下降することにより、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr62に流れる電流の量が減少する。ここで、メモリセルAM[i+1,j]のトランジスタTr62に流れる電流をI2[i,j]とし、メモリセルAM[i+1,j+1]のトランジスタTr62に流れる電流をI2[i,j+1]とし、メモリセルAMref[i+1]のトランジスタTr62に流れる電流をI2ref[i+1]とする。
このとき、列出力回路OUT[j]の出力端子OT[j]から配線B[j]に流れる電流は、(I2[i,j]−I0[i,j])+(I2[i+1,j]−I0[i+1,j])(図19では、ΔI[j]と表記する。)増加することになる。また、列出力回路OUT[j+1]の出力端子OT[j+1]から配線B[j+1]に流れる電流は、(I2[i,j+1]−I0[i,j+1])+(I2[i+1,j+1]−I0[i+1,j+1])(図19では、ΔI[j+1]と表記し、ΔI[j+1]は負の電流であるとする。)増加することになる。そして、参照列出力回路Crefの出力端子OTrefから配線Brefに流れる電流は、(Iref[i,j]−Iref0[i,j])+(Iref[i+1,j]−Iref0[i+1,j])(図19では、ΔIBrefと表記する。)増加することになる。
時刻T13から時刻T14までの動作は、時刻T09から時刻T10までの動作と同様に考えることができるので、時刻T13から時刻T14までの動作に対して、数式(E14)を用いると、配線B[j]から出力される差分電流は、ΔIB[j]=2k{VX[i,j]VW2[i]−VX[i+1,j]VW2[i+1]}となる。つまり、メモリセルAM[i,j]及びメモリセルAM[i+1,j]に格納されたそれぞれの第1アナログデータと、配線RW[i]及び配線RW[i+1]に印加された選択信号に相当するそれぞれの第2アナログデータと、の各々の積の足し合わせに対応したデータが、配線B[j]に電気的に接続されている出力端子SPT[j]から出力される。
また、同様に、配線B[j+1]から出力される差分電流は、ΔIB[j+1]=2k{VX[i,j+1]VW2[i]−VX[i+1,j+1]VW2[i+1]}となり、メモリセルAM[i,j+1]及びメモリセルAM[i+1,j+1]に格納されたそれぞれの第1アナログデータと、配線RW[i]及び配線RW[i+1]に印加された選択信号に相当するそれぞれの第2アナログデータと、の積に対応したデータが、配線B[j+1]に電気的に接続されている出力端子SPT[j+1]から出力される。
<<時刻T14以降>>
時刻T14以降において、配線RW[i]、配線RW[i+1]には接地電位を印加している。このとき、メモリセルAM[i,1]乃至メモリセルAM[i,n]、メモリセルAM[i+1,1]乃至メモリセルAM[i+1,n]、メモリセルAMref[i]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、接地電位が印加されるため、ノードN[i,1]乃至ノードN[i,n]、ノードN[i+1,1]乃至ノードN[i+1,n]、ノードNref[i]、及びノードNref[i+1]の電位は、それぞれ時刻T12から時刻T13までの間の電位に戻る。
以上のように、図11に示す回路を構成することによって、上述したニューラルネットワークの計算に必要な積和演算処理を実行できる。また、該積和演算はデジタル値による演算でないため、大規模なデジタル回路を構成する必要が無いため、回路規模をより小さくすることができる。
ここで、第1アナログデータを重み係数として、複数の第2アナログデータをニューロン出力に対応することで、各ニューロン出力の重み付け和の演算を並列して行うことができ、当該出力信号として重み付け和の演算の結果に対応したデータ、すなわちシナプス入力を取得することができる。具体的には、メモリセルAM[1,j]乃至メモリセルAM[m,j]に、第k層の第s[k]ニューロンの重み係数ws[k]・1 (k)乃至ws[k]・Q[k−1] (k)を第1アナログデータとして格納し、配線RW[1]乃至配線RW[m]にそれぞれ第(k−1)層の各ニューロンの出力信号z1・s[k] (k−1)乃至zQ[k−1]・s[k] (k−1)を第2アナログデータとして供給することで、第k層の第s[k]ニューロンに入力される信号の総和us[k] (k)を計算することができる。つまり、式(D1)に示した積和演算を半導体装置700によって実現することができる。
また、教師付き学習で重み係数の更新を行うとき、メモリセルAM[1,j]乃至メモリセルAM[m,j]に、第k層の第s[k]ニューロンから第(k+1)層の各ニューロンに信号が送られるときに掛けられる重み係数w1・s[k] (k+1)乃至wQ[k+1]s[k] (k+1)を第1アナログデータとして格納し、配線RW[1]乃至配線RW[m]に第(k+1)層の各ニューロンの誤差δ1 (k+1)乃至δQ[k+1] (k+1)を第2アナログデータとして供給すると、式(D3)におけるΣws[k+1]・s[k] (k+1)・δs[k+1] (k+1)の値を、配線B[j]に流れる差分電流ΔIB[j]から得ることができる。つまり、式(D3)に示した演算の一部を半導体装置700によって実現することができる。
ここで、センサ441と表示ユニット100を備える電子機器において、光センサ443から得ることができる外光の入射角度と照度の情報、そして該電子機器が有する加速度センサ446から得ることができる該電子機器の傾きの情報を、入力層(第1層)のニューロンへの入力データとし、該電子機器の利用者の好みの輝度及び色調に対応する設定値を教師データとする。これにより、情報処理回路465は、上述の階層型ニューラルネットワークの計算にしたがって、利用者の好みにあった輝度及び色調に対応する設定値を出力層(第L層)から出力することができる。
<階層型ニューラルネットワークを構成する回路例2>
次に、上述した半導体装置700とは別の積和演算処理回路の構成例について、説明する。
図20は、積和演算処理回路として、半導体装置800のブロック図を示している。半導体装置800は、オフセット回路810と、メモリセルアレイ720と、を有する。
オフセット回路810は、列出力回路COT[1]乃至列出力回路COT[n](ここでのnは1以上の整数である。)と、電流源回路CUREFと、を有する。
この階層型ニューラルネットワークを構成する回路例2の説明において、本回路例2のメモリセルアレイ720と、階層型ニューラルネットワークを構成する回路例1のメモリセルアレイ720とそれぞれに共通する箇所については、説明を省略する。また、本会路例2のメモリセルアレイ720が有するメモリセルAM、メモリセルAMref、及びそれらとの配線の接続構成についても同様である。
列出力回路COT[j]は、端子CT11[j]と、端子CT12[j]を有する。また、電流源回路CUREFは、端子CT13[1]乃至端子CT13[n]と、端子CTrefを有する。
配線ORPは、列出力回路COT[1]乃至列出力回路COT[n]に電気的に接続され、配線OSPは、列出力回路COT[1]乃至列出力回路COT[n]に電気的に接続され、配線ORMは、列出力回路COT[1]乃至列出力回路COT[n]に電気的に接続され、配線OSMは、列出力回路COT[1]乃至列出力回路COT[n]に電気的に接続されている。配線ORP、配線OSP、配線ORM、及び配線OSPは、オフセット回路810に制御信号を供給するための配線である。
列出力回路COT[j]の端子CT11[j]は、配線B[j]と電気的に接続されている。
電流源回路CUREFの端子CTrefは、配線Brefと電気的に接続されている。加えて、電流源回路CUREFの端子CT13[j]は、列出力回路COT[j]の端子CT12[j]と電気的に接続されている。
配線B[j]は、列出力回路COT[j]からメモリセルアレイ720のj列目に有するメモリセルAMに信号を供給する配線として機能する。
配線Brefは、電流源回路CUREFからメモリセルAMref[1]乃至メモリセルAMref[m]のそれぞれに信号を供給する配線として機能する。
なお、図20に示す半導体装置800は、オフセット回路810、メモリセルアレイ720、列出力回路COT[1]、列出力回路COT[j]、列出力回路COT[n]、電流源回路CUREF、端子CT11[1]、端子CT11[j]、端子CT11[n]、端子CT12[1]、端子CT12[j]、端子CT12[n]、端子CT13[1]、端子CT13[j]、端子CT13[n]、端子CTref、出力端子SPT[1]、出力端子SPT[j]、出力端子SPT[n]、メモリセルAM[1,1]、メモリセルAM[i,1]、メモリセルAM[m,1]、メモリセルAM[1,j]、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[m,j]、メモリセルAM[1,n]、メモリセルAM[i,n]、メモリセルAM[m,n]、メモリセルAMref[1]、メモリセルAMref[i]、メモリセルAMref[m]、配線OSP、配線ORP、配線ORM、配線OSM、配線B[1]、配線B[j]、配線B[n]、配線Bref、配線WD[1]、配線WD[j]、配線WD[n]、配線WDref、配線VR、配線RW[1]、配線RW[i]、配線RW[m]、配線WW[1]、配線WW[i]、配線WW[m]のみ図示しており、それ以外の回路、配線、素子、及びそれらの符号については省略している。
なお、図20に示す半導体装置800は構成例であり、状況に応じて、場合によって、又は、必要に応じて、半導体装置800の構成を変更することができる。例えば、半導体装置800の回路構成によっては、配線WD[j]と配線VRと、をまとめて1本の配線として共有する構成であってもよい。また、半導体装置800の回路構成によっては、配線ORPと配線OSPと、をまとめて1本の配線として共有し、また、配線ORMと配線OSMと、をまとめて1本の配線として共有する構成であってもよい。
<<オフセット回路810>>
次に、オフセット回路810に適用できる回路構成の例について説明する。図21に、オフセット回路810の一例として、オフセット回路811を示す。
オフセット回路811は、電源電圧の供給のため、配線VDD1L、及び配線VSSLと電気的に接続されている。具体的には、列出力回路COT[1]乃至列出力回路COT[n]は、それぞれ配線VDD1L、及び配線VSSLと電気的に接続され、電流源回路CUREFは、配線VDD1Lと電気的に接続されている。配線VDD1Lは、高レベル電位を与える配線であり、配線VSSLは、低レベル電位を与える配線である。
初めに、列出力回路COT[j]の内部の回路構成について説明する。列出力回路COT[j]は、回路SI[j]と、回路SO[j]と、配線OL[j]と、を有する。加えて、回路SI[j]は、トランジスタTr71乃至トランジスタTr73と、容量素子C71と、を有し、回路SO[j]は、トランジスタTr74乃至トランジスタTr76と、容量素子C72と、を有する。なお、トランジスタTr71乃至トランジスタTr73、トランジスタTr75、トランジスタTr76は、nチャネル型のトランジスタであり、トランジスタTr74は、pチャネル型のトランジスタである。
列出力回路COT[j]の回路SI[j]において、トランジスタTr71の第1端子は、配線OL[j]と電気的に接続され、トランジスタTr71の第2端子は、配線VSSLと電気的に接続され、トランジスタTr71のゲートは、容量素子C71の第1端子と電気的に接続されている。トランジスタTr72の第1端子は、配線OL[j]と電気的に接続され、トランジスタTr72の第2端子は、容量素子C71の第1端子と電気的に接続され、トランジスタTr72のゲートは、配線OSPと電気的に接続されている。トランジスタTr73の第1端子は、容量素子C71の第1端子と電気的に接続され、トランジスタTr73の第2端子は、配線VSSLと電気的に接続され、トランジスタTr73のゲートは、配線ORPと電気的に接続されている。容量素子C71の第2端子は、配線VSSLと電気的に接続されている。回路SI[j]をこのような構成にすることによって、回路SI[j]は、配線OL[j]に流れる電流を排出する電流シンク回路として機能する。
列出力回路COT[j]の回路SO[j]において、トランジスタTr74の第1端子は、配線OL[j]と電気的に接続され、トランジスタTr74の第2端子は、配線VDD1Lと電気的に接続され、トランジスタTr74のゲートは、容量素子C72の第1端子と電気的に接続されている。トランジスタTr75の第1端子は、配線OL[j]と電気的に接続され、トランジスタTr75の第2端子は、容量素子C72の第1端子と電気的に接続され、トランジスタTr75のゲートは、配線OSMと電気的に接続されている。トランジスタTr76の第1端子は、容量素子C72の第1端子と電気的に接続され、トランジスタTr76の第2端子は、配線VDD1Lと電気的に接続され、トランジスタTr76のゲートは、配線ORMと電気的に接続されている。容量素子C72の第2端子は、配線VDD1Lと電気的に接続されている。回路SO[j]をこのような構成にすることによって、回路SO[j]は、配線OL[j]に電流を吐き出す電流ソース回路として機能する。
なお、トランジスタTr71乃至トランジスタTr73、トランジスタTr75、トランジスタTr76は、それぞれOSトランジスタであることが好ましい。加えて、トランジスタTr71乃至トランジスタTr73、トランジスタTr75、トランジスタTr76のそれぞれのチャネル形成領域は、実施の形態9で説明するCAC−OSを有するのが好ましい。
OSトランジスタは、オフ電流が極めて小さいという特性を有する。そのため、OSトランジスタが非導通状態であるときにソース−ドレイン間に流れるリーク電流を非常に小さくすることができる。トランジスタTr71乃至トランジスタTr73、トランジスタTr75、トランジスタTr76として、OSトランジスタを用いることにより、トランジスタTr71乃至トランジスタTr73、トランジスタTr75、トランジスタTr76のそれぞれのリーク電流を抑えることができるため、計算精度の高い積和演算回路を実現できる場合がある。
次に、電流源回路CUREFの内部構成について説明する。電流源回路CUREFは、トランジスタTr77[1]乃至トランジスタTr77[n]と、トランジスタTr78と、を有する。なお、トランジスタTr77[1]乃至トランジスタTr77[n]と、トランジスタTr78と、は、それぞれpチャネル型トランジスタである。
トランジスタTr77[j]の第1端子は、端子CT13[j]と電気的に接続され、トランジスタTr77[j]の第2端子は、配線VDD1Lと電気的に接続され、トランジスタTr77[j]のゲートは、トランジスタTr78のゲートと電気的に接続されている。トランジスタTr78の第1端子は、端子CTrefと電気的に接続され、トランジスタTr78の第2端子は、配線VDD1Lと電気的に接続され、トランジスタTr78のゲートは、端子CTrefと電気的に接続されている。つまり、電流源回路CUREFは、カレントミラー回路として機能する。
そのため、電流源回路CUREFは、端子CTrefの電位を参照して、トランジスタTr78のソース−ドレイン間に流れる電流と、トランジスタTr77[j]のソース−ドレイン間に流れる電流と、のそれぞれを等しくする機能を有する。
なお、配線OL[j]は、列出力回路COT[j]の端子CT11[j]と、端子CT12[j]と、を電気的に接続する配線である。
なお、図21に示すオフセット回路811は、列出力回路COT[1]、列出力回路COT[j]、列出力回路COT[n]、電流源回路CUREF、回路SI[1]、回路SI[j]、回路SI[n]、回路SO[1]、回路SO[j]、回路SO[n]、端子CT11[1]、端子CT11[j]、端子CT11[n]、端子CT12[1]、端子CT12[j]、端子CT12[n]、端子CT13[1]、端子CT13[j]、端子CT13[n]、端子CTref、トランジスタTr71、トランジスタTr72、トランジスタTr73、トランジスタTr74、トランジスタTr75、トランジスタTr76、トランジスタTr77[1]、トランジスタTr77[j]、トランジスタTr77[n]、トランジスタTr78、容量素子C71、容量素子C72、配線OL[1]、配線OL[j]、配線OL[n]、配線ORP、配線OSP、配線ORM、配線OSM、配線B[1]、配線B[j]、配線B[n]、配線Bref、配線VDD1L、配線VSSLのみ図示しており、それ以外の回路、配線、素子、及びそれらの符号については省略している。
なお、図20のオフセット回路810の構成は、図21のオフセット回路811の構成に限定されない。状況に応じて、場合によって、又は、必要に応じて、オフセット回路811の構成を変更することができる。
<動作例2>
ここでは、半導体装置800の動作の一例について説明する。なお、本動作例で説明する半導体装置800は、オフセット回路810として、図22に示すオフセット回路815を適用し、かつ半導体装置800のメモリセルアレイ720として、図17に示すメモリセルアレイ760を適用した構成とする。
図22に示すオフセット回路815は、図21のオフセット回路811と同様の構成とであり、列出力回路COT[j]と、列出力回路COT[j+1]と、電流源回路CUREFと、を図示している。
なお、図22には、列出力回路COT[j]において、回路SO[j]のトランジスタTr74の第1端子とトランジスタTr75の第1端子との電気的接続点から配線OL[j]に流れる電流をIC[j]と記載し、列出力回路COT[j+1]において、回路SO[j+1]のトランジスタTr74の第1端子とトランジスタTr75の第1端子との電気的接続点から配線OL[j+1]に流れる電流をIC[j+1]と記載する。また、電流源回路CUREFにおいて、端子CT13[j]から流れる電流と、端子CT13[j+1]から流れる電流と、端子CTrefから流れる電流と、をICMrefと記載する。更に、列出力回路COT[j]において、配線OL[j]から回路SI[j]のトランジスタTr71の第1端子とトランジスタTr72の第1端子との電気的接続点に流れる電流をICP[j]と記載し、列出力回路COT[j+1]において、配線OL[j+1]から回路SI[j+1]のトランジスタTr71の第1端子とトランジスタTr72の第1端子との電気的接続点に流れる電流をICP[j+1]と記載する。そして、列出力回路COT[j]の端子CT11[j]から配線B[j]に出力する電流をIB[j]と記載し、列出力回路COT[j+1]の端子CT11[j+1]から配線B[j+1]に出力する電流をIB[j+1]と記載する。
動作例2で説明するメモリセルアレイ760については、動作例1のメモリセルアレイ760の説明を参酌する。
図23乃至図25に、半導体装置800の動作例のタイミングチャートを示す。図23のタイミングチャートは、時刻T01乃至時刻T05における、配線WW[i]、配線WW[i+1]、配線WD[j]、配線WD[j+1]、配線WDref、ノードN[i,j]、ノードN[i,j+1]、ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、ノードNref[i]、ノードNref[i+1]、配線RW[i]、及び配線RW[i+1]の電位の変動を示し、電流ΣI[i,j]、電流ΣI[i,j+1]、及び電流IBrefの大きさの変動を示している。なお、電流ΣI[i,j]は、メモリセルAM[i,j]のトランジスタTr62に流れる電流をiについて和をとった値であり、電流ΣI[i,j+1]は、メモリセルAM[i,j+1]のトランジスタTr62に流れる電流をiについて和をとった値である。また、図23のタイミングチャートにおいて、配線ORP、配線OSP、配線ORM、及び配線OSMの電位は、常に低レベル電位である(図示しない。)。
図24のタイミングチャートは、図23のタイミングチャートの時刻T05より先の時刻の動作を示しており、時刻T11まで記載している。図24のタイミングチャートは、時刻T06乃至時刻T11における配線ORP、配線OSP、配線ORM、及び配線OSMの電位の変動を示している。なお、時刻T06乃至時刻T11において、配線WW[i]、配線WW[i+1]、配線WD[j]、配線WD[j+1]、配線WDref、ノードN[i,j]、ノードN[i,j+1]、ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、ノードNref[i]、ノードNref[i+1]、配線RW[i]、及び配線RW[i+1]の電位の変動はなく、また、電流ΣI[i,j]、電流ΣI[i,j+1]、及び電流IBrefの大きさの変動はないので、図24では省略している。
図25のタイミングチャートは、図24のタイミングチャートの時刻T11より先の時刻の動作を示しており、時刻T17まで記載している。図23のタイミングチャートは、時刻T12乃至時刻T17におけるノードN[i,j]、ノードN[i,j+1]、ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、ノードNref[i]、ノードNref[i+1]、配線RW[i]、及び配線RW[i+1]の電位の変動を示し、電流ΣI[i,j]、電流ΣI[i,j+1]、及び電流IBrefの大きさの変動を示している。なお、配線WW[i]、配線WW[i+1]、配線ORP、配線OSP、配線ORM、及び配線OSMのそれぞれの電位は、低レベル電位のまま変動せず、配線WD[j]、配線WD[j+1]、配線WDrefのそれぞれの電位は、接地電位のまま変動しないため、図25のタイミングチャートでは、配線WW[i]、配線WW[i+1]、配線WD[j]、配線WD[j+1]、配線WDref、配線ORP、配線OSP、配線ORM、及び配線OSMの電位の変動の記載を省略している。また、図25のタイミングチャートは、後述するΔIB[j]、ΔIB[j+1]の電流の大きさの変動も記載している。
<<時刻T01から時刻T02まで>>
時刻T01から時刻T02までにおいて、配線WW[i]に高レベル電位(図23ではHighと表記している。)が印加され、配線WW[i+1]に低レベル電位(図23ではLowと表記している。)が印加されている。加えて、配線WD[j]には接地電位(図23ではGNDと表記している。)よりもVPR−VX[i,j]大きい電位が印加され、配線WD[j+1]には接地電位よりもVPR−VX[i,j+1]大きい電位が印加され、配線WDrefには接地電位よりもVPR大きい電位が印加されている。更に、配線RW[i]、及び配線RW[i+1]にはそれぞれ基準電位(図23ではREFPと表記している。)が印加されている。
なお、電位VX[i,j]、及び電位VX[i,j+1]は、第1アナログデータに対応する電位である。また、電位VPRは、参照アナログデータに対応する電位である。
このとき、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr61のゲートに高レベル電位が印加されるため、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr61は、導通状態となる。そのため、メモリセルAM[i,j]において、配線WD[j]とノードN[i,j]とが電気的に接続されるため、ノードN[i,j]の電位は、VPR−VX[i,j]となる。同様に、メモリセルAM[i,j+1]において、配線WD[j+1]とノードN[i,j+1]とが電気的に接続されるため、ノードN[i,j+1]の電位は、VPR−VX[i,j+1]となり、メモリセルAMref[i]において、配線WDrefとノードNref[i]とが電気的に接続されるため、ノードNref[i]の電位は、VPRとなる。
ここで、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr62の第1端子から第2端子に流れる電流を考える。配線B[j]からメモリセルAM[i,j]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流I0[i,j]は、動作例1で説明した数式(E1)で表すことができる。
kは、トランジスタTr62のチャネル長、チャネル幅、移動度、及びゲート絶縁膜の容量などで決まる定数である。また、Vthは、トランジスタTr62のしきい値電圧である。
このとき、列出力回路COT[j]の端子CT11[j]から配線B[j]に流れる電流は、I0[i,j]となる。
同様に、配線B[j+1]から、メモリセルAM[i,j+1]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流I0[i,j+1]は、動作例1で説明した数式(E2)で表すことができる。
このとき、列出力回路COT[j+1]の端子CT11[j+1]から配線B[j+1]に流れる電流は、I0[i,j+1]となる。
更に、配線BrefからメモリセルAMref[i]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流Iref0[i]は、動作例1で説明した数式(E3)で表すことができる。
このとき、電流源回路CUREFの端子CTrefから配線Brefに流れる電流は、Iref0[i]となる。
なお、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61のゲートに低レベル電位が印加されるため、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61は、非導通状態となる。このため、ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、及びノードNref[i+1]への電位の保持は行われない。
<<時刻T02から時刻T03まで>>
時刻T02から時刻T03までの間において、配線WW[i]に低レベル電位が印加される。このとき、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr61のゲートに低レベル電位が印加されるため、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr61は非導通状態となる。
また、配線WW[i+1]には、時刻T02以前から引き続き、低レベル電位が印加されている。このため、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61は、時刻T02以前から非導通状態となっている。
上述のとおり、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、メモリセルAMref[i]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61は非導通状態となっているため、時刻T02から時刻T03までの間では、ノードN[i,j]、ノードN[i,j+1]、ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、ノードNref[i]、及びノードNref[i+1]のそれぞれの電位が保持される。
特に、半導体装置700の回路構成で述べたのと同様に、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、メモリセルAMref[i]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61にOSトランジスタを適用することによって、トランジスタTr61のソース−ドレイン間に流れるリーク電流を小さくすることができるため、それぞれのノードの電位を長時間保持することができる。
時刻T02から時刻T03までの間において、配線WD[j]、配線WD[j+1]、及び配線WDrefには接地電位が印加されている。メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、メモリセルAMref[i]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61は、非導通状態となっているため、配線WD[j]、配線WD[j+1]、及び配線WDrefからの電位の印加によって、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、メモリセルAMref[i]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのノードに保持されている電位が書き換えられることは無い。
<<時刻T03から時刻T04まで>>
時刻T03から時刻T04までの間において、配線WW[i]に低レベル電位が印加され、配線WW[i+1]に高レベル電位が印加されている。加えて、配線WD[j]には接地電位よりもVPR−VX[i+1,j]大きい電位が印加され、配線WD[j+1]には接地電位よりもVPR−VX[i+1,j+1]大きい電位が印加され、配線WDrefには接地電位よりもVPR大きい電位が印加されている。更に、時刻T02から引き続き、配線RW[i]、及び配線RW[i+1]には、それぞれ基準電位が印加されている。
なお、電位VX[i+1,j]、及び電位VX[i+1,j+1]は、第1アナログデータに対応する電位である。
このとき、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61のゲートに高レベル電位が印加されるため、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr61は、導通状態となる。そのため、メモリセルAM[i+1,j]において、配線WD[j]とノードN[i+1,j]とが電気的に接続されるため、ノードN[i+1,j]の電位は、VPR−VX[i+1,j]となる。同様に、メモリセルAM[i+1,j+1]において、配線WD[j+1]とノードN[i+1,j+1]とが電気的に接続されるため、ノードN[i+1,j+1]の電位は、VPR−VX[i+1,j+1]となり、メモリセルAMref[i+1]において、配線WDrefとノードNref[i+1]とが電気的に接続されるため、ノードNref[i+1]の電位は、VPRとなる。
ここで、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr62の第1端子から第2端子に流れる電流を考える。配線B[j]からメモリセルAM[i+1,j]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流I0[i+1,j]は、動作例1で説明した数式(E4)で表すことができる。
このとき、列出力回路COT[j]の端子CT11[j]から配線B[j]に流れる電流は、I0[i,j]+I0[i+1,j]となる。
同様に、配線B[j+1]からメモリセルAM[i+1,j+1]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流I0[i+1,j+1]は、動作例1で説明した数式(E5)で表すことができる。
このとき、列出力回路COT[j+1]の端子CT11[j+1]から配線B[j+1]に流れる電流は、I0[i,j+1]+I0[i+1,j+1]となる。
更に、配線BrefからメモリセルAMref[i+1]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流Iref0[i+1]は、動作例1で説明した数式(E6)で表すことができる。
このとき、電流源回路CUREFの端子CTrefから配線Brefに流れる電流は、Iref0[i]+Iref0[i+1]となる。
<<時刻T04から時刻T05まで>>
時刻T04から時刻T05までの間において、時刻T01から時刻T02までの間の動作、又は時刻T03から時刻T04までの間の動作と同様に、残りのメモリセルAMに第1アナログデータに対応する電位が書き込まれ、残りのメモリセルAMrefに電位VPRが書き込まれるものとする。したがって、全てのメモリセルAMのそれぞれのトランジスタTr62に流れる電流の総和は、列出力回路COT[j]の端子CT11[j]からB[j]に流れる電流となり、ΣI0[i,j](このΣはiについて和をとっている。)となる。
ここで、電流源回路CUREFについて着目する。電流源回路CUREFの端子CTrefと電気的に接続されている配線Brefには、メモリセルAMref[1]乃至メモリセルAMref[m]のそれぞれのトランジスタTr62に流れる電流を足し合わせた電流が流れる。つまり、配線Brefには、IBref=ΣIref0[i](このΣはiについて和をとっている。)の電流が流れるため、該電流は、電流源回路CUREFの端子CTrefの電位に応じて、トランジスタTr78の第2端子から第1端子への方向に出力される。
ところで、図23において、電流源回路CUREFの端子CTrefから出力される電流をICMrefと記載しているが、本明細書では、時刻T01から時刻T09において、電流源回路CUREFの端子CTrefから出力される電流をICMref0と記載する。
したがって、電流源回路CUREFの端子CTrefから出力される電流ICMref0は、次の式のように示すことができる。
なお、電流源回路CUREFは、トランジスタTr77[1]乃至トランジスタTr77[n]のゲートの電位がトランジスタTr78のゲートの電位(端子CTrefの電位)と等しいため、端子CT13[1]乃至端子CT13[n]のそれぞれから同じ電流ICMref0を出力する。ただし、トランジスタTr77[1]乃至トランジスタTr77[n]とトランジスタTr78と、のそれぞれのトランジスタサイズ、構成は同じものとする。
<<時刻T06から時刻T07まで>>
時刻T06以降かつ時刻T11以前については、図24を用いて説明する。時刻T06から時刻T07までの間において、配線ORPを高レベル電位とし、配線ORMを高レベル電位とする。このとき、回路SI[1]乃至回路SI[n]のそれぞれのトランジスタTr73のゲートに高レベル電位が印加されるため、トランジスタTr73は導通状態となる。そのため、回路SI[1]乃至回路SI[n]のそれぞれの容量素子C71の第1端子に低レベル電位が印加され、容量素子C51の電位が初期化される。また、回路SO[1]乃至回路SO[n]のそれぞれのトランジスタTr76のゲートに高レベル電位が印加されるため、トランジスタTr76は導通状態となる。そのため、列出力回路OUT[1]乃至列出力回路OUT[n]のそれぞれの容量素子C72の第1端子に低レベル電位が印加され、容量素子C72の電位が初期化される。なお、時刻T06の時点において、配線OSPには低レベル電位が印加されて、回路SI[1]乃至回路SI[n]のそれぞれのトランジスタTr73を非導通状態とし、配線OSMには低レベル電位が印加されて、回路SO[1]乃至回路SO[n]のそれぞれのトランジスタTr76を非導通状態としている。
<<時刻T07から時刻T08まで>>
時刻T07から時刻T08までの間において、配線ORP及び配線ORMを低レベル電位とする。このとき、回路SI[1]乃至回路SI[n]のそれぞれのトランジスタTr73のゲートに低レベル電位が印加されるため、トランジスタTr73は非導通状態となる。また、回路SO[1]乃至回路SO[n]のそれぞれのトランジスタTr76のゲートに低レベル電位が印加されるため、トランジスタTr76は非導通状態となる。
<<時刻T08から時刻T09まで>>
時刻T08から時刻T09までの間において、配線OSPを高レベル電位とする。このとき、回路SI[1]乃至回路SI[n]のそれぞれのトランジスタTr72のゲートに高レベル電位が印加されるため、トランジスタTr72は導通状態となる。ところで、列出力回路COT[j]から出力される電流IB[j]は、ΣI0[i,j](このΣはiについて和をとっている。)となる。ここで、電流IB[j]よりも電流ICMref0が大きいとき、トランジスタTr72の第1端子から、トランジスタTr72の第2端子を経由して、容量素子C71の第1端子に電流が流れ、容量素子C71によって正の電位が保持される。これにより、トランジスタTr71のゲートの電位が保持されるため、トランジスタTr71のソース−ドレイン間に、トランジスタTr71のゲートの電位に応じた電流が流れる。
なお、時刻T09の時点において、配線OSPには低レベル電位を印加して、回路SI[1]乃至回路SI[n]のそれぞれのトランジスタTr72を非導通状態としている。このとき、トランジスタTr71のゲートの電位は、容量素子C71によって保持されているため、時刻T09以降もトランジスタTr71のソース−ドレイン間に同じ大きさの電流が流れ続ける。
<<時刻T10から時刻T11まで>>
時刻T10から時刻T11までの間において、配線OSMを高レベル電位とする。このとき、回路SO[1]乃至回路SO[n]のそれぞれのトランジスタTr75のゲートに高レベル電位が印加されるため、トランジスタTr75は導通状態となる。ところで、列出力回路COT[j]から出力される電流IB[j]は、ΣI0[i,j](このΣはiについて和をとっている。)となる。ここで、電流IB[j]よりも電流ICMref0が小さいとき、容量素子C72の第1端子から、トランジスタTr75の第2端子を経由して、トランジスタTr75の第1端子に電流が流れ、容量素子C72によって負の電位が保持される。これにより、トランジスタTr74のゲートの電位が保持されるため、トランジスタTr74のソース−ドレイン間に、トランジスタTr74のゲートの電位に応じた電流が流れる。
なお、時刻T11の時点において、配線OSMには低レベル電位を印加して、回路SO[1]乃至回路SO[n]のそれぞれのトランジスタTr75を非導通状態としている。このとき、トランジスタTr74のゲートの電位は、容量素子C72によって保持されているため、時刻T11以降もトランジスタTr74のソース−ドレイン間に同じ大きさの電流が流れ続ける。
なお、図24のタイミングチャートでは、トランジスタTr72の導通状態、又は非導通状態の切り替え動作(時刻T08から時刻T09までの間の動作)は、トランジスタTr75を導通状態、又は非導通状態の切り替え動作(時刻T10から時刻T11までの間の動作)の前に行っていたが、オフセット回路815の動作の順序はこれに限定されない。例えば、トランジスタTr75を導通状態、又は非導通状態の切り替え動作(時刻T10から時刻T11までの間の動作)を先に行い、後に、トランジスタTr72の導通状態、又は非導通状態の切り替え動作(時刻T08から時刻T09までの間の動作)を行ってもよい。
ここで、時刻T06以降から時刻T12(図25に記載)までにおける、列出力回路COT[j]に着目する。列出力回路COT[j]において、配線OL[j]からトランジスタTr71の第1端子に流れる電流をICP[j]とし、トランジスタTr74の第1端子から配線OL[j]に流れる電流をIC[j]とする。また、列出力回路COT[j]の端子CT12[j]には、電流源回路CUREFの端子CT13[j]からの電流ICMref0が入力される。時刻T1から時刻T12までの間では出力端子SPT[j]から電流を出力しないものとした場合、列出力回路COT[j]と電気的に接続されている配線B[j]には、メモリセルAM[1,j]乃至メモリセルAM[n,j]のそれぞれのトランジスタTr62に流れる電流を足し合わせた電流が流れる。つまり、配線B[j]には、ΣI0[i,j](このΣはiについて和をとっている。)の電流が流れる。時刻T06から時刻T12までの間では、列出力回路COT[j]において、入力される電流ICMref0と出力されるΣI0[i,j]と、に過不足が生じたとき、回路SO[j]によって電流IC[j]を配線OL[j]に供給する、又は、回路SI[j]によって電流ICP[j]を配線OL[j]から排出する、動作が行われる。したがって、上記より次の式が成り立つ。
<<時刻T12から時刻T13まで>>
時刻T12以降は、図25を用いて説明する。時刻T12から時刻T13までにおいて、配線RW[i]に基準電位(図25ではREFPと表記している。)よりもVW[i]高い電位が印加される。このとき、メモリセルAM[i,1]乃至メモリセルAM[i,n]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位VW[i]が印加されるため、トランジスタTr62のゲートの電位が上昇する。
なお、電位VW[i]は、第2アナログデータに対応する電位である。
なお、トランジスタTr62のゲートの電位の増加分は、配線RW[i]の電位変化に、メモリセルの構成によって決まる容量結合係数を乗じた電位となる。該容量結合係数は、容量素子C52の容量、トランジスタTr62のゲート容量、及び寄生容量によって算出される。本動作例では、説明の煩雑さを避けるため、配線RW[i]の電位の増加分もトランジスタTr62のゲートの電位の増加分も同じ値として説明する。これは、メモリセルAM、及びメモリセルAMrefにおけるそれぞれの容量結合係数を1としていることに相当する。
容量結合係数を1としているため、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位VW[i]が印加されることによって、ノードN[i,j]、ノードN[i,j+1]、及びノードNref[i]の電位は、それぞれVW[i]上昇する。
ここで、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr62の第1端子から第2端子に流れる電流を考える。配線B[j]からメモリセルAM[i,j]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流I[i,j]は、動作例1で説明した数式(E9)で表すことができる。
つまり、配線RW[i]に電位VW[i]を印加することによって、配線B[j]からメモリセルAM[i,j]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流は、I[i,j]−I0[i,j](図25では、ΔI[i,j]と表記する。)増加する。
同様に、配線B[j+1]からメモリセルAM[i,j+1]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流I[i,j+1]は、動作例1で説明した数式(E10)で表すことができる。
つまり、配線RW[i]に電位VW[i]を印加することによって、配線B[j+1]からメモリセルAM[i,j+1]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流は、I[i,j+1]−I0[i,j+1](図25では、ΔI[i,j+1]と表記する。)増加する。
更に、配線BrefからメモリセルAMref[i]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流Iref[i]は、動作例1で説明した数式(E11)で表すことができる。
つまり、配線RW[i]に電位VW[i]を印加することによって、配線BrefからメモリセルAMref[i]のトランジスタTr62の第1端子を介して第2端子に流れる電流は、Iref[i]−Iref0[i](図25では、ΔIref[i]と表記する。)増加する。
ここで、電流源回路CUREFについて着目する。電流源回路CUREFと電気的に接続されている配線Brefには、メモリセルAMref[1]乃至メモリセルAMref[n]のそれぞれのトランジスタTr62に流れる電流を足し合わせた電流が流れる。つまり、配線Brefには、IBref=ΣIref[i](このΣはiについて和をとっている。)の電流が流れる。該電流は、電流源回路CUREFの端子CTrefの電位に応じて、トランジスタTr78の第2端子から第1端子への方向に出力される。
したがって、電流源回路CUREFの端子CTrefから出力される電流ICMrefは、次の式のように示すことができる。
なお、電流源回路CUREFは、トランジスタTr77[1]乃至トランジスタTr77[n]のゲートの電位がトランジスタTr78のゲートの電位(端子CTrefの電位)と等しいため、端子CT13[1]乃至端子CT13[n]のそれぞれから同じ電流ICMrefを出力する。
ここで、配線B[j]から出力される電流ΔIB[j]について考える。時刻T11乃至時刻T12では、数式(E16)を満たすため、配線B[j]に電気的に接続されている端子SPT[j]から電流ΔIB[j]は出力されない。
時刻T12から時刻T13までの間においては、配線RW[i]に基準電位よりもVW[i]高い電位が印加されて、メモリセルAM[i,j]のトランジスタTr62に流れるソース−ドレイン間電流が変化するため、配線B[j]に電気的に接続されている出力端子SPT[j]から電流ΔIB[j]が出力される。具体的には、列出力回路COT[j]において、回路SOでは、トランジスタTr74の第1端子から配線OL[j]に電流IC[j]が流れ、回路SIでは、配線OL[j]からトランジスタTr71の第1端子に電流ICP[j]が流れる。そして、列出力回路COT[j]の端子CT12[j]には、電流源回路CUREFの端子CT13[j]からの電流ICMrefが入力されるため、電流ΔIB[j]は、メモリセルAM[i,j]のトランジスタTr62に流れるソース−ドレイン電流をiについて足し合わせたΣI[i,j]を用いて、次の式で表すことができる。
数式(E18)に、数式(E1)、数式(E3)、数式(E9)、数式(E11)数式(E15)、数式(E16)、数式(E17)を用いることで、動作例1で説明した式(E14)と同じ式が得られる。
つまり、数式(E14)より、電流ΔIB[j]は、複数の第1アナログデータである電位VX[i,j]と、複数の第2アナログデータである電位VW[i]と、の積の和に応じた値となる。つまり、電流ΔIB[j]を計測することによって、第1アナログデータと第2アナログデータとの積和値を求めることができる。
時刻T12から時刻T13までの間において、配線RW[i]を除く配線RW[1]乃至配線RW[m]のそれぞれの電位を基準電位にしたとき、VW[g]=0(ここでのgは1以上m以下であり、かつiではない整数である。)となるので、数式(E9)より、ΔIB[j]=2kVX[i,j]VW[i]が出力される。つまり、メモリセルAM[i,j]に格納された第1アナログデータと、配線RW[i]に印加された選択信号に相当する第2アナログデータと、の積に対応したデータが、配線B[j]に電気的に接続されている出力端子SPT[j]から出力される。
また、同様に、配線B[j+1]に電気的に接続されている出力端子SPT[j+1]から出力される差分電流は、ΔIB[j+1]=2kVX[i,j+1]VW[i]となり、メモリセルAM[i,j+1]に格納された第1アナログデータと、配線RW[i]に印加された選択信号に相当する第2アナログデータと、の積に対応したデータが、配線B[j+1]に電気的に接続されている出力端子SPT[j+1]から出力される。
<<時刻T13から時刻T14まで>>
時刻T13から時刻T14までの間において、配線RW[i]には接地電位が印加されている。このとき、メモリセルAM[i,1]乃至メモリセルAM[i,n]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、接地電位が印加されるため、ノードN[i,1]乃至ノードN[i,n]、及びノードNref[i]の電位は、それぞれ時刻T11から時刻T12までの間の電位に戻る。
<<時刻T14から時刻T15まで>>
時刻T14から時刻T15までの間において、配線RW[i+1]を除く配線RW[1]乃至配線RW[m]のそれぞれの電位を基準電位とし、配線RW[i+1]に基準電位よりもVW[i+1]高い電位を印加するものとする。このとき、時刻T12から時刻T13までの動作と同様に、メモリセルAM[i+1,1]乃至メモリセルAM[i+1,n]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位VW[i+1]が印加されるため、トランジスタTr62のゲートの電位が上昇する。
なお、電位VW[i+1]は、第2アナログデータに対応する電位である。
なお、先述のとおり、メモリセルAM、及びメモリセルAMrefにおけるそれぞれの容量結合係数を1としているため、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位VW[i+1]が印加されることによって、ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、及びノードNref[i+1]の電位は、それぞれVW[i+1]上昇する。
ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、及びノードNref[i+1]の電位がそれぞれVW[i+1]上昇することにより、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr62に流れる電流の量が増加する。メモリセルAM[i+1,j]のトランジスタTr62に流れる電流をI[i+1,j]としたとき、列出力回路COT[j]の端子CT11[j]から配線B[j]に流れる電流は、I[i+1,j]−I0[i+1,j](図25では、ΔI[i+1,j]と表記する。)増加することになる。同様に、メモリセルAM[i+1,j+1]のトランジスタTr62に流れる電流をI[i+1,j+1]としたとき、列出力回路COT[j+1]の端子CT11[j+1]から配線B[j+1]に流れる電流は、I[i+1,j+1]−I0[i+1,j+1](図25では、ΔI[i+1,j+1]と表記する。)増加することになる。更に、メモリセルAMref[i+1]のトランジスタTr62に流れる電流をIref[i+1]としたとき、電流源回路CUREFの出力端子CTrefから配線Brefに流れる電流は、Iref[i+1]−Iref0[i+1](図25では、ΔIref[i+1]と表記する。)増加することになる。
時刻T14から時刻T15までの間の動作は、時刻T12から時刻T13までの動作と同様に考えることができるので、時刻T14から時刻T15までの動作に対して、数式(E9)を用いると、配線B[j]から出力される差分電流は、ΔIB[j]=2kVX[i+1,j]VW[i+1]となる。つまり、メモリセルAM[i+1,j]に格納された第1アナログデータと、配線RW[i+1]に印加された選択信号に相当する第2アナログデータと、の積に対応したデータが、配線B[j]に電気的に接続されている出力端子SPT[j]から出力される。
また、同様に、配線B[j+1]から出力される差分電流は、ΔIB[j+1]=2kVX[i+1,j+1]VW[i+1]となり、メモリセルAM[i+1,j+1]に格納された第1アナログデータと、配線RW[i+1]に印加された選択信号に相当する第2アナログデータと、の積に対応したデータが、配線B[j+1]に電気的に接続されている出力端子SPT[j+1]から出力される。
<<時刻T15から時刻T16まで>>
時刻T12から時刻T13までにおいて、配線RW[i+1]には接地電位を印加している。このとき、メモリセルAM[i+1,1]乃至メモリセルAM[i+1,n]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、接地電位が印加されるため、ノードN[i+1,1]乃至ノードN[i+1,n]、及びノードNref[i+1]の電位は、それぞれ時刻T13から時刻T14までの間の電位に戻る。
<<時刻T16から時刻T17まで>>
時刻T16から時刻T17までの間において、配線RW[i]、及び配線RW[i+1]を除く配線RW[1]乃至配線RW[m]のそれぞれの電位を基準電位とし、配線RW[i]に基準電位よりもVW2[i]高い電位を印加し、配線RW[i+1]に基準電位よりもVW2[i+1]低い電位を印加するものとする。このとき、時刻T12から時刻T13までの動作と同様に、メモリセルAM[i,1]乃至メモリセルAM[i,n]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位VW2[i]が印加されるため、メモリセルAM[i,1]乃至メモリセルAM[i,n]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr62のゲートの電位が上昇する。同時に、メモリセルAM[i+1,1]乃至メモリセルAM[i+1,n]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位−VW2[i+1]が印加されるため、メモリセルAM[i+1,1]乃至メモリセルAM[i+1,n]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr62のゲートの電位が下降する。
なお、電位VW2[i]、及び電位VW2[i+1]は、第2アナログデータに対応する電位である。
なお、メモリセルAM、及びメモリセルAMrefにおけるそれぞれの容量結合係数を1としているため、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位VW2[i]が印加されることによって、ノードN[i,j]、ノードN[i,j+1]、及びノードNref[i]の電位は、それぞれVW2[i]上昇する。また、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、電位−VW2[i+1]が印加されることによって、ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、及びノードNref[i+1]の電位は、それぞれVW2[i+1]下降する。
ノードN[i,j]、ノードN[i,j+1]、及びノードNref[i]の電位がそれぞれVW2[i]上昇することにより、メモリセルAM[i,j]、メモリセルAM[i,j+1]、及びメモリセルAMref[i]のそれぞれのトランジスタTr62に流れる電流の量が増加する。ここで、メモリセルAM[i,j]のトランジスタTr62に流れる電流をI[i,j]とし、メモリセルAM[i,j+1]のトランジスタTr62に流れる電流をI[i,j+1]とし、メモリセルAMref[i]のトランジスタTr62に流れる電流をIref[i]とする。
また、ノードN[i+1,j]、ノードN[i+1,j+1]、及びノードNref[i+1]の電位がそれぞれVW2[i+1]下降することにより、メモリセルAM[i+1,j]、メモリセルAM[i+1,j+1]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれのトランジスタTr62に流れる電流の量が減少する。ここで、メモリセルAM[i+1,j]のトランジスタTr62に流れる電流をI2[i,j]とし、メモリセルAM[i+1,j+1]のトランジスタTr62に流れる電流をI2[i,j+1]とし、メモリセルAMref[i+1]のトランジスタTr62に流れる電流をI2ref[i+1]とする。
このとき、列出力回路COT[j]の端子CT11[j]から配線B[j]に流れる電流は、(I2[i,j]−I0[i,j])+(I2[i+1,j]−I0[i+1,j])(図25では、ΔI[j]と表記する。)増加することになる。また、列出力回路COT[j+1]の端子CT11[j+1]から配線B[j+1]に流れる電流は、(I2[i,j+1]−I0[i,j+1])+(I2[i+1,j+1]−I0[i+1,j+1])(図25では、ΔI[j+1]と表記し、ΔI[j+1]は負の電流であるとする。)増加することになる。そして、電流源回路CUREFの出力端子CTrefから配線Brefに流れる電流は、Iref[i,j]−Iref0[i,j]+Iref[i+1,j]−Iref0[i+1,j](図25では、ΔIBrefと表記する。)増加することになる。
時刻T16から時刻T17までの間の動作は、時刻T12から時刻T13までの間の動作と同様に考えることができるので、時刻T16から時刻T17までの間の動作に対して、数式(E9)を用いると、配線B[j]から出力される差分電流は、ΔIB[j]=2k{VX[i,j]VW2[i]−VX[i+1,j]VW2[i+1]}となる。つまり、メモリセルAM[i,j]及びメモリセルAM[i+1,j]に格納されたそれぞれの第1アナログデータと、配線RW[i]及び配線RW[i+1]に印加された選択信号に相当するそれぞれの第2アナログデータと、の各々の積の足し合わせに対応したデータが、配線B[j]に電気的に接続されている出力端子SPT[j]から出力される。
また、同様に、配線B[j+1]から出力される差分電流は、ΔIB[j+1]=2k{VX[i,j+1]VW2[i]−VX[i+1,j+1]VW2[i+1]}となり、メモリセルAM[i,j+1]及びメモリセルAM[i+1,j+1]に格納されたそれぞれの第1アナログデータと、配線RW[i]及び配線RW[i+1]に印加された選択信号に相当するそれぞれの第2アナログデータと、の積に対応したデータが、配線B[j+1]に電気的に接続されている出力端子SPT[j+1]から出力される。
<<時刻T17以降>>
時刻T17以降において、配線RW[i]、配線RW[i+1]には接地電位が印加されている。このとき、メモリセルAM[i,1]乃至メモリセルAM[i,n]、メモリセルAM[i+1,1]乃至メモリセルAM[i+1,n]、メモリセルAMref[i]、及びメモリセルAMref[i+1]のそれぞれの容量素子C52の第2端子に、接地電位が印加されるため、ノードN[i,1]乃至ノードN[i,n]、ノードN[i+1,1]乃至ノードN[i+1,n]、ノードNref[i]、及びノードNref[i+1]の電位は、それぞれ時刻T15から時刻T16までの間の電位に戻る。
以上のように、図11とは異なる回路として、図20に示す回路を構成することによって、上述したニューラルネットワークの計算に必要な積和演算処理を実行できる。また、該積和演算はデジタル値による演算でないため、大規模なデジタル回路を構成する必要が無いため、回路規模をより小さくすることができる。
階層型ニューラルネットワークを構成する回路例1及び階層型ニューラルネットワークを構成する回路例2において、第1アナログデータを重み係数として、複数の第2アナログデータをニューロン出力に対応することで、各ニューロン出力の重み付け和の演算を並列して行うことができ、当該出力信号として重み付け和の演算の結果に対応したデータ、すなわちシナプス入力を取得することができる。具体的には、メモリセルAM[1,j]乃至メモリセルAM[m,j]に、第k層の第s[k]ニューロンの重み係数ws[k]・1 (k)乃至ws[k]・Q[k−1] (k)を第1アナログデータとして格納し、配線RW[1]乃至配線RW[m]にそれぞれ第(k−1)層の各ニューロンの出力信号z1・s[k] (k−1)乃至zQ[k−1]・s[k] (k−1)を第2アナログデータとして供給することで、第k層の第s[k]ニューロンに入力される信号の総和us[k] (k)を計算することができる。つまり、式(D1)に示した積和演算を半導体装置700、又は半導体装置800によって実現することができる。
また、教師付き学習で重み係数の更新を行うとき、メモリセルAM[1,j]乃至メモリセルAM[m,j]に、第k層の第s[k]ニューロンから第(k+1)層の各ニューロンに信号が送られるときに掛かる重み係数w1・s[k] (k+1)乃至wQ[k+1]s[k] (k+1)を第1アナログデータとして格納し、配線RW[1]乃至配線RW[m]に第(k+1)層の各ニューロンの誤差δ1 (k+1)乃至δQ[k+1] (k+1)を第2アナログデータとして供給すると、式(D3)におけるΣws[k+1]・s[k] (k+1)・δs[k+1] (k+1)の値を、配線B[j]に流れる差分電流ΔIB[j]から得ることができる。つまり、式(D3)に示した演算の一部を半導体装置700又は、半導体装置800によって実現することができる。
ここで、センサ441と表示ユニット100を備える電子機器において、光センサ443から得ることができる外光の入射角度と照度の情報、そして該電子機器が有する加速度センサ446から得ることができる該電子機器の傾きの情報を、入力層(第1層)のニューロンへの入力データとし、該電子機器の利用者の好みの輝度及び色調に対応する設定値を教師データとする。これにより、情報処理回路465は、上述の階層型ニューラルネットワークの計算にしたがって、利用者の好みにあった輝度及び色調に対応する設定値を出力層(第L層)から出力することができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
(実施の形態3)
本実施の形態では、実施の形態1で説明した表示ユニット100又は表示ユニット100Aの輝度、及び色調を調整する動作例(調光、及び調色の動作例)について説明する。なお、輝度、及び色調の調整には、図1の構成例の場合では、ホスト装置440と、センサ441と、コントローラIC400の画像処理部460と、を用いて、実施の形態2で説明したニューラルネットワークの計算を行い、また、図6の構成例の場合では、ホスト装置440と、センサ441と、コントローラIC400Aの画像処理部460と、を用いて、実施の形態2で説明したニューラルネットワークの計算を行う。
図26及び図27に、該動作例を示すフローチャートを示す。表示装置の輝度、及び色調の調整は、ステップS1−0乃至ステップS1−5、及びステップS2−1乃至ステップS2−6を経ることによって行われる。なお、ステップS1−0乃至ステップS1−5は、ニューラルネットワークにおける学習の動作を示し、ステップS2−1乃至ステップS2−6は、最適な輝度、及び色調をニューラルネットワークによって出力する動作を示している。なお、本実施の形態で説明する動作例が行われる電子機器は、表示装置1000Aを有するものとする。
<学習>
ステップS1−0では、利用者が電子機器を操作して、該電子機器の表示部106に対して、好みの輝度、及び色調を選択することで間接的に当該輝度、及び色調に対応するレジスタの設定データを選択する。このレジスタの設定データは、実施の形態2で説明するニューラルネットワークによる情報処理システムにおいて、教師データとして扱われる。なお、該設定データは、反射素子10aに表示する画像データの輝度及び色調に対応する設定値と、発光素子10bに表示する画像データの輝度及び色調に対応する設定値と、を有する。
具体的の動作方法として、利用者は、電子機器に備わっているタッチセンサユニット200などから、好みの輝度、及び色調を選択する。タッチセンサユニット200から操作を行うことにより、タッチセンサコントローラ484、及びインターフェース450を介して、選択した好みの輝度、及び色調に対応するレジスタの設定データ(教師データ)の読み出す命令を送ることができる。なお、選択した好みの輝度、及び色調に対応するレジスタの設定データ(教師データ)は、コントローラIC400Aが有する記憶装置、又はホスト装置440が有する記憶装置などから読み出される。
コントローラIC400Aが有する記憶装置からレジスタの設定データが読み出された場合、設定データ(教師データ)は、ホスト装置440に送られ、ホスト装置440が有するメモリなどに一時的に格納される。ホスト装置440が有する記憶装置から設定データ(教師データ)を読み出した場合、ホスト装置440が有するメモリなどに一時的に格納される。
ステップS1−1では、光センサ443によって、外光の照度、及び入射角度の測定が行われる。
ステップS1−2では、加速度センサ446によって、電子機器の傾き角度の測定が行われる。
ステップS1−3では、ステップS1−1で取得した外光の入射角度、照度、及びステップS1−2で取得した傾き角度のそれぞれを、ニューラルネットワークの入力層に入力される学習データとして、ホスト装置440に送信される動作が行われる。具体的には、外光の入射角度及び照度の情報は、光センサ443からセンサコントローラ453に検知信号として送られ、その後、コントローラ454及びインターフェース450を介して、ホスト装置440に送られる。
また、電子機器の傾き角度の情報は、加速度センサ446からセンサコントローラ453に電気信号として送られ、その後、コントローラ454を介して、ホスト装置440に送られる。
ステップS1−4では、ステップS1−1で取得した外光の入射角度及び照度と、ステップS1−2で取得した傾き角度と、が、パラメータとしてソフトウェア447に入力される。具体的には、外光の入射角度及び照度と、傾き角度と、は、ソフトウェア447にプログラムとして構築されているニューラルネットワークの入力層(第1層)のニューロンへ入力される学習データとして扱われる。これにより、ソフトウェア447において、ニューラルネットワークによる学習が行われる。
なお、初回の計算において、該ニューラルネットワークの有するそれぞれ重みの初期値は、乱数によって決めてもよい。なお、初期値によって学習の進み具合(例えば、重み係数の収束速度、ニューラルネットワークの予測精度など)が影響を受ける場合がある。学習速度が悪い場合は、初期値を変更して、再度学習を行うことも可能である。
ソフトウェア447のニューラルネットワークの入力層(第1層)のニューロンに入力データが入力されたとき、計算結果として、ソフトウェア447のニューラルネットワークの出力層(第L層)から出力データが出力される。該出力データと、教師データとの差が許容範囲でない場合、教師データを用いて重みの値の更新が行われる。なお、重みの値の更新の方法として、実施の形態2で説明した誤差逆伝播方式などが挙げられる。
重みの値が更新されたあと、外光の入射角度と、照度と、傾き角度と、が、ソフトウェア447のニューラルネットワークの入力層(第1層)のニューロンに入力され、再度計算が行われる。その計算結果(ニューラルネットワークの出力層(第L層)から出力される出力データ)と、教師データとの差が許容範囲内になるまで、重みの更新と、ニューラルネットワークによる計算を繰り返す。なお、計算を終了するための誤差の許容範囲は小さい必要は無く、電子機器の利用者が許容できる範囲であれば、誤差の許容範囲を広くしてもよい。
このようにニューラルネットワークによる計算を繰り返し行うことにより、最終的に教師データと差の無い、又は差の小さい出力データが出力層(第L層)から出力される。このときのニューラルネットワークが有するそれぞれの重み係数を、利用者の好みの輝度、及び色調に対応する設定値(教師データ)と、外光の入射角度、照度、及び傾き角度(学習データ)と、紐付けできるように、所定の記憶装置に記憶する。なお、ここの所定の記憶装置とは、例えば、コントローラIC400Aが有する記憶装置、又はホスト装置440が有する記憶装置などが挙げられる。
上記のとおり、ステップS1−0乃至ステップS1−4を行い、教師データと、出力データと、の差が無いとき、又は差が小さくなるときの重み係数を取得することによって、ニューラルネットワークにおける学習が終了する。
ステップS1−5では、学習が引き続き行うか否かの判定が行われる。例えば、電子機器の外光環境が変わる場合は、その外光環境に合わせて、再度学習を行うのが好ましい。その場合は、改めて、ステップS1−1に移行して、再度ステップS1−1乃至ステップS1−3によって、外光の入射角度、照度、電子機器の傾き角度を取得して、ステップS1−4で学習を行えばよい。また、利用者の好みの輝度、及び色調に対応するレジスタの設定データ(教師データ)を変更したい場合は、ステップS1−0に移行して、再度設定データ(教師データ)を変更して、ステップS1−1以降の動作を行えばよい。
ステップS1−5において、学習を引き続き行う必要が無い場合、図26のAに進む。図26のAに進んだ場合、図27のフローチャートのAに移行し、引き続き処理が続行される。
なお、上述の動作例は、表示ユニット100Aに限定せず、表示ユニット100に対しても同様に適用できる。その場合、選択した好みの輝度、及び色調に対応するレジスタの設定データ(教師データ)を、液晶素子、又は発光素子などのうち一種類の表示素子に表示する画像データの輝度及び色調に対応する設定値として、計算を行えばよい。
<輝度及び色調の取得>
ステップS2−1では、ステップS1−1と同様に、光センサ443によって、外光の入射角度、及び照度の測定が行われる。
ステップS2−2では、ステップS1−2と同様に、加速度センサ446によって、電子機器の傾き角度の測定が行われる。
ステップS2−3では、ステップS1−3と同様に、ステップS2−1で取得した外光の入射角度、照度、及びステップS2−2で取得した傾き角度のそれぞれを、ニューラルネットワークの入力層に入力されるデータとして、画像処理部460に送信される動作が行われる。
また、ステップS2−3では、ステップS2−1及びステップS2−2で取得した、外光の入射角度、照度、及び電子機器の傾き角度に対応した重み係数を、所定の記憶装置から読み出す動作が行われる。具体的には、ステップS2−1及びステップS2−2で取得した、外光の入射角度、照度、及び電子機器の傾き角度と、所定の記憶装置に保持されている、ステップS1−1及びステップS1−2で取得した学習データと一致するものを検索する。次に、ステップS1−1及びステップS1−2で取得した学習データに紐付けされた、ステップS1−4で取得した重み係数が、所定の記憶装置から読み出され、画像処理部460に送られる。
ステップS2−4では、ステップS2−1で取得した外光の入射角度及び照度と、ステップS2−2で取得した傾き角度と、が、情報処理回路465に入力される。具体的には、外光の入射角度及び照度と、傾き角度と、は、情報処理回路465が有するニューラルネットワークの入力層(第1層)のニューロンへ入力される入力データとして扱われる。
さらに、先のステップで読み出された重み係数が、情報処理回路465に入力される。具体的には、該重み係数は、情報処理回路465のニューラルネットワークの重みとして設定される。
上述の動作によって、ニューラルネットワークによる計算が行われ、ニューラルネットワークの出力層(第L層)から、利用者の好みの輝度、及び色調に対応する設定データが出力される。これにより、電子機器の利用者の好みにあった設定データを得ることができる。具体的には、該設定データが有する、反射素子10aに表示する画像に反映させる輝度及び色調に対応する設定値(以下、設定値Aと呼称する。)と、発光素子10bに表示する画像に反映させる輝度及び色調に対応する設定値(以下、設定値Bと呼称する。)と、を得ることができる。
ステップS2−5では、ステップS2−4によって得られた該設定データを記憶回路475に送信して、記憶回路475で保持する動作が行われる。
ステップS2−6では、記憶回路475に保持された該設定データの情報を、調光回路462、調色回路463に送信して、該設定値に基づいて画像データの補正を行う。なお、画像データは、反射素子10a、及び発光素子10bによって表示されるため、それぞれの素子に表示する画像データ毎に補正が行われる。つまり、反射素子10aに表示する画像データは、設定値Aによって補正され、発光素子10bに表示する画像データには、設定値Bによって補正される。補正されたそれぞれの画像データは、ソースドライバIC111に送られ、ソースドライバIC111によってシリアルパラレル変換、デジタルアナログ変換などの処理が行われる。ソースドライバIC111によって処理されたそれぞれの画像データは、表示部106の反射素子10a、及び発光素子10bに送られて、表示部106に画像が表示される。
上述のステップS1−0乃至ステップS1−5、及びステップS2−1乃至ステップS2−6を行うことにより、利用者の好みにあった輝度、及び色調の設定が施された画像を表示装置1000Aに映すことができる。また、ニューラルネットワークの学習をホスト装置440のソフトウェア447で行うことで、画像処理部460の情報処理回路465でニューラルネットワークの学習の計算を行う必要が無くなるため、画像処理部460の情報処理回路465に対して学習機能を有する回路を不要とすることができる。そのため、輝度及び色調を取得するためのニューラルネットワークの処理を効率的に行うことができる。
なお、上述の動作例は、表示ユニット100Aに限定せず、表示ユニット100に対しても同様に適用できる。その場合、ニューラルネットワークの計算によって、液晶素子、又は発光素子などのうち一種類の表示素子で表示する画像データの輝度及び色調に対応する設定値を取得することができる。つまり、この設定値を用いて画像を補正することによって、電子機器の利用者の好みにあった輝度、及び色調の設定が施された画像を表示ユニット100に映すことができる。
また、画像補正の動作方法は、上述のステップS1−0乃至ステップS1−5、及びステップS2−1乃至ステップS2−6に限定されない。本明細書等において、フローチャートに示す処理は、機能毎に分類し、互いに独立したステップとして示している。しかしながら実際の処理等においては、フローチャートに示す処理を機能毎に切り分けることが難しく、一つのステップに複数のステップが係わる場合や、複数のステップにわたって一つのステップが関わる場合があり得る。そのため、フローチャートに示す処理は、明細書で説明したステップ毎に限定されず、状況に応じて適切に入れ替えることができる。具体的には、状況に応じて、場合によって、又は、必要に応じて、ステップの順序の入れ替え、ステップの追加、及び削除などを行うことができる。
例えば、光センサ443からの外光の入射角度、及び加速度センサ446による電子機器の傾き角度の取得の順序は、図26のフローチャートに限定されない。そのため、図26のフローチャートは、ステップS1−1と、ステップS1−2と、を入れ替えてもよい。
また、電子機器は、所定の記憶装置に、ステップS2−1で取得した外光の入射角度、照度、ステップS2−2で取得した傾き角度、それらに対応するステップS2−4の計算結果の設定値を保存する構成としてもよい。かつ入射角度、照度、傾き角度から計算結果の設定値を読み出すような構成にしてもよい。このような構成にすることによって、ステップS2−1で取得した外光の入射角度、照度、及びステップS2−2で取得した傾き角度が過去に取得したデータと同じとき、該記憶装置から対応する過去の設定値を読み出すことができる。これにより、ニューラルネットワークの計算を省略することができる。
なお、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
(実施の形態4)
本実施の形態では、実施の形態1で説明した表示ユニット100、及び表示ユニット100Aについて説明する。
図28(A)に、表示ユニット100の外観の一例を示す。表示ユニット100は、基材101上に表示部102と、ゲートドライバ103と、レベルシフタ104と、ソースドライバIC111と、コントローラIC112と、を有する。コントローラIC112は、実施の形態1で説明したコントローラIC400の一例として、図28(A)に示している。表示部102と、ゲートドライバ103と、レベルシフタ104と、は、基材101上に形成されている。ソースドライバIC111と、コントローラIC112と、は、ICチップなどの構成として、異方性導電接着剤、又は異方性導電フィルムなどを用いて、COG方式で基材101上に実装されている。なお、その実装する様子は、図28(B)に示している。そして、表示ユニット100は、外部からの信号などの入力手段として、FPC110と電気的に接続されている。なお、ソースドライバIC111、及び/又はコントローラIC112は、COG方式でなく、COF方式でFPC110などに実装されてもよい。
加えて、基材101上には、各回路を電気的に接続するための配線131乃至配線134が形成されている。表示ユニット100において、コントローラIC112は、配線131を介して、FPC110と電気的に接続され、また、ソースドライバIC111は、配線132を介して、コントローラIC112と電気的に接続されている。表示部102は、配線133を介して、ソースドライバIC111と電気的に接続されている。レベルシフタ104は、配線134を介して、コントローラIC112と電気的に接続されている。
ゲートドライバ103は、表示部102と電気的に接続され、レベルシフタ104は、ゲートドライバ103と電気的に接続されている。
配線131とFPC110と、の接続部120には、異方性を有する導電性の接着剤などを有している。これによって、FPC110と配線131との間で電気的な導通が可能となる。
ゲートドライバ103は、表示部102が有する複数の画素回路を選択する機能を有し、ソースドライバIC111は、表示部102が有する画素回路に対して画像データを送信する機能を有する。
基材101上に形成されている表示部102と、ゲートドライバ103と、レベルシフタ104と、は、例えば、OSトランジスタを備えることで構成することができる。つまり、基材101上にOSトランジスタを形成する工程を行うことで、表示部102と、ゲートドライバ103と、レベルシフタ104と、を構成することができる。
一方、基材101上に実装されているソースドライバIC111と、コントローラIC112と、は、例えば、Siトランジスタを備えることで構成することができる。Siトランジスタによって、ソースドライバIC111と、コントローラIC112と、のそれぞれのICチップ(集積回路)を構成する場合、Siトランジスタを形成する基材は、Siウェハを用いるのが好適である。つまり、Siウェハなどの上面にSiトランジスタを形成することによって、ソースドライバIC111と、又はコントローラIC112と、を構成することができる。
ところで、コントローラIC112は、実施の形態1で説明したとおり、フレームメモリ、レジスタなどを有する。これらのような回路の場合、ロジックプロセスのSiトランジスタ(以後、ロジック用Siトランジスタと呼称する。)を適用して、構成するのが好適である。
更に、フレームメモリ、レジスタなど、情報を保持する回路を構成する場合、該情報に相当する電位を保持するトランジスタは、オフ電流が非常に低い性質を有するOSトランジスタとするのが好適である。つまり、コントローラIC112は、ロジック用Siトランジスタと、OSトランジスタと、を備える構成であるのがより好適である。具体例としては、Siウェハ上にロジック用Siトランジスタを形成し、次に該ロジック用Siトランジスタ上に層間膜を形成し、当該層間膜上に、OSトランジスタを形成すればよい。
ソースドライバIC111の詳細は実施の形態6で説明するが、ソースドライバIC111は、シフトレジスタ、レベルシフタ、デジタルアナログ変換回路、バッファなどを有する。これらのような回路の場合、ドライバIC向けのプロセス(高耐圧プロセス)のSiトランジスタ(以後、高耐圧用Siトランジスタと呼称する。)を適用して、構成するのが好適である。
なお、高耐圧用Siトランジスタは、ロジック用Siトランジスタと比較して、熱処理への耐性が低い場合がある。そのため、高耐圧用Siトランジスタと、熱処理が必要なOSトランジスタと、を適用してソースドライバIC111を構成した場合、本来の性能を発揮することが困難な場合がある。そのため、ソースドライバIC111は、高耐圧用Siトランジスタのみで構成するのが好ましい。
上述のとおり、OSトランジスタを形成した基材101上に、ロジック用Siトランジスタ、及びOSトランジスタを適用したコントローラIC112と、高耐圧用Siトランジスタを適用したソースドライバIC111と、を実装することによって、熱処理の耐性がそれぞれ異なる、ロジック用Siトランジスタと、高耐圧用Siトランジスタと、OSトランジスタと、を表示ユニット100に備えることができる。つまり、このような構成にすることによって、熱処理の条件の違いによるトランジスタ特性の劣化を防ぐことができ、トランジスタ特性の良好なロジック用Siトランジスタ、高耐圧用Siトランジスタ、OSトランジスタ、の全てを一つの装置に用いることができる。その結果、駆動性能が高い表示装置を実現することができる。
また、図28(A)の表示ユニット100と別の構成例の表示ユニットを図29(A)に示す。
表示ユニット100Aは、基材101上に表示部106と、ゲートドライバ103aと、ゲートドライバ103bと、レベルシフタ104aと、レベルシフタ104bと、ソースドライバIC111と、コントローラIC112と、を有する。コントローラIC112は、実施の形態1で説明したコントローラIC400Aの一例として、図29(A)に示している。表示部106と、ゲートドライバ103aと、ゲートドライバ103bと、レベルシフタ104aと、レベルシフタ104bと、は、基材101上に形成されている。ソースドライバIC111と、コントローラIC112と、は、ICチップなどの構成として、異方性導電接着剤、又は異方性導電フィルムなどを用いて、COG方式で、基材101上に実装されている。なお、その実装の様子は、図29(B)に示している。そして、表示ユニット100Aは、外部からの信号などの入力手段として、FPC110と電気的に接続されている。なお、ソースドライバIC111、及び/又はコントローラIC112は、COG方式でなく、COF方式でFPC110などに実装されてもよい。
加えて、基材101上には、各回路を電気的に接続するための配線131乃至配線135が形成されている。表示ユニット100において、コントローラIC112は、配線131を介して、FPC110と電気的に接続され、ソースドライバIC111は、配線132を介して、コントローラIC112と電気的に接続され、表示部106は、配線133を介して、ソースドライバIC111と電気的に接続されている。レベルシフタ104aは、配線134を介して、コントローラIC112と電気的に接続され、レベルシフタ104bは、配線135を介して、コントローラIC112と電気的に接続されている。
配線131とFPC110と、の接続部120には、異方性を有する導電性の接着剤などを有している。これによって、FPC110と配線131との間で電気的な導通が可能となる。
ゲートドライバ103aは、表示部106が有する反射素子又は発光素子の一方を選択する機能を有し、ゲートドライバ103bは、表示部106が有する反射素子又は発光素子の他方を選択する機能を有する。ソースドライバIC111は、表示部106が有する反射素子、又は発光素子に対して画像データを送信する機能を有する。
基材101上に形成されている表示部106と、ゲートドライバ103aと、ゲートドライバ103bと、レベルシフタ104aと、レベルシフタ104bと、は、例えば、OSトランジスタを備えることで構成することができる。つまり、基材101上にOSトランジスタを形成する工程を行うことで、表示部106と、ゲートドライバ103aと、ゲートドライバ103bと、レベルシフタ104aと、レベルシフタ104bと、を構成することができる。
ソースドライバIC111と、コントローラIC112と、のそれぞれのICチップに備えることができるトランジスタは、表示ユニット100の説明を参照する。つまり、表示ユニット100と同様に、ソースドライバIC111は、高耐圧用Siトランジスタを適用して構成し、コントローラIC112は、ロジック用SiトランジスタとOSトランジスタとを適用して構成するのが好ましい。
上述のとおり、表示ユニット100と同様に、OSトランジスタを形成した基材101上に、ロジック用Siトランジスタ、及びOSトランジスタを適用したコントローラIC112と、高耐圧用Siトランジスタを適用したソースドライバIC111と、を実装することによって、熱処理の耐性がそれぞれ異なる、ロジック用Siトランジスタと、高耐圧用Siトランジスタと、OSトランジスタと、を表示ユニット100Aに備えることができる。その結果、駆動性能が高い表示装置を実現することができる。
ところで、表示ユニット100、又は表示ユニット100Aの画像処理部460の情報処理回路465、特に積和演算回路465aは、実施の形態2で説明したとおり、Siトランジスタを使用せず、OSトランジスタで構成することができる。したがって、OSトランジスタで構成できる情報処理回路465は、コントローラIC112の内部ではなく、基材101上に形成することができる。その場合の表示ユニットの外観の一例を図30(A)に示す。表示ユニット100Bは、コントローラIC112の内部にある情報処理回路465を情報処理回路107として、表示ユニット100の基材101上に形成した構成となっている。情報処理回路107は、配線135を介して、コントローラIC112と電気的に接続されている。
また、この場合のブロック図を、図31に示す。表示装置1000Bにおいて、コントローラIC400Bは、コントローラIC400の情報処理回路465を、情報処理回路107として、コントローラIC400の外部に設けた構成となっている。また、積和演算回路465aは、積和演算回路107aとして図示している。このように、画像処理部460を構成する回路のうち、Siトランジスタを用いずにOSトランジスタを用いて構成される回路は、表示部102と、ゲートドライバ103と、レベルシフタ104と、同様にコントローラIC400Bの外部に、つまり基材101上に形成することができる。この構成にすることにより、コントローラICのチップ作製のコストを低減できる場合がある。
ソースドライバIC111と、コントローラIC112と、については、図28(B)の説明と同様に、異方性導電接着剤、又は異方性導電フィルムなどを用いて、COG方式で、表示ユニット100Bに実装すればよい。なお、その実装する様子は、図30(B)に示している。また、ソースドライバIC111と、コントローラIC112と、は、COF方式で、FPCなどに実装してもよい。
また、表示ユニット100、表示ユニット100A、又は表示ユニット100Bにタッチセンサユニットを設けることができる。図32に、表示ユニット100、表示ユニット100A、又は表示ユニット100Bに設けることができるタッチセンサユニットを示し、図33に表示ユニット100にタッチセンサユニットを設けた例を示す。
タッチセンサユニット200は、基材201上にセンサアレイ202と、TS(タッチセンサ)ドライバIC211と、センス回路212と、を有する。また、図33では、TSドライバIC211と、センス回路212と、をまとめて周辺回路215と図示している。センサアレイ202は、基材201上に形成され、TSドライバIC211と、センス回路212と、は、ICチップなどの構成として、異方性導電接着剤、又は異方性導電フィルムなどを用いて、COG方式、又はCOF方式で、基材201上に実装されている。そして、タッチセンサユニット200は、外部との信号の入出力手段として、FPC213、FPC214と電気的に接続されている。なお、TSドライバIC211と、センス回路212と、はCOG方式でなく、COF(Chip On Film)方式でそれぞれFPC213、FPC214などに実装されてもよい。
加えて、基材201上には、各回路を電気的に接続するための配線231乃至配線234が形成されている。タッチセンサユニット200において、TSドライバIC211は、配線231を介して、センサアレイ202と電気的に接続され、更に、TSドライバIC211は、配線233を介して、FPC213と電気的に接続されている。センス回路212は、配線232を介して、センサアレイ202と電気的に接続され、更に、TSドライバIC211は、配線234を介して、FPC214と電気的に接続されている。
配線233とFPC213と、の接続部220には、異方性を有する導電性の接着剤などを有している。これによって、FPC213と配線233との間で電気的な導通を行うことができる。同様に、配線234とFPC214と、の接続部221にも、異方性を有する導電性の接着剤などを有しており、これによって、FPC214と配線234との間で電気的な導通を行うことができる。
タッチセンサユニット200は、表示ユニット100、表示ユニット100A、又は表示ユニット100Bと重畳するように設けることによって、表示ユニット100、表示ユニット100A、又は表示ユニット100Bにタッチパネルの機能を付加することができる。図33は、表示ユニット100にタッチセンサユニット200を重ねて、表示ユニット100にタッチパネルの機能を実装した例を示している。
また、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
(実施の形態5)
本実施の形態では、先の実施の形態で説明した表示ユニット100、表示ユニット100A、又は表示ユニット100Bに適用できる基材101、及び基材101上に形成することができる回路について説明する。
<基材101>
基材101としては、例えば、絶縁体基板、導電体基板を用いることができる。絶縁体基板としては、例えば、ガラス基板、石英基板、サファイア基板、安定化ジルコニア基板(イットリア安定化ジルコニア基板など)、樹脂基板などがある。導電体基板としては、例えば、黒鉛基板、金属基板、合金基板、導電性樹脂基板などがある。または、金属の窒化物を有する基板、金属の酸化物を有する基板などがある。更には、絶縁体基板に導電体、又は半導体が設けられた基板、導電体基板に半導体、又は絶縁体が設けられた基板などがある。またはこれらの基板に素子が設けられたものを用いてもよい。基板に設けられる素子としては、容量素子、抵抗素子、スイッチ素子、発光素子、記憶素子などがある。
また、基材101としては、可撓性を有する基板を用いることができる。なお、可撓性を有する基板に素子を設ける方法としては、非可撓性の基板上に素子を作成した後、該素子を剥離し、可撓性を有する基板に該素子を転置する方法がある。その場合には、非可撓性の基板と該素子との間に剥離層を設けるとよい。なお、基材101として、繊維を編みこんだシート、フィルムまたは箔などを用いてもよい。また、基材101が伸縮性を有してもよい。また、基材101は、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有してもよい。または、元の形状に戻らない性質を有してもよい。基材101の厚さは、例えば、5μm以上かつ700μm以下、好ましくは10μm以上かつ500μm以下、さらに好ましくは15μm以上かつ300μm以下とする。基材101を薄くすると、表示ユニット100を軽量化することができる。また、基材101を薄くすることで、ガラスなどを用いた場合にも伸縮性を有する場合や、折り曲げや引っ張りをやめた際に、元の形状に戻る性質を有する場合がある。そのため、落下などによって基材101上の半導体装置に加わる衝撃などを緩和することができる。即ち、丈夫な表示装置を提供することができる。
可撓性を有する基板としては、例えば、金属、合金、樹脂もしくはガラス、またはそれらの繊維などを用いることができる。可撓性を有する基板としては、線膨張率が低いほど環境による変形が抑制されて好ましい。可撓性を有する基板としては、例えば、線膨張率が1×10−3/K以下、5×10−5/K以下、または1×10−5/K以下である材質を用いればよい。樹脂としては、例えば、ポリエステル樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリアミド樹脂(ナイロン、アラミドなど)、ポリイミド樹脂、ポリカーボネート樹脂、アクリル樹脂、ポリテトラフルオロエチレン樹脂(PTFE)などがある。特に、アラミドは、線膨張率が低いため、可撓性を有する基板として好適である。
<表示部が有する画素回路>
次に、表示部102、及び表示部106のそれぞれが有する画素回路について、説明する。
表示部102の画素回路は、前述したとおり、表示素子として液晶素子、発光素子などのうち一種類を有し、表示素子の種類によって、表示部102の画素回路の構成が異なる。
例えば、表示部102の表示素子として、液晶素子を適用した場合の画素回路の一例を図34(A)に示す。画素回路21は、トランジスタTr1と、容量素子C1と、液晶素子LDと、を有する。
トランジスタTr1の第1端子は、配線SLと電気的に接続され、トランジスタTr1の第2端子は、液晶素子LDの第1端子と電気的に接続され、トランジスタTr1のゲートは、配線GL1と電気的に接続されている。容量素子C1の第1端子は、配線CSLと電気的に接続され、容量素子C1の第2端子は、液晶素子LDの第1端子と電気的に接続されている。液晶素子LDの第2端子は、配線VCOM1と電気的に接続されている。
配線SLは、画素回路21に画像信号を供給する信号線として機能する。配線GL2は、画素回路21を選択する走査線として機能する。配線CSLは、容量素子C1の第1端子の電位、換言すると、液晶素子LDの第1端子の電位を保持するための容量配線として機能する。配線VCOM1は、液晶素子LDの第2端子に、共通電位として、0V、またはGND電位などの固定電位を与えるための配線である。
表示部102の表示素子として、液晶素子を適用した場合、表示部102の画素回路を上述した画素回路21にすることによって、表示部102に画像を表示することができる。
また、例えば、表示部102の表示素子として、発光素子を適用した場合の画素回路の一例を図34(B)に示す。なお、該発光素子は、有機EL(Electro Luminescence)素子とする。画素回路22は、トランジスタTr2と、トランジスタTr3と、容量素子C2と、発光素子EDと、を有する。
トランジスタTr2の第1端子は、配線DLと電気的に接続され、トランジスタTr2の第2端子は、トランジスタTr3のゲートと電気的に接続され、トランジスタTr2のゲートは、配線GL2と電気的に接続されている。トランジスタTr3の第1端子は、発光素子EDの第1端子と電気的に接続され、トランジスタTr3の第2端子は、配線ALと電気的に接続されている。容量素子C2の第1端子は、トランジスタTr3の第2端子と電気的に接続され、容量素子C2の第2端子は、トランジスタTr3のゲートと電気的に接続されている。発光素子EDの第2端子は、配線VCOM2と電気的に接続されている。
配線DLは、画素回路22に画像信号を供給する信号線として機能する。配線GL2は、画素回路22を選択する走査線として機能する。配線ALは、発光素子EDに電流を与えるための電流供給線として機能する。配線VCOM2は、発光素子EDの第2端子に、共通電位として、0V、またはGND電位などの固定電位を与えるための配線である。
容量素子C2は、トランジスタTr3の第2端子と、トランジスタTr3のゲートと、の間の電圧を保持する機能を有する。これにより、トランジスタTr3に流れるオン電流を一定に保持することができる。なお、トランジスタTr3の第2端子と、トランジスタTr3のゲートと、の寄生容量が大きい場合、容量素子C2を設けなくてもよい。
また、表示部102の表示素子として、発光素子を適用する場合、画素回路22と別の構成である、図34(C)に示す画素回路23の構成としてもよい。
画素回路23は、画素回路22が有するトランジスタTr3にバックゲートを設けた構成であり、トランジスタTr3のバックゲートは、トランジスタTr3のゲートと電気的に接続されている。このような構成にすることにより、トランジスタTr3に流れるオン電流を増加することができる。
また、表示部102の表示素子として、発光素子を適用する場合、画素回路22、及び画素回路23と別の構成として、図34(D)に示す画素回路24の構成としてもよい。
画素回路24は、画素回路22が有するトランジスタTr3にバックゲートを設けた構成であり、トランジスタTr3のバックゲートは、トランジスタTr3の第1端子と電気的に接続されている。このような構成にすることにより、トランジスタTr3のしきい値電圧のシフトを抑えることができる。そのため、トランジスタTr3の信頼性を高めることができる。
また、表示部102の表示素子として、発光素子を適用する場合、画素回路22乃至画素回路24と別の構成として、図34(E)に示す画素回路25の構成としてもよい。
画素回路25は、トランジスタTr2乃至トランジスタTr4と、容量素子C3と、発光素子EDと、を有する。
トランジスタTr2の第1端子は、配線DLと電気的に接続され、トランジスタTr2の第2端子は、トランジスタTr3のゲートと電気的に接続され、トランジスタTr2のゲートは、配線MLと電気的に接続され、トランジスタTr2のバックゲートは、配線GL3と電気的に接続されている。トランジスタTr3の第1端子は、発光素子EDの第1端子と電気的に接続され、トランジスタTr3の第2端子は、配線ALと電気的に接続され、トランジスタTr3のゲートは、トランジスタTr3のバックゲートと電気的に接続されている。トランジスタTr4の第1端子は、発光素子EDの第1端子と電気的に接続され、トランジスタTr4の第2端子は、配線MLと電気的に接続され、トランジスタTr4のゲートは、配線MLと電気的に接続され、トランジスタTr4のバックゲートは配線GL3と電気的に接続されている。容量素子C3の第1端子は、トランジスタTr3のゲートと電気的に接続され、容量素子C3の第2端子は、トランジスタTr3の第1端子と電気的に接続されている。発光素子EDの第2端子は、配線VCOM2と電気的に接続されている。
配線DLは、画素回路25に画像信号を供給する信号線として機能する。配線GL3は、トランジスタTr2及びトランジスタTr4のしきい値電圧を制御するために、定電位を印加する配線として機能する。配線MLは、トランジスタTr2のゲート、トランジスタTr4の第2端子、及びトランジスタTr4のゲートに、定電位を印加する配線であり、画素回路22を選択する走査線として機能する。配線ALと、配線VCOM2と、については、画素回路22の配線AL、及び配線VCOM2の説明を参照する。
このような構成にすることにより、トランジスタTr2及びトランジスタTr4のしきい値電圧を制御することで、表示部106が有する複数の発光素子EDの輝度のばらつきを補正することができる。そのため、画素回路25を表示部102に適用することで、表示品質が良好な表示ユニット100を提供することができる。
次いで、表示部106の画素回路について、説明する。表示部106は、前述したとおり、ハイブリッド表示装置が備える表示部であるため、反射素子と、発光素子と、を有する。つまり、表示部106が有する画素構成は、表示部102が有する画素構成と異なる。ここでは、反射素子として、液晶素子を用い、かつ発光素子として、有機EL素子を用いる場合を例に挙げて、表示部106に適用できる画素回路について説明する。
図35(A)は、表示部106に適用できる画素回路の一例を示している。画素回路31は、前述した画素回路21と、画素回路22と、を有する。画素回路31では、画素回路21に対応した画像信号を配線SLによって供給し、画素回路22に対応した画像信号を配線DLによって供給することで、液晶素子LDによって表現される輝度と、発光素子EDによって表現される輝度と、を個別に制御することができる。
なお、図35(A)では、画素回路21と、画素回路22と、を1つずつ有する画素回路の例を示したが、表示部106が有する画素回路の構成はこれに限定されない。表示部106が有する画素回路は、複数の画素回路21を有してもよいし、複数の画素回路22を有してもよい。
一例として、図35(B)に、1つの画素回路21と、4つの画素回路22と、を有する画素回路を示す。画素回路32は、画素回路21と、画素回路22a乃至画素回路22dと、を有し、画素回路22a乃至画素回路22dは、いずれも画素回路22と同じ構成となっている。
画素回路22aと、画素回路22cと、のそれぞれが有するトランジスタTr2のゲートは、配線GL2aと電気的に接続され、画素回路22bと、画素回路22dと、のそれぞれが有するトランジスタTr2のゲートは、配線GL2bと電気的に接続されている。
画素回路22aと、画素回路22bと、のそれぞれが有するトランジスタTr2の第1端子は、配線DLaと電気的に接続され、画素回路22cと、画素回路22dと、のそれぞれが有するトランジスタTr2の第1端子は、配線DLbと電気的に接続されている。
画素回路22a乃至画素回路22dのそれぞれが有するトランジスタTr3の第2端子は、配線ALと電気的に接続されている。
配線GL2a、及び配線GL2bは、画素回路22の配線GL2と同様の機能を有し、配線DLa、及び配線DLbは、画素回路22の配線DLと同様の機能を有する。
上述したように、画素回路22a乃至画素回路22dでは、画素回路22aと画素回路22cが配線GL2aを共有し、画素回路22bと画素回路22dが配線GL2bを共有しているが、画素回路22a乃至画素回路22dの全てが一の配線GL2を共有していてもよい。この場合、画素回路22a乃至画素回路22dは、互いに異なる4つの配線DLに電気的に接続されるようにすることが望ましい。
ところで、画素回路22a乃至画素回路22dのそれぞれが有する発光素子EDから発せられる光が、異なる領域の波長を有することで、表示部106を備える表示装置は、カラー画像を表示することができる。
例えば、画素回路22aが有する発光素子EDから発せられる光を赤色光とし、画素回路22bが有する発光素子EDから発せられる光を緑色光とし、画素回路22cが有する発光素子EDから発せられる光を青色光とすることによって、画素回路32は、光の三原色を発光することができる。そのため、画素回路32は、供給される画像信号によって、様々な色を再現することができる。
また、上述に加えて、例えば、画素回路22dが有する発光素子EDから発せられる光を白色光とすることによって、表示部106の発光輝度を高めることができる。また、該白色光の色温度を調整することにより、表示部106を備える表示装置の表示品位を高めることができる。
図36(A)は、表示部106に適用でき、かつ画素回路31、及び画素回路32と異なる画素回路を示している。画素回路33は、前述した画素回路21と、画素回路23と、を有する。画素回路33では、画素回路31と同様に、画素回路21に対応した画像信号を配線SLによって供給し、画素回路23に対応した画像信号を配線DLによって供給することで、液晶素子LDによって表現される輝度と、発光素子EDによって表現される輝度と、を個別に制御することができる。
また、画素回路23は、前述したとおり、トランジスタTr3のゲートと、トランジスタTr3のバックゲートと、が電気的に接続されているので、トランジスタTr3のオン電流を増加することができる。
なお、図36(A)の画素回路33では、画素回路21と、画素回路23と、を1つずつ有する例を示したが、表示部106が有する画素回路の構成はこれに限定されない。表示部106が有する画素回路は、複数の画素回路21を有してもよいし、複数の画素回路23を有してもよい。例えば、表示部106が有する画素回路は、図35(B)に示した画素回路32と同様に、1つの画素回路21と、4つの画素回路23と、を有する構成であってもよい。その場合の回路構成は、図35(B)に示した画素回路32の回路構成において、画素回路22a乃至画素回路22dのそれぞれが有するトランジスタTr3のゲートと、トランジスタTr3のバックゲートと、を電気的に接続した構成となる(図示しない。)。
図36(B)は、表示部106に適用でき、かつ画素回路31乃至画素回路33と異なる画素回路を示している。画素回路34は、前述した画素回路21と、画素回路24と、を有する。画素回路34では、画素回路31及び画素回路33と同様に、画素回路21に対応した画像信号を配線SLによって供給し、画素回路24に対応した画像信号を配線DLによって供給することで、液晶素子LDによって表現される輝度と、発光素子EDによって表現される輝度と、を個別に制御することができる。
また、画素回路24は、前述したとおり、トランジスタTr3の第1端子と、トランジスタTr3のバックゲートと、が電気的に接続されているので、トランジスタTr3のしきい値電圧のシフトを抑えることができる。
なお、図36(B)の画素回路34では、画素回路21と、画素回路23と、を1つずつ有する例を示したが、表示部106が有する画素回路の構成はこれに限定されない。表示部106が有する画素回路は、複数の画素回路21を有してもよいし、複数の画素回路24を有してもよい。例えば、表示部106が有する画素回路は、図35(B)に示した画素回路32と同様に、1つの画素回路21と、4つの画素回路24と、を有する構成であってもよい。その場合の回路構成は、図35(B)に示した画素回路32の回路構成において、画素回路22a乃至画素回路22dのそれぞれが有するトランジスタTr3の第1端子と、トランジスタTr3のバックゲートと、を電気的に接続した構成となる(図示しない。)。
図37は、表示部106に適用でき、かつ画素回路31乃至画素回路34と異なる画素回路を示している。画素回路35は、前述した画素回路21と、画素回路25と、を有する。画素回路35では、画素回路31及び画素回路34と同様に、画素回路21に対応した画像信号を配線SLによって供給し、画素回路25に対応した画像信号を配線DLによって供給することで、液晶素子LDによって表現される輝度と、発光素子EDによって表現される輝度と、を個別に制御することができる。
また、画素回路25は、前述したとおり、トランジスタTr2のバックゲートと、トランジスタTr4のバックゲートと、が配線GL3と電気的に接続されているので、トランジスタTr2と、トランジスタTr4と、のそれぞれのしきい値電圧を制御することができる。これにより、表示部106が有する複数の発光素子EDの輝度のばらつきを補正することができる。
なお、図37の画素回路35では、画素回路21と、画素回路25と、を1つずつ有する例を示したが、表示部106が有する画素回路の構成はこれに限定されない。表示部106が有する画素回路は、複数の画素回路21を有してもよいし、複数の画素回路25を有してもよい。例えば、表示部106が有する画素回路は、図35(B)に示した画素回路32と同様に、1つの画素回路21と、4つの画素回路25と、を有する構成であってもよい。その場合の回路構成を図38に示す。画素回路36は、画素回路21と、画素回路25a乃至画素回路25dと、を有し、画素回路25a乃至画素回路25dは、いずれも画素回路25と同じ構成となっている。
画素回路25aと、画素回路25cと、のそれぞれが有するトランジスタTr2のバックゲートとトランジスタTr4のバックゲートは、配線GL3aと電気的に接続され、画素回路25bと、画素回路25dと、のそれぞれが有するトランジスタTr2のバックゲートとトランジスタTr4のバックゲートは、配線GL3bと電気的に接続されている。
画素回路25aと、画素回路25bと、のそれぞれが有するトランジスタTr2の第1端子は、配線DLaと電気的に接続され、画素回路25cと、画素回路25dと、のそれぞれが有するトランジスタTr2の第1端子は、配線DLbと電気的に接続されている。
画素回路25aと、画素回路25bと、のそれぞれが有するトランジスタTr4の第2端子は、配線MLaと電気的に接続され、画素回路25cと、画素回路25dと、のそれぞれが有するトランジスタTr4の第2端子は、配線MLbと電気的に接続されている。
画素回路25a乃至画素回路25dのそれぞれが有するトランジスタTr3の第2端子は、配線ALと電気的に接続されている。
配線GL3a、及び配線GL3bは、画素回路25の配線GL2と同様の機能を有し、配線DLa、及び配線DLbは、画素回路25の配線DLと同様の機能を有し、配線MLa、及び配線MLbは、画素回路25の配線MLと同様の機能を有する。
上述したように、画素回路25a乃至画素回路25dでは、画素回路25aと画素回路25cが配線GL3aを共有し、画素回路25bと画素回路25dが配線GL3bを共有しているが、画素回路25a乃至画素回路25dの全てが一の配線GL3を共有していてもよい。この場合、画素回路25a乃至画素回路25dは、互いに異なる4つの配線DLに電気的に接続されるようにすることが望ましい。
ところで、画素回路25a乃至画素回路25dのそれぞれが有する発光素子EDから発せられる光が、画素回路32と同様に、異なる領域の波長を有することで、表示部106を備える表示装置は、カラー画像を表示することができる。この構成については、画素回路32の記載を参酌する。
<ゲートドライバ>
次に、基材101上に形成できるゲートドライバ103の一例について、説明する。
<<ゲートドライバの回路構成>>
図39(A)は、ゲートドライバ103の一例の回路図を示す。ゲートドライバ103は、回路SR[1]乃至回路SR[m]と、回路SR_D[1]と、回路SR_D[2]と、を有する。ゲートドライバ103では、回路SR[1]乃至回路SR[m]と、回路SR_D[1]と、回路SR_D[2]と、によって、シフトレジスタが構成されている。なお、mは、1以上の整数で、表示部102、又は表示部106の1列に有する画素回路の数を有する。
図39(B)、(C)を用いて、回路SR[1]乃至回路SR[m]、回路SR_D[1]、回路SR_D[2]のそれぞれが有する各端子について、説明する。図39(B)において、回路SRは、回路SR[1]乃至回路SR[m]のうちの一として、表記し、図39(C)において、回路SR_Dは、回路SR_D[1]、回路SR_D[2]のどちからとして表記している。
回路SRは、端子IT、端子OT、端子RT、端子ST、端子PT、端子IRT、端子C1T、端子C2T、及び端子C3Tを有する。また、回路SR_Dは、端子IT、端子OT、端子ST、端子PT、端子IRT、端子C1T、端子C2T、及び端子C3Tを有する。
端子ITは、スタートパルス信号、又は、前段の回路SRの端子STから出力される信号が入力される入力端子である。端子OTは、表示部102が有する画素回路と電気的に接続される出力端子である。端子STは、次段の回路SRに信号を送信するための出力端子である。端子RTには、次々段の回路SRの端子STからの信号が入力される。
スタートパルス信号SPは、ゲートドライバ103を駆動するときに入力される信号である。スタートパルス信号SPは、1フレーム分の画像を表示ユニット100に映す度に、コントローラIC112から、レベルシフタ104を介して、ゲートドライバ103に入力される。
端子PTには、端子OTから出力される信号のパルス幅を制御する信号(以後、パルス幅制御信号と表記する。)が入力される。パルス幅制御信号PWC1乃至パルス幅制御信号PWC4は、配線GL[1]乃至配線GL[m]、配線GL_DUM、及び配線GL_OUTに出力するパルス信号の幅を制御する信号である。
端子IRTには、初期化リセット信号INI_RESが入力される。端子C1T、端子C2T、端子C3Tには、それぞれ異なるクロック信号が入力される。
クロック信号CLK2は、クロック信号CLK1と同じ波形、周期であり、クロック信号CLK1の周期の1/4遅れて送信される。クロック信号CLK3は、クロック信号CLK1の反転信号となっており、クロック信号CLK4は、クロック信号CLK2の反転信号となっている。
次に、ゲートドライバ103の具体的な回路構成について、説明する。回路SR[1]の端子ITには、スタートパルス信号SPが入力される。回路SR[i](iは、1以上m−1以下の整数である。)の端子STは、回路SR[i+1]の端子ITと電気的に接続されている。回路SR[m]の端子STは、回路SR_D[1]の端子ITと電気的に接続され、回路SR_D[1]の端子STは、回路SR_D[2]の端子ITと電気的に接続される。
回路SR[p](pは、1以上m−2以下の整数である。)の端子RTは、回路SR[p+2]の端子STと電気的に接続される。回路SR[m−1]の端子RTは、回路SR_D[1]の端子STと電気的に接続され、回路SR[m]の端子RTは、回路SR_D[2]の端子STと電気的に接続されている。
回路SR[x](xは、1以上m以下の整数である。)の端子OTは、配線GL[x]と電気的に接続されている。回路SR_D[1]の端子OTは、配線GL_DUMと電気的に接続され、回路SR_D[2]の端子OTは、配線GL_OUTと電気的に接続されている。配線GL_DUMは、ダミー配線として機能し、配線GL_OUTは、回路SR_D[2](ゲートドライバ103のシフトレジスタの最終段)にまでスタートパルス信号が達したことを、情報信号として送信する機能を有する。
回路SR[x]の端子IRTは、初期化リセット信号INI_RESが入力される。
回路SR[s](sは1以上m以下で、かつs=4a+1を満たす整数である。なお、aは0以上の整数である。)の端子C1Tには、クロック信号CLK1が入力され、回路SR[s]の端子C2Tには、クロック信号CLK2が入力され、回路SR[s]の端子C3Tには、クロック信号CLK3が入力される。回路SR[s]の端子PTには、パルス幅制御信号PWC1が入力される。
回路SR[s+1]の端子C1Tには、クロック信号CLK2が入力され、回路SR[s+1]の端子C2Tには、クロック信号CLK3が入力され、回路SR[s+1]の端子C3Tには、クロック信号CLK4が入力される。回路SR[s+1]の端子PTには、パルス幅制御信号PWC2が入力される。
回路SR[s+2]の端子C1Tには、クロック信号CLK3が入力され、回路SR[s+2]の端子C2Tには、クロック信号CLK4が入力され、回路SR[s+2]の端子C3Tには、クロック信号CLK1が入力される。回路SR[s+2]の端子PTには、パルス幅制御信号PWC3が入力される。
回路SR[s+3]の端子C1Tには、クロック信号CLK4が入力され、回路SR[s+3]の端子C2Tには、クロック信号CLK1が入力され、回路SR[s+3]の端子C3Tには、クロック信号CLK2が入力される。回路SR[s+3]の端子PTには、パルス幅制御信号PWC4が入力される。
なお、図39(A)のゲートドライバ103において、回路SR[m−1]へのクロック信号及びパルス幅制御信号の入力については、回路SR[s+2]に入力されるクロック信号及びパルス幅制御信号の入力の記載と同様である。また、回路SR[m]へのクロック信号及びパルス幅制御信号の入力については、回路SR[s+3]に入力されるクロック信号及びパルス幅制御信号の入力の記載と同様である。加えて、回路SR_D[1]へのクロック信号及びパルス幅制御信号の入力については、回路SR[s]に入力されるクロック信号及びパルス幅制御信号の入力の記載と同様であり、回路SR_D[2]へのクロック信号及びパルス幅制御信号の入力については、回路SR[s+1]に入力されるクロック信号及びパルス幅制御信号の入力の記載と同様である。
なお、本明細書において、クロック信号CLK1、クロック信号CLK2、クロック信号CLK3、クロック信号CLK4、パルス幅制御信号PWC1、パルス幅制御信号PWC2、パルス幅制御信号PWC3、パルス幅制御信号PWC4、及びスタートパルス信号SPをまとめてタイミング信号と呼称する場合がある。そして、本発明の一態様の表示装置において、該タイミング信号は、コントローラIC112によって生成されるものとする。
なお、図39(A)のゲートドライバ103は、回路SR[1]、回路SR[2]、回路SR[3]、回路SR[4]、回路SR[5]、回路SR[6]、回路SR[m−1]、回路SR[m]、SR_D[1]、SR_D[2]、配線GL[1]、配線GL[2]、配線GL[3]、配線GL[4]、配線GL[5]、配線GL[6]、配線GL[m−1]、配線GL[m]、配線GL_DUM、配線GL_OUT、端子IT、端子OT、端子RT、端子ST、端子PT、端子IRT、端子C1T、端子C2T、端子C3T、クロック信号CLK1、クロック信号CLK2、クロック信号CLK3、クロック信号CLK4、パルス幅制御信号PWC1、パルス幅制御信号PWC2、パルス幅制御信号PWC3、パルス幅制御信号PWC4、初期化リセット信号INI_RESのみ記載しており、それ以外の回路、配線、符号については省略している。
次に、回路SR[1]乃至回路SR[m]の回路構成について説明する。図40は、図39(B)の回路SRの構成を示している。
回路SRは、pチャネル型トランジスタを用いず、nチャネル型トランジスタを用いて構成されている。回路SRは、トランジスタTr11乃至トランジスタTr23と、容量素子C11と、を有している。なお、トランジスタTr11乃至トランジスタTr23は、バックゲートを有する構成となっている。
図40の回路SRに記載している配線VDD2Lは、高レベル電位である電位VDDを与える配線である。また、図40の回路SRに記載している配線GNDLは、GND電位を与える配線である。
トランジスタTr11の第1端子は、配線VDD2Lと電気的に接続され、トランジスタTr11の第2端子は、トランジスタTr21の第1端子と電気的に接続され、トランジスタTr11のゲート及びバックゲートは、端子ITと電気的に接続されている。トランジスタTr12の第1端子は、トランジスタTr21の第1端子と電気的に接続され、トランジスタTr12の第2端子は、配線GNDLと電気的に接続され、トランジスタTr12のゲート及びバックゲートは、トランジスタTr23のゲート及びバックゲートと電気的に接続されている。なお、トランジスタTr11の第2端子と、トランジスタTr12の第1端子と、の接続部を、ノードN11と記載する。
トランジスタTr13の第1端子は、配線VDD2Lと電気的に接続され、トランジスタTr13の第2端子は、トランジスタTr14の第1端子と電気的に接続され、トランジスタTr13のゲート及びバックゲートは、端子C3Tと電気的に接続されている。トランジスタTr14の第2端子は、トランジスタTr23のゲート及びバックゲートと電気的に接続され、トランジスタTr14のゲート及びバックゲートは、端子C2Tと電気的に接続されている。容量素子C11の第1端子は、トランジスタTr23のゲート及びバックゲートと電気的に接続され、容量素子C11の第2端子は、配線GNDLと電気的に接続されている。
トランジスタTr15の第1端子は、配線VDD2Lと電気的に接続され、トランジスタTr15の第2端子は、トランジスタTr23のゲート及びバックゲートと電気的に接続され、トランジスタTr15のゲート及びバックゲートは、端子RTと電気的に接続されている。トランジスタTr16の第1端子は、トランジスタTr23のゲート及びバックゲートと電気的に接続され、トランジスタTr16の第2端子は、配線GNDLと電気的に接続され、トランジスタTr16のゲート及びバックゲートは、端子ITと電気的に接続されている。
トランジスタTr17の第1端子は、配線VDD2Lと電気的に接続され、トランジスタTr17の第2端子は、トランジスタTr23のゲート及びバックゲートと電気的に接続され、トランジスタTr17のゲート及びバックゲートは、端子IRTと電気的に接続されている。
トランジスタTr18の第1端子は、トランジスタTr21の第1端子と電気的に接続され、トランジスタTr18の第2端子は、トランジスタTr19のゲート及びバックゲートと電気的に接続され、トランジスタTr18のゲート及びバックゲートは、配線VDD2Lと電気的に接続されている。トランジスタTr19の第1端子は、端子C1Tと電気的に接続され、トランジスタTr19の第2端子は、端子STと電気的に接続されている。トランジスタTr20の第1端子は、端子STと電気的に接続され、トランジスタTr20の第2端子は、配線GNDLと電気的に接続され、トランジスタTr20のゲート及びバックゲートは、トランジスタTr23のゲート及びバックゲートと電気的に接続されている。
トランジスタTr21の第2端子は、トランジスタTr22のゲート及びバックゲートと電気的に接続され、トランジスタTr21のゲート及びバックゲートは、配線VDD2Lと電気的に接続されている。トランジスタTr22の第1端子は、端子PTと電気的に接続され、トランジスタTr22の第2端子は、端子OTと電気的に接続されている。トランジスタTr23の第1端子は、端子OTと電気的に接続され、トランジスタTr23の第2端子は、端子OTと電気的に接続されている。
次に、回路SR_D[1]及び回路SR_D[2]の回路構成について説明する。図41は、図39(C)の回路SR_Dの構成を示している。
回路SR_Dは、回路SRから端子RTを除いた構成になっている。そのため、回路SR_Dは、回路SRからトランジスタTr15を除いた構成になっている。
なお、図40の回路SR、及び図41の回路SR_Dが有する全てのトランジスタは、バックゲートを備える構成となっており、ゲートとバックゲートとが電気的に接続されている構成となっている。この構成にすることにより、トランジスタに流れるオン電流を増加することができる。
なお、図40の回路SR、及び図41の回路SR_Dが有する全てのトランジスタは、バックゲートを備える構成となっているが、バックゲートを備えないトランジスタで回路SR、及び回路SR_Dを構成してもよい。この場合、回路SR、及び回路SR_Dが有する全てのトランジスタは、ゲートとバックゲートとが電気的に接続されている構成になっているので、ゲートのみを所定の素子、又は配線に電気的に接続する構成とすればよい。
<<ゲートドライバの動作>>
次に、ゲートドライバ103の動作について説明する。図42は、ゲートドライバ103の動作例を示すタイミングチャートであり、時刻T0から時刻T10までにおける、クロック信号CLK1、クロック信号CLK2、クロック信号CLK3、クロック信号CLK4、パルス幅制御信号PWC1、パルス幅制御信号PWC2、パルス幅制御信号PWC3、パルス幅制御信号PWC4の電位の変化を示している。また、ゲートドライバ103の出力配線となる、配線GL[1]、配線GL[2]、配線GL[3]、配線GL[4]、配線GL[m−1]、配線GL[m]、配線GL_DUM、配線GL_OUTの電位の変化も示している。
〔回路SR[1]〕
図39より、回路SR[1]の端子C1Tには、クロック信号CLK1が入力され、回路SR[1]の端子C2Tには、クロック信号CLK2が入力され、回路SR[1]の端子C3Tには、クロック信号CLK3が入力され、回路SR[1]の端子PTには、パルス幅制御信号PWC1が入力される。
時刻T1において、ゲートドライバ103の回路SR[1]の端子ITに、スタートパルス信号として、高レベル電位が入力される。これにより、トランジスタTr11と、トランジスタTr16と、が導通状態となる。
トランジスタTr11が導通状態になることにより、トランジスタTr12の第1端子と、トランジスタTr18の第1端子と、トランジスタTr21の第1端子と、に電位VDDが印加されることになる。なお、トランジスタTr18と、トランジスタTr21と、は回路の構成上、常に導通状態となるので、トランジスタTr19のゲート及びバックゲートと、トランジスタTr22のゲート及びバックゲートと、に電位VDDが印加される。これにより、トランジスタTr19と、トランジスタTr22と、が導通状態となる。
そのため、端子PTと端子OTとが電気的に導通し、かつ端子C1Tと端子STとが電気的に導通する。
トランジスタTr16が導通状態になることにより、トランジスタTr12のゲート及びバックゲートと、トランジスタTr20のゲート及びバックゲートと、トランジスタTr23のゲート及びバックゲートと、にGND電位が印加される。このため、トランジスタTr12と、トランジスタTr20と、トランジスタTr23と、は非導通状態となる。
時刻T2において、ゲートドライバ103に、クロック信号CLK1として高レベル電位が入力される。これにより、回路SR[1]において、端子C1Tから高レベル電位が入力され、トランジスタTr19を介して、端子STに高レベル電位が印加される。
時刻T3において、ゲートドライバ103に、パルス幅制御信号PWC1として高レベル電位が入力される。これにより、回路SR[1]において、端子PTから高レベル電位が入力され、トランジスタTr22を介して、端子OTに高レベル電位が印加される。このため、回路SR[1]の端子OTと電気的に接続されている配線GL[1]は、高レベル電位となる。
時刻T4において、ゲートドライバ103に、クロック信号CLK2として高レベル電位が入力される。これにより、回路SR[1]において、端子C2Tから高レベル電位が入力され、トランジスタTr14のゲート及びバックゲートに高レベル電位が印加される。このため、トランジスタTr14は、導通状態となる。
時刻T5において、ゲートドライバ103の回路SR[1]の端子ITに、スタートパルス信号として、低レベル電位が入力される。これにより、トランジスタTr11と、トランジスタTr16と、が非導通状態となる。
トランジスタTr11が非導通状態になることにより、ノードN11はフローティング状態となる。このため、トランジスタTr19のゲート及びバックゲートと、トランジスタTr22のゲート及びバックゲートと、の電位は、VDDを保持することになる。したがって、トランジスタTr19と、トランジスタTr22と、は、導通状態のままとなる。
時刻T6において、ゲートドライバ103に、パルス幅制御信号PWC1として低レベル電位が入力される。これにより、回路SR[1]において、端子PTから低レベル電位が入力され、トランジスタTr22を介して、端子OTに低レベル電位が印加される。このため、回路SR[1]の端子OTと電気的に接続されている配線GL[1]は、低レベル電位となる。
時刻T7において、ゲートドライバ103に、クロック信号CLK1として低レベル電位が入力され、加えて、クロック信号CLK3として高レベル電位が入力される。これにより、回路SR[1]において、端子C1Tから低レベル電位が入力され、トランジスタTr19を介して、端子STに低レベル電位が印加される。また、回路SR[1]において、端子C3Tから高レベル電位が印加されるため、トランジスタTr13のゲート及びバックゲートに高レベル電位が印加される。このため、トランジスタTr13は、導通状態となる。
このとき、トランジスタTr14も導通状態であるため、トランジスタTr12のゲート及びバックゲートと、トランジスタTr20のゲート及びバックゲートと、トランジスタTr23のゲート及びバックゲートと、容量素子C11と、に電位VDDが印加される。このため、トランジスタTr12と、トランジスタTr20と、トランジスタTr23と、は導通状態となる。
トランジスタTr20が導通状態となることにより、端子STにGND電位が印加されることになる。加えて、トランジスタTr23が導通状態となることにより、端子OTにGND電位が印加されることになる。
トランジスタTr12が導通状態となることにより、トランジスタTr11の第2端子と、トランジスタTr18の第1端子と、トランジスタTr21の第1端子と、にGND電位が印加されることになる。なお、トランジスタTr18と、トランジスタTr21と、は回路の構成上、常に導通状態となるので、トランジスタTr19のゲート及びバックゲートと、トランジスタTr22のゲート及びバックゲートと、にGND電位が印加される。これにより、トランジスタTr19と、トランジスタTr22と、が非導通状態となる。
容量素子C11の第1端子には、電位VDDが印加される。トランジスタTr16は、非導通状態であるため、容量素子C11には、電位VDDが保持される。ところで、トランジスタTr16は、端子ITから高レベル電位が入力されないと、導通状態とならない。換言すれば、容量素子C11は、端子ITから高レベル電位が入力されるまで、電位VDDを保持することになる。
〔回路SR[2]以降〕
回路SR[2]の場合、図39(A)より、回路SR[2]の端子C1Tには、クロック信号CLK2が入力され、回路SR[2]の端子C2Tには、クロック信号CLK3が入力され、回路SR[2]の端子C3Tには、クロック信号CLK4が入力され、回路SR[2]の端子PTには、パルス幅制御信号PWC2が入力される。
また、回路SR[1]の動作では、時刻T2から時刻T7の間において、端子STが高レベル電位となる、と説明した。つまり、時刻T2から時刻T7の間で、回路SR[1]の端子STから出力された高レベル電位が、回路SR[2]の端子ITに入力される。
回路SR[2]は、回路SR[1]と同様の回路構成となっているので、回路SR[2]は、回路SR[1]と同様に動作する。つまり、回路SR[2]の端子ITには、時刻T2から時刻T7までの間に、高レベル電位が入力される。回路SR[2]の端子ITが高レベル電位で、かつ回路SR[2]の端子PTにパルス幅制御信号PWC2として高レベル電位が入力されたとき、回路SR[2]の端子OTから高レベル電位が出力される。また、クロック信号CLK2が高レベル電位のときに(時刻T4から時刻T8までの間に)、回路SR[2]の端子STから高レベル電位が出力される。そして、時刻T8から時刻T9までの間において、回路SR[2]の端子STから、低レベル電位が出力され、回路SR[2]の容量素子C11に、電位VDDが保持される。
回路SR[3]以降も、端子ITに高レベル電位が入力され、かつ所定のタイミングで、端子C1T、端子C2T、端子C3T、端子PTに高レベル電位が入力されることによって、回路SR[1]及び回路SR[2]と同様の動作で、端子OT、及び端子STから高レベル電位を出力することができる。図43に、ゲートドライバ103の、時刻T0から時刻T10までを含め、時刻T10以降のタイミングチャートを示す。配線GL[m]から高レベル電位が出力されたあとは、帰線期間の途中で、回路SR[1]の端子ITにスタートパルス信号として、高レベル電位が入力される。なお、帰線期間とは、配線GL[m]の電位が高レベル電位から低レベル電位に下がってから、スタートパルス信号の電位が高レベル電位から低レベル電位に下がるまでの期間をいう。
〔回路SRの端子RT〕
ところで、回路SR[p]の端子RTは、回路SR[p+2]の端子STと電気的に接続されている。つまり、回路SR[p+2]の端子STから高レベル電位が出力されたときに、回路SR[p]の端子RTに高レベル電位が入力されるため、回路SR[p]のトランジスタTr15が導通状態となる。これにより、トランジスタTr12のゲート及びバックゲートと、トランジスタTr20のゲート及びバックゲートと、トランジスタTr23のゲート及びバックゲートと、容量素子C11と、電位VDDに印加される。
トランジスタTr20が導通状態となることにより、端子STにGND電位が印加されることになる。加えて、トランジスタTr23が導通状態となることにより、端子OTにGND電位が印加されることになる。加えて、トランジスタTr12が導通状態となることにより、トランジスタTr11の第2端子と、トランジスタTr18の第1端子と、トランジスタTr21の第1端子と、にGND電位が印加されることになる。なお、トランジスタTr18と、トランジスタTr21と、は回路の構成上、常に導通状態となるので、トランジスタTr19のゲート及びバックゲートと、トランジスタTr22のゲート及びバックゲートと、にGND電位が印加される。これにより、トランジスタTr19と、トランジスタTr22と、が非導通状態となる。
つまり、回路SR[p]の端子RTに、回路SR[p+2]の端子STから高レベル電位が出力されたとき、回路SR[1]の、時刻T7から時刻T8までの動作と同様に、端子OT、及び端子STから、それぞれGND電位が出力される。
〔回路SRの端子IRT〕
また、回路SR[1]乃至回路SR[m]、回路SR_D[1]、回路SR_D[2]のそれぞれの端子IRTには、初期化リセット信号INI_RESが入力される。初期化リセット信号INI_RESが高レベル電位のとき、上述の各回路のそれぞれの端子IRTには、高レベル電位が入力される。このため、各回路のトランジスタTr17は導通状態となる。
これにより、トランジスタTr12のゲート及びバックゲートと、トランジスタTr20のゲート及びバックゲートと、トランジスタTr23のゲート及びバックゲートと、容量素子C11と、電位VDDに印加される。
トランジスタTr20が導通状態となることにより、各回路の端子STにGND電位が印加されることになる。加えて、トランジスタTr23が導通状態となることにより、各回路の端子OTにGND電位が印加されることになる。加えて、トランジスタTr12が導通状態となることにより、トランジスタTr11の第2端子と、トランジスタTr18の第1端子と、トランジスタTr21の第1端子と、にGND電位が印加されることになる。なお、トランジスタTr18と、トランジスタTr21と、は回路の構成上、常に導通状態となるので、トランジスタTr19のゲート及びバックゲートと、トランジスタTr22のゲート及びバックゲートと、にGND電位が印加される。これにより、トランジスタTr19と、トランジスタTr22と、が非導通状態となる。
つまり、初期化リセット信号INI_RESとして、高レベル電位が入力されたとき、回路SR[1]乃至回路SR[m]、回路SR_D[1]、回路SR_D[2]のそれぞれの端子OT、端子STは、GND電位を出力する。
<レベルシフタ>
次に、基材101上に形成できるレベルシフタ104について説明する。レベルシフタ104の一例として、図44に構成例を示す。
図44に示すレベルシフタ104は、pチャネル型トランジスタを用いず、nチャネル型トランジスタを用いて構成されている。レベルシフタ104は、トランジスタTr31乃至トランジスタTr36と、容量素子C31と、容量素子C32と、を有する。
トランジスタTr31の第1端子は、入力端子IN1と電気的に接続され、トランジスタTr31の第2端子は、トランジスタTr35のゲートと電気的に接続され、トランジスタTr31のゲートは、トランジスタTr31の第1端子と電気的に接続されている。つまり、トランジスタTr31はダイオード接続の構成となっている。トランジスタTr32の第1端子は、入力端子IN0と電気的に接続され、トランジスタTr32の第2端子は、トランジスタTr36のゲートと電気的に接続され、トランジスタTr32のゲートは、トランジスタTr32の第1端子と電気的に接続されている。トランジスタTr32はダイオード接続の構成となっている。トランジスタTr33の第1端子は、トランジスタTr35のゲートと電気的に接続され、トランジスタTr33の第2端子は、配線GNDLと電気的に接続され、トランジスタTr33のゲートは、入力端子IN0と電気的に接続されている。トランジスタTr34の第1端子は、トランジスタTr36のゲートと電気的に接続され、トランジスタTr34の第2端子は、配線GNDLと電気的に接続され、トランジスタTr34のゲートは、入力端子IN1と電気的に接続されている。トランジスタTr35の第1端子は、配線VDD3Lと電気的に接続され、トランジスタTr35の第2端子は、出力端子OUTと電気的に接続されている。トランジスタTr36の第1端子は、配線GNDLと電気的に接続され、トランジスタTr36の第2端子は、出力端子OUTと電気的に接続されている。
容量素子C31の第1端子は、トランジスタTr35のゲートと電気的に接続され、容量素子C31の第2端子は、出力端子OUTと電気的に接続されている。容量素子C32の第1端子は、トランジスタTr36のゲートと電気的に接続され、容量素子のC32の第2端子は、配線GNDLと電気的に接続されている。
なお、容量素子C31の第1端子と、トランジスタTr35のゲートと、の接続部をノードN31と呼称する。加えて、容量素子C32の第1端子と、トランジスタTr36のゲートと、の接続部をノードN32と呼称する。
配線VDD3Lは、後述する高レベル電位よりも高い電位を供給する配線であり、配線GNDLは、GND電位を供給する配線である。
図45は、レベルシフタ104の動作例を示すタイミングチャートである。該タイミングチャートは、時刻T1乃至時刻T4における、入力端子IN1、入力端子IN0、出力端子OUT、ノードN31、及びノードN32の電位の変化を示している。
入力端子IN1には、低レベル電位(図45ではLowと表記している。)、又は、高レベル電位(図45ではHighと表記している。)、のどちらかが印加され、入力端子IN0には、低レベル電位、又は、高レベル電位、のどちらかが印加される。
出力端子OUTには、高レベル電位よりも高い電位VDD、またはGND電位が出力される。
時刻T1において、入力端子IN1には、高レベル電位が入力され、入力端子IN0には、低レベル電位が入力される。トランジスタTr31は、ダイオード接続の構成となっているため、トランジスタTr31の第2端子と電気的に接続されているノードN31の電位が高レベル電位まで上昇する(図45では、V1まで上昇する旨を図示している。)。また、トランジスタTr34のゲートに高レベル電位が印加されるため、トランジスタTr34は、導通状態となり、トランジスタTr34の第1端子と電気的に接続されているノードN32の電位はGND電位まで下降する。トランジスタTr33のゲートには、低レベル電位が印加されるため、トランジスタTr33は、非導通状態となる。
ここで、ノードN31と、トランジスタTr35と、に着目する。トランジスタTr35は導通状態であるため、出力端子OUTから出力される電位は、徐々に上昇する。加えて、トランジスタTr36は、非導通状態であるため、出力端子OUTから出力される電位の上昇に伴って、容量素子C31の第2端子の電位も上昇する。このため、容量素子C31のブースティング効果により、ノードN31の電位も上昇する(図45では、V2まで上昇する旨を図示している。)。つまり、トランジスタTr35のゲートの電位が高くなるため、トランジスタTr35に流れるオン電流が増加する。これにより、出力端子OUTから出力される電位は、VDDまで上昇することになる。
時刻T2において、入力端子IN1には、低レベル電位が入力される。また、入力端子IN0には、時刻T2以前から引き続き、低レベル電位が入力される。トランジスタTr31は、入力端子IN1から入力された低レベル電位により、非導通状態となり、トランジスタTr32は、入力端子IN0から入力された低レベル電位により、引き続き、非導通状態となる。加えて、トランジスタTr34のゲートには、低レベル電位が入力されるため、トランジスタTr34は、非導通状態となる。上述の動作によって、ノードN31、及びノードN32は、フローティング状態となり、ノードN31、及びノードN32のそれぞれの電位は保持される。このため出力端子OUTから出力される電位に変化は生じない。
時刻T3において、入力端子IN1には、時刻T3以前から引き続き、低レベル電位が入力される。また、入力端子IN0には、高レベル電位が入力される。トランジスタTr32は、ダイオード接続の構成となっているため、トランジスタTr32の第2端子と電気的に接続されているノードN32の電位が上昇する。トランジスタTr33のゲートは、入力端子IN0からの高レベル電位が入力されるため、導通状態となり、トランジスタTr33の第1端子と電気的に接続されているノードN31の電位はGND電位まで下降する。
ここで、トランジスタTr36に着目する。トランジスタTr36は導通状態であるため、出力端子OUTから出力される電位は、徐々に下降し、最終的にGND電位となる。
時刻T4において、入力端子IN1には、時刻T4以前から引き続き、低レベル電位が入力される。また、入力端子IN0には、低レベル電位が入力される。トランジスタTr31は、入力端子IN1から入力された低レベル電位により、引き続き、非導通状態となり、トランジスタTr32は、入力端子IN0から入力された低レベル電位により、非導通状態となる。加えて、トランジスタTr33のゲートには、低レベル電位が入力されるため、トランジスタTr33は、非導通状態となる。上述の動作によって、ノードN31、及びノードN32は、フローティング状態となり、ノードN31、及びノードN32のそれぞれの電位は保持される。このため出力端子OUTから出力される電位に変化は生じない。
このように、レベルシフタ104を図44に示す構成にすることによって、入力電圧を高電位側にレベルシフトすることができる。
上述した、画素回路21乃至画素回路25、画素回路31乃至画素回路36が有するトランジスタTr1乃至トランジスタTr4、トランジスタTr11乃至トランジスタTr23、トランジスタTr31乃至トランジスタTr36は、OSトランジスタを適用することができる。
特に、上述のゲートドライバ103をOSトランジスタのみで構成する場合、OSトランジスタはSiトランジスタよりも電界効果移動度が低い場合があるため、ゲートドライバ103に入力するタイミング信号は、高電圧にするのが好ましい。その場合、ゲートドライバ103に入力するタイミング信号を、上述したレベルシフタ104によって昇圧するような構成にする必要がある。つまり、図28に示したとおり、表示ユニット100は、コントローラIC112から、タイミング信号をレベルシフタ104に送信し、該タイミング信号をレベルシフタ104によってレベルシフトして、ゲートドライバ103に入力する構成にするのがよい。
このような構成とする場合、レベルシフタ104もOSトランジスタのみで構成するのがよい。このような構成にすることによって、消費電力の低減、信号遅延の低減、そして、動作特性の向上を実現することができる。また、基材101上にゲートドライバ103と同時に形成することができるため、表示ユニット100の作製工程を短縮することができる。
なお、本実施の形態は、表示ユニット100だけでなく、表示ユニット100A、及び表示ユニット100Bに対しても有効である。
また、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
(実施の形態6)
本実施の形態では、先の実施の形態で説明した表示ユニット100、又は表示ユニット100Aに実装できるソースドライバICについて説明する。
<ソースドライバIC>
図46にソースドライバICの一例をブロック図として示す。ソースドライバIC111は、LVDS(Low Voltage Differential Signaling)レシーバ1710と、シリアルパラレル変換回路1720と、シフトレジスタ回路1730と、ラッチ回路1740と、レベルシフタ1750と、パストランジスタ論理回路1760と、抵抗ストリング回路1770と、外部補正回路1780と、BGR回路1790(Band Gap Reference)と、バイアスジェネレータ1800と、バッファアンプ1900と、を有している。なお、図46では、ソースドライバIC111は、バイアスジェネレータ1800を2つ有している。
LVDSレシーバ1710は、外部のホストプロセッサと電気的に接続されている。LVDSレシーバ1710は、該ホストプロセッサからのビデオ信号を受信する機能を有し、LVDSレシーバ1710は、差動信号をシングルエンドの信号に変換して、シリアルパラレル変換回路1720に該信号を送信する。図46では、ビデオ信号として、アナログ電圧信号DA,DB0、アナログ電圧信号DA,DB1、アナログ電圧信号DA,DB2、アナログ電圧信号DA,DB3、アナログ電圧信号DA,DB4、アナログ電圧信号DA,DB5、アナログ電圧信号DA,DB6、及びアナログ電圧信号DA,DB7がLVDSレシーバに入力されている。なお、LVDSレシーバ1710は、クロック信号CLOCK及びクロック信号CLOCKBの入力により、逐次動作が行われ、また、LVDSレシーバ1710は、スタンバイ信号STBYにより、スタンバイ状態にする(一時停止する)ことができる。なお、クロック信号CLOCKBは、クロック信号CLOCKの反転信号である。
シリアルパラレル変換回路1720は、LVDSレシーバ1710と電気的に接続されている。シリアルパラレル変換回路1720は、LVDSレシーバ1710からのシングルエンドの信号を受信する機能を有し、シリアルパラレル変換回路1720は、シングルエンドの信号をパラレル変換して、BUS[127:0]の信号として内部バスに送信する。
シフトレジスタ回路1730は、シリアルパラレル変換回路1720と電気的に接続され、ラッチ回路1740はシフトレジスタ回路1730と電気的に接続されている。シフトレジスタ回路1730は、シリアルパラレル変換回路1720と同期して、内部バス上のデータを各ラインのラッチ回路1740に格納するタイミングを指定する機能を有する。
レベルシフタ1750は、ラッチ回路1740と電気的に接続されている。レベルシフタ1750は、ラッチ回路1740に全てのラインのデータが格納されたときに、それぞれのデータをレベルシフトする機能を有する。
パストランジスタ論理回路1760は、レベルシフタ1750と、抵抗ストリング回路1770と電気的に接続されている。なお、パストランジスタ論理回路1760と抵抗ストリング回路1770によってDAC(Digital to Analog Converter)が構成される。抵抗ストリング回路1770には、8ビットの信号(図46ではVR0−VR255と記載)が入力され、該信号に応じた電位をパストランジスタ論理回路1760に出力する。パストランジスタ論理回路1760は、該電位の供給によって、レベルシフトされた各データをデジタルアナログ変換する機能を有する。
バッファアンプ1900は、パストランジスタ論理回路1760と電気的に接続されている。バッファアンプ1900は、デジタルアナログ変換されたデータを増幅して、データ信号として増幅されたデータ(図46ではS[2159:0]と記載)を画素アレイに送信する機能を有する。
BGR回路1790は、ソースドライバIC111を駆動するための基準となる電圧を生成する機能を有する。BGR回路1790は、バイアスジェネレータの一方及び他方のそれぞれと電気的に接続されている。
バイアスジェネレータ1800の一方は、BGR回路1790と、バッファアンプ1900と、に電気的に接続されている。バイアスジェネレータ1800の一方は、BGR回路1790で生成した基準となる電圧から、バッファアンプ1900を動作させるためのバイアス電圧を生成する機能を有する。なお、バイアスジェネレータ1800の一方には、LVDSレシーバ1710と同じタイミングでスタンバイ信号STBYが入力され、この信号によって、バイアスジェネレータ1800の一方をスタンバイ状態にする(一時停止する、又はアイドリングストップの状態にする)ことができる。
バイアスジェネレータ1800の他方は、外部補正回路1780に電気的に接続されている。バイアスジェネレータ1800の他方は、BGR回路1790で生成した基準となる電圧から、外部補正回路1780を動作させるためのバイアス電圧を生成する機能を有する。なお、外部補正回路1780を動作させる必要が無いとき、バイアスジェネレータ1800の他方には、スタンバイ信号CMSTBYが送信され、この信号によって、バイアスジェネレータ1800の他方をスタンバイ状態にする(一時停止する、又はアイドリングストップの状態にする)ことができる。
外部補正回路1780は、画素が有するトランジスタと電気的に接続されている。画素アレイにおいて、それぞれの画素トランジスタに電圧電流特性のバラツキが存在する場合、その表示装置に映す画像に対して影響を与えるため、表示装置の表示品位の低下を引き起こす要因となる。外部補正回路1780は、該画素トランジスタに流れる電流量を計測して、該電流量に応じて該画素トランジスタに流れる電流量を適切にする機能を有する。なお、外部補正回路1780には、セット信号CMSETが入力され、この信号によって、外部補正回路1780の初期化が行われる。また、外部補正回路1780には、クロック信号CMCLKが入力され、この信号によって外部補正回路1780が動作する。また、外部補正回路1780には、画素回路が有するトランジスタからの信号(図46ではS[719:0]と記載)が入力され、外部補正回路1780に別に印加されている参照電位VREF1、及び参照電位VREF2を基準として、画像補正に関する判定が行われる。その補正に関する判定結果を、出力信号としてCMOUT[11:0]がソースドライバIC111の外部にあるイメージプロセッサに送信される。該イメージプロセッサはCMOUT[11:0]の内容に基づいて、映像データの補正を行う。
なお、ソースドライバIC111は、外部補正回路1780を有する構成でなくてもよい。例えば、外部補正回路1780は、ソースドライバIC111に設けず、画素アレイが有するそれぞれの画素に補正回路を設ける構成であってもよい。また、例えば、外部補正回路1780は、ソースドライバIC111設けず、後述するコントローラICに設ける構成としてもよい。
ソースドライバIC111の各回路を実現するには、高耐圧Siトランジスタを用いるのが好適である。また、高耐圧Siトランジスタを用いることで、ソースドライバIC111が有する回路の微細化が可能となる場合があるため、これによって、高精細な表示装置を実現することができる。
また、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
(実施の形態7)
本実施の形態では、ハイブリッド表示装置が有する表示ユニット100Aの具体的な構成例について、説明する。
<断面図>
図47は、表示ユニット100Aの断面図を示している。なお、図47の表示ユニット100Aは、実施の形態5で説明した画素回路35、又は画素回路36を有する構成とする。
図47の表示ユニット100Aは、基板300と基板301の間に、表示部306Eと、表示部306Lとが積層された構成となっている。具体的に、図47では、表示部306Eと表示部306Lとが接着層304により接着されている。
そして、図47では、表示部306Eの画素が有する発光素子302、トランジスタTr3、及び容量素子C2と、表示部306Eの駆動回路が有するトランジスタTrEDとを図示している。なお、発光素子302は、他の実施の形態で示した発光素子10bに相当する。また、トランジスタTr3、及び容量素子C2は、それぞれ実施の形態5で説明している。
また、図47では、表示部306Lの画素が有する液晶素子303と、トランジスタTr1と、容量素子C1と、表示部306Lの駆動回路が有するトランジスタTrLDとを図示している。なお、液晶素子303は、他の実施の形態で示した反射素子10aに相当する。トランジスタTr1、及び容量素子C1は、実施の形態5で説明している。
トランジスタTr3は、バックゲートとしての機能を有する導電層311と、導電層311上の絶縁層312と、絶縁層312上において導電層311と重なる半導体層313と、半導体層313上の絶縁層316と、絶縁層316上に位置し、ゲートとしての機能を有する導電層317と、導電層317上に位置する絶縁層318のさらに上に位置し、半導体層313と電気的に接続されている導電層314及び導電層315と、を有する。
また、導電層315は、導電層319と電気的に接続され、導電層319は導電層320に電気的に接続されている。導電層319は導電層317と同一の層に形成されており、導電層320は導電層311と同一の層に形成されている。
また、導電層311及び導電層320と同一の層に、トランジスタTr2(図示しない。)のバックゲートとしての機能を有する導電層321が位置している。導電層321上には絶縁層312が位置し、絶縁層312上には導電層321と重なる領域を有する半導体層322が位置する。半導体層322にはトランジスタTr2(図示しない。)のチャネル形成領域が含まれる。半導体層322上には絶縁層318が位置し、絶縁層318上には導電層323が位置する。導電層323は半導体層322に電気的に接続されており、導電層323はトランジスタTr2(図示しない。)のソース電極またはドレインとしての機能を有する。
トランジスタTrEDは、トランジスタTr3と同様の構成を有するので、詳細な説明は省略する。
トランジスタTr3、導電層323、トランジスタTrED上には、絶縁層324が位置し、絶縁層324上には絶縁層325が位置する。絶縁層325上には導電層326及び導電層327が位置する。導電層326は導電層314と電気的に接続されており、導電層327は導電層323と電気的に接続されている。導電層326及び導電層327上には絶縁層328が位置し、絶縁層328上には導電層329が位置する。導電層329は導電層326に電気的に接続されており、発光素子302の画素電極としての機能を有する。
導電層327と絶縁層328と導電層329とが重なる領域が、容量素子C2として機能する。
導電層329上には絶縁層330が位置し、絶縁層330上にはEL層331が位置し、EL層331上には対向電極としての機能を有する導電層332が位置する。導電層329とEL層331と導電層332とは、絶縁層330の開口部において電気的に接続されており、導電層329とEL層331と導電層332とが電気的に接続された領域が発光素子302として機能する。発光素子302は、導電層332側から破線の矢印で示す方向に光を放射する、トップエミッション構造を有する。
導電層329と導電層332とは、一方が陽極として機能し、他方が陰極として機能する。導電層329と導電層332の間に、発光素子302の閾値電圧より高い電圧を印加すると、EL層331に陽極側から正孔が注入され、陰極側から電子が注入される。注入された電子と正孔はEL層331において再結合し、EL層331に含まれる発光物質が発光する。
なお、半導体層313、322に金属酸化物(酸化物半導体)を用いる場合、表示ユニット100Aの信頼性を高めるには、絶縁層318は酸素を含む絶縁材料を用いることが望ましく、絶縁層324には水又は水素などの不純物が拡散しにくい材料を用いることが望ましい。
絶縁層325または絶縁層330として有機材料を用いる場合、絶縁層325または絶縁層330が表示ユニット100Aの端部に露出していると、絶縁層325または絶縁層330を介して発光素子302等に表示ユニット100Aの外部から水分等の不純物が侵入する恐れがある。不純物の侵入により、発光素子302が劣化すると、表示装置の劣化につながる。そのため、図47に示すように、絶縁層325及び絶縁層330が、表示ユニット100Aの端部に位置しないことが好ましい。
発光素子302は、接着層333を介して着色層334と重なる。スペーサ335は、接着層333を介して遮光層336と重なる。図47では、導電層332と遮光層336との間に隙間がある場合を示しているが、これらが接していてもよい。
着色層334は特定の波長帯域の光を透過する有色層である。例えば、赤色、緑色、青色、又は黄色の波長帯域の光を透過するカラーフィルタなどを用いることができる。
なお、本発明の一態様は、カラーフィルタ方式に限られず、塗り分け方式、色変換方式、又は量子ドット方式等を適用してもよい。
表示部306Lにおいて、トランジスタTr1は、バックゲートとしての機能を有する導電層340と、導電層340上の絶縁層341と、絶縁層341上において導電層340と重なる半導体層342と、半導体層342上の絶縁層343と、絶縁層343上に位置し、ゲートとしての機能を有する導電層344と、導電層344上に位置する絶縁層345のさらに上に位置し、半導体層342と電気的に接続されている導電層346及び導電層347と、を有する。
また、導電層340と同一の層に導電層348が位置する。導電層348上には絶縁層341が位置し、絶縁層341上には導電層348と重なる領域に導電層347が位置する。導電層347と絶縁層341と導電層348とが重なる領域が、容量素子C1として機能する。
トランジスタTrLDは、トランジスタTr1と同様の構成を有するので、詳細な説明は割愛する。
トランジスタTr1、容量素子C1、トランジスタTrLD上には、絶縁層360が位置し、絶縁層360上には導電層349が位置する。導電層349は導電層347と電気的に接続されており、液晶素子303の画素電極としての機能を有する。導電層349上には配向膜364が位置する。
基板301には、共通電極としての機能を有する導電層361が位置する。具体的に、図47では、基板301上に接着層362を介して絶縁層363が接着されており、絶縁層363上に導電層361が位置する。そして、導電層361上には配向膜365が位置し、配向膜364と配向膜365の間には液晶層366が位置する。
図47では、導電層349が可視光を反射する機能を有し、導電層361が可視光を透過する機能を有することで、破線の矢印で示すように基板301側から入射した光を、導電層349において反射させ、再度基板301側から放射させることができる。
可視光を透過する導電性材料としては、例えば、インジウム(In)、亜鉛(Zn)、錫(Sn)の中から選ばれた一種を含む材料を用いるとよい。具体的には、酸化インジウム、インジウム錫酸化物(ITO:Indium Tin Oxide)、インジウム亜鉛酸化物、酸化タングステンを含むインジウム酸化物、酸化タングステンを含むインジウム亜鉛酸化物、酸化チタンを含むインジウム酸化物、酸化チタンを含むインジウム錫酸化物、酸化シリコンを含むインジウム錫酸化物(ITSO)、酸化亜鉛、ガリウムを含む酸化亜鉛などが挙げられる。なお、グラフェンを含む膜を用いることもできる。グラフェンを含む膜は、例えば膜状に形成された酸化グラフェンを含む膜を還元して形成することができる。
可視光を反射する導電性材料としては、例えば、アルミニウム、銀、またはこれらの金属材料を含む合金等が挙げられる。そのほか、金、白金、ニッケル、タングステン、クロム、モリブデン、鉄、コバルト、銅、もしくはパラジウム等の金属材料、またはこれら金属材料を含む合金を用いることができる。また、上記金属材料または合金に、ランタン、ネオジム、またはゲルマニウム等が添加されていてもよい。アルミニウムとチタンの合金、アルミニウムとニッケルの合金、アルミニウムとネオジムの合金、アルミニウム、ニッケル、及びランタンの合金(Al−Ni−La)等のアルミニウムを含む合金(アルミニウム合金)、銀と銅の合金、銀とパラジウムと銅の合金(Ag−Pd−Cu、APCとも記す)、銀とマグネシウムの合金等の銀を含む合金を用いてもよい。
なお、図47では、バックゲートを有するトップゲート型のトランジスタを用いた表示ユニットの構成について説明したが、本実施の形態で説明する表示ユニットはバックゲートを有さないトランジスタを用いていても良いし、バックゲート型のトランジスタを用いていても良い。
トランジスタに用いる半導体材料の結晶性についても特に限定されず、非晶質半導体、結晶性を有する半導体(微結晶半導体、多結晶半導体、単結晶半導体、又は一部に結晶領域を有する半導体)のいずれを用いてもよい。結晶性を有する半導体を用いると、トランジスタ特性の劣化を抑制できるため好ましい。
また、トランジスタに用いる半導体材料としては、金属酸化物(酸化物半導体)を用いることができる。代表的には、インジウムを含む金属酸化物などを適用できる。特に、トランジスタに用いる金属酸化物は、実施の形態9で説明するCAC−OSを用いるのが好ましい。
特にシリコンよりもバンドギャップが広く、且つキャリア密度の小さい半導体材料を用いると、トランジスタのオフ状態における電流を低減できるため好ましい。
半導体層は、例えば少なくともインジウム、亜鉛及びM(アルミニウム、チタン、ガリウム、ゲルマニウム、イットリウム、ジルコニウム、ランタン、セリウム、スズ、ネオジムまたはハフニウム等の金属)を含むIn−M−Zn系酸化物で表記される膜を含むことが好ましい。また、該金属酸化物を用いたトランジスタの電気特性のばらつきを減らすため、それらと共に、スタビライザーを含むことが好ましい。
スタビライザーとしては、上記Mで記載の金属を含め、例えば、ガリウム、スズ、ハフニウム、アルミニウム、またはジルコニウム等がある。また、他のスタビライザーとしては、ランタノイドである、ランタン、セリウム、プラセオジム、ネオジム、サマリウム、ユウロピウム、ガドリニウム、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウム、イッテルビウム、ルテチウム等がある。
半導体層を構成する金属酸化物として、例えば、In−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Zn系酸化物、In−Hf−Zn系酸化物、In−La−Zn系酸化物、In−Ce−Zn系酸化物、In−Pr−Zn系酸化物、In−Nd−Zn系酸化物、In−Sm−Zn系酸化物、In−Eu−Zn系酸化物、In−Gd−Zn系酸化物、In−Tb−Zn系酸化物、In−Dy−Zn系酸化物、In−Ho−Zn系酸化物、In−Er−Zn系酸化物、In−Tm−Zn系酸化物、In−Yb−Zn系酸化物、In−Lu−Zn系酸化物、In−Sn−Ga−Zn系酸化物、In−Hf−Ga−Zn系酸化物、In−Al−Ga−Zn系酸化物、In−Sn−Al−Zn系酸化物、In−Sn−Hf−Zn系酸化物、In−Hf−Al−Zn系酸化物を用いることができる。
なお、ここで、In−Ga−Zn系酸化物とは、InとGaとZnを主成分として有する酸化物という意味であり、InとGaとZnの比率は問わない。また、InとGaとZn以外の金属元素が入っていてもよい。
なお、本実施の形態では、反射型表示素子として液晶素子を用いた表示ユニットの構成を例示したが、反射型表示素子として、液晶素子のほかに、シャッター方式のMEMS(Micro Electro Mechanical System)素子、光干渉方式のMEMS素子、マイクロカプセル方式、電気泳動方式、エレクトロウェッティング方式、電子粉流体(登録商標)方式等を適用した表示素子などを用いることができる。
また、発光型表示素子として、例えばOLED(Organic Light Emitting Diode)、LED(Light Emitting Diode)、QLED(Quantum−dot Light Emitting Diode)などの自発光性の発光素子を用いることができる。
液晶素子としては、例えば垂直配向(VA:Vertical Alignment)モードが適用された液晶素子を用いることができる。垂直配向モードとしては、MVA(Multi−Domain Vertical Alignment)モード、PVA(Patterned Vertical Alignment)モード、ASV(Advanced Super View)モードなどを用いることができる。
また、液晶素子には、様々なモードが適用された液晶素子を用いることができる。例えばVAモードのほかに、TN(Twisted Nematic)モード、IPS(In−Plane−Switching)モード、FFS(Fringe Field Switching)モード、ASM(Axially Symmetric aligned Micro−cell)モード、OCB(Optically Compensated Birefringence)モード、FLC(Ferroelectric Liquid Crystal)モード、AFLC(AntiFerroelectric Liquid Crystal)モード等が適用された液晶素子を用いることができる。
なお、液晶素子に用いる液晶としては、サーモトロピック液晶、低分子液晶、高分子液晶、高分子分散型液晶(PDLC:Polymer Dispersed Liquid Crystal)、強誘電性液晶、反強誘電性液晶等を用いることができる。これらの液晶材料は、条件により、コレステリック相、スメクチック相、キュービック相、カイラルネマチック相、等方相等を示す。
また、液晶材料としては、ポジ型の液晶、またはネガ型の液晶のいずれを用いてもよく、適用するモードや設計に応じて最適な液晶材料を用いればよい。
また、液晶の配向を制御するため、配向膜を設けることができる。なお、横電界方式を採用する場合、配向膜を用いないブルー相を示す液晶を用いてもよい。ブルー相は液晶相の一つであり、コレステリック液晶を昇温していくと、コレステリック相から等方相へ転移する直前に発現する相である。ブルー相は狭い温度範囲でしか発現しないため、温度範囲を改善するために数重量%以上のカイラル剤を混合させた液晶組成物を液晶層に用いる。ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、応答速度が短く、光学的等方性である。また、ブルー相を示す液晶とカイラル剤とを含む液晶組成物は、配向処理が不要であり、視野角依存性が小さい。また配向膜を設けなくてもよいのでラビング処理も不要となるため、ラビング処理によって引き起こされる静電破壊を防止することができ、作製工程中の液晶表示ユニットの不良や破損を軽減することができる。
<画素部>
図48は、表示ユニット100Aの表示部106が有する1つの画素の上面図の一例を示している。具体的には、図48は、表示部106が有する画素513における、液晶素子の表示領域のレイアウトと、発光素子の表示領域のレイアウトとを示している。
図48では、画素513が、液晶素子の表示領域514と、黄色に対応する発光素子の表示領域515と、緑色に対応する発光素子の表示領域516と、赤色に対応する発光素子の表示領域517と、青色に対応する発光素子の表示領域518とを有する。
なお、緑色、青色、赤色、黄色にそれぞれ対応する発光素子を用いて色再現性の良い黒を表示する際、発光素子の面積あたりに流れる電流量は、黄色に対応する発光素子が最も小さいことが求められる。図48では、緑色に対応する発光素子の表示領域516と、赤色に対応する発光素子の表示領域517と、青色に対応する発光素子の表示領域518とが、ほぼ同等の面積を有し、それらに対して黄色に対応する発光素子の表示領域515の面積はやや小さいため、色再現性の良い黒を表示することが可能である。
本実施の形態は、他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することが可能である。
(実施の形態8)
本実施の形態では、タッチセンサユニット200について、説明する。
図49に、タッチセンサユニット200の回路の構成例を示す。タッチセンサユニット200は、センサアレイ202、TSドライバIC211、センス回路212を有する。また、図49では、TSドライバIC211と、センス回路212と、をまとめて周辺回路215と図示している。
ここでは、タッチセンサユニット200が相互容量タッチセンサユニットである例を示す。センサアレイ202は、m本(mは1以上の整数)の配線DRL、n本(nは1以上の整数)の配線SNLを有する。配線DRLはドライブ線であり、配線SNLはセンス線である。ここでは、第α番目の配線DRLを配線DRL<α>と呼び、第β番目の配線SNLを配線SNL<β>と呼ぶこととする。容量素子CTαβは、配線DRL<α>と配線SNL<β>との間に形成される容量素子である。
m本の配線DRLはTSドライバIC211に電気的に接続されている。TSドライバIC211は配線DRLを駆動する機能を有する。n本の配線SNLはセンス回路212に電気的に接続されている。センス回路212は、配線SNLの信号を検出する機能を有する。TSドライバIC211によって配線DRL<α>が駆動されているときの配線SNL<β>の信号は、容量素子CTαβの容量値の変化量の情報をもつ。n本の配線SNLの信号を解析することで、タッチの有無、タッチ位置などの情報を得ることができる。
また、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
(実施の形態9)
<CAC−OSの構成>
以下では、本発明の一態様に係るトランジスタに用いることができるCAC(Cloud‐Aligned Composite)−OSの構成について説明する。
CAC−OSとは、例えば、金属酸化物を構成する元素が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで偏在した材料の一構成である。なお、以下では、金属酸化物において、一つあるいはそれ以上の金属元素が偏在し、該金属元素を有する領域が、0.5nm以上10nm以下、好ましくは、1nm以上2nm以下、またはその近傍のサイズで混合した状態をモザイク状、またはパッチ状ともいう。
なお、金属酸化物は、少なくともインジウムを含むことが好ましい。特にインジウムおよび亜鉛を含むことが好ましい。また、それらに加えて、アルミニウム、ガリウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれていてもよい。
例えば、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OS(CAC−OSの中でもIn−Ga−Zn酸化物を、特にCAC−IGZOと呼称してもよい。)とは、インジウム酸化物(以下、InOX1(X1は0よりも大きい実数)とする。)、またはインジウム亜鉛酸化物(以下、InX2ZnY2OZ2(X2、Y2、およびZ2は0よりも大きい実数)とする。)と、ガリウム酸化物(以下、GaOX3(X3は0よりも大きい実数)とする。)、またはガリウム亜鉛酸化物(以下、GaX4ZnY4OZ4(X4、Y4、およびZ4は0よりも大きい実数)とする。)などと、に材料が分離することでモザイク状となり、モザイク状のInOX1、またはInX2ZnY2OZ2が、膜中に均一に分布した構成(以下、クラウド状ともいう。)である。
つまり、CAC−OSは、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域とが、混合している構成を有する複合金属酸化物である。なお、本明細書において、例えば、第1の領域の元素Mに対するInの原子数比が、第2の領域の元素Mに対するInの原子数比よりも大きいことを、第1の領域は、第2の領域と比較して、Inの濃度が高いとする。
なお、IGZOは通称であり、In、Ga、Zn、およびOによる1つの化合物をいう場合がある。代表例として、InGaO3(ZnO)m1(m1は自然数)、またはIn(1+x0)Ga(1−x0)O3(ZnO)m0(−1≦x0≦1、m0は任意数)で表される結晶性の化合物が挙げられる。
上記結晶性の化合物は、単結晶構造、多結晶構造、またはCAAC構造を有する。なお、CAAC構造とは、複数のIGZOのナノ結晶がc軸配向を有し、かつa−b面においては配向せずに連結した結晶構造である。
一方、CAC−OSは、金属酸化物の材料構成に関する。CAC−OSとは、In、Ga、Zn、およびOを含む材料構成において、一部にGaを主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。従って、CAC−OSにおいて、結晶構造は副次的な要素である。
なお、CAC−OSは、組成の異なる二種類以上の膜の積層構造は含まないものとする。例えば、Inを主成分とする膜と、Gaを主成分とする膜との2層からなる構造は、含まない。
なお、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域とは、明確な境界が観察できない場合がある。
なお、ガリウムの代わりに、アルミニウム、イットリウム、銅、バナジウム、ベリリウム、ホウ素、シリコン、チタン、鉄、ニッケル、ゲルマニウム、ジルコニウム、モリブデン、ランタン、セリウム、ネオジム、ハフニウム、タンタル、タングステン、またはマグネシウムなどから選ばれた一種、または複数種が含まれている場合、CAC−OSは、一部に該金属元素を主成分とするナノ粒子状に観察される領域と、一部にInを主成分とするナノ粒子状に観察される領域とが、それぞれモザイク状にランダムに分散している構成をいう。
CAC−OSは、例えば基板を加熱しない条件で、スパッタリング法により形成することができる。また、CAC−OSをスパッタリング法で形成する場合、成膜ガスとして、不活性ガス(代表的にはアルゴン)、酸素ガス、及び窒素ガスの中から選ばれたいずれか一つまたは複数を用いればよい。また、成膜時の成膜ガスの総流量に対する酸素ガスの流量比は低いほど好ましく、例えば酸素ガスの流量比を0%以上30%未満、好ましくは0%以上10%以下とすることが好ましい。
CAC−OSは、X線回折(XRD:X−ray diffraction)測定法のひとつであるOut−of−plane法によるθ/2θスキャンを用いて測定したときに、明確なピークが観察されないという特徴を有する。すなわち、X線回折から、測定領域のa−b面方向、およびc軸方向の配向は見られないことが分かる。
またCAC−OSは、プローブ径が1nmの電子線(ナノビーム電子線ともいう。)を照射することで得られる電子線回折パターンにおいて、リング状に輝度の高い領域と、該リング領域に複数の輝点が観測される。従って、電子線回折パターンから、CAC−OSの結晶構造が、平面方向、および断面方向において、配向性を有さないnc(nano−crystal)構造を有することがわかる。
また例えば、In−Ga−Zn酸化物におけるCAC−OSでは、エネルギー分散型X線分光法(EDX:Energy Dispersive X−ray spectroscopy)を用いて取得したEDXマッピングにより、GaOX3が主成分である領域と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域とが、偏在し、混合している構造を有することが確認できる。
CAC−OSは、金属元素が均一に分布したIGZO化合物とは異なる構造であり、IGZO化合物と異なる性質を有する。つまり、CAC−OSは、GaOX3などが主成分である領域と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域と、に互いに相分離し、各元素を主成分とする領域がモザイク状である構造を有する。
ここで、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域は、GaOX3などが主成分である領域と比較して、導電性が高い領域である。つまり、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域を、キャリアが流れることにより、金属酸化物としての導電性が発現する。従って、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域が、金属酸化物中にクラウド状に分布することで、高い電界効果移動度(μ)が実現できる。
一方、GaOX3などが主成分である領域は、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1が主成分である領域と比較して、絶縁性が高い領域である。つまり、GaOX3などが主成分である領域が、金属酸化物中に分布することで、リーク電流を抑制し、良好なスイッチング動作を実現できる。
従って、CAC−OSを半導体素子に用いた場合、GaOX3などに起因する絶縁性と、InX2ZnY2OZ2、またはInOX1に起因する導電性とが、相補的に作用することにより、高いオン電流(Ion)、および高い電界効果移動度(μ)を実現することができる。
また、CAC−OSを用いた半導体素子は、信頼性が高い。従って、CAC−OSは、ディスプレイをはじめとするさまざまな半導体装置に最適である。
本実施の形態は、少なくともその一部を本明細書中に記載する他の実施の形態と適宜組み合わせて実施することができる。
(実施の形態10)
本実施の形態では、先の実施の形態で説明した表示ユニット100、表示ユニット100A、又は表示ユニット100Bを有する電子機器の一例について、説明する。下記の一例に示す電子機器は、先の実施の形態で説明した表示ユニット100、表示ユニット100A、又は表示ユニット100Bを有することができる。又は、下記の一例に示す電子機器は、表示ユニット100、表示ユニット100A、又は表示ユニット100Bに加えて、先の実施の形態で説明したタッチセンサユニット200を有することができる。更に、先の実施の形態で説明したコントローラICを下記に例示する電子機器に備えることによって、該電子機器の消費電力を低減することができる。
特に、表示装置、またハイブリッド表示装置に実装する、ソースドライバなどのICチップは、微細化が容易であるため、高解像度の表示装置を実現することができる。
<タブレット型情報端末>
図50(A)は、タブレット型の情報端末5200であり、筐体5221、表示部5222、操作ボタン5223、スピーカ5224を有する。また、表示部5222に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。また、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。あるいは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。また、操作ボタン5223に情報端末5200を起動する電源スイッチ、情報端末5200のアプリケーションを操作するボタン、音量調整ボタン、又は表示部5222を点灯、あるいは消灯するスイッチなどのいずれかを備えることができる。また、図50(A)に示した情報端末5200では、操作ボタン5223の数を4個示しているが、情報端末5200の有する操作ボタンの数及び配置は、これに限定されない。
また、図示していないが、図50(A)に示した情報端末5200は、マイクを有する構成であってもよい。この構成により、例えば、情報端末5200に携帯電話のような通話機能を付することができる。
また、図示していないが、図50(A)に示した情報端末5200は、カメラを有する構成であってもよい。また、図示していないが、図50(A)に示した情報端末5200は、フラッシュライト、又は照明の用途とする発光装置を有する構成であってもよい。
また、図示していないが、図50(A)に示した情報端末5200は、筐体5221の内部にセンサ(力、変位、位置、速度、加速度、角速度、回転数、距離、光、液、磁気、温度、化学物質、音声、時間、硬度、電場、電流、電圧、電力、放射線、流量、湿度、傾度、振動、におい又は赤外線などを測定する機能を含むもの)を有する構成であってもよい。特に、ジャイロ、加速度センサなどの傾きを検出するセンサを有する検出装置を設けることで、図50(A)に示す情報端末5200の向き(鉛直方向に対して情報端末がどの向きに向いているか)を判断して、表示部5222の画面表示を、情報端末5200の向きに応じて自動的に切り替えるようにすることができる。
また、図示していないが、図50(A)に示した情報端末5200は、指紋、静脈、虹彩、又は声紋など生体情報を取得する装置を有する構成であってもよい。この構成を適用することによって、生体認証機能を有する情報端末5200を実現することができる。
また、情報端末がマイクを有することによって、情報端末5200に音声解読機能を付することができる場合がある。情報端末5200に音声解読機能を設けることで、音声認識によって情報端末5200を操作する機能、更には、音声や会話を判読して会話録を作成する機能、などを情報端末5200に有することができる。これにより、例えば、会議などの議事録作成として活用することができる。
また、表示部5222として、可撓性を有する基材を用いてもよい。具体的には、表示部5222は、可撓性を有する基材上にトランジスタ、容量素子、及び表示素子などを設けた構成としてもよい。この構成を適用することによって、図50(A)に示した情報端末5200のように平らな面を有する筐体5221だけでなく、曲面を有するような筐体の電子機器を実現することができる。
また、情報端末5200は、表示部5222として可撓性を有する基材を用いて、表示部5222を自由に折りたたむことができる構造を有してもよい。このような構成を図50(B)に示す。情報端末5300は、情報端末5200と同様のタブレット型の情報端末であり、筐体5321a、筐体5321b、表示部5322、操作ボタン5323、スピーカ5324を有している。
筐体5321aと筐体5321bと、は、ヒンジ部5321cにより結合されており、ヒンジ部5321cによって、2つ折りが可能となっている。また、表示部5322は、筐体5321a、筐体5321b、及びヒンジ部5321cに設けられている。
表示部5222に適用できる可撓性を有する基材としては、可視光に対する透光性を有する材料として、ポリエチレンテレフタレート樹脂(PET)、ポリエチレンナフタレート樹脂(PEN)、ポリエーテルサルフォン樹脂(PES)、ポリアクリロニトリル樹脂、アクリル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリメチルメタクリレート樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリアミド樹脂、ポリシクロオレフィン樹脂、ポリスチレン樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリエステル樹脂、ポリハロゲン化ビニル樹脂、アラミド樹脂、エポキシ樹脂などを用いることができる。また、これらの材料を混合または積層して用いてもよい。
なお、図50(B)に示す情報端末5300において、表示部5222にコントローラICやドライバICなどを実装する場合、表示部5222の2つ折りの部分には、コントローラICやドライバICなどを実装しないように作製するのが好ましい。このように実装することで、2つ折りした際にできる湾曲部とコントローラICやドライバICなどと、の干渉が起こらなくなる。
情報端末5200、又は情報端末5300に本明細書に開示する表示装置1000、表示装置1000A、又は表示装置1000Bを適用することにより、IDS駆動時において、情報端末5200、又は情報端末5300の消費電力を低減することができ、また、情報端末5200、又は情報端末5300に高精細な画像を表示することができる。
<携帯型ゲーム機>
図51(A)は携帯型ゲーム機であり、筐体5101、筐体5102、表示部5103、表示部5104、マイクロフォン5105、スピーカ5106、操作キー5107、スタイラス5108等を有する。本発明の一態様の表示装置は、携帯型ゲーム機に適用することができる。なお、図51(A)に示した携帯型ゲーム機は、2つの表示部5103と表示部5104とを有しているが、携帯型ゲーム機が有する表示部の数は、これに限定されない。
<携帯情報端末>
図51(B)は携帯情報端末であり、第1筐体5601、第2筐体5602、第1表示部5603、第2表示部5604、接続部5605、操作キー5606等を有する。本発明の一態様の表示装置は、携帯情報端末に適用することができる。第1表示部5603は第1筐体5601に設けられており、第2表示部5604は第2筐体5602に設けられている。そして、第1筐体5601と第2筐体5602とは、接続部5605により接続されており、第1筐体5601と第2筐体5602の間の角度は、接続部5605により変更が可能である。第1表示部5603における映像を、接続部5605における第1筐体5601と第2筐体5602との間の角度に従って、切り替える構成としても良い。また、第1表示部5603及び第2表示部5604の少なくとも一方に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしても良い。なお、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。或いは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。
<ノート型パーソナルコンピュータ>
図51(C)はノート型パーソナルコンピュータであり、筐体5401、表示部5402、キーボード5403、ポインティングデバイス5404等を有する。本発明の一態様の表示装置は、表示部5402に用いることができる。
<スマートウォッチ>
図51(D)はウェアラブル端末の一種であるスマートウォッチであり、筐体5901、表示部5902、操作ボタン5903、操作子5904、バンド5905などを有する。本発明の一態様の表示装置は、スマートウォッチに適用することができる。また、表示部5902に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。また、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。あるいは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。また、操作ボタン5903にスマートウォッチを起動する電源スイッチ、スマートウォッチのアプリケーションを操作するボタン、音量調整ボタン、または表示部5902を点灯、あるいは消灯するスイッチなどのいずれかを備えることができる。また、図51(D)に示したスマートウォッチでは、操作ボタン5903の数を2個示しているが、スマートウォッチの有する操作ボタンの数は、これに限定されない。また、操作子5904は、スマートウォッチの時刻合わせを行うリューズとして機能する。また、操作子5904は、時刻合わせ以外に、スマートウォッチのアプリケーションを操作する入力インターフェースとして、用いるようにしてもよい。なお、図51(D)に示したスマートウォッチでは、操作子5904を有する構成となっているが、これに限定せず、操作子5904を有さない構成であってもよい。
<ビデオカメラ>
図51(E)はビデオカメラであり、第1筐体5801、第2筐体5802、表示部5803、操作キー5804、レンズ5805、接続部5806等を有する。本発明の一態様の表示装置は、ビデオカメラに適用することができる。操作キー5804及びレンズ5805は第1筐体5801に設けられており、表示部5803は第2筐体5802に設けられている。そして、第1筐体5801と第2筐体5802とは、接続部5806により接続されており、第1筐体5801と第2筐体5802の間の角度は、接続部5806により変更が可能である。表示部5803における映像を、接続部5806における第1筐体5801と第2筐体5802との間の角度に従って切り替える構成としてもよい。
<携帯電話>
図51(F)は、情報端末の機能を有する携帯電話であり、筐体5501、表示部5502、マイク5503、スピーカ5504、操作ボタン5505を有する。本発明の一態様の表示装置は、携帯電話に適用することができる。また、表示部5502に、位置入力装置としての機能が付加された表示装置を用いるようにしてもよい。また、位置入力装置としての機能は、表示装置にタッチパネルを設けることで付加することができる。あるいは、位置入力装置としての機能は、フォトセンサとも呼ばれる光電変換素子を表示装置の画素部に設けることでも、付加することができる。また、操作ボタン5505に携帯電話を起動する電源スイッチ、携帯電話のアプリケーションを操作するボタン、音量調整ボタン、または表示部5502を点灯、あるいは消灯するスイッチなどのいずれかを備えることができる。
また、図51(F)に示した携帯電話では、操作ボタン5505の数を2個示しているが、携帯電話の有する操作ボタンの数は、これに限定されない。また、図示していないが、図51(F)に示した携帯電話は、カメラを有する構成であってもよい。また、図示していないが、図51(F)に示した携帯電話は、フラッシュライト、または照明の用途として発光装置を有する構成であってもよい。
<移動体>
上述した表示装置は、移動体である自動車の運転席周辺に適用することもできる。
例えば図52は、自動車の室内におけるフロントガラス周辺を表す図である。図52では、ダッシュボードに取り付けられた表示パネル5701、表示パネル5702、表示パネル5703の他、ピラーに取り付けられた表示パネル5704を図示している。
表示パネル5701乃至表示パネル5703は、ナビゲーション情報、スピードメーターやタコメーター、走行距離、給油量、ギア状態、エアコンの設定など、その他様々な情報を提供することができる。また、表示パネルに表示される表示項目やレイアウトなどは、ユーザの好みに合わせて適宜変更することができ、デザイン性を高めることが可能である。表示パネル5701乃至表示パネル5703は、照明装置として用いることも可能である。
表示パネル5704には、車体に設けられた撮像手段からの映像を映し出すことによって、ピラーで遮られた視界(死角)を補完することができる。すなわち、自動車の外側に設けられた撮像手段からの画像を表示することによって、死角を補い、安全性を高めることができる。また、見えない部分を補完する映像を映すことによって、より自然に違和感なく安全確認を行うことができる。表示パネル5704は、照明装置として用いることも可能である。
また、本明細書等において、表示素子、表示素子を有する装置である表示装置、発光素子、および発光素子を有する装置である発光装置は、様々な形態を用いること、または様々な素子を有することができる。表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、例えば、EL(エレクトロルミネッセンス)素子(有機物および無機物を含むEL素子、有機EL素子、無機EL素子)、LEDチップ(白色LEDチップ、赤色LEDチップ、緑色LEDチップ、青色LEDチップなど)、トランジスタ(電流に応じて発光するトランジスタ)、プラズマディスプレイパネル(PDP)、電子放出素子、カーボンナノチューブを用いた表示素子、液晶素子、電子インク、エレクトロウェッティング素子、電気泳動素子、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)を用いた表示素子(例えば、グレーティングライトバルブ(GLV)、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)、DMS(デジタル・マイクロ・シャッター)、MIRASOL(登録商標)、IMOD(インターフェロメトリック・モジュレーション)素子、シャッター方式のMEMS表示素子、光干渉方式のMEMS表示素子、圧電セラミックディスプレイなど)、または、量子ドットなどの少なくとも一つを有している。これらの他にも、表示素子、表示装置、発光素子または発光装置は、電気的または磁気的作用により、コントラスト、輝度、反射率、透過率などが変化する表示媒体を有していてもよい。EL素子を用いた表示装置の一例としては、ELディスプレイなどがある。電子放出素子を用いた表示装置の一例としては、フィールドエミッションディスプレイ(FED)またはSED方式平面型ディスプレイ(SED:Surface−conduction Electron−emitter Display)などがある。液晶素子を用いた表示装置の一例としては、液晶ディスプレイ(透過型液晶ディスプレイ、半透過型液晶ディスプレイ、反射型液晶ディスプレイ、直視型液晶ディスプレイ、投射型液晶ディスプレイ)などがある。電子インク、電子粉流体(登録商標)、または電気泳動素子を用いた表示装置の一例としては、電子ペーパーなどがある。量子ドットを各画素に用いた表示装置の一例としては、量子ドットディスプレイなどがある。なお、量子ドットは、表示素子としてではなく、バックライトの一部に設けてもよい。量子ドットを用いることにより、色純度の高い表示を行うことができる。なお、半透過型液晶ディスプレイや反射型液晶ディスプレイを実現する場合には、画素電極の一部、または、全部が、反射電極としての機能を有するようにすればよい。例えば、画素電極の一部、または、全部が、アルミニウム、銀、などを有するようにすればよい。さらに、その場合、反射電極の下に、SRAMなどの記憶回路を設けることも可能である。これにより、さらに、消費電力を低減することができる。なお、LEDチップを用いる場合、LEDチップの電極や窒化物半導体の下に、グラフェンやグラファイトを配置してもよい。グラフェンやグラファイトは、複数の層を重ねて、多層膜としてもよい。このように、グラフェンやグラファイトを設けることにより、その上に、窒化物半導体、例えば、結晶を有するn型GaN半導体層などを容易に成膜することができる。さらに、その上に、結晶を有するp型GaN半導体層などを設けて、LEDチップを構成することができる。なお、グラフェンやグラファイトと、結晶を有するn型GaN半導体層との間に、AlN層を設けてもよい。なお、LEDチップが有するGaN半導体層は、MOCVDで成膜してもよい。ただし、グラフェンを設けることにより、LEDチップが有するGaN半導体層は、スパッタ法で成膜することも可能である。また、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)を用いた表示素子においては、表示素子が封止されている空間(例えば、表示素子が配置されている素子基板と、素子基板に対向して配置されている対向基板との間)に、乾燥剤を配置してもよい。乾燥剤を配置することにより、MEMSなどが水分によって動きにくくなることや、劣化しやすくなることを防止することができる。
また、本実施の形態は、本明細書で示す他の実施の形態と適宜組み合わせることができる。
(本明細書等の記載に関する付記)
以上の実施の形態における各構成の説明について、以下に付記する。
<実施の形態で述べた本発明の一態様に関する付記>
各実施の形態に示す構成は、他の実施の形態に示す構成と適宜組み合わせて、本発明の一態様とすることができる。また、1つの実施の形態の中に、複数の構成例が示される場合は、互いに構成例を適宜組み合わせることが可能である。
なお、ある一つの実施の形態の中で述べる内容(一部の内容でもよい)は、その実施の形態で述べる別の内容(一部の内容でもよい)と、一つ若しくは複数の別の実施の形態で述べる内容(一部の内容でもよい)との少なくとも一つの内容に対して、適用、組み合わせ、又は置き換えなどを行うことができる。
なお、実施の形態の中で述べる内容とは、各々の実施の形態において、様々な図を用いて述べる内容、又は明細書に記載される文章を用いて述べる内容のことである。
なお、ある一つの実施の形態において述べる図(一部でもよい)は、その図の別の部分、その実施の形態において述べる別の図(一部でもよい)と、一つ若しくは複数の別の実施の形態において述べる図(一部でもよい)との少なくとも一つの図に対して、組み合わせることにより、さらに多くの図を構成させることができる。
<序数詞に関する付記>
本明細書等において、「第1」、「第2」、「第3」という序数詞は、構成要素の混同を避けるために付したものである。従って、構成要素の数を限定するものではない。また、構成要素の順序を限定するものではない。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第1」に言及された構成要素が、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において「第2」に言及された構成要素とすることもありうる。また例えば、本明細書等の実施の形態の一において「第1」に言及された構成要素を、他の実施の形態、あるいは特許請求の範囲において省略することもありうる。
<図面を説明する記載に関する付記>
実施の形態について図面を参照しながら説明している。但し、実施の形態は多くの異なる態様で実施することが可能であり、趣旨及びその範囲から逸脱することなく、その形態及び詳細を様々に変更し得ることは当業者であれば容易に理解される。従って、本発明は、実施の形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。なお、実施の形態の発明の構成において、同一部分又は同様な機能を有する部分には同一の符号を異なる図面間で共通して用い、その繰り返しの説明は省略する。
また、本明細書等において、「上に」、「下に」などの配置を示す語句は、構成同士の位置関係を、図面を参照して説明するために、便宜上用いている。構成同士の位置関係は、各構成を描写する方向に応じて適宜変化する。そのため、配置を示す語句は、明細書で説明した記載に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
また、「上」や「下」の用語は、構成要素の位置関係が直上又は直下で、かつ、直接接していることを限定するものではない。例えば、「絶縁層A上の電極B」の表現であれば、絶縁層Aの上に電極Bが直接接して形成されている必要はなく、絶縁層Aと電極Bとの間に他の構成要素を含むものを除外しない。
また本明細書等において、ブロック図では、構成要素を機能毎に分類し、互いに独立したブロックとして示している。しかしながら実際の回路等においては、構成要素を機能毎に切り分けることが難しく、一つの回路に複数の機能が係わる場合や、複数の回路にわたって一つの機能が関わる場合があり得る。そのため、ブロック図のブロックは、明細書で説明した構成要素に限定されず、状況に応じて適切に言い換えることができる。
また、図面において、大きさ、層の厚さ、又は領域は、説明の便宜上任意の大きさに示したものである。よって、必ずしもそのスケールに限定されない。なお図面は明確性を期すために模式的に示したものであり、図面に示す形状又は値などに限定されない。例えば、ノイズによる信号、電圧、若しくは電流のばらつき、又は、タイミングのずれによる信号、電圧、若しくは電流のばらつきなどを含むことが可能である。
また、図面において、斜視図などにおいて、図面の明確性を期すために、一部の構成要素の記載を省略している場合がある。
また、図面において、同一の要素又は同様な機能を有する要素、同一の材質の要素、あるいは同時に形成される要素等には同一の符号を付す場合があり、その繰り返しの説明は省略する場合がある。
<言い換え可能な記載に関する付記>
本明細書等において、トランジスタの接続関係を説明する際、ソースとドレインとの一方を、「ソース又はドレインの一方」(又は第1電極、又は第1端子)と表記し、ソースとドレインとの他方を「ソース又はドレインの他方」(又は第2電極、又は第2端子)と表記している。これは、トランジスタのソースとドレインは、トランジスタの構造又は動作条件等によって変わるためである。なおトランジスタのソースとドレインの呼称については、ソース(ドレイン)端子や、ソース(ドレイン)電極等、状況に応じて適切に言い換えることができる。また、本明細書等では、ゲート以外の2つの端子を第1端子、第2端子と呼ぶ場合や、第3端子、第4端子と呼ぶ場合がある。
トランジスタは、ゲート、ソース、及びドレインと呼ばれる3つの端子を有する。ゲートは、トランジスタの導通状態を制御する制御端子として機能する端子である。ソース又はドレインとして機能する2つの入出力端子は、トランジスタの型及び各端子に与えられる電位の高低によって、一方がソースとなり他方がドレインとなる。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。また、本明細書等では、ゲート以外の2つの端子を第1端子、第2端子と呼ぶ場合や、第3端子、第4端子と呼ぶ場合がある。
また、本明細書等において「電極」や「配線」の用語は、これらの構成要素を機能的に限定するものではない。例えば、「電極」は「配線」の一部として用いられることがあり、その逆もまた同様である。さらに、「電極」や「配線」の用語は、複数の「電極」や「配線」が一体となって形成されている場合なども含む。
また、本明細書等において、電圧と電位は、適宜言い換えることができる。電圧は、基準となる電位からの電位差のことであり、例えば基準となる電位をグラウンド電位(接地電位)とすると、電圧を電位に言い換えることができる。グラウンド電位は必ずしも0Vを意味するとは限らない。なお電位は相対的なものであり、基準となる電位によっては、配線等に与える電位を変化させる場合がある。
なお本明細書等において、「膜」、「層」などの語句は、場合によっては、又は、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」という用語を、「導電膜」という用語に変更することが可能な場合がある。又は、例えば、「絶縁膜」という用語を、「絶縁層」という用語に変更することが可能な場合がある。又は、場合によっては、又は、状況に応じて、「膜」、「層」などの語句を使わずに、別の用語に入れ替えることが可能である。例えば、「導電層」又は「導電膜」という用語を、「導電体」という用語に変更することが可能な場合がある。又は、例えば、「絶縁層」「絶縁膜」という用語を、「絶縁体」という用語に変更することが可能な場合がある。
なお本明細書等において、「配線」、「信号線」、「電源線」などの用語は、場合によっては、又は、状況に応じて、互いに入れ替えることが可能である。例えば、「配線」という用語を、「信号線」という用語に変更することが可能な場合がある。また、例えば、「配線」という用語を、「電源線」などの用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で、「信号線」「電源線」などの用語を、「配線」という用語に変更することが可能な場合がある。「電源線」などの用語は、「信号線」などの用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で「信号線」などの用語は、「電源線」などの用語に変更することが可能な場合がある。また、配線に印加されている「電位」という用語を、場合によっては、又は、状況に応じて、「信号」などという用語に変更することが可能な場合がある。また、その逆も同様で、「信号」などの用語は、「電位」という用語に変更することが可能な場合がある。
<語句の定義に関する付記>
以下では、上記実施の形態中で言及した語句の定義について説明する。
<<半導体の不純物について>>
半導体の不純物とは、例えば、半導体層を構成する主成分以外をいう。例えば、濃度が0.1原子%未満の元素は不純物である。不純物が含まれることにより、例えば、半導体にDOS(Density of States)が形成されることや、キャリア移動度が低下することや、結晶性が低下することなどが起こる場合がある。半導体が酸化物半導体である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、第1族元素、第2族元素、第13族元素、第14族元素、第15族元素、主成分以外の遷移金属などがあり、特に、例えば、水素(水にも含まれる)、リチウム、ナトリウム、シリコン、ホウ素、リン、炭素、窒素などがある。酸化物半導体の場合、例えば水素などの不純物の混入によって酸素欠損を形成する場合がある。また、半導体がシリコン層である場合、半導体の特性を変化させる不純物としては、例えば、酸素、水素を除く第1族元素、第2族元素、第13族元素、第15族元素などがある。
<<トランジスタについて>>
本明細書において、トランジスタとは、ゲートと、ドレインと、ソースとを含む少なくとも三つの端子を有する素子である。そして、ドレイン(ドレイン端子、ドレイン領域又はドレイン電極)とソース(ソース端子、ソース領域又はソース電極)の間にチャネル形成領域を有しており、ゲート−ソース間に電圧を与えることでチャネル形成領域にチャネルを形成することができ、ソース‐ドレイン間に電流を流すことができる。
また、ソースやドレインの機能は、異なる極性のトランジスタを採用する場合や、回路動作において電流の方向が変化する場合などには入れ替わることがある。このため、本明細書等においては、ソースやドレインの用語は、入れ替えて用いることができるものとする。
<<スイッチについて>>
本明細書等において、スイッチとは、導通状態(オン状態)、又は、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有するものをいう。又は、スイッチとは、電流を流す経路を選択して切り替える機能を有するものをいう。
一例としては、電気的スイッチ又は機械的なスイッチなどを用いることができる。つまり、スイッチは、電流を制御できるものであればよく、特定のものに限定されない。
電気的なスイッチの一例としては、トランジスタ(例えば、バイポーラトランジスタ、MOSトランジスタなど)、ダイオード(例えば、PNダイオード、PINダイオード、ショットキーダイオード、MIM(Metal Insulator Metal)ダイオード、MIS(Metal Insulator Semiconductor)ダイオード、ダイオード接続のトランジスタなど)、又はこれらを組み合わせた論理回路などがある。
なお、スイッチとしてトランジスタを用いる場合、トランジスタの「導通状態」とは、トランジスタのソース電極とドレイン電極が電気的に短絡されているとみなせる状態をいう。また、トランジスタの「非導通状態」とは、トランジスタのソース電極とドレイン電極が電気的に遮断されているとみなせる状態をいう。なおトランジスタを単なるスイッチとして動作させる場合には、トランジスタの極性(導電型)は特に限定されない。
機械的なスイッチの一例としては、デジタルマイクロミラーデバイス(DMD)のように、MEMS(マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム)技術を用いたスイッチがある。そのスイッチは、機械的に動かすことが可能な電極を有し、その電極が動くことによって、導通と非導通とを制御して動作する。
<<接続について>>
本明細書等において、XとYとが接続されている、と記載する場合は、XとYとが電気的に接続されている場合と、XとYとが機能的に接続されている場合と、XとYとが直接接続されている場合とを含むものとする。したがって、所定の接続関係、例えば、図又は文章に示された接続関係に限定されず、図又は文章に示された接続関係以外のものも含むものとする。
ここで使用するX、Yなどは、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。
XとYとが電気的に接続されている場合の一例としては、XとYとの電気的な接続を可能とする素子(例えば、スイッチ、トランジスタ、容量素子、インダクタ、抵抗素子、ダイオード、表示素子、発光素子、負荷など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、スイッチは、オンオフが制御される機能を有している。つまり、スイッチは、導通状態(オン状態)、又は、非導通状態(オフ状態)になり、電流を流すか流さないかを制御する機能を有している。
XとYとが機能的に接続されている場合の一例としては、XとYとの機能的な接続を可能とする回路(例えば、論理回路(インバータ、NAND回路、NOR回路など)、信号変換回路(DA変換回路、AD変換回路、ガンマ補正回路など)、電位レベル変換回路(電源回路(昇圧回路、降圧回路など)、信号の電位レベルを変えるレベルシフタ回路など)、電圧源、電流源、切り替え回路、増幅回路(信号振幅又は電流量などを大きく出来る回路、オペアンプ、差動増幅回路、ソースフォロワ回路、バッファ回路など)、信号生成回路、記憶回路、制御回路など)が、XとYとの間に1個以上接続されることが可能である。なお、一例として、XとYとの間に別の回路を挟んでいても、Xから出力された信号がYへ伝達される場合は、XとYとは機能的に接続されているものとする。
なお、XとYとが電気的に接続されている、と明示的に記載する場合は、XとYとが電気的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟んで接続されている場合)と、XとYとが機能的に接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の回路を挟んで機能的に接続されている場合)と、XとYとが直接接続されている場合(つまり、XとYとの間に別の素子又は別の回路を挟まずに接続されている場合)とを含むものとする。つまり、電気的に接続されている、と明示的に記載する場合は、単に、接続されている、とのみ明示的に記載されている場合と同じであるとする。
なお、例えば、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1を介して(又は介さず)、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2を介して(又は介さず)、Yと電気的に接続されている場合や、トランジスタのソース(又は第1の端子など)が、Z1の一部と直接的に接続され、Z1の別の一部がXと直接的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)が、Z2の一部と直接的に接続され、Z2の別の一部がYと直接的に接続されている場合では、以下のように表現することが出来る。
例えば、「XとYとトランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とは、互いに電気的に接続されており、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yの順序で電気的に接続されている。」と表現することができる。又は、「トランジスタのソース(又は第1の端子など)は、Xと電気的に接続され、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)はYと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この順序で電気的に接続されている」と表現することができる。又は、「Xは、トランジスタのソース(又は第1の端子など)とドレイン(又は第2の端子など)とを介して、Yと電気的に接続され、X、トランジスタのソース(又は第1の端子など)、トランジスタのドレイン(又は第2の端子など)、Yは、この接続順序で設けられている」と表現することができる。これらの例と同様な表現方法を用いて、回路構成における接続の順序について規定することにより、トランジスタのソース(又は第1の端子など)と、ドレイン(又は第2の端子など)とを、区別して、技術的範囲を決定することができる。なお、これらの表現方法は、一例であり、これらの表現方法に限定されない。ここで、X、Y、Z1、Z2は、対象物(例えば、装置、素子、回路、配線、電極、端子、導電膜、層、など)であるとする。
なお、回路図上は独立している構成要素同士が電気的に接続しているように図示されている場合であっても、1つの構成要素が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合もある。例えば配線の一部が電極としても機能する場合は、一の導電膜が、配線の機能、及び電極の機能の両方の構成要素の機能を併せ持っている。したがって、本明細書における電気的に接続とは、このような、一の導電膜が、複数の構成要素の機能を併せ持っている場合も、その範疇に含める。
<<平行、垂直について>>
本明細書において、「平行」とは、二つの直線が−10°以上10°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、−5°以上5°以下の場合も含まれる。また、「略平行」とは、二つの直線が−30°以上30°以下の角度で配置されている状態をいう。また、「垂直」とは、二つの直線が80°以上100°以下の角度で配置されている状態をいう。したがって、85°以上95°以下の場合も含まれる。また、「略垂直」とは、二つの直線が60°以上120°以下の角度で配置されている状態をいう。
<<三方晶、菱面体晶について>>
本明細書において、結晶が三方晶又は菱面体晶である場合、六方晶系として表す。