論文題目： AMOLED像素驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
開(kāi)題報(bào)告內(nèi)容
① 項(xiàng)目研究的背景和意義
有機(jī)發(fā)光顯示器(OLEDs)是當(dāng)今平板顯示器研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。與液晶顯示器(LCD)相比,OLEDs具有低能耗、生產(chǎn)成本低(比液晶低 20%～30%) 、自發(fā)光、寬視角、工藝簡(jiǎn)單、成本低、溫度適應(yīng)性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn) 。目前,在手機(jī)、PDA、數(shù)碼相機(jī)等小屏顯示應(yīng)用領(lǐng)域OLEDs已經(jīng)開(kāi)始取代傳統(tǒng)的LCD 顯示屏 。
OLED顯示器驅(qū)動(dòng)方式可分為兩種類型：無(wú)源矩陣OLED(Passive Matrix OLED,簡(jiǎn)稱PMOLED)和有源矩陣OLED(Active Matrix OLED，簡(jiǎn)稱AMOLED)。PMOLED采用行列掃描的方式驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的像素發(fā)光,具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,生產(chǎn)成本低的優(yōu)點(diǎn),但器件能耗高,分辨率有限,器件壽命和顯示品質(zhì)也無(wú)法同TFT-LCD 相抗衡。在AMOLED 中,每個(gè)發(fā)光像素都有獨(dú)立的TFT電路驅(qū)動(dòng),不存在交叉串?dāng)_問(wèn)題,亮度、壽命以及分辨率等都較PMOLED 有大幅提高 。由于顯示器未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)是向著高精細(xì)畫質(zhì)應(yīng)用，PMOLED驅(qū)動(dòng)方式已無(wú)法滿足要求。因此，發(fā)展AMOLED驅(qū)動(dòng)技術(shù)，解決有機(jī)發(fā)光顯示器的“瓶頸”問(wèn)題顯得日益迫切。
像素驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)是AMOLED顯示器的核心技術(shù)內(nèi)容，具有重要研究意義。本項(xiàng)目致力于基于薄膜晶體管(TFT)的AMOLED顯示器像素驅(qū)動(dòng)電路的研究與實(shí)現(xiàn)。
�、� 工作任務(wù)分析
目前，應(yīng)用于AMOLED的薄膜晶體管主要有非晶硅薄膜晶體管(a-Si TFT)和低溫多晶硅薄膜晶體管(LTPS TFT)，二者實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的優(yōu)勢(shì)最大 。a-Si TFT與LTPS TFT相比具有工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低、制備成品率高、關(guān)態(tài)漏電流小等優(yōu)點(diǎn)。但a-Si TFT載流子遷移率低，器件的尺寸要比LTPS TFT大得多，而且驅(qū)動(dòng)電壓和信號(hào)電壓都比較大，這些不利因素會(huì)造成顯示屏像素開(kāi)口率下降、OLED的壽命縮短 ，同時(shí)a-Si TFT技術(shù)存在著過(guò)高的光敏感性問(wèn)題 。LTPS TFT具有較高的載流子遷移率，相比于非晶硅工藝，其特征尺寸可以做到更小，增加OLED像素的開(kāi)口率，還可以實(shí)現(xiàn)將顯示器的外圍驅(qū)動(dòng)電路集成于顯示器的周邊。
OLED有源矩陣驅(qū)動(dòng)方式可分為電流編程模式和電壓編程模式。電流編程是在數(shù)據(jù)線上提供一恒定電流通過(guò)電流鏡的作用控制OLED上流過(guò)的電流，即根據(jù)通入電流的大小控制像素的明暗程度(灰階)。文獻(xiàn)[4]和[9]是采用電流編程模式。采用電流編程技術(shù)的AMOLED畫面具有自動(dòng)補(bǔ)償LTPS TFT器件差異的功能，由此能提供高均勻度及高精細(xì)的畫質(zhì)表現(xiàn)，但在低色階區(qū)電流寫入不足 。在電流編程之前還需要以電壓驅(qū)動(dòng)一小段時(shí)間使OLED本身的寄生電容預(yù)充電(precharge)使OLED的兩端電壓達(dá)到導(dǎo)通電壓,導(dǎo)致建立時(shí)間長(zhǎng)，掃描頻率不能太高，限制了電流編程模式只適用于中小尺寸顯示 。另外,電流鏡設(shè)計(jì)中一般要求至少兩個(gè)LTPS TFT的物理特性是一致的(閾值電壓、遷移率等相同)，對(duì)于目前的多晶硅工藝這是很難實(shí)現(xiàn)的。 電壓編程模式是在數(shù)據(jù)線上使用電壓信號(hào)控制流經(jīng)OLED的電流而決定像素的明暗程度。電壓編程模式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，開(kāi)口率高，像素充電迅速，功耗小，控制方便，外圍驅(qū)動(dòng)芯片設(shè)計(jì)容易、成本低。通過(guò)像素驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)可補(bǔ)償LTPS TFT閾值電壓的差異及OLED導(dǎo)通電壓隨時(shí)間退化，還可以補(bǔ)償大面積顯示中電源線寄生電阻引起的電壓降，但無(wú)法補(bǔ)償TFT中載流子遷移率的差異。盡管如此，可以通過(guò)優(yōu)化LTPS TFT制備工藝提高遷移率的均勻性。
最簡(jiǎn)單的AMOLED像素驅(qū)動(dòng)電路如右圖所示，包
含兩個(gè)薄膜晶體管(TFT)和一個(gè)存儲(chǔ)電容(簡(jiǎn)稱2T1C
電路)，其中一個(gè)開(kāi)關(guān) (switching) TFT，一個(gè)驅(qū)動(dòng)
(driving)TFT。當(dāng)掃描線(scan line)開(kāi)啟時(shí)，外
部電路送入電壓數(shù)據(jù)信號(hào)經(jīng)由開(kāi)關(guān)TFT存儲(chǔ)在存儲(chǔ)電
容(Cs)中，此電壓信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)TFT導(dǎo)通電流大小，
也就決定了OLED的灰階;當(dāng)掃描線關(guān)閉時(shí)，存儲(chǔ)于Cs中的電壓仍能保持驅(qū)動(dòng)TFT在導(dǎo)通狀態(tài)，故能在一個(gè)畫面時(shí)間內(nèi)維持OLED的固定電流。
與TFT-LCD利用穩(wěn)定的電壓控制亮度不同，OLED器件屬于電流驅(qū)動(dòng)，需要穩(wěn)定的電流來(lái)控制發(fā)光。由于制程和器件老化等原因，各個(gè)像素點(diǎn)驅(qū)動(dòng)管 TFT的閾值電壓存在不均勻性，這樣導(dǎo)致流過(guò)各個(gè)像素點(diǎn)OLED的電流會(huì)發(fā)生變化，影響圖像顯示的均勻性。因此有必要對(duì)像素電路提出補(bǔ)償，使流過(guò)各個(gè)像素點(diǎn)的電流非均勻些控制在一定的范圍之內(nèi)。很多文獻(xiàn) 在仿真的過(guò)程中，將OLED器件作為一個(gè)二極管和電容的并聯(lián)，本項(xiàng)目中采用的OLED模型也是將一個(gè)二極管和電容并聯(lián)。本項(xiàng)目采用EDA仿真軟件 Hspice，對(duì)設(shè)計(jì)的AMOLED像素驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行模擬仿真，并提取出合理的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)管TFT閾值漂移的補(bǔ)償。
�、� 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀
2T1C像素驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，像素開(kāi)口率高，適合大批量生產(chǎn)，因此2T1C電路的研究吸引了不少研究單位 。吉林大學(xué)司玉娟等 曾經(jīng)做過(guò)傳統(tǒng)AMOLED像素驅(qū)動(dòng)電路的仿真研究，在合理選擇Poly-Si TFT模型參數(shù)的基礎(chǔ)上, 對(duì)2T1C像素驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行詳細(xì)分析, 總結(jié)出驅(qū)動(dòng)電路的合理工作參量, 并詳細(xì)分析它們的變化對(duì)驅(qū)動(dòng)電路的影響, 為像素驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)分析提供依據(jù)。Sanford等 把OLED器件不僅作為發(fā)光器件，而且把它作為一個(gè)電容使用，提出了一種可以補(bǔ)償閾值漂移的2T1C電路，但是它并不能完全消除閾值漂移的影響。
此外多個(gè)研究單位提出了多于2個(gè)TFT的TFT補(bǔ)償電路。1998年R.Dawson等 首先提出了四個(gè)TFT和二個(gè)電容的補(bǔ)償電路，它不但可以補(bǔ)償值電壓的改變，還可以減少電源線寄生電阻導(dǎo)致的電壓降，與傳統(tǒng)2T1C驅(qū)動(dòng)電路相比，可以使得面板的亮度更加均勻。J.H.Lee等 提出了一種基于氫化非晶硅薄膜晶體管(a-Si:H TFT)可補(bǔ)償閾值漂移的6T1C像素驅(qū)動(dòng)電路，實(shí)驗(yàn)表明文獻(xiàn)[12]中所設(shè)計(jì)的像素驅(qū)動(dòng)電路隨著工作時(shí)間的變化，流過(guò)OLED的電流只有7%的衰減，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)2T1C電路的28%，仿真和實(shí)驗(yàn)都表明這種6T1C電路能夠維持相當(dāng)?shù)碾娏鞣�(wěn)定性，從而保持面板發(fā)光亮度的基本不變。C.L.Lin等 提出了一種改進(jìn)型的電路，這款基于Poly-Si TFT 的5T1C 像素電路采用光學(xué)反饋的方式，不僅消除了Poly-Si TFT的驅(qū)動(dòng)管閾值電壓不均造成的像素點(diǎn)發(fā)光亮度不均，而且彌補(bǔ)了由于OLED本身的退化導(dǎo)致的發(fā)光亮度下降。同時(shí)，相比于文獻(xiàn)[12],文獻(xiàn)[13]少了一個(gè)晶體管從而提高了像素的開(kāi)口率。文獻(xiàn)[14][15]均是五個(gè)TFT和一個(gè)電容的像素驅(qū)動(dòng)電路，對(duì)LTPS TFT的驅(qū)動(dòng)管由于制程工藝造成閾值電壓不均提出了補(bǔ)償，提高了像素點(diǎn)的發(fā)光均勻程度。文獻(xiàn)[11]-[15]的像素電路使用了多個(gè)TFT，導(dǎo)致控制線路復(fù)雜，降低了像素點(diǎn)的開(kāi)口率，基于此文獻(xiàn)[16]提出了三個(gè)TFT和一個(gè)電容的補(bǔ)償電路，這個(gè)電路不需要驅(qū)動(dòng)管TFT的閾值產(chǎn)生階段，從而控制信號(hào)波形與傳統(tǒng)2T1C電路一樣簡(jiǎn)單。以上像素補(bǔ)償電路[11]-[16]皆是基于電壓編程模式。文獻(xiàn)[9]提出了一種基于電流編程的4T1C電路，仿真和實(shí)驗(yàn)同時(shí)證明該電路能夠補(bǔ)償?shù)蜏囟嗑Ч璞∧ぞw管(LTPS-TFT)的閾值電壓和遷移率的不均。當(dāng)像素點(diǎn)溫度從27 升至60 時(shí)，該4T1C電路流過(guò)OLED的電路僅增加了1.5%，而傳統(tǒng)2T1C電路流過(guò)OLED的電流將增加37% 。
④ 畢業(yè)設(shè)計(jì)項(xiàng)目實(shí)施計(jì)劃及進(jìn)度
第1-2周：閱讀相關(guān)文獻(xiàn)資料及撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告。
第3-4周：優(yōu)化傳統(tǒng)2T1C像素電路設(shè)計(jì)參數(shù)，2T1C電路動(dòng)態(tài)分析和仿真，進(jìn)一步熟悉Hspice和AIM-spice仿真軟件的使用。
第5-6周：研究文獻(xiàn)[13]中的像素電路，提取OLED器件、存儲(chǔ)電容和TFT器件的模型參數(shù)。
第7-8周：進(jìn)一步閱讀文獻(xiàn)，找像素電路設(shè)計(jì)的靈感，并構(gòu)思新的閾值補(bǔ)償電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
第9-12周：仿真分析新的電路拓?fù)�，并提取出合理的模型和工藝參�?shù)。
第13-14周：撰寫畢業(yè)設(shè)計(jì)報(bào)告，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。
第15周：畢業(yè)答辯。
⑤ 參考文獻(xiàn)
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