（微电子学与固体电子学专业论文）192路pdp列驱动芯片关键技术研究.pdf

r e s e a r c ho nk e y t e c h n 0 1 0 9 i e s o f19 2 一c h a n n e lp d pd a t ad r i v e ri c ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt o s o u t h e a s tu n i v e r s 毋 f o rt h ea c a d e m i cd e g r e eo f d o c t o ro f e n g i n e e r i n gs c i e n c e b y l ih a i s o n g v s u p e i s e db y p r o f e s s o rs h il o n g x i n g p r o f e s s o rs u nw e i f e n g s c h o o lo fe 1 e c t r o n i cs c i e n c ea n de n g i n e e r i n g s o u t h e a s tu n i v e r s 时 n o v e m b e r2 0 0 9 ：# 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盗i 盏查乏 日期： 如c 1 1 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。 研究生签名：超导师签名：1 期： 摘要 等离子体显示( p d p ) 是主流平板显示技术之一，具有良好的市场前景，是我国重点发展的产业。 p d p 驱动芯片是p d p 模组的核心元件，实现低压显示控制信号到高压大电流驱动信号的转换。p d p 驱动芯片从功能上可以分为列寻址驱动芯片和行扫描驱动芯片，在p d p 模组中扮演重要角色。由于 p d p 驱动芯片直接与显示屏相连接，其驱动能力、功耗、可靠性、稳定性等参数指标将直接影响p d p 整机的性能。本文重点研究的1 9 2 路p d p 列驱动芯片关键技术包括：高压l e d m o s 器件与集成工 艺、高压l e d m o ss p i c e 建模技术、低功耗低干扰高压驱动电路及其可靠性等。 本文的研究采用理论分析、计算机辅助模拟及实验验证相结合的方法。首先，建立了o 5 i l m1 0 0 v p d p 列驱动芯片工艺平台，并研究了高压l e d m o s 的高温效应及安全工作区，提高了集成工艺的 兼容性与稳定性；在高压l e d m o s 设计方面，提出了一种低热载流子退化的阶梯栅氧l e d m o s 结 构，在不增加工艺复杂度的前提下，改善驱动电流与器件寿命之间的矛盾。其次，在成功设计高压 器件的基础上，提出并建立了高压精度9 5 的l e d m o s 子电路宏模型和精度9 0 的b s i m 3 宏模型， 其中子电路宏模型的a c 仿真精度高，集成准饱和、自热等高压l e d m o s 特性，而b s i m 3 宏模型 宽度适应性、仿真速度、收敛性等方面具有优势。第三，重点研究了新型高压驱动电路结构及其可 靠性，提出了带缓冲级和低d v d t 高压驱动电路，能够僻低芯片自身功耗2 0 以上，同时分析高压驱 动电路苛刻的工作条件，研究并改进了p d p 系统“浮地”工作方式下高压驱动电路引起的闩锁 ( l a t c h u p ) 问题，并通过高压e s d 网络的设计与研究，解决1 9 2 路高压驱动电路输出端e s d 保护 问题。 以上关键技术的研究获得国家与国际专利2 项授权，4 项受理。在此基础上，本文完成了1 9 2 路p d p 列驱动芯片的系统级定义、设计及模块化封装，完成芯片电学功能和可靠性考核验证，并最 终将所设计的1 9 2 路p d p 列驱动芯片应用到4 2 英寸p d p 模组中。测试表明所设计的1 9 2 路p d p 列 驱动芯片功能正确、性能稳定，达到系统应用需求，同时也验证了本文所研究的关键技术，包括新 型高压l e d m o s 器件、高低压集成工艺、高压l e d m o ss p i c e 模型、新型高压驱动电路及其可靠 性等的有效性。 关键词：p d p 列驱动芯片、高压l e d m o s 、s p i c e 模型、驱动电路、可靠性 a b s t r a c t p l 嬲m ad i s p l a yp a n e l ( p d p ) i so n eo f t l l em o s tp o p l l l 缸l a 略e - s c r e 饥n a td i s p l a yp a n e l s ( f d p s ) ，a n d 也e v e d ri m p r e s s i v ep 豫s e n 诅t i o n so f 也ep d p 珊咄e t sh a v eb e 饥m d e t h ep d p 血v c ri c s ，i n c l u d i n gd a t a “、，e ri c s 觚ds c 锄“v e ri c s ，p l a yn m j o rr o l e si nt 1 1 ep d pm o d u l e 1 1 1 em a i n 缸c t i o fp d p “v e ri c si s 缸彻s f 0 m i i n gl o wv o l t a g el o g i cs i 印a l st 0h i g hv o l t a g ea n dk 唱ec u 小m t 血v i n gs i g 姐l s s i n c et h ep d p d r i v e ri c sc o 衄e c tt 0t h ep 觚e ld i r e c t l y ，t 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c so ft h e i r 埘v e rc a p a b i l i 饥p o w e rd i s s i p a t i o n r e l i a b i l 时锄ds a t i a b i l i 哆w i l la 艉c tt h ep e r f o m l 锄c eo fp d p 1 1 1t h i st h e s i s ，t 1 1 ek e yt e c h n o l o 百e so ft h e 19 2 c h 跏l e lp d pd a t a “v e ri c 眦他s e a r c h e d ，i n c l u d i n gt h el e d m o ss 仃u c t u r e s ，t h ef a b r i c a t e d t c c h n 0 1 0 鼢t h el e d m o ss p i c em o d e l i n g ，t h el o wp o w e rd i s s i p a t i o nh i g hv o l t a 喀e “v e rc 沁u i t s ，t h eh i 曲 v o l t a g er e l i a b i l i t i e s ，a n ds 00 n t h ei n v e s t i g a t i o n e si nt l l et t l e s i sa r ea d d r e s s e db yu s i n gt h e o 叮龃a l y s i s ，t c a ds i 舢l a t i o na n dv a r i o u s e x p e m 圮珧f i r s t l y ，an e wl o wc o s to 5 岬lo o vb u l k - s i l i c o nc d m o s ( c m o sa n dd m o s ) t e c h l l o l o g yi s d e v e l 叩e d 1 1 1 eh 砷t e m p e r a n 雌c h a r a c t e r i s t i c s 姐d 鼢f c 叩e 枷o na r c ao f h i g hv o l t a g cl e d m o sa r e o p t i r i l i z e d ，姐dt t l ec o n l p a t i b i l i t y 锄d 啦出i l i 够o fc d m o st e c h n o l o g ya r ei n l p r o v e di n d i v i d u a l l y s i l l l l t 锄e i 劬an o v e ls t 印g a t eo x j d en l e d m o ss 仃u c t u r ei sp r o p o s e dt 0r e d u c eh o tc a r r i e rd e g r a d a t i o n s e c o n d l y ，t 、) l ，o 咖e so fc o m p l e m e n t 哪h 诎v o l 切g el e d m o ss p i c em o d e l s 撇p r o p o s e d o n ei s s u b - c 硫u i tm a c r 0m o d e l ，趾dt 1 1 eo t l l e ri sb s i m 3m a c r 0m o d e l t h ee 盯o r sa r el e s st h 觚5 觚d10 ， r e s p e c t i v e l y t h es u 【b - c i r c u i tl i l a c r om o d e l i su s e dt os i n m l a t et i n l i n gc h 盯a c t e r i s t i c s ，f o rh i g ha cp r e c i s i o n ， i n t e r i o rt h eq u a s i s a 咖t i o ne 毹c t sa n ds e l 硒e a 劬ge 虢c t s t h eb s 肼3m c r 0m o d e li sa p p l i e d w h e nc i r c u i tf h n c t i o nd e s i 弘，s i n c ei t i sw i d 也a l t e r a b l e ，h i 曲驴e d 雒dg o o dc o n v e r g e n c e 1 h 砌y ，ab u 疏r s t a g ei n s i d e 蛆dl o wd v d th i 曲v o l 位唔e 埘v e rc h l l i t ，、 i ，：h i c hc 龃c u td o w nt t i ep o w e rd i s s i p a t i o nm o r c 也狃 2 0 ，a r es u g g e s t e d a tt h es 锄et i m e ，t 1 1 el a t c h u pf a i l u i eu n d e r “n o a t i n g 孕d u n d a p p l i c a t i o nm l dt h e m l t i - p i nh i g hv o l t a g ee s d a r ed i s c u s s e d 1 1 1 e 栅t si nm i st h e s i sh a v eb e 锄a u t l l 耐z e d 铆oc h i n e s ep a t e n t s ，觚dh a v e 印p l i e df o ro n eu n i t e d s t a t e sp a t e n t 衄d 血e ec h i n e s ep a t e n t s 1 1 1 ea b o v et e c h n o l o g i e sh a v eb e e na p p l i e di nt l l ep d p “v e ri c s n e19 2c h 踟e lp d pd a t a “v e ri ci sd e f m e d ，d e s i 印e 也f a b r i c a t e d 强dp a c k a g e d 1 1 1 ee x p e 血l e mr c s u l t s s h o wt h ee l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i c s 锄dm er e l i a b i l i 哆a c l l i e v e dt 1 1 ed e s i 印伽翟e t s 锄dt h ep m p o s e d 19 2 一c h 锄e lp d pd a t a 耐v c ri ch 髂b e e ns u c c e s s f h l l y 叩p l i e di nt h e4 2 一i n c hp d ps y s t e i l lt h ee x p e r i m e n t r e s u l t sa l s oa c c o u n tf o r 也ev a l i d i t ) ，a n ds i g n i f i c 加c eo fm ek e yt e c h n o l o g i e si nm et h e s i s k e y w o r d s ：p d p d a t ad r i v e ri c s ，h i g hv o l t a g el e d m o s ，s p i c em o d e l ，d r i v e rc i r c u i t r e h a b i u t y 耳录 摘要 目录 a b s t r a c t 目录 符号、变量、缩略词注释 第一章绪论 1 1 p d p 显示技术发展l 1 2 p d p 显示驱动技术发展6 1 3 p d p 驱动芯片关键技术9 1 4 本课题的意义及主要工作1 7 第二章高压l e d m o s 器件结构与集成工艺研究 1 9 2 1 新型高压l e d m o s 结构研究。1 9 2 2 新型高压l e d m o s 高温特性研究3 0 2 3 新型高压l e d m o s 的安全工作区研究3 6 2 4 高低压集成工艺4 l 2 5 d 、结4 5 第三章高压l e d m o s 的s p i c e 模型研究 3 1 高压l e d m o s 子电路宏模型4 6 3 2 跑道形高压l e d m o sb s i m 3 宏模型5 2 3 3 高压l e d m o s 模型性能分析5 9 3 4 d 、结6 0 第四章新型高压驱动电路及其可靠性研究 6 l 4 1 新型高压驱动电路结构研究6 1 4 2 高压驱动电路l a t c h u p 防护研究6 7 4 3 高压驱动电路e s d 保护网络研究7 3 4 4 d 、结7 8 第五章1 9 2 路p d p 列驱动芯片设计与验证 5 1 1 9 2 路p d p 列驱动芯片定义7 9 5 2 关键低压电路设计8 2 5 3 高低压集成版图设计8 5 5 4 芯片模块化封装与功能测试8 8 5 5 芯片系统验证9 1 5 6 d 、结9 3 第六章总结与展望 6 1 总结9 4 6 2 展望9 5 参考文献 博士期间取得的成果1 0 5 符号、变量、缩略词注释 符号、变量、缩略词注释 击穿电压 单位面积栅氧电容 栅与衬底电容 栅与源端电容 栅与漏端电容 漏端与衬底电容 漏端与源端电容 漏端与衬底电容 半导体禁带宽度 场氧厚度 器件跨导 l e d m o s 饱和电流 l e d m o s 源漏电流 l e d m o s 衬底漏电流 扩散电流 热产生电流 关态漏电流 器件沟道长度 器件漂移区长度 场板长度 l e d m o s 场氧鸟嘴边界与漂移区边界距离 p s u b 浓度 p b o d v 剂量 n d r i f t 剂量 掺杂浓度峰值 半导体本征浓度 栅表面电荷 导通电阻 沟道导通电阻 漂移区导通电阻 热阻 封装内部热阻 f 封装外部热阻 器件结温 环境温度 封装表面温度 v p | 矗 f f f f f f e v n m a a a a a “m m “m c i n - 3 c m _ 2 c m - 2 c m - 3 c m _ 3 c m q c m ? m q c i n ? m q c m ? 删 硎 l k k k 艮咖啪哪哪如k吼协协b彬舻胁协k b缈m胁m姒炒鼬脚灯肌胁西卧k 东南大学博士学位论文 栅氧厚度 漏端与源端电压 栅与源端电压 阈值电压 平带电压 金属与半导体功函数差 费米势 器件的寿命 漂移区载流子迁移率 介电常数 n 衄 v v v v e v e v k吣嘶te 第一章绪论 1 1 p d p 显示技术发展 1 1 1 p d p 的发展历史 第一章绪论 等离子体显示器( p l 弱md i s p l a yp 锄e 1 ，简称p d p ) 是一种自主发光的平板显示器件。其发光 机理有两种：一是直接利用等离子放电产生的辉光显示，这是出现最早的p d p 显示发光方式；二是 利用等离子激发放电产生的大量紫外线，通过紫外线激发荧光粉发出可见光实现彩色显示【l 】【2 】。目前 产品化的p d p 器件主要采用第二种发光显示方式。由于p d p 具有厚度小、重量轻、动态响应快、显 示面积大、无显示视角问题、图像色彩鲜艳等特点，已被公认为目前高清晰电视接收机h d t v i j j 和 大屏幕家庭影院显示终端的有力竞争者【4 】【5 】【6 】【7 1 。 p d p 作为平板显示技术的实质性开发，是以1 9 6 6 年美国i u i n o i s 大学存储性交流等离子体 ( a c p d p ) 的发明【8 】，以及1 9 6 8 年荷兰p h i l i p s 公司直流等离子体( d c p d p ) 的发明为标志的。第 一款真正意义产品化的p d p ，由o w e n s i l l i n o i s 公司于1 9 7 1 年推出，该产品具有5 1 2 5 1 2 像素， 可用于各种图形显示，为单色屏。在此以后，p d p 的研究急速发展并逐渐成熟，器件结构和工作方 式的不断改进和完善，使其寿命大大延长，并使得小批量生产得以实现。1 9 7 5 年前后，单色a c - p d p 和d c p d p 在数字、文字及图形显示领域开始投入使用，因其视角大、显示清晰、平面显示、环境 性能优异等特性在军事等领域得到广泛应用【9 】【i o 】。 进入2 0 世纪9 0 年代，单色a c p d p 的生产和研制陷入了低谷。而彩色a c p d p 的技术迅速得 到突破并获得很大的发展】【1 2 】。在军用a c p d p 开发方面，美国p h o t o n i c si l n a g i n g 公司研制成功3 0 英寸的1 0 2 4 7 6 8 彩色像素对向放电式全彩色p d p ，法国1 1 1 0 m s o nc s f 公司研制了2 l 英寸、1 9 英 寸系列的高分辨率对向放电式全彩色a c p d p 。而真正具有重大意义的技术突破，则是1 9 9 3 年日本 富士通公司率先实现了表面放电反射式结构，以及寻址和显示分离的2 1 英寸彩色a c p d p 的批量化 生产。这种结构的p d p 具有亮度高、寿命长、易于全彩色显示、适合大批量生产等优点，成为以后 各大公司研制和开发的样板。 图1 1o w e n s i l l i n o i s 公司单色p d p 产品图1 2 松下5 0 英寸n e op d p 1 9 9 6 年被称为“等离子体电视时代”的起点，从1 9 9 6 年开始，多家公司相继推出了大屏幕的彩色 东南大学博士学位论文 等离子体电视产品，包括日本的n e c 、先锋、松下等多家公司的产品开始市场化。韩国的三星、l g 、 o i u o n 、法国的t l i o m s o n 等都加速了开发和规模生产的步伐，投资兴建p d p 生产线的资金累计已 超过2 0 亿美元。2 0 0 5 年，多家公司推出了5 0 英寸左右的f l l l l h d 产品，其中，三星，l g 和东芝 更是已经推出了1 0 0 英寸以上的超大尺寸高分辨率p d p 产品引。2 0 0 7 年下半年起p d p 又迎来了一 个高速增长期，p d p 的技术方面以日本松下为代表，日本松下2 0 0 9 年推出的新一代n e op d p 产品 具有高发光效率等离子面板，通过应用新材料、放电设计、回路驱动三项黑匣子技术，等离子屏在 原有能耗水平基础上，发光效率提高l 倍。这也意味着在保持原有屏幕亮度不变的基础上，等离子 屏消耗电力减少5 0 ，这将使等离子电视与同尺寸液晶电视能耗相同，甚至还会更低。 第一章绪论 放电的初始阶段，放电空间的少量电子在电场的作用下作迁移运动，在迁移运动的过程中，电子会 碰撞到氖、氙原子，并促使它们电离产生电子、离子对，电子在单位移动距离上碰撞产生的电子、 离子对通常记为仅。电离产生的离子在外电场的作用下向阴极运动，同样离子在运动过程中由于碰 撞会激发新的电子和离子对，离子在单位移动距离上碰撞产生的电子、离子对通常记为丫。通过不 断的碰撞，电场空间的电子会不断的增加，并进而产生放电的电流。 产生上述放电过程的条件之一，是外加的电压必须满足气体放电所需的着火电压。氙气的着火 电压比氖气要高许多，但是在氖气里加少许氙气，可以大大地降低氖气的着火电压。这是由于放电 时，激发态原子与基态原子碰撞，激发态原子内能转移给基态原子并使基态原子电离。如果激发态 原子的内能远大于基态原子的电离能，碰撞结果可产生激发态的离子。或者说潘宁放电是利用主气 体的激发态原子使掺入气体电离，从而改善放电效果。氖原子亚稳态激发电位为1 6 6 e v ，氙原子的 电离电位为1 2 1 e v 。由于氖原子亚稳态激发电位大于氙原子的电离电位，因此在氖气与氙气混合气 体中，氖原子亚稳态可使氙原子电离，即产生潘宁放电。因此氖气与氙气混合气体的着火电压远低 于纯氖气体的着火电压。这一现象是潘宁所发现，故此命名为潘宁效应6 1 。p d p 正是利用这一现象 来降低放电空间的着火电压，早期氙气的浓度大约在5 左右。但为了提高发光效率，目前氙气的 浓度已经普遍提高到接近2 0 。 着火电压的降低也可以通过提高二次电子的发射来实现，目前等离子显示屏的放电单元普遍在 介质层上加上了一层m g o 层，m g o 层除了能保护介质层免受离子轰击外，它具有较高的二次电子 发射系数，因此目前等离子体显示屏的着火电压已经降低到2 0 0 v 左右。 按工作方式来看，p d p 主要分为电极和气体接触的直流型( d c p d p ) 【 】【1 8 】及电极用介质层与 气体隔离的交流型( a c p d p ) ，而交流型p d p 又根据电极结构不同，分为对向放电型和表面放电型 两种 1 9 】 2 0 】，基本结构如图1 4 所示： 一一l。盔蕾磁。盔么 。蚴。纽盘冱碰 r l 吣骶肌貔， 1 ， 匕。；戮施凝；。磊。黝么 ( a ) d c p d p 撩獭? 巍赣。 r = j ( b ) 对向放电型a c p d p 图1 _ 4p d p 的结构分类 f 三貔，。：崩磁溯 ( c ) 表面放电型a c p d p a c p d p 和d c p d p 最大区别是电极表面覆盖了一层介质层，其作用一方面是把电极和放电等 离子分开，限制电流的无限制增长，保护电极。另一方面是使气体放电产生的空间电荷存储在介质 壁上。这些壁电荷的建立使a c p d p 工作在储存模式，并有利于降低维持电压。由于a c p d p 结构 简单，亮度和发光效率高，目前世界上各p d p 制造公司大多采用a c p d p 结构。典型的三电极表面 放电式a c - p d p 制作结构如图1 5 所示口1 】： 3 - 东南大学博士学位论文 图1 5 三电极表面放电式a c p d p 制作结构图 如图1 5 所示，p d p 屏由前基板和后基板两块玻璃板组成，p d p 发出的光线从前基板透射出来。 在前基板上印刷制作了透明的维持电极( x 电极) 和扫描电极( y 电极) ，x y 电极间隔排列，每对 x 与y 电极构成一行显示像素。金属电极用来弥补透明电极的电阻率大的缺点。黑色的介质条用于 提高显示对比度；最上层是用于降低工作电压和对介质进步保护的氧化镁( m g o ) 层。 在后基板上，最下层是寻址电极( a 电极) ，a 电极和x y 电极正交排列构成了一个个的显示放 电单元。在寻址电极上是白色介质层。两条电极之间制作的是用于防止单元之间光串扰和控制基板 间隙的障壁，在障壁的底部和侧面涂覆荧光粉。前后玻璃基板分别制作完毕后，将它们叠合密封在 一起，再充入由氖气、氙气等惰性气体构成的潘宁工作气体。这样，在各电极上施加驱动脉冲，组 织屏上各单元的放电发光组成图像。 国内东南大学显示技术研究中心采用c r t 中使用的金属荫罩替代上图中的壁障，开发了具有自 主知识产权的壁障式表面放电p d p 新型结构【2 2 】【2 3 1 ，如图1 6 所示。与传统p d p 不同，其采用“三明 治”结构，用荫罩替代障壁，前后基板加工工艺要求一致：双电极代替三电极结构，前基板上每个像 素对应单一电极，前后基板间对向式放电。这种结构使其具有生产工艺兼容性好、适宜高分辨率应 用、发光效率高、生产成本低等特点，而且可以应用于小尺寸领域，弥补了传统p d p 只能在大尺寸 才能满足性能要求的不足。 ( a ) 普通分辨率结构( b ) 高分辨率结构 图1 6 荫罩式p d p 结构示意图 1 1 3 p d p 与l c d 的对比 等离子体平板显示器和液晶显示器( l i q u i dc 巧s 协id i s p l a y ，l c d ) 都是目前平板显示领域主流 4 、 溉 豫 矿 渺 懒 鼽 盼 。一 。一p 。爹 第一章绪论 的显示技术【2 4 】 2 5 】【2 6 】。 早期的市场调研，普遍认为l c d 与p d p 在技术和市场上的互补性大于竞争性，l c d 的市场主 要是4 0 英寸以下的电视及显示器，p d p 的市场主要是4 0 英寸以上的电视和公共显示设备。因为p d p 的优点是易于实现大尺寸、高对比度、响应速度快，而l c d 的优点是易于实现高分辨率、功耗相对 低，并且两种显示技术的优点又恰恰是对方的缺点。表1 1 对p d p 和l c d 两种主流的显示技术进行 了对比，p d p 与l c d 显示各有优缺点。 表1 1 ：p d p 与l c d 主要技术参数对比 技术参数 p d pl c d 制备t 艺复杂度相对简单相对复杂 面板成本所占比例 面板成本占模组的约3 0 l c dt v 的面板成本占模组的约7 0 功耗随着图像的亮度而变化的 不论图像亮暗与否，功耗一样 响应时间微秒级别毫秒级别 动态图像清晰度适合观看高清晰度运动图像图像运动越快，清晰度越差 峰值亮度自发光，亮度均匀性好受背光源影响较大 对比度暗环境中对比度较高亮环境中对比度较高 观看视角对比度随视角改变变化不大大视角，图像对比度变差 使用寿命 不适宜长时间显示静l i ：图像随使用时间变久，亮度减弱较明显 近几年，随着l c d 与p d p 技术高速发展，市场竞争越来越激烈，两种显示技术都在不断克服 自身的缺点，逐步侵占对方市场。在l c d 方面，4 0 英寸以上的l c d 已经得到广泛应用，l e d 背光 技术、动态画质处理技术都在不断地提升显示的效果；在p d p 方面，3 2 英寸p d p 电视、5 0 英寸高 清p d p 、超低功耗p d p 都已经获得良好的市场影响。 功耗高一直被认为是p d p 相比于l c d 最大的缺点，然而这其中存在一个概念的误区，因为p d p 的功耗会随着显示图像变化，而l c d 的功耗基本与图像无关。例如：在高亮度的图像或全白场信号 时，p d p 消耗的功率比较大：但显示普通亮度的图像时，如在平均图像电平为4 0 5 0 ，则和l c d 消耗功率相差不大；平均图像电平为3 0 以下，则p d p 消耗功率还低于l c d ( 用同样3 7 英寸的p d p 和l c d 电视机观看指环王影片时，p d p 消耗电力为1 5 9 w ，l c d 消耗电力为2 8 0 w 【z 7 j ) 。 1 1 4 国内外研发现状 2 0 0 9 年前，等离子体电视制造的厂商多为日韩企业，国产p d p 由于缺乏核心技术，模组和关键 芯片完全依靠进口，造成整个等离子体电视行业利润率非常低，面临着由“中国制造”沦为“中国组装” 的危险。参考美国d i s p l a y s e a r c h 市场调查，2 0 0 8 年第四季度p d p 模组出货台数统计，松下的市场 占有率4 9 9 位居第一，之后是三星2 6 1 ，l g 电子以1 5 8 位于第三，日本的先锋和日立的市场 分别为4 2 和3 9 。中国的等离子体电视市场绝大部分被这些企业所控制。 在这样的背景下，四川长虹和南京华显高科成为国内自主知识产权等离子体显示技术的先行者。 其中四川长虹投入巨额资金，高起点地介入平板电视产业上游核心部件_ p d p 模组产业，试图打 破国外的技术封锁，掌握关键技术，提升核心竞争力，获得平板电视发展的主动权。华显高科是具 有产学研新型高技术企业，其主要目标就是将东南大学具有自主知识产权的荫罩式等离子体显示屏 技术( s m p d p ) 实现产业化。2 0 0 9 年4 月，四川长虹等离子电视正式量产上市，真正实现了p d p 模组国产化。 - 5 东南大学博士学位论文 与此同时国家也出台相应政策扶持国产p d p 产业的发展。高清晰度大屏幕平板显示技术已被列 入国务院颁发的国家中长期科学与技术发展规划纲要2 0 0 6 2 0 2 0 中重点领域及其优先主题( 第 4 5 项) ，国家对其产业发展中的核心技术、集成电路和关键元器件等技术的自主开发能力和整体技 术水平提出了很高的期望，并就该主题专项提出了重点发展高清晰度大屏幕显示产品并建立平板显 示材料和器件产业链等的具体要求。p d p 显示配套芯片已列入2 0 0 9 年国家“核心电子器件、高端通 用芯片及基础软件产品”科技重大专项指南。 1 2 p d p 显示驱动技术发展 1 2 1 p d p 驱动系统概述 p d p 模组是由显示屏和驱动电路系统组成的，如图1 7 所示。显示屏是显示发光部件，必须在 电路系统进行驱动才能够显示图像。显示屏和驱动电路是紧密结合不可分割的整体。电路系统的设 计很大程度上依赖于显示屏放电单元的结构、电极引出方式、放电单元的着火电压及驱动方法的选 择等等，而电路系统的设计同时在很大程度上也决定了p d p 的显示质量和整机性能。 一 接 口 电 路 e 怕b b q 里 图1 7 p d p 模组系统框图 p d p 电路系统的核心功能是产生不同时序的高压脉冲序列驱动屏上各个电极。可以把电路系统 分为两大类：第一类是数字视频信号处理和驱动控制逻辑电路，第二类是p d p 电极高压驱动和高压 脉冲产生电路。对p d p 驱动电路的研究是p d p 系统研究中最活跃的部分 2 8 】 2 9 】【3 0 】，一方面是因为驱 动电路的研究可以在不改变屏结构的情况下大幅提高显示质量，另一方面是因为驱动电路的成本在 显示电路中占有很大比重，开发新的低成本驱动方法对降低p d p 整机成本有重大意义。 p d p 驱动系统采用不同时序的电压脉冲序列就构成了不同的驱动方法。目前p d p 驱动系统中应 用最广泛的是寻址与显示分离( a d s ) 【3 l 】【3 2 】的子场驱动方法。其基本驱动原理是，首先使需要点亮 显示的单元积累壁电荷，利用壁电压和全屏维持脉冲电压的叠加超过气体的着火放电电压时激发该 单元的放电发光；而不需要点亮的单元由于没有壁电荷积累，而维持脉冲不足以使气体放电，因而 不会发光。a d s 驱动方式中对每一子场的驱动被分为准备期、寻址期和维持期三个时期，图1 8 是 典型的a d s 驱动波形示意图【j 川。 6 吟鸯互 第一章绪论 卜一准备期_ 卜一 寻址期_ 卜一维持期 寻址皇速厂 兰nl 芷竺遗i 广矿 y 图1 8 p d p 的a d s 方式驱动波形 如图1 8 所示，在准备期开始时，三个电极的电压都为零。但经历上一子场的驱动后屏上各个 发电单元会有壁电荷积累，进而破坏屏上的电参数的一致性。因此，首先在所有x 电极上加上幅度 远大于气体着火电压的全屏写脉冲v 。，使x 电极和y 电极之间发生强放电，并在x 屯极和y 电 极上分别积累了负的和正的壁电荷。在该脉冲的下降沿，由于强放电产生的壁电荷形成的壁电压大 于气体的着火电压，使x 和y 之间又发生自擦除放电，将壁电荷大部分擦除。而此时x 、y 、a 三 电极都为零，使擦除放电可靠完成，因此，放电使壁电荷大都中和了。当在x 电极加全屏写脉冲的 同时，a 电极施加的电压v 。约为v x 。的一半，这样使a 电极对放电产生的正负电荷具有相同的吸 引力，做到在a 电极上基本没有壁电荷积累。 由于p d p 屏制作的缺陷，一些放电单元的异常可能使上述的自擦除放电没有或不能充分进行， 从而在单元内积累了壁电荷，这些异常单元即使不发生寻址放电，在维持期也可能会放电发光。为 避免这种情况的发生，在写脉冲之后又附加了几个脉冲来消除这些异常单元的鼙电荷。y 电极上的 正脉冲使积累在x 电极上的负壁电荷及y 电极上的正壁电荷进行强制放电；随后的负脉冲使全屏所 有的单元中的壁电荷分布达到一致，然后在y 电极上加上缓慢上升的指数脉冲v 。l 。这样，即使各 放电单元的着火电压不同，但由于脉冲电压是缓慢上升的，各单元的电压一旦达到着火电压就进行 一次放电，这样就可以在不发生强放电的基础上擦除绝大多数壁电荷，而不会发生很强的背景光。 经过上述过程，大部分壁电荷因放电而被中和，因而只在单元内留下少量壁电荷，而这少量的壁电 荷极性正好和后面寻址期的寻址脉冲极性相反，从而可以减少误寻址的发生，提高显示质量。 在寻址期，x 电极加电压圪，顺序扫描y 电极，未扫描的y 电极加电压彻一巧，而扫描到 的y 电极加电压圪；与此同时，对需要点亮的单元相对应的a 电极加寻址脉冲圪，而不点亮的加 d 儿这样在要点亮的单元中首先是a 、y 之间放电，由于此时x 电极电压等于寻址电压，从而在x 和a 电极上积累了负电荷，在y 电极上积累了正电荷，这些壁电荷足以保障后面维持期进行维持放 电。对于不要点亮的单元由于没有寻址放电，也就没有壁电荷积累，在维持时就不会放电放光显示。 维持期间，a 电极电压为巧尼，首先在y 电极施加维持脉冲，x 电极为d 儿则在寻址期发生了 寻址放电积累了壁电荷的单元产生的壁电压与维持电压叠加后，超过气体的着火电压而发生一次维 持放电，使x 电极积累了负的壁电荷，y 电极积累了正的壁电荷，由于a 电极的电压介于其它两电 极之间，对正负电荷有相同的吸引力，因此，放电后的a 电极基本上不会有壁电荷积累。这样，使 得寻址期a 、y 电极之间的放电转移到维持期的x 、y 电极的维持放电了。在下一个维持周期，y 电极加d nx 电极加维持脉冲巧，由于壁电荷的叠加作用，维持放电再次进行，壁电荷的极性再次 7 东南大学博士学位论文 反转。重复前面的过程，就可以使显示屏在每次施加维持脉冲时放电发光显示。 除上述驱动方法外，其它的p d p 显示驱动方法还有寻址并显示( a w d ) 的驱动方法【3 4 1 ，表面 交替发光( a l i s ) 的驱动法，c l e a r 驱动法等等【3 5 】【3 6 1 。对p d p 的驱动方法一直研究和改进之中， 研究的主要目的，一方面是提高图像的显示质量，如图像亮度，对比度和动态图像质量；另一方面 提高系统驱动的经济型，如简化屏工艺和驱动电路结构，延长系统寿命等等。 1 2 2 p d p 驱动芯片 由于p d p 屏上电极数目庞大，p d p 高压驱动芯片的使用量也很大。p d p 高压驱动芯片分寻址驱 动芯片( d a j t ad r i v e r ) 和扫描驱动芯片( s c 龃d r i v e r ) 两种。表1 2 所列为几种常见分辨率下 寻址驱动芯片的用量。p d p 驱动芯片的用量非常大，p d p 高压驱动芯片的成本占据了整机成本笆 左右。 表1 2p d p 驱动i c 使用数量举例 、v v g ax g a，) ( g af h d 分辨率 8 5 2 4 8 01 0 2 4 7 6 8l3 6 6 7 6 81 9 2 0 1 0 8 0 行驱动芯片9 6 路驱动芯片 5881 2 1 9 2 路驱动芯片1 41 62 23 0 列驱动芯片( 单扫) 2 5 6 路驱动芯片 1 01 21 6 2 3 1 9 2 路驱动芯片 2 83 24 46 0 列驱动芯片( 双扫) 2 5 6 路驱动芯片2 02 43 24 6 虽然p d p 驱动芯片在不同的p d p 系统中具有一定的通用性，但是当系统的驱动方法不同盱 片的工作状态是不同的。对于图1 8 中的a d s 驱动方式：在准备期和维持期，行、列驱动芯片 作在“浮地”状态，“浮地”是指通过系统同步抬高或降低芯片电源和地电压，实现输出级电压和 的输出；在系统寻址期，芯片内部逻辑电路工作，将低压数据信号转化成高压信号，列驱动龙 出正脉冲，行驱动芯片输出负脉冲，利用正负脉冲的压差实现p d p 原胞壁电荷积累。 1 2 3 国内外p d p 驱动芯片研发现状 国外，p d p 驱动芯片设计及生产厂商主要包括美国t i 、欧洲s t 、日本松下、日本瑞萨、 富士电机、日本n e c 和韩国三星等。其中t i 和s t 只提供驱动芯片，其它厂家是集驱动芯片、 显示屏及彩电的设计和制造于一体。从芯片的制造角度看，p d p 驱动芯片设计厂商一般拥有自 工艺线，或者与工艺厂商有着紧密的合作。 国内，在p d p 驱动芯片设计领域，东南大学、西安电子科技大学、浙江大学等高校进行了 的研究，均取得相应的进展。其中东南大学从2 0 0 2 年起，连续3 年获得国家“8 6 3 计划”的支拘 合东南大学的s m p d p 项目，设计基于体硅工艺技术行、列驱动芯片，研究关键技术，取得了 专利。2 0 0 6 年起东南大学与国内模组厂商长虹和华显，以及p d p 驱动芯片设计制造厂商等开始 合作，共同推动p d p 行列驱动芯片的国产化。 一8 第一章绪论 1 3 p d p 驱动芯片关键技术 1 9 2 路p d p 列驱动芯片将低压逻辑信号转化为高压大电流驱动信号，是一款典型的高低压集成 电路，其设计的关键技术主要包括：高压器件与制备工艺平台、高压器件s p i c e 模型、高压驱动电 路结构及其可靠性等。 1 3 1 高压器件与集成工艺 随着显示屏技术和驱动技术的不断提高，等离子平板显示器驱动芯片具有以下的发展趋势：列 选址驱动芯片的工作频率和集成度不断提高；行扫描驱动芯片的工作电