（微电子学与固体电子学专业论文）有机发光器件输运特性及倒置oled的研究.pdf

ab s t r a c t t h e o r g a n i c l i g h t - e m it t i n g d i o d e s h a v e a b r i g h t f u t u r e o fc o mme r c i a l a p p l i c a t i o n s a n d a r e b e in g p r o m p t l y d e v e l o p e d b e c a u s e o f t h e i r e x c e l l e n t c h a r a c t e r i s t i c s . t h i s p a p e r f o c u s e s o n t h e s m a l l m o l e c u l a r i n t r o d u c e s t h e b a s i c p r i n c i p l e s a n d i v m o d e l s o f o l e d s , a n d t h e i n c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e a r e m e a s u r e d w it h t h e a u t o m a t i c t e s t s y s t e m , i n a d d it i o n , t h e d e f e c t s ta t e s in fl u e n c e o n t h e c h a r a c t e r is t i c s i s a n a l y z e d a n o v e l t y p e o f d e v i c e s t r u c t u r e 一i n v e r t e d o l e d一i s p r o p o s e d t o m e e t t h e d e m a n d s o f a m- o l e d a n d p i n / o l e d . t h e i n v e r t e d o l e d s a r e i n v e s t i g a t e d i n t h e v i e wso f t h e o r e t i c a l , t e c h n o lo g i c a l a n d e x p e r i m e n t a l a s p e c t s . a n d a s a m p l e i s f a b r i c a t e d wh i c h c a ne m i t b r i g h t y e l l o w - g r e e n b a s e d t h e r e s u l t s o f o u r d i s c u s s i o n , s e v e r a l m e t h o d s a r e s u g g e s t e d t o l i g h t . v e t h ep e r f o r m a n c e . f u rt h e r m o r e , a s ig n a l c o n v e r s i o n m e t h o d o f c o n t r o l l i n g g r a y s c a l e s i s d e s i g n e d a n d s i m u l a t e d u s i n g l a n g u a g e i n t h i s p a p e r , w e c e n t e r o n t h e s t u d y o f o l e d s , r e s e a r c h c o m p r e h e n s i v e c o n t e n t s s u c h a s b u i l d i n g t h e t e s t s y s t e m , f a b r i c a t i n g t h e o l e d d e v i c e s , a n a l y z i n g t h e p e r f o r m a n c e o f t h e o l e d s a n d d e s ig n i n g t h e c o n t r o l l in g c ir c u it t h e r e a r e s t i l l s o me d i s a d v s i n t h i s t h e s is , e s p e c i a l l y t h e p e r f o r m a n c e o f o u r i n v e rte dwh i c h s h o u l d b e f u rt h e r s t u d i e d a n d k e y w o r d s : o l e d , i n v e rt e d o l e d , d e f e c t s t a t e s , d e c l i n e , a u t o m a t i c t e s t s y s t e m 第一章绪 论 第一章绪论 1 . 1 o l e d的优点及应用前景 进入新千年， 作为信息产业的重要构成部分 显示器件正在加速推进其 平板化的 进程。目 前， 世界己 进入“ 信息革命” 时代， 显示技术及显示器件在信 息技术的发展过程中占 据了 十分重要的 地位，电 视、电 脑、 移动电 话、 b p机、 p d a等可携式设备以及各类仪器仪表上的显示屏为人们的日 常生活和工作提供 着大量的信息。 没有显示器， 就不会有当今迅猛发展的 信息技术。 显示器集电子、 通信和信息处理技术于一体， 被认为是电子工业在2 0 世纪微电子、计算机之后 的又一重大发展机会。 经过二十多年的研究、竞争、发展，平板显示器己 进入角色，成为新世纪 显示器的主流产品，目 前竞争最激烈的 平板显示器有四 个品 种 一 ， : ( 1 ) 薄膜晶体管液晶平板显示器 ( t f t - l c d ) ( 2 ) 等离子体平板显示器 ( p d p ) ( 3 ) 有机薄膜电致发光显示器 ( o e l d) ( 4 ) 场致发射平板显示器 ( f e d) 每种平面显示器都有自 己的缺点和难点。 一个分辨率为v g a ( 6 4 0 x 4 8 o x 3 ) 的场致发射平板显示器就需要近一百万个性能均匀一致的电子发射微尖， 其材料 工艺都需要突破， 离工业化、 商业化还很远。 等离子体发光显示器在大屏幕显示 领域有很强的竞争优势， 但是它发光效率低、 功耗大、 价格高昂， 这在一定程度 上制约了彩色p d p市场拓展。半导体发光二极管 ( l e d )显示器只适合做户外大 型显示，在中小屏幕的视频显示器没有它的市场。液晶平板显示器，特别是 t f t - l c d ，是目 前唯一在亮度、对比度、功耗、寿命、体积和重量等综合性能上 全面赶上和超过c r t 的显示器件。但是它的可视角小、被动发光、响应速度慢、 制作工艺复杂、难以实现大尺寸等固有缺点限制了它的应用范围。 而有机薄膜电致发光显示器是真正的又轻又薄、广视角、高响应速度 ( 微 秒) 、主动发光、 低功耗、低成本的固体平板显示器。自1 9 8 7年 k o d a k公司的 c . w . t a n g 发现a l q , 双层结构高效稳定发光器件以 来， 有机发光二极管显示器件 ( o l e d)凭借其上述诸多优异特性，日益成为平面显示技术研究的热点，并在 第二章 o l e d自 动测试系统 第二章 o l e d自 动测试系统 在半导体器件的研究中，经常需要测量器件的参数以表示其基本特征。我 们对有机发光器件 o l e d的特性研究主要是通过测量和分析它的i n 和l - v数 据。 一套合适的自 动测试系统能够快速、 精确、 不间断地进行大量、 复杂、 繁琐 的测试工作， 能够同时实现多种功能， 测量多个参数， 迅速、 准确地给出 测试结 果， 并且完成繁重的数据分析处理工作。 从而在大量的重复测试中节省人力、 物 力，使研究者能把更多的精力投入到分析测试结果和改进器件性能上。 无论是研究o l e d器件的输运机制， 还是摸索倒置型o l e d的制备工艺， 我们都需要测试、分析 o l e d的i n 和l - v数据，以检验所提出的想法的正确 性或可行性， 或指导实验改进的方向。 所以， 在本所的现有条件下， 在程红娟硕 士论文的工作基础上， 我重新组建并改写程序， 完善了基于t e s t p o i n t 平台的i - v , l - v器件特性自 动测试系统，为我们的o l e d研究做好准备。 夸 2 . 1器件i n, l - v特性自 动侧试系统的组成、结构与功能 一、系统组成 软件 t e s t p o in t : w in d o w s 下的 仪 器控 制、 数 据 采 集 和 信息 处 理软 件 ( 需 硬 件d o g ) . 它 采 用 面向 对象的 编 程方 法， 可以 方 便 地控 制 符 合i e e e - 4 8 8 , r s - 2 3 2 等 接口 标准的可编程仪表。其强大的数学功能使用户可以轻松地实现多变量的复杂运 算， 动 态 数 据交 换d d x ( d y n a m ic d a t a e x c h a n g e ) 功能 使t e s t p o in t 能 够与 其 他 基于w in d o w s 操作系统的程序交换数据，从而便于数据处理。 硬件 g p i b卡:i e e e 4 8 8 接口卡，实现器件之间的数据并行通讯 p r - 6 5 0 :可程控亮度计。通过r s -2 3 2串口 ( 如 c o mi ) 与计算机相连。具备 测量亮度( l u m i n a n c e : 以。 d / m z 和f o o t l a m b e r t s 为单位) 、 光谱( r a d io m e t r i c d a t a : p e a k w a v e l e n g t h , p e a k r a d ia n c e , s p e c t r a l r a d ia n c e ( w / s r / m ) )和色度参数 ( c o l o r i m e t r i c d a t a : c i e 1 9 3 1 c i e / u c s 1 9 6 0 . c ie / u c s 1 9 7 6 )等功能。 可以 设置采样次数。可以把测试数据以文件形式存储在 p r 6 5 0中，也可以使用 第三章 o l e d的基本原理和输运特性 3 . 1 有机电致发光器件概述及其基本原理和结构 1 9 6 5 年h e lfr ic h 和s c h n e i d e r 利 用未 搀 杂的 葱晶 体 实 现了 发 光 ， 一 ， ， 人 们 开 始 对有机电 致发 光进行研究。1 9 8 7 年c . w t a n g 报道的 双层薄 膜器件 ( a l g 3 作为电 子传输层和发光层) 驱动电 压低于l o v ， 亮度达到了1 0 0 0 c d / m ， 使有机电 致发光 器 件( o l e d - o r g a n i c l ig h t e m itt in g d e v i c e ) 开 始具 有 较强的 实 用 性 c ， 一 ， ， 。 此 后o l e d 凭借其轻便、视角宽、主动发光、响应迅速等优异特性日 益为人瞩目。研究人员 不断地从材料选择、掺杂、电极优化、器件结构设计、制备方法改进、显示驱动 方法设计等各个方面设法降低o l e d的驱动电压和闽值电压， 提高发光效率和亮 度，改善器件稳定性和寿命，努力向大尺寸、高清晰度和全彩色显示发展口 一、有机电致发光基本原理 通常用分子轨道理论描述有机半导体中分子间的电子交换。 有机物分子处 于若干不同的分子轨道上， 如果某个分子轨道被占 据就形成了与之对应的电 子状 态。 其中 被电 子充 满的 最高 分子 轨 道 被 称 为“ 最高 被占 分 子 轨 道( h o m o : h ig h e s t o c c u p i e d m o l e c u la r o r b it a l ) ， 未 被电 子占 据的 最低 分子 轨 道 被称 为“ 最 低空 分 子 轨 道 ( l u m o : l o w e s t u n o c c u p ie d m o le c u la r o r b it al ) . 有机半导体中最重要的跃迁过程是激子跃迁。激子是指 l u mo的电子和 h o m o的空穴稳定地结合在一起的准中性束缚对，它由光或载流子注入产生， 可以在电 场的作用下漂移。 当激子把储存的能量重新释放出来时， 可能会发生辐 射复合或者非辐射复合。 其中 辐射复合形成发光过程。 3 一 3 ， 有机电 致发光器件利用的就是有机材料的单激发态的跃迁现象。 其基本结 构和发光过程如图3 . 1 所示。当向o l e d 器件施加电 压后，会从正、负电极向 夹 在中间的有机层分别注入空穴和电子; 注入的电子和空穴在有机层中迁移; 运动 中结合形成单重态或三重态激子; 激子在电 场作用下迁移; 单重态的激子在发光 层发生辐射复合产生发光现象。 第 - # o l e d鱼垫鲤塑鲤鱼生一一一一一 与上升曲 线 ( i o )不重叠， 呈现i - v 的“ 迟滞现象”: ( 1 )回扫时出 现突跳的 电 压要高于上升时出现突跳的电 压; ( 2 ) 在高压区，回扫时的电 流低于上升时 相同电 压下的电 流; ( 3 ) 低压区，回扫和上升时的电 流基本相等。 但是经过多 次测量后，突跳和迟滞现象逐渐减弱直至消失 ( 第十五次测量结果n o . 1 5 )。比 较图中三个曲 线， 还可以明显看出， 连续测量情况下， 电 流随着测量次数的增加 而迅速减小， 直至减小到某一数值而渐趋稳定， 即器件亮度随着工作时间的增加 会衰减，然后达到一个相对稳定值。 0 . 2 0 . 0 - 0. 2 42门864 月.月.j月.000 一咤任任巴二0 - 5 05 1 0 v o l t a g e ( v ) 1 5 2 0 2 5 图3 . 2 连续测量的具有电流突变和迟滞的i -v 特性曲线 我们还发现，将经过多次测量的“ 突跳” 和 “ 迟滞”己消失的器件放置一 段时间后， 上述现象会重新恢复。 此外， 对器件施加适当高而长的反偏处理 ( 如 - 7 伏，1 0 分钟)也可以 起到恢复器件状态的作用。 为了 进一步研究器件特性， 我们还改变电压步长、 偏压时间， 获得了 v 为 5 0 m v 、不同 t 情形下的p l e d 的i - v 曲线，以及 t 分别等于i s 和i o s 、不同 v 情形下的 p l e d 的i - v 曲 线，分别如图3 . 3 和3 . 4 所示。很显然， 扫描电 压步长 v 越小，每步电 压持续时间 t 越长， “ 迟滞”现象越显著。 第三章 o l e d的基本原理和输运特性 10080604020a 一喊任钊巨二0 二 ; 二 : . 一 ? 一1 - 76543210 00000000 守钊云jno q 二产d dd d 1 4 1 6 1 8 2 0 2 2 v o lt a g e ( v ) 2 4 2 6 图3 .3 a v = 5 0 m v , d t 不同 情况下的i - v特性曲 线 其中 t 是步长为5 0 m v 的扫描电 压每一步的持续时间。 可以 看出， 随着每步 时间的延长， “ 迟滞回线”越来越宽， 即电 压增长时的电 流和电 压逐减时的电 流 差越来越大。 由于1 0 v以下曲线差别不大，而且为了看清有区别部分，我们按照和图3 .3 同样的方式将 t =1 s 和1 0 8 , 0 v 不同情况下的i -v 特性曲 线局部放大如图 3 .4 0 结果表明: 相同时间下，电 压步长越小，电 压往返时的电 流差值越大; 相同电压 下，时间越长，电压往返时的电流差值越大。 第三章 o l e d的基本原理和输运特性 1008 0月气 0o 弓巨它.七8 020a 1 8 1 8 v o l t a g e ( v ) 图3 .4 ( a ) o t =1 s , 4 v 不同 情况下的i -v 特性曲 线 才: 0 . 9 0. 8 0 . 7 0. 6 0 . 5 0 . 4 0 . 3 0 . 2 0 . 1 0 . 0 - 0. 1 一哎兰巴no : 1 0 1 2 1 4 1 8 1 8 v o l t a g e ( v ) 2 0 2 2 图3 .4 ( b ) 0 t =1 0 s 0 v 不同 情况下的 i - v 特性曲 线 三、结果讨论 f - n 模型描述载流子由金属电极向有机物注入大小， 是由隧穿注入几率大小 来决定的。但回流效应，使 f - n模型完全不能描述低电场下的 i - v特性。e . e t t e d g u i h 等人提出的 修正模型3 - 10 1 ， 认 为金 属与 有机 层之间引 入的 缺陷 态， 会 产生一定的内 建电场 ( e ; ) ，使低场下的电流得以提高。此模型对 i - v曲 线的拟 第三章 o l e d的基本原理和输运特性 合结果有很好的改善作用。 我们按e e t t e d g uih 模型对图3 . 5 ( a)所示曲 线进行模拟，结果示于图3 . 5 (b)中。由3 . 5( b ) 结果所示， 单纯的f n 模型离实验结果相差甚远 ( 参见模 拟线1 ) 。 用统一内 建电 场 ( ei) 模拟 ( 如曲 线2 所示) ， 在低场部分的结果还会 差异较大。 只有采用不同的内建电场， 模拟曲 线与实验结果才拟合得很好 ( 参见 曲 线3 ) 。 图中e ih表示在高场部分的内建电 场数据， e il表示低场的内场模拟值。 、协。 哎任利u趁no 1 川己 2 训r 民 山 ， 0. 峨 叼护 5 叼r 1 1 印别 饰 / 功 图3 . 5 ( a ) 钩胜 叩. 助 o l e di 一v曲线 图3 .5 伪 )f 一 n模型模拟结果 低场部分出现的内建势场， 将对低场下载流子的输运起着反向势垒 的 作 用。 这个反向势垒将与发光二极管串联并共同分配外加偏压， 因此起始部分的电流很 小。 当反向 势垒击穿之后， 此势垒处的电 阻会明显降 低， 因此流经器件的电 流将 突然增加。 如果测量回 路中串 接保护电阻， 电 流增加会使保护电 阻上的 压降增加， 因 此夹在发光二极管结上的电 压就相应减小。 体现在器件的1 一v 特性上， 即是一 种“ 负阻” 效应。 如果测量回路中没有串 接保护电阻， 则电流的增加呈现的是“ 突 跳” 现象。 如多次测量、 不断击穿， 反向结的作用会逐渐减弱， 则电 流突变现象 也逐渐消失。 反向 势垒击穿 后其电阻会明显降低。 虽然势垒区的击穿效应有可恢复性， 但是并不能立即自 动恢复。电阻降低了的反向势垒，会使外加偏压在它与p led 之间分配发生变化， 使落在反向势垒上的电压响应减小。 因此， 要使反结再击穿， 就需要更高的 外加偏压， 所以回扫时的负阻拐点响应升高。 将图3 . 3 中具有 “ 迟滞”特征的 v = s o m v 、 t 二15 的1 ， 和1 ，曲线按全对 数函数表示， 得到如图3 . 6 的结果。可以看出，此曲 线在低压端的工 与v ，基本满 足线性电阻的接触特性。电压超过一定范围，幂指数明显大于2 ，表明它的输运 机制， 不是常规的空间电荷限制电流， 而应属于含指数式分布的缺陷态陷阱电荷 限制电流 ( t c l) 模型。而且反映了 器件内部存在较多的杂质或缺陷态，并且缺 第三章 o l e d的基本原理和输运特性 陷态能级更接近l u m o 能级。 按照非晶硅隙态密度分布的描述方法， 特征能级处于 高能态密度区的带尾态， 其影响将是明 显的。 卜 ” 一. 一 i 协 p t= ist= 1 s 0 . 0 1 1 e - 3 哆七仁胜二0 1 住 - 4咨， v o l t a g e 凹 图3 .6 具有 “ 迟滞”特征的 v = 5 0 m v , a t =1 s 的i -v 曲线的全对数表达 以上结果均说明，有机器件中确实存在着缺陷态。随界面处缺陷态上的填 充状态随偏压的变化， 可能是导致内建电场随偏压变化的起因。 我们认为， 有机 器件中存在着的这些缺陷态，应该也可以 像无机非晶硅材料中常用的隙态密度 ( d e n s i t y o f g a p s t a t e s ) 那样， 用缺陷 态的能态概念来描述。 我们认为，这 些缺陷态存在于有机分子的l u m o 轨道和h o m o 轨道之间 ( 类似于非晶硅的 “ 带隙” 内) ，形成一种 “ 缺陷池”的分布，即在带隙内为若干个分离的有一定宽度的 局 域带。称它为 “ 缺陷池” ，是指它在带隙内的密度较大并有一定宽的分布范围。 这些缺陷态的关联作用对器件将产生明显的影响。 可以这样解释i -v 特性的突变 和迟滞效应:当给器件加偏压时， “ 准费米能级”会随之移动。当它扫过缺陷池 时， 缺陷态就将陷获注入载流子， 从而使分配到自由导带内的载流子数目 明显减 少， 结果电流很小。 随着器件偏压的逐步增加， 若干个缺陷池逐渐被填满， 注入 载流子就无需再去填充缺陷态， 而可以 直接参与导电， 因此电 流明 显增加， 形成 i - v 曲 线上的 “ 电流突变”或 “ 负阻” 。除了突变现象外，偏压来回扫描，i -v 曲 线呈现的 “ 迟滞回线”也可以认为是缺陷态存在的良 好证明。当偏压递减时， 那些正扫描时已经填充了 载流子的带电 缺陷态将成为散射中心， 它对注入载流子 的散射作用使电流降低。 因此， 在i -v 曲 线上表现为回扫时的电流低于正扫方向 的电 流。 偏压步长越小， 持续时间越长， 对缺陷态的填充效果越好， 则电压回扫 第 三 章o l e p 塑丝竺墅些到丝匕一一一一一一 时缺陷态对载流子的散射作用越大，所以上升和下降时的电流差异越大， “ 迟滞 回线” 越宽。 从上述分析可见， 反向结和缺陷态的状态是决定工 一v 特性的重要因 素。 四、反偏的作用 在上述分析中，我们认为多次测量、 就不再陷获载流子， 所以突变现象消失。 多次陷获， “ 缺陷池”被逐渐填满后 偏压升、降情况下的i -v 测量曲线不重 合， 也是 缺陷 态内 载流子填充情况不同 所致。 费米能级的 位置决定着缺陷 态对载 流子的陷获或释放。 偏压来回扫描时， 准费 米能级随之移动， 己 填充或撤空的陷 阱， 对下一次注入电 荷产生相反的 作用。 所以 如果对器件加长时间的反偏电 压， 抽取缺陷池中的载流子， 可以使器件状态在一定程度上得到恢复。 测量数据也表 明，加适当的反偏，突变等现象会再次出现。 为了 进一步证明 这一点， 我们以 不同电 压波形驱动p l e d ， 获得了 p l e d 的i - t 曲 线， 如图3 . 7 。 图中工 一t 曲 线的y 轴对每次测量的最大值归一化， 以比较不同情 况下的电 流衰减幅度。 波形一、 二表明: 在加直流正偏的时间内， 器件电流随着 工作时间的增长而衰减。工作时间越长，衰减越大。但是经过3 分钟的零偏后， 器件电 流明显有恢复。 如果采用交流驱动方式， 波形三、 四以及它们与前两种方 式的对比说明: 交流驱动方式下， 负偏压对载流子的抽取可以使器件得到一定程 度的恢复。 反偏作用时间越长， 或者反偏电压较高， 则越容易从缺陷态中抽取较 多的载流子， 器件恢复得也就越好。 电流的衰减和恢复， 正是缺陷态上载流子填 充或抽取发生变化的结果。 第三章 o l e d的基本原理和输运特性 波形一:o v ( 3 分钟)1 2 v ( 1 0 分钟) ，.0000d .之1 如心卜 ， 勺目 . 七 业 7 8 0 t i me o v ( 3 分钟) sa:脚盲， 1 5 6 0 哎 5 争 23 40 7 8 0 1 5 6 0 t i me ( s ) 2 3 4 0 波形二:1 2 v ( 3 0 分钟) 1 . 0 0 l山 ，、， 、 、 卜 厂! 1 日邵3 96 05 9 4 0 t 加 ” 州写 1 一5 v( 1 0 分钟) 日1ll日 日 卜 ， 闪日 日臼 门 一 一口 郁叻舫叭的a0 厂 二 不 w 币了 艺 多 a升. 一. . . . 一 . . 一- . . - . . - 一闷 . . - -一一 一一 0， 日 日 39 日 0 s 9 4 0 t 皿 me ( s ) 波形三:o v ( 1 0 分钟)1 2 v ( 1 0 分钟) 厂二不画 丁 艺 弓 _ 一.i _ . . . 一一 . _ 一_一 k a : 一二 下 一 二一 1200 2400 忆 s) 3日00 t i m e 0 6 0 0 1 2 0 0 1 9 0 0 2 4 0 0 3 0 0 0 3 5 0 0 t t r m 心 9 方 波形四:o v ( 1 0 分钟)1 2 v ( 1 0 分钟)一l o v ( 1 0 分钟) 一 一 勺 目 臼 臼 应 口 州 一 5 - 10 伟id5 艺吕口名李 qdn27 0 1 2 0 0 2 4 0 0 3 6 0 0 4 8 0 0 6 0 0 0 t i me ( 5 ) 0 1 2 0 0 2 4 0 0 3 6 0 0 4 8 0 0 t i me ( s ) 图3 . 7不同驱动波形下o l e d的i -t 曲线 第三章 o l e d的基本原理和输运特性 五、结论 通过对聚合物有机发光二极管i - v 特性的测量，我们发现在某些被测器件 内 存在着类似于无机器件中的“ 负阻” 现象和和“ 迟滞回线” 状场致漂移的 伏安 特性。 分析表明， 一种反向 势垒的 存在及其击穿， 应是引起负阻现象的原因。 这 些场致漂移现象与材料或器件加工中引入的杂质或缺陷态有关。 缺陷 态的 存在以 及电 荷对它填充情况的 变化， 是导致i - v 特性曲 线随偏压扫描方向 变化的主要原 因，也决定着负阻或电流突变现象的发生或消失。 此外，根据器件在反偏下性能的可恢复性，我们可以利用交流脉冲驱动方 式来改善有机发光二极管的工作条件，优化其显示效果并延长其使用寿命。 第五章 o l e d驱动电路的改进 用f p g a实现p m- o l e d的灰度 第五章o l e d 显示控制电路设计改进 用f p g a实现p m一o l e d的灰度 一 o l e d 显示控制电路现状: 与液晶显示器一样，目 前o l e d 显示屏的 驱动也分为 有源与 无源两类。 效果 较好的 有源矩阵o l e d 显示技术是把有机发光材料集成在硅片上， 每个像索都由 在它后面的薄膜晶体管t f t 来驱动发光。 但是高质量的a m - o l e d 还远未进入实际 应用阶段，因为使用它们作为显示器的制造成本现在要比普通l c d 高出2 0 9 6 。 无 源 o l e o则采用行列扫描的方式驱动相应的像素发光，形成屏幕显示。尽管 p m - o l e d 刷新速度低， 只用于小尺寸显示屏， 但是它相对较为简单，成本低。 2 0 0 1 年c l a r e 公司己 有o l e d的电流驱动i c问世， 但是售价不菲 ( $ 1 5 - $ 3 0 ) 5 - 2 1 。各公司和研究机构对o l e o 驱动技术高度保密， 而控制和驱动技术对 o l e d 产品化又是必要和重要的。因此我们以 较为简单的p m - o l e d为切入点，研 究o l e d 的驱动问 题。 二、针对我所自 制倒置o l e d 进行的驱动电路改进内 容: 我所制备的o l e d 元件为面积2 5 . 4 m m x 7 6 . 2 。或7 0 m m x 8 0 m m 、分辨率2 线 / 5 m m 、 单位象素有效发光面积1 m m x l m m 、 单位间隙1 . 5 m m 的7 x 2 0 或1 6 x 2 0 象 素倒置无源矩阵显示屏。 针对我们制备的这种绿色有机薄膜电致发光元件， 以 谢 伟良 硕士对7 x 4 0 的p l e d 单色无灰度驱动和控制电 路的 初步设计为 基础，重新 设计了o l e d 控制电路。主要包括: ( 1 ) 根据o l e d 元件的发光特性， 提出并实现了o l e d 的灰度显示方案 ( 2 ) 用v h d l 语言编写了o l e d 信号转换电路， 增加了升级的灵活性 通过前面几章对o l e d i - v , l - v 特性的 研究， 我们知道有机发光器件在达 到开启电压后， 其发光强度随电压升高， 几乎按指数规律急剧增大， 所以用不同 大小的电 压表达灰度难度很大， 对器件和电 压精度要求都很高。 如果利用人眼的 视觉惰性， 即点亮时间 越长人眼感觉的 发光强度越强， 可以 用脉宽调制方法来实 现灰度控制。所谓脉宽调制就是周期性地改变脉冲宽度 ( 占空比) 。只要这个重 一一 一一鲤兰 o l e d e m e m 鲤i - m f p g a % fpa p m - o l e d 9h 些 一一一 - 复点亮的周期足够短 ( 即刷新率足够高) ，人眼是感觉不到象素抖动的。 用脉宽 调制方法将像素亮度的度量转换为发光时间的度量， 不仅简单， 而且便于用数字 电路实现。 1 .灰度实现方法简介 我们的灰度实现是以 左右两半屏的 矩阵型的单色p m - o l e d , 1 6 级灰度为目 标，在谢伟良 硕士的论文基础上用f p g a 完成的，其顶层原理图参见附录a e 图中 各元 件的 功能如 下: c o u n t e r 4 _ b i t : 4 位计数器c o m p a r e r 4 - 4 e q : 4 位比 较器 d e c o d e r 4 _ 1 6 : 4 一1 6 译码器l a t c h 1 6 _ 1 6 : 1 6 位锁存器 s h 工 f t 1 _ 4 : 1 位串 行输入4 位并行输出的 移位寄 存器 s h i f t 1 _ 1 6 : 1 位串 行输入1 6 位并行输出的移位寄 存器 各个i / 0 弓 脚定义如下 ( 与m c u 接口 见附 录b ) : v s y n c :帧同步 ( 1 k h z m s ) h s y n c :行同步( 1 6 k h z ) o l e d l : o l e d r : 左半屏显示控制端 右半屏显示控制端 s c a n l i n e : d a t a s i n : 显示数 据串 行输入 r e s e t s y s : 1 6 位行选信号 系统复位信号 g r a y d a t a s i n灰度数据串行输入 c l k s y s : 系 统时 钟 d i s p l a y s i g n a l l e f t : d i s p l a y s i g n a l r i g h t 左半屏 1 0 位显示数据输出 ( 列信号) 右半屏 1 0 位显示数据输出 ( 列信号) 原理图 工作说明 如下: 如果屏幕刷新率达到2 5 帧/ 秒，人眼就感觉不到抖动。我们取每行显示时 间l m s ，则刷新率为:i s / ( 7 行/ 帧x l m s / 行) =1 4 2 帧 i s / ( 1 6 行/ 帧x l m s / 行) =6 2 . 5 帧 所以每行显示 l m s 的设计足以满足要求。 u l ( c o u n t e r 4 _ b i t ) :对h s y n c ( 1 6 k h z )计数，由t c 产生1 k h z ( l m s )脉冲， 作为u o 的时钟。 u o ( c o u n t e r 4 _ b i t ) : 对u l 送来的1 k h z ( l m s ) 脉冲计数， 其输出q 每l m s 增1 e u 2 ( d e c o d e r 4 _ 1 6 ) :对u o 的4 位2 进制输出解码，得到1 6 个顺序脉冲，作为 行选信号 送给s c a n l i n e ( 低电 平有效) ，去控制o l e d 显示屏的阴 极 第 五 章 o l e d 驱 动 电 路 的 改 进 一 用 f p g a 实 现 p m - 匹至 旦 鲤丝 u 3 ( s h i f t i _ 1 6 ) ; 接收单片机送 来的1 6 位显示 数据， 将其 转换为并 行 输出 ， 并 送入u 6 , u 4 锁存。 u 4 ( l a t c h 1 6 _ 1 6 ) : 对u 3 送来的 显示 数据锁存， 待允许写 左半屏的 控制信号l e f t d i s p l a y 为高时，将数据送出到d i s p l a y - s i g n a l - l e f t ， 去控制o l e d 左半屏阳极 的开关状态。 与行选信号配合即可令指定行列上的象素点亮， 实现信号显示功能。 u 6 ( l a t c h 1 6 _ 1 6 ) : 功能同u 4 ，只是等待右半屏的控制信号r i g h t d i s p l a y 为 高状态后，将数据送出到d i s p l a y s i g n a l r i g h t ， 去控制o l e d 右半屏阳极的开 关状态。 u 5 ( s h i f t i _ 4 ) ; 接收单片机送来的4 位二进制表示灰度的 数据， 将其转换为并 行输出，其输出作为比 较器u 7 的一个输入。需注意的是，送来的显示灰度数据 为实际灰度数据以1 6 为模的 补码， 如对四 级灰度( 0 1 0 0 ) 存储的 格式是( 1 1 0 0 ) . u 7 ( c o m p a r e r 4 一e q ) :四 位二进制数据比 较器，当 所比 较两个数相等时， 输出 为高电平。 一个输入是u 5 送来的灰度数据， 另一个输入是u l 计数器的q 端输出。 仍以四级灰度为例，当u l 计数到 ( 1 0 1 1 )时，u 7 的两个输入相等。则u 7 输出 e q 为高电 平。 它通过一个与门 后送给u 4 和u 6 。 如果此时m c u 要求选择左半屏进 行显示， 则o l e d l 为高电 平而o l e d _ r 为低电 平，两个与门的 输出分别为l e f t d i s p l a y 高电 平 和r i g h t d i s p l a y 低电 平， 锁 存 器u 4 被打 开， 显 示 数 据 被 送 到 d i s p l a y - s 工 g n a l l e f t 上，控制左半屏的显示。 其显示时间为 刀j s = 用上述方法，可以既不改动原有o l e d 驱动电路的硬件 ( 详见谢伟良 硕士毕业论 文) ，又能很简单方便地实现灰度控制，比 较适用于 对我们的低密度p m - o l e d 进 行显示控制实验，辅助o l e d 研究。 2 .用v h d l 进行f p g a 设计 我们使用的软件是 f o u n d a t i o n 4 . 1 。它可以用 h d l语言输入，也可以用 s c h e m i a t i c , f s m 方法输入。由 于v h d l 语言是一种规范的建模语言，相对于 传 统的原理图设计有许多优点: ( 1 ) 支持数字电路开发环境和各种设计方法 ( 2 ) 支持层次化 ( 框图) 、 元件再利用、出错处理和验证， 支持并行和顺 序的语言结构，还支持从规范到门级描述的所有各级 第 五 章 o l e d 驱 动 电 路 的 改 进 - 一用f p g a 实 现p m - o l e d 的 巷 座 ( 3 ) 元件设计可以和工艺无关，或者或多或少与某一类工艺无关。元件 可以保存在设计库中，在多个不同设计中再利用。 ( 4 ) v h d l 作为一个标准， 其代码有可能在不同 系统之间交换以 建模 ( 模 拟) 所以我们选择使用v h d l 和自 顶向下方法设计电路， 便于在此基础上修改以 继续增强其功能。源代码可参见附录b o 三、消除串扰的想法 在点阵式l c d中， 使用了行驱动和列驱动， 使在所选通点上的选通电压大 于开启电 压， 但由于多点共用一个电极， 在选通点外的非选通点上也加有电 压， 从而使清晰度下降，这就是交叉效应 ( c r o s s t a l k ) 现象。同 样， 在我们的o l e d 中也存在上述问题。 l c d中 解决串 扰的方式有: ( 1 ) 线反转 ( l i n e i n v e r s e ) 驱动方式 ( 2 ) 点反转 ( d o t i n v e r s e 或称p ix e l i n v e r s e )驱动方式 其优点是有效将水平与垂直信号中的串扰予以降低，有效减少画面闪烁 ( f l i c k e r ) ， 并提升画质。 我们o l e d的驱动电路中对于串扰的消除， 可以参考上述t f t -l c d的思 想进行设计。这部分工作还有待开展。 参 考 文 献 【 工 一工 】 杨国 栋、 沈培宏，t f t - l c d 友次发 赓 i 苛 分 ， h t t n :/ / w w w .o n t o e l e c t r o c o m / t r a n s l a t e / d i sn l a v / d i s 业 2 0 h t m , ( 2 0 0 1 / 0 1 / 1 4 ) 1 一2 g . r a j e s w a r a n , m . i t o h , e t a l . ， a c t i v e m a t r i x l o w t e m p e r a t u r e p o l y - s i t f t - o l e d f u l l c o l o r d i s p l a y : d e v e l o p m e n t s t a t u s , . k o d a k . c o m / u s / p l u g i n s / a c r o b a t / e n / c o r p / d i s p l a y / s i d 2 0 0 0 . p d f 1 一3 】陈建利 ( 报导) ，e 世厂 右 成霹于 示 董溺一 一爵萝( o l e ii ) h tt p / / e n e w s 2 n c t u e d u t w / n e w s 5 迪 坦 n e w s id = 6 5 9 , ( 2 0 0 1 / 0 5 / 2 9 ) 1 - 4 】网易科技频道 e t 编译，2 0 0 2 . p c * j友次屏望， htt p :/ / t e c h 且 6 3 .c o m / t m / 0 1 1 2 2 6 / 0 1 1 2 2 6 5 1 5 3 4 . ， ( 2 0 0 1 / 1 2 / 2 6 ) ( 2 一1 t e s t p o i n t t e c h n i q u e s u s e i e e e . s t d l ogi c 1 1 6 4 . a l l l i b r a r y i e e e ; u s e i e e e . s t d l o g i c 1 1 6 4 . a l l 一 实体说明 e n t i ty c o u n t e r 4 一 b i t i s p o rt ( c l r: i n s t d 一o g i c ; c l k: i n s t d 少o g i c ; t c: o u t s t d 一o g i c ; q: o u t s t d l o g i c we v e c t o r ( 3 d o w n t o 0 ) ) ， e n d c o u n t e r 4 少i t ; e n t i t y d e c o d e r 4 _ 1 6 i s p o r t ( q: in y n: c u t s t d _ l o g i 几y e c 伯r ( 3 d o w t u o 0 ) , s t d l o g i c v e c t o r ( 1 5 d