（物理电子学专业论文）电压模式asi+tft+amoled象素驱动电路的设计与仿真.pdf

韭塞銮适太堂亟堂僮j 金塞生塞埴墨 中文摘要 摘要： 目前，针对a s i1 r i 叮舢订0 l e d 象素驱动电路的研究有很多，在熟知的两管驱 动方案中m ，由于各像素驱动管的阈值电压v 讧的不一致性将导致整个显示屏亮度 的不均匀，另外随着使用时间的增加，象素驱动管的阈值电压也会发生变化“1 ， 从而引起显示屏亮度前后的变化。为了补偿由于驱动管阈值电压的变化以及各个 驱动管闭值电压的不一致性对显示屏亮度所造成的影响，人们提出了多呵管的 象素驱动方案。其中主要有电流控制型( 电流模式) 和电压控制型( 电压模式) 两种。在一般的电流模式驱动电路中，由于其存储电容需要很长的充电时间，所 以应用中受到了极大的限制。在y 色n c h 城gl i i i 等的文章中3 1 提出了一种新颖的 电流模式驱动电路，主要通过调节输入数据电流与流经发光器件0 l e d 的电流的 缩减比例，来减小数据线与像素间的充电时间，这种电路虽然能够减少存储电容 c s 的充电时问，但是对于发光器件o u d 本身的等效电容来说仍然需要很长的充 电时问“1 ，因此还是存在着整体电路充电时间过长的闯题。在电压模式驱动电路 中，由于开始时会有一个瞬间的大电流对电容充电，所以能够极大地降低充电时 间。近年来对于电压模式驱动电路的研究也逐渐增多，在j c g o h 的文章中”1 提 出了一种四管的放电式补偿阂值电压变化的电压模式驱动电路，但在这种电路中 所有驱动管的源极都间接的连接了一条电压跳变的信号线而不是稳定的电源地 线，这样会造成驱动管栅源电压的不稳定性，从而影响屏亮度的均匀性。在后来 的文章6 中j c g 0 h 又提出了改进的五管驱动方案，其中驱动管的源极通过o l e d 和一开关1 r i 叮管连接到电源地线，但是生产过程中o u m 的电阻以及开关管漏源 间电阻的不均匀性同样会造成驱动管栅源电压的变化，从而对屏亮度的均匀性造 成影响。 本文设计了一种新颖的电压模式非晶硅薄膜晶体管( a - s i 砸叮) a m o l e d 的像 素驱动电路，该电路包含五个开关晶体管、一个驱动晶体管和一个存储电容。通 过对整个电路的时序分析表明，该电路能够成功地补偿由于各像素驱动管阈值电 压的差异对电路性能所造成的影响；并且由于在电路中采用了倒置o l e d 的结构， 使得发光器件o l e d 本身电阻的非均匀性等其它因素的影响也被克服了，从而使显 示屏灰度的一致性得到进一步改善。通过对电路采用p s p i c e 仿真分析，我们进一步 给出了电源电压v 删、存储电容c s 、以及开关晶体管t 3 、t 4 、t l 和驱动晶体管t 2 沟 道的宽长比( w l ) 等参数对电路输出特性的影响，并得出了这些参数的合理取值。 对这些参数值的仿真分析将对实际的工业生产起到良好的指导作用。 关键词：有机发光二极管( o l e d ) ；非晶硅薄膜晶体管( a - s in ；有源矩阵( a m ) ； 像素驱动电路；p s p i c e 分类号：t n 2 7 a b s t r a c t a b s i r a ? l ! n o w ，t h 既ea 地n i a n y 砖s e a f c h c s 蠡牡a - s i 玎呵a m o l e dd f i v i n gc i r c l 趣h 也ea m o l e dp 搬l 锄p l o y i n gaw e l l - k n o 帅2 1 w 出dc i 姗i t ，也eo u t p m 伽眦f o r o l e d d 删s d u e t o 恤d e g r a 砌0 f a - s i t f r u s e d 缸a 删 u r c e t h e r e f o f e ，辩v 啪lc o m p e n s 砒i 衄p i x e lc i r 砌tb a s c d ma - s i1 1 p tl i a sb 嘲 r e p o r t e d t h e r ea r ；et w o 嫩i i l 虹n d so f n 地血o dc a l l c dt h ec 眦瑚tp r o 掣锄姗i l l g m e 血o d a i l d m v o 姆p r o 鲥珊i i l g 删m c 咖斌p r o 卿咖j n g 删 c o m p e n s a ：t c sf o ft l l l e s l m l dv o l t a g cs h i f to fa s it f t ，h o w e v e r ，i tr e q u i r c sal o r l g e r p i x e ld 唧f g i n g 五m ea t 也e 如l al i n e sc o m p a 戚w i t hav o 姆p r o 孕锄m n i n gm c h ，d t h c v o l t a g ep r o 聃姗匝i n gm e m o dc m b ce 觚6 v ct oc o m p c n s a t cf o rl 量地 d e 鲫甜a t i o n0 f a - s in 叮黜= c e n n yt h e r ea 托m o 地把s e 鲫c h 船f o rv o l t a g c 棚黟柚l m e d p i x e l c 沁1 1 i 协( c p p c s ) b t h e p a p c r o fj c g o b a k i n d o f “r f tp a r a l l d c o m p 即s 撕伽v p p c w 鹳呻p o s e d ，b m i n t h i s c 沁嘧也es o u r c en o d e o f l h e 抵g1 r i 叮w a sc o n n e c t e ( 1w i mav o l 切g h b a n g c ds i 印a ll i n eb u tn o tt 1 1 eg c o e l e c 研c u r c e ，m eg a l e 刚r c c v o l t a g e o f m c d r i 、，i l ，g t f r i sn o ts t e a d y ，a n d m e l | 1 l i 蛐 o f b r i g h t 麟s o f 妞s 渊i sn o ts t e ：a d y h t h e 鼬辫，e f o fj e g 咄a | 【i n d o f i m p r o v e d5 1 r rp a r a l l e l 嘲瑚p 明s a t i v p p cw 舔珥o p o s e d 协t l l i sc 如缸n 圮u r n o d e o fm e“v i i l g 耵呵w 私c o 蛐e c t e d 、釉m c 酬e c 打i c 愀t b r o u g h t h e o l e da n dag “t c l l i 】【l g b 毗a s y m m 阳yo f l h e 榔i s 扭n so f o l e d 觚dt h c s 晰t c h i n gt f ta l s o 锄k l d 璩v a r i c t i 嚣o f 坞g a t e 一u r c ev o l t a g eo f 也ed r i v i i l g 哪岫b e c o m e s n e w 蝴 i i l t l l i s p a p e r a n 哪锄o r p h o u ss i l i c l b i 】丘l l l l 蜘s i 咖r ( a - s i t f r ) p i x d c i r c 诚f o r 觚a c t i v em m x o r g 枷cl i g l 她m i t t i 曙凼o d e ( a m o l e d ) e 唧i o 徊g a v o l 诅g ep r o 蓼m i l i l i n gh 嬲b c e i l 哪s c dw t 如hc o 衄i s t so f f i v e 刚t c l l i n g 呵s ，o “v i l l g t f t ，a n d o m c a p a c 鼬血e 胁h e rs i 酬a i i 蚰r e s u l t s 砌i c a t e 岫m e p r o p o s e d a - s i 邗tp i x e lc i r c u i tc 觚蛐c c e s s 陆l l yc o m p e i l s a t et l l ev 撕e t i o no f o l e dl l 珊i 脚c c c a u s c db yt i i et l 懿s h o l dv o l t a g e d i 侬崩1 c cb c t w c 姐a - s i1 f r s 勰da l n 犯d i 侬鹏n c e b e 帆。c no l e d r c s i 娥i n c 豁，t h e nt 1 1 e 鲫ys c a l e 硼墒r 嘶o f t h es c r c e n 啪b c i m p r o v e d d u 血g 圮 s i m i l l a t i o no f p s p i c c ，t 置w 硼u e n c eo f v 鲥v o l t a g c ，s 咖g e c a p a c i t o r ( c s ) 觚dw l 枷oo fs w i t c h 吨t f t m 、t 4 、t 1 ) ，d r i v 吨t 玎( t 2 ) o nt h eo u t p u tc 胁c t e r i s t i c so f t h i sp i x e le l c c 缸o d ec i r c l l i “c r e 孤a l y z e di i ld e t a i l s 觚d t l l e nw eo b t a 抽n l e 硼。腑b l ep 蕾e t c rv a l u ea _ b o mt l l i sc i r c u “t h e s i m u i a t i r e 锄l t s 证l lb e a g o o dg l l i d a n c e f o r m e a c t i l a i i n d u s 时p i _ o d u d i 1 a 阶m ，o r d s ：a 嘶v em a 舡i xo r g a n i ch 曲t 吒m i m n gd i o d e ( a m o l e d ) ；雒l o r p h o 嘴 s i l i c n 曲- 6 l n lt r a 璐i s 衙( a - s i ：hn 叮) ：a c t i v em a n 敦( 蜢母；p i x e le l e c 昀如c i 凇盘； p s p i c e c l a s s n o ：n 屹7 致谢 本论文的工作是在我的导师滕枫教授的悉心指导下完成的，滕枫教授严谨的 治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来滕枫 老师对我的关心和指导。 黄世华研究员、侯延冰教授、梁春军副教授等对于我的科研工作和论文都提 出了许多的宝贵意见，在此向他们表示衷心的谢意。 同时还要特别感谢研究所的其他老师。他们渊博的学识、丰富的经验和严谨 的治学态度给我留下了深刻的印象。平日在实验中向他们请教闯题时，他们都能 耐心的给我讲解，在此我表示忠心的感谢! 在实验室工作及撰写论文期间，唐爱伟、王勇、石志刚等同学对我论文中的 部分研究工作给予了热情帮助，在此也向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的父母，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 序 o l e d 显示器在平板显示领域所拥有的潜力是巨大的，这种潜力引发了对于 o l e d 发光器件及其驱动电路的研究。2 0 0 4 年9 月我来到了北京交通大学的光电子 技术研究所，在滕枫教授的带领下开始了有源0 l e d 显示器象素驱动电路的研究。 具体的研究方向是怎样通过更好的电路改进，解决有源o l e d 显示器象素驱动电路 中各个驱动薄膜晶体管( t f t ) 阈值电压v 抽的不一致性对显示屏亮度均匀性所造 成的影响。经过长时间的摸索过程，我们最终确定了采用放电式补偿闽值电压变 化的总体思路，提出了一种基于放电式补偿阙值电压变化的电压模式六n 呵管象素 驱动电路，该电路是一种针对高性能应用的象素驱动电路。 本论文主要由两大部分组成，一是象素驱动电路的设计；二是对电路中部分 元器件参数的仿真分析。 其中第一部分为研究的难点，要求所设计的电路必需符合以下几点： l 、新颖性，即要求所设计的电路结构与以往的电路有所区别。 2 、好的性能，即要求所设计的电路结构比以往的电路要有性能上的改善。 3 、低成本，即要求在提高电路整体性能的基础上尽量的减小电路元器件的 规模。 这就要求在设计电路之前，必需阅读大量的资料，参考前人设计的电路，找 出其中的优缺点并加以改进，并且对于电路结构的性价之间要有灵活的考虑，找 出较优的结合点。 在第二部分中，我们对电路中的重要元器件的参数进行了仿真分析，采用 p s p i c e 作为p c 级电路仿真软件，采用参数扫描分析的仿真方法，最后将各种仿真 分析的结果以波形的方式直观地反应出来。 本论文主要由五个章节组成，第一章为绪论，主要对0 l e d 以及p s p i c c 仿 真进行简单的介绍，提出了o l e d 象素驱动电路目前存在的一些问题，引出了本 文的研究方向。第二章主要介绍o l e d 驱动的一些特性方面，尤其对n 强薄膜晶 体管的一些特性做了较详细的叙述，为以后电路的设计和仿真做准备。第三章为 电路设计部分，其中对本文中设计的电路及其对比前人电路的优点做了详细的叙 述。第四章为电路仿真部分，通过仿真得出了电路的部分最佳参数值。第五章为 结论。 1 1o l e d 显示器简介 引言 o l e d ( 日本称为0 r g 觚i c l i g h t e m i t t i n g d i s p l a y ，美国称为o r g a i l i c l i g h t e l i l i t t i i l g d i o d 曲，即有机电致发光显示器，成为当今显示界的新宠迅速崛起。美国德州 a u s l l n 平板显示器市场调研公司就曾对平板显示器主流技术进行了预测”认 为在今后五年内将会有4 种显示器技术取代现在流行的n 叮i ，c d ( 咖i l n l 1 m m i s t o rl c d ，薄膜晶体管l c d ) 。它们分别是：有机电致发光显示器件( 0 l e d ) 。 场发射显示器件( f e d ) ，低温多晶硅薄膜晶体管显示器件( l o wt e m i 嫩硼鹏 p o l y - s i l i c o n ，u t s ) 和等离子体显示器件。而放在首位的有机电致发光显示器件 o l e d 由于其低驱动电压和高效率性能在十多年前就开始引起人们的重视。 有机电致发光器件( 0 l e d ) 是一种高亮度、宽视角、全固化的主动发光型显 示器件。因其具有可全彩色大面积显示，发光亮度、发光效率高，驱动电压低， 可与集成电路驱动电压相匹配、制备工艺简单等特点，使其在平板显示中存在着 巨大的应用8 。目前，0 l e d 在研制高稳定性的器件方面和研究实现高质量动态 显示的驱动电路方面都己取得了一定的进展坤j 。因此本文对0 l e d 显示器象素 驱动电路的研究有着重要的学术与应用价值。 1 1 1o l e d 的技术优点 有机发光显示器件之所以受到人们的青睐，是因为其与l c d 为代表的第二代 显示器相比，有着突出的技术优点： 具有低成本特性，工艺简单，使用原材料少； 具有自发光特性，不需要背光源； 具有低压驱动和低功耗特性，直流驱动电压在l o 伏以下，易于用在便携式 移动显示终端上； 具有全固态特性，无真空腔，无液态成份，机械性能好，抗震动性强，可 实现软屏显示； 具有快速响应特性，响应时问为微秒级，比普通液晶显示器响应时问快l 0 0 0 倍，适于播放动态图像： 具有宽视角特性，上下、左右的视角接近1 8 0 度； 具有高效发光特性，可作为新型环保光源； 具有宽温度范围特性，在零下4 0 摄氏度至零上8 5 摄氏度范围内都可正常 工作； 具有高亮度特性，显示效果鲜艳、细腻。 1 1 2o l e d 存在的问题 目前o l e d 显示技术还是一项很年轻的技术。用于批量生产的原材料、零部件、 制造工具、检测设备、驱动i c 等基础设旆还不完善，主要存在以下一些问题还没有 得到很好的解决： l 、寿命问题。影响寿命的主要原因有：有机物的化学老化；驱动时的发热使 有机膜重结晶：微缺陷导致的击穿；电极，有机膜或有机膜，有机膜界面老化；0 2 、 h 2 0 等引起的老化等。 2 、色度问题。大部分的发光材料都存在着色纯度不够的问题。不容易显示鲜 艳的色彩。尤其是红色的发光材料，发出的光是橘红色并非纯红。一些纯红色发 光材料的使用寿命仅3 ，0 0 0 小时；同样的情况也出现在蓝色发光材料上。号称达 到l 万小时以上使用寿命的蓝色发光材料。呈现的却是天蓝色，且纯蓝色的使用寿 命并不长。 3 、驱动问题。驱动形式问题；扫描方式下材料的寿命问题；显示屏发光均一 化问题等。 本文即将针对驱动问题，对0 l 王m 的象素驱动电路进行较细致的研究。 1 1 3o l e d 象素驱动电路中存在的问题及其解决方案 o l e d 的驱动方式可分为无源驱动和有源驱动。采用无源驱动时，随着屏幕的 增大，显示密度的提高，必须对像素施加较大的电流，这样会大大耗损发光材料 的使用寿命，因此对于大屏幕，高灰度级的显示，通常采用有源驱动方式。薄膜 晶体管( t f t ) 是有源o l e d 象素驱动电路的主要组成部分，它的生产工艺主要 有l 1 卫s1 1 玎、a s it f t 等，由于舢s i 耶t 在有源液晶显示器( 铷咀d ) 中的应 用已经趋于成熟，因此采用a s i1 r i 呵的生产工艺能够获得很高的性价比。本文主 要围绕采用舢s in 可生产工艺的象素驱动电路进行设计和仿真。目前，针对a - s i t f ta m o l e d 象素驱动电路的研究有很多，在熟知的两管驱动方案中，由于各 像素驱动管的阈值电压v t l l 的不致性将导致整个显示屏亮度的不均匀，另外随着 使用时问的增加，象素驱动管的阈值电压也会发生变化2 1 ，从而引起显示屏亮度 静后的变化。为了补偿由于驱动管阈值电压的变化以及各个驱动管阈值电压的不 2 一致性对显示屏亮度所造成的影响，人们提出了多1 1 丌管的象素驱动方案。其中 主要有电流控制型( 电流模式) 和电压控制型( 电压模式) 两种。在一般的电流 模式驱动电路中，由于其存储电容需要很长的充电时间，所以应用中受到了极大 的限制。在y 一c h u n gl 施等的文章中3 1 提出了一种新颖的电流模式驱动电路， 主要通过调节输入数据电流与流经发光器件o l e d 的电流的缩减比例，来减小数 据线与像素问的充电时间，这种电路虽然能够减少存储电容c s 的充电时间，但是 对于发光器件o l e d 本身的等效电容来说仍然需要很长的充电时间“，因此还是 不能解决电路整体充电时间过长的问题。在电压模式驱动电路中，由于开始时会 有一个瞬间的大电流对电容充电，所以能够极大地降低充电时间。近年来对于电 压模式驱动电路的研究也逐渐增多，在j c g o h 的文章中”1 提出了一种四管的放 电式补偿阈值电压变化的电压模式驱动电路，但在这种电路中所有驱动管的源极 都闽接的连接了一条电压跳变的信号线而不是稳定的电源地线，这样会造成驱动 管栅源电压的不稳定性，从而影响屏亮度的均匀性。在后来的文章”1 中j c g 0 h 又提出了改进的五管驱动方案，其中驱动管的源极通过0 l 王d 和一开关1 f r 管连 接到电源地线，但是生产过程中0 l 王d 的电阻以及开关管漏源间电阻的不均匀性 同样会造成驱动管栅源电压的变化，从而对屏亮度的均匀性造成影响。目前国外 有很多针对m o l e d 象素点驱动电路设计的文献，其中提出了各种新颖的电路， 如a r o 虹a n a m a i l s e l l i o r m 锄1 b i e e e 的文章n 1 1 。在各种驱动方案中，人们总是 根据对象素点性能的要求和器件的复杂度之阔综合考虑，以便设计出符合要求的 最理想的电路结构。为此本文提出了基于放电式补偿阈值电压变化的电压模式六 管象素驱动电路，该电路能够成功地补偿由于驱动管阙值电压的差异以及o l e d 自身电阻的非均匀性等因素对o l e d 的亮度所造成的影响。 1 2 最优化电路设计的仿真分析方法简介 计算机仿真分析是电路设计的一种重要环节，它既能降低设计成本，又提高 设计效率。特别是随着电子设计自动化( e d a ) 技术的飞速发展，电路的设计已由手 工设计转向为计算机辅助设计，其在电路设计中的作用显得更为重要。传统的设 计方法在分析和验证电路的正确性和完整性对十分麻烦，并存在大量重复性的工 作，而p s p i c e 作为p c 级电路仿真软件，对电路不仅能进行一些基本的电路特性分 析，还可以对电路元器件的参数进行仿真分析，并将各种仿真分析的结果以波形、 图表或文本的方式直观地反应出来。它在电路最优化设计中具有很高的实用价值。 1 2 1p s p i c e 简介 用于模拟电路仿真的s p i c e ( s 确u l a t i 蚰p g r a m 诵t hl m 掣a t e dc i r c u i t e m 口h 硒i s ) 软件于1 9 7 2 年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用 f o r ：n l a n 语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。s p i c e 的 正式实用版s p i c e2 g 在1 9 7 5 年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。 1 9 8 5 年，加州大学伯克利分校用c 语言对s p i c e 软件进行了改写，1 9 8 8 年s p i c e 被定为美国国家工业标准。与此同时，各种以s p i c e 为核心的商用模拟电路仿真 软件，在s p i c e 的基础上做了大量实用化工作，从而使s p i c e 成为最为流行的电 子电路仿真软件。 p s p i c e 则是由美国m i s i i n 公司在s p i c e2 g 版本的基础上升级并用于p c 机上的s p i c e 版本，其中采用自由格式语言的5 o 版本自8 0 年代以来在我国得到 广泛应用，并且从6 o 版本开始引入图形界面。1 9 9 8 年著名的e d a 商业软件开发 商o r c a d 公司与m i c r o s 监公司正式合并，自此m i c r o s i l n 公司的p s p i c e 产品正 式并入0 r c a d 公司的商业e d a 系统中。目前，0 r c a d 公司已正式推出了o r c a d p s p i c e 鼬l e a 9 o ，与传统的s p i c e 软件相比，p s p “c c9 o 在三大方面实现了重大 变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上， 实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析； 第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数，模混合电路进行仿真； 第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时 分析观察仿真结果。 1 2 2 常用的p s p i 仿真分析方法 i 直流分析； 包括电路的静态工作点分析；直流小信号传递函数值分析；直流扫描分析； 直流小信号灵敏度分析。在进行静态工作点分析时，电路中的电感全部短路，电 容全部开路，分析结果包括电路每一节点的电压值和在此工作点下的有源器件模 型参数值。这些结果以文本文件方式输出。 直流小信号传递函数值是电路在直流小信号下的输出变量与输入变量的比 值，输入电阻和输出电阻也作为直流解析的一部分被计算出来。进行此项分析时 电路中不能有隔直电容。分析结果以文本方式输出。 直流扫描分析可作出各种直流转移特性曲线。输出变量可以是某节点电压或 某节点电流，输入变量可以是独立电压源、独立电流源、温度、元器件模型参数 和通用( g l o b 出) 参数( 在电路中用户可以自定义的参数) 。 直流小信号灵敏度分析是分析电路各元器件参数变化时，对电路特性的影响 4 程度。灵敏度分析结果以归一化的灵敏度值和相对灵敏度形式给出，并以文本方 式输出。 2 交流小信号分析： 包括频率响应分析和噪声分析。p s p i 进行交流分析前，先计算电路的静态 工作点，决定电路中所有非线性器件的交流小信号模型参数，然后在用户所指定 的频率范围内对电路进行仿真分析。 频率响应分析能够分析传递函数的幅频响应和相频响应，亦即，可以得到电 压增益、电流增益、互阻增益、互导增益、输入阻抗、输出阻抗的频率响应。分 析结果均以曲线方式输出。 p s p i c e 用于噪声分析时，可计算出每个频率点上的输出噪声电平以及等效的 输入噪声电平。噪声电平都以噪声带宽的平方根进行归化。 3 瞬态分析： 即时域分析，包括电路对不同信号的瞬态响应，时域波形经过快速傅里叶变 换( f f t ) 后，可得到频谱图。通过瞬态分析，也可以得到数字电路时序波形。 另外，p s p 眈可以对电路的输出进行傅里叶分析，得到时域响应的傅里叶分 量( 直流分量、各次谐波分量、非线性谐波失真系数等) 。这些结果以文本方式输 出。 4 蒙特卡罗( m o i 他c a f l o ) 分析和最坏情况( w 融c a ) 分析： 蒙特卡罗分析是分析电路元器件参数在它们各自的容差( 容许误差) 范围内， 以某种分布规律随机变化时电路特性的变化情况，这些特性包括直流、交流或瞬 态特性。 最坏情况分析与蒙特卡罗分析都属于统计分析，所不同的是，蒙特卡罗分析 是在同一次仿真分析中，参数按指定的统计规律同时发生随机变化；而最坏情况 分析则是在最后一次分析时，使各个参数同时按容差范围内各自的最大变化量改 变，以得到最坏情况下的电路特性。 p s p i c e 电路仿真软件对电路不仅能进行直流分析、交流分析、瞬态分析等基 本的电路特性分析，还可以进行参数扫描分析、优化设计等。 ( 1 ) 参数扫描是分析电路中元器件参数值变化时对电路特性的影响。通过此种 分析可以正确地选择能满足电路设计指标的元器件参数值，包括电压源、电流源、 各种常用元器件的模型参数和全局参数等，从而达到优化电路设计的目的。p s p i c e 参数扫描分析的优点是扫描变量的取值原则上可以设置为近似无穷多个( 即参数扫 描的增值步长可以取很小) ，其缺点是每次只能对一个扫描变量进行仿真分析。 ( 2 ) 优化设计是对一个基本达到设计性能指标的电路，在约束条件的限制下， 5 从每个待调整的元器件的初始值开始，分别计算每个优化指标对相应元器件的导 数，并根据优化指标的要求，自动调整元器件参数的增减方向；同时调用电路仿 真分析程序，进行电路模拟迭代运算，并根据迭代运算的结果来调整元器件参数 的大小，从而得到经过一次迭代优化后元器件参数的当前值，再通过计算元器件 参数的当前值与优化目标值之间的均方根误差，来判断是否进行下次迭代，直 到目标参数满足最优化目标值的要求。上述过程，只要将电路设计的优化指标以 交互式的方式设置好，其余的工作完全由p s p i c e 自动完成，因此极大地提高了优化 电路设计的效率和准确性。p s p i c e 优化设计的优点是其优化算法采取的是迭代法和 最小二乘逼近法，因此，优化的精度相当高，但是，由于用p s p i c e 的优化设计，必 须保证电路基本达到电路的功能和性能指标，因此在优化设计之前必须对电路中 优化指标进行p s p i c e 电路的基本特性分析，使电路的性能指标基本满足优化设计的 要求。 在本论文中，在提出了我们的电压模式a s i n 吓a l 0 l e d 象素驱动电路的基 础上，为了找到各个器件合理的参数值，我们采用了参数扫描分析方法对电路中 的各个主要参数进行了仿真分析，得出了较佳的参数值。这对以后实际的工艺生 产起到了良好的指导作用。 6 韭塞銮适太堂亟堂僮监塞2直拯生塾蕉发壅动挂毽 2 有机电致发光驱动特性 2 1o l e d 的发光原理及构造 0 l e d 似g a n i cl i g h te m i n i n gd i s p l a y ，中文名有机发光显示器) 是指有机半 导体材料和发光材料在电场驱动下，通过载流子注入和复合导致发光的现象。其 原理是用i t 0 透明电极和会属电极分别作为器件的阳极和阴极，在一定电压驱动 下，电子和空穴分别从阴极和阳极注入到电子和空穴传输层，电子和空穴分别经 过电子和空穴传输层迁移到发光层，并在发光层中相遇，形成激子并使发光分子 激发，后者经过辐射弛豫而发出可见光。辐射光可从r r o 一侧观察到，金属电极膜 同时也起了反射层的作用。根据这种发光原理而制成的显示器被称为有机发光显 示器，也叫o l e d 显示器。 负极 电千传输层 宥视发光层 空穴传输层 正极，i t 0 玻璃或塑胶基板 光线麓出体 图2 1o l e d 内部构造 2 2o l e d 的电流驱动特性 有机电致发光器件具有整流特性“柏，其j v 特性曲线表现为非线性递增的函 数关系，类似二极管的j v 特性曲线。 7 o51 01 5 刚( i i ，) 图2 2o l e d 的典型j v 特性曲线伽 由如图2 2 所示，由j v 特性曲线可知：当加入正向工作电压时，在低于3 v 时，器 件基本上无电流通过，当电压超过4 v 后，电流随电压迅速增大。其表明，器件的 起亮电压为3 州之间。开始时电流密度随电压缓慢增加。超过阙值电压( 起亮电压) 后，电流密度急剧上升。 o l e d 器件的亮度和电流之间保持线性特性，因此对0 l e d 器件的驱动是电流 驱动。由图2 3 所示。 o5 01 0 0l ，l m a ，c m 勺 图2 30 l e d 的典型j - l 特性曲线1 对o l e d 器件驱动对电流密度的大小影响器件的寿命，电流密度越小寿命越长 1 ( 如图2 4 ( a ) 所示) 。这说明0 l e d 老化属库仑性的，器件的老化是由于驱动时器 s 韭塞窑通厶堂亟堂僮论塞 2直扭电瑟蕴迸塑动挂蛙 件的热效应引起的。有实验证明，器件的寿命与电流密度成平方的倒数关系4 1 ( 如 图2 4 ( b ) 所示) 。为了尽可能避免这种焦耳热的影响，应该尽量减小0 l e d 的驱动电 流。 曩两对曩住电蠢蠢晨，l 榭 图2 4 o l 功亮度的衰减( a ) 寿命与电流密度的关系( b ) 们 2 3o l e d 的有源驱动方式 图2 5a m o l e d 驱动电路的组成 有源驱动的每个像素配备具有开关功能的薄膜晶体管，而且每个像素配备一 个电荷存储电容，外围驱动电路和显示阵列整个系统集成在同一玻璃基板上。与 l c d 相同的t f r 结构，无法用于0 l e d 。这是因为l c d 采用电压驱动，而0 l e d 却 依赖电流驱动，其亮度与电流成正比，因此除了进行0 n 0 f f 切换动作的选址n 玎 9 韭塞銮适去茎亟堂焦j 幺窑2直扭电壅筮发噩动蹙筐 之外，还需要能让足够电流通过的导通阻抗较低的小型驱动叮。有源驱动属于静 态驱动方式，具有存储效应，可进行1 0 0 负载驱动，这种驱动不受扫描电极数的 限制，可以对各像素独立进行选择性调节。有源驱动无占空比问题，驱动不受扫 描电极数的限制，易于实现高亮度和高分辨率。有源驱动由于可以对亮度低的红 色和蓝色像素独立进行灰度调节驱动，这更有利于o l e d 彩色化实现。 2 4 薄膜晶体管t f t 简介 2 4 11 1 h 的制备工艺 砸叮管一般采用多晶硅( p s i ) 或非晶硅( a s i ) 制成。a - s i1 r i 可具有工艺简单、成 熟、价格低、1 1 可制备成品率高等优点。但因a s i 迁移率低，在相同器件尺寸时提 供的电流小，同时非晶硅技术存在着过高的光敏感性等问题。与非晶硅j n 可相比， 多晶硅的电子迁移率高、产品轻、薄并可用于实现显示屏驱动电路的周边集成。 然而，由于多晶硅的生长特点，每个1 r i 吓的阈值电压、载流子迁移率和串联电阻并 不一致，这就导致p _ s it f t 的输出特性具有很大的分散性。因此，o u d 显示屏的 p - s it f t 驱动，重点要解决的是亮度均匀性和灰度精确性问题。同时，p s it f t 技 术目前还没有解决大规模生产成品率较低等技术问题。 2 4 2t f t 的工作原理 叮器件和m o s 器件的工作原理一致，唯一的区别为m o s 器件的半导体材料 是单晶，t f t 的半导体材料是薄膜材料。图2 6 为n 沟道增强型m o s 器件的截面图。 栅压v g 卸时( 图2 6 ( a ) ) ，未形成反型层，两边n + 区作成源、漏极，栅极和半导体本 体之间有栅极绝缘层。当栅极正向电压v g v m 时，形成如图2 6 ( b ) 所示的源、漏电 极连通的反型层( n 型沟道) ，便源、漏极导通。当v g = o 或负电压时，反型层消除， 源、漏极断开。漏电极与1 1 d 像元电极连结，源电极与源线( 列电极) 相连结，栅极 与栅线( 行电极) 相连结。在1 1 叮矩阵显示中，行扫描电压高于v m 时，1 r i 叮导通电流 1 0 f | 表示为 1 乇= 以c 矗咿三) ( 一) 2( 2 1 ) 些塞銮遭厶堂亟堂僮监塞 2直熟虫塾蕉当壅动挂丝 ( a ) v o ：吣( b ) v o v 恤 图2 6n 沟道增强型m o s 器件的截面图 f i g 2 6 s e c 如no f n m o sd e v i c e 其中，为t f t 的阈值电压，为载流子迁移率：c o x 为单位面积的绝缘层电 容，w 和l 分别为沟道宽度和长度。( 2 1 ) 式表明，提高载流子迁移率h 、单位面积 的绝缘层电容c o x 、沟道的宽长比w l 及降低阈值电压v m 等均对增大i 。有利。a s i 迁移率耻。为o 3 1 c m w + s ，p 。与a - s i 晶粒大小、材料的定域态密度( 主要悬键密度) 、 界面态密度等有关。争s i 材料制备技术、控制悬键浓度、a - s i 与栅极绝缘层的界面 等对t f t 性能影响很大。单位面积的绝缘层电容e o x 与绝缘材料介电常数、绝缘层 厚度等有关。如何将绝缘层作成很薄，同时不出现针孔和应力等是选材和工艺的 重要问题。w l 愈大愈好，但w 受开口率限制，l 受光刻精度限制。设计n 叮器件 时，需综合考虑上述各种因素和工艺能力及成本，选定合理的器件参数和材料。 2 4 3t f t 的阈值电压 “阈值”就是某种状态变化的临近值、门限数值。阈值电压就是门限电压，超过 就会有某种质的变化。 晶体管的阚值电压等于漏极和源极接在一起形成通路时需要的栅极对源极的 偏置电压。如果栅极对源极的偏置电压小于阈值电压，就不能形成通路。 阈值电压v 血是晶体管的一个重要的电学参数，也是在制造工艺中的重要控制 参数。v 山的大小以及一致性对电路乃至集成系统的性能具有决定性的影响。哪些 因素将对晶体管的阈值电压产生影响呢? 一个特定的晶体管的阙值电压和很多因素有关，包括漏极的掺杂，电介质的 厚度，栅极材质和电介质中的过剩电荷。实际的工艺生产中很难做到这些因素的 一致性。 2 4 4t f t 的漏电流 通常我们理解的开关的概念，当开关关断时没有电流流过。但当n 呵管处于关 毡峦窑道叁堂亟土星位j 幺塞2直扭蜜鍪基巍錾麴挂挂 断状态时，由于种种原因仍会有泄漏电流流过，通常称为漏电流。可见我们不能 把n 叮薄膜晶体管简单的理解成通常的开关。为了使关断时存储电容上的显示电荷 在一帧时间内基本保持不变，要求n 叮管的漏电流足够小，即有 r o f r c i 爿陌 ( 2 2 ) 其中c i 为像素电容、r o 哟t f t 谲电阻、t f 为帧周期的大小 漏电流的组成： l 、b t b t 电流 在强电场( 1 0 6 、，c m ) 存在的情况下，反向偏置的p - n 结发生电子隧穿现象，电 子由曲的价带隧穿到n 域的导带产生大量的电流。从图2 7 可看出隧穿发生在p - n 结 的电压降大于半导体的能带时。 对n h “0 s 器件而言，当漏极或源极的偏置电势高于衬底，b t b t 电流将有可能 流过漏衬底或源衬底呻结；b n 玎电流随着反向偏置电压的增加而迅速升高。如果 在缩小m o s f 壬 t 时为减弱短沟道效应而采用重掺杂浅结和晕( h a l o ) 掺杂，即n 和p 图2 7 反向偏置p - n 结的能带间隧穿 域都是高掺杂，这样b 1 1 b t 会显著加强，成为影响总漏电流的主导因素。因此减小 b t b t 电流的一个有效方法是降低漏衬底和源衬底呻结附近的树底掺杂浓度，但这 样会增加短沟道效应，导致亚阈值漏电流的上升。 2 、亚阈值漏电流 亚阅值漏电流是指m o s 晶体管在栅极电压低于v k 时流过源漏极的弱反型导通 电流。与强反型情况下漂移电流占主导地位相反，亚阚值漏电流主要是扩散电流， 楣似于双极型晶体管基区的电荷传输机制，载流子在沟道表面是通过扩散移动的。 由于v l i l 的不断降低弱反型在现代器件的闲置漏电流中表现的特别重要。 从下图2 8 中可看到亚阈值漏电流与栅极电压呈指数关系。常把l o g ( i s 蛐) 与v 拳 的反比叫做亚阈值斜率( s t ) 。亚阈值斜率表示v 。小于v 廿l 多少才能有效地关断晶体 管，因此s t 要尽可能小。对体硅c m o s 工艺s t 的典型值是7 0 m v d e c a d e 到1 2 0 m v d o c a c l e 。 ( 1 ) d m l 般认为长沟道器件的亚阈值电流与漏极电压无关，而在短沟道器件中，由 于d i b l 、亚阈值电流会随漏极电压的升高而显著增加。d m l 发生在沟道表面处漏 极与源极耗尽区的相互作用；当有高的漏极电压作用短沟道器件，势垒高度降低， 源极将会独立于栅极电压向沟道表面注入载流子，表面d m l 一般先于深体溃通 ( d e 印b u 墩p 叫c h t h m u g h ) 发生。尽管降低了v 恤，理想情况下d i b l 并不改变亚阈值 。一 丫g 零 j 图2 8m h o s 晶体管的亚阈值泄漏电流 斜率。短沟道器件有很强的d i b l 效应，在高的漏极偏置电压下会使阈值电压下降 得非常厉害。增加表面及沟道掺杂浓度和降低源漏极结深将有助于减小d l 对亚 阙值漏电流的影响。 ( 2 1 体效应 对m 0 s 晶体管的阱源结或衬底源结反偏扩展了体耗尽区，增加了阙值电压； 但是亚阈值斜率几乎不受阱或衬底偏置电压的影响。包含弱反型电流，d l 和体 效应的m o s 器件亚阈值漏电流i s 。b 啦可表示为 ，。：一。寺一川+ 怕( 1 一p 等) ( 2 3 ) 一 一a m 其中：彳= 风兰( 巧) 2 。p 百 锄 这里v t i l 为零偏置阈值电压，热电压v 1 = k 1 ，q ， 1 是d i b l 系数，是栅氧化物 电容，是零偏置迁移率，m 是晶体管亚阈值摆幅系数。 ( 3 ) 量子效应 由于表面强电场e 。和高衬底掺杂，微小器件反型层电子的量子能量将会调制阈 值电压v m 。电子的量子力学特性可导致更多能带的弯曲，增大了v 山，因而降低了 亚阈值电流。当e 。大于1 0 6 、，c m 时，电子只在最低的予能带被俘获；这种情况下， 因量子效应而导致阈值电压的增加量v q m 可表示为： d-s 川等碍等衄鼍警， 刚， 式中，b 表示最低子能带能量，n c 是导带的有效带密度，m d 是电子的有效质 量。 3 、栅氧化层隧穿电流 薄栅氧化层上的强电场会引起隧穿电流。电子可通过栅氧化层从衬底隧穿到 栅极，也能从栅极隧穿到衬底。有两种不同的隧穿机制，即f o w l 盱州砷e i l i 】 为低电平，v d 。为o 电平。t 卜t 3 、b 均打开。v 瓶过 t s 、t i 对c s 充电直到驱动管t 2 打开。在阶段( 2 ) ，信号电压v 二v d 啦( v - j d 搬为加 在数据线v d 越。上的数据电压，v - y d 。 0 ，取负的信号电压) 加在b 点，t n o 转变 为低电平，此时t 5 截至，断开电源v 砌，此阶段为电容放电阶段，电容在a 点通过 t l 、t 2 、v 。组成的通路放电，直到a 点的电压等于t 2 管的阈值电压v 吐i ，此时放电 结束，存储电容c s 两端的电压差为v 讧与v v 抽之差( 因为c s 两端的电压即发光阶 段的栅源电压应该是一个正值，所以这里我们采用了负的信号电压v - v 由。) 。在 阶段( 3 ) ，s l t 转交为低电平，t l 、t 3 截至，结束对本行的选通状态( 这时可以 对下一行进行选通操作) ，同时使c s 两端的电压保持不变，c t d 变为高电平，使 得t 4 、t 6 导通，c s 的电压通过a 点和t 4 加到驱动管t 2 的栅源两端。由v 咖、o l e d 、 t 6 、t 2 、v 。形成通路，点亮o l e d 并保持其亮度直到下一帧。 门限电压v t h 的变化不会影响到通过o l e d 的电流b e d ，因为在阶段( 2 ) t 2 的栅 源电压已经固定为v m v v d m ( vv d 。i o ) 了，如果v t i l 变化的话，t 2 的栅极电压也 会相应的变化。而c s 两端的电压在下一个数据到