面向IGZO-TFT-AMOLED像素電路設(shè)計(jì)的VTH檢測(cè)方法研究

王奧運(yùn)， 胡照文， 陳　蒙， 尹芊奕， 廖聰維， 鄧聯(lián)文

(中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院， 湖南 長沙　410083)

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面向IGZO-TFT-AMOLED像素電路設(shè)計(jì)的VTH檢測(cè)方法研究

王奧運(yùn)， 胡照文*， 陳蒙， 尹芊奕， 廖聰維， 鄧聯(lián)文

(中南大學(xué) 物理與電子學(xué)院， 湖南 長沙410083)

由于遷移率高、均勻性好、制備成本低等優(yōu)勢(shì)，銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管(IGZO TFT)有望促成有源矩陣有機(jī)發(fā)光顯示器件(AMOLED)的大規(guī)模量產(chǎn)。但是IGZO TFT存在閾值電壓(VTH)漂移的問題，實(shí)用的AMOLED像素電路必須對(duì)VTH漂移進(jìn)行補(bǔ)償以實(shí)現(xiàn)較好的顯示效果，而VTH的檢測(cè)是AMOLED像素電路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文系統(tǒng)研究了VTH檢測(cè)方法，比較了放電法、充電法、偏置電流法補(bǔ)償VTH的效果，研究了VTH檢測(cè)時(shí)間和TFT寄生電容等參數(shù)的影響。研究結(jié)果表明：放電法不能精確地補(bǔ)償負(fù)VTH漂移，充電法需要的VTH檢測(cè)時(shí)間最長，偏置電流法能夠達(dá)到的補(bǔ)償精度最高。

IGZO； TFT； AMOLED； 閾值電壓補(bǔ)償

1　引　　言

AMOLED具有自發(fā)光、色彩鮮艷、對(duì)比度高、響應(yīng)速度快、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，有望取代薄膜晶體管液晶顯示器(TFT-LCD)成為下一代顯示技術(shù)的主流[1-3]。AMOLED對(duì)于TFT的要求較高，非晶硅(a-Si)TFT和低溫多晶硅(LTPS)TFT這兩種傳統(tǒng)技術(shù)并不適合于大尺寸AMOLED顯示[4]： LTPS TFT雖然遷移率較高、電學(xué)穩(wěn)定性較好[5]，但是其電學(xué)特性的大面積均勻性較差[6]。另一方面，a-Si TFT雖然具有較好的大面積均勻性，但是其遷移率過低，且存在嚴(yán)重的特性漂移。以上這些缺點(diǎn)限制了Si基TFT在大尺寸AMOLED像素電路中的應(yīng)用。

IGZO TFT是近年來新出現(xiàn)的TFT技術(shù)，它兼具遷移率高、均勻性好、制備成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，有可能促進(jìn)AMOLED實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)[4]。但是在偏壓應(yīng)力的作用下，IGZO TFT的VTH仍然會(huì)存在一定量的漂移[6]。為了補(bǔ)償IGZO TFT的VTH漂移帶來的AMOLED像素特性退化，研究者提出了多種補(bǔ)償方案[7-14]。一般而言，AMOLED像素電路的工作過程分為4個(gè)階段：初始化、VTH檢測(cè)、數(shù)據(jù)輸入和發(fā)光。其中，VTH檢測(cè)階段是像素電路設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。如果VTH檢測(cè)不準(zhǔn)確，那么像素電路將不能精確地補(bǔ)償VTH的漂移。雖然現(xiàn)在已經(jīng)有不少IGZO-TFT-AMOLED像素電路方案，但是還沒有文獻(xiàn)對(duì)這些檢測(cè)方法的效果進(jìn)行比較。本文將系統(tǒng)地研究IGZO TFT的AMOLED像素電路的VTH檢測(cè)方法，并對(duì)比它們的檢測(cè)效果。

2　AMOLED像素的VTH檢測(cè)方法

本研究中選用RPI(Level=35)模型來描述IGZO TFT的電學(xué)特性。圖1給出了利用SmartSpice模擬得到的IGZO TFT的轉(zhuǎn)移特性(IDS-VGS)曲線。IGZO TFT的寬長比為4 μm /4 μm。采用線性外推等方法，我們提取出IGZO TFT的器件參數(shù)，如表1所示。

圖1　IGZO TFT的轉(zhuǎn)移特性(IDS-VGS)

表1　IGZO TFT器件參數(shù)

2.1放電法

圖2給出了放電檢測(cè)法的電路結(jié)構(gòu)。在放電法中，首先將DTFT的柵極預(yù)置為高電壓V0。然后，短接DTFT的柵極和漏極，使得G點(diǎn)電壓VG通過DTFT放電而逐漸降低，直至VG=VTH+VOLED(VTH和VOLED分別為DTFT和OLED的閾值電壓)。于是DTFT的VTH被保存在DTFT的柵電極。

圖2　放電檢測(cè)法的AMOLED像素電路簡圖

Fig.2Schematic of AMOLED pixel circuit using discharging method

圖3(a)是采用放電檢測(cè)法的AMOLED像素電路[15]，其中T1、T2、T3、T4為開關(guān)管，DTFT為驅(qū)動(dòng)管，CS為存儲(chǔ)電容。如圖3(b)所示，該電路的操作過程分為3個(gè)階段：

(1)初始化

SCAN、EMS為高電平，所有TFT管打開，DTFT的柵極和漏極通過T4短接，于是VB被上拉到接近VDD。由于T1導(dǎo)通，VA=-Vdata。

(2)VTH檢測(cè)

EMS為低電平，SCAN為高電平，開關(guān)管T2、T3關(guān)閉，開關(guān)管T1和T4被打開。VA保持為-Vdata，而B點(diǎn)通過柵漏短接的DTFT放電，直到DTFT恰好關(guān)閉。最終，VB=VTH+Vt0，其中VTH和Vt0分別是DTFT和OLED的閾值電壓。因此CS上電壓為VC=VB-VA=VTH+Vt0+Vdata。

圖3一種典型的放電AMOLED像素補(bǔ)償電路。(a)電路圖；(b)時(shí)序圖。

Fig.3A typical AMOLED pixel circuit using discharging method.(a)Circuit schematic. (b)Timing diagram.

(3)發(fā)光

EMS為高電平，SCAN為低電平。于是T2和T3被打開，T1和T4關(guān)閉。A點(diǎn)通過T2接地，由于B點(diǎn)懸浮，由電容自舉可得VB=VTH+Vt0+Vdata。則此時(shí)DTFT源極電壓為Vt0+ΔVOLED。所以:

(1)

(2)

其中k=μCOXW/L。式(2)表明，OLED的電流值與VTH無關(guān)。

表2為該像素電路的器件參數(shù)。圖4顯示了DTFT柵極電壓VB隨時(shí)間延長而變化的情況。在初始化階段，VB被充電到接近VDD；在VTH檢測(cè)階段，VB逐漸減小到VTH+Vt0；在發(fā)光階段，VB上升至VTH+Vt0+Vdata。圖5是DTFT的VTH漂移時(shí)的IOLED的瞬態(tài)變化。可以看出當(dāng)DTFT的ΔVTH達(dá)到2 V時(shí)，OLED像素在發(fā)光階段的電流退化量較小。

表2　采用放電檢測(cè)法的AMOLED像素電路器件參數(shù)

圖4　VB的瞬態(tài)模擬結(jié)果

圖5　驅(qū)動(dòng)管VTH漂移時(shí)，IOLED的瞬態(tài)響應(yīng)。

Fig.5Transient response ofIOLEDvs. ΔVTHof driving TFT

2.2充電法

圖6給出了充電法的電路結(jié)構(gòu)。充電法的基本過程是：首先將DTFT的柵極預(yù)置為高電壓V0，打開DTFT，因此DTFT的源極電壓逐漸升高至V0-VTH。于是DTFT的VTH信息被保存在它的源極。

圖6　充電檢測(cè)法的AMOLED像素電路簡圖

Fig.6Schematic of AMOLED pixel circuit using charging method

圖7(a)是采用充電法的AMOLED像素電路[16]。該電路有4個(gè)開關(guān)管T1、T2、T3、T4，驅(qū)動(dòng)管DTFT和存儲(chǔ)電容CS。如圖7(b)所示，該電路的操作過程分為3個(gè)階段：

(1)初始化

G1和G3為高電平，G2為低電平。于是T1、T2和T4被打開，T2關(guān)閉。VB被設(shè)置為較低電位。

圖7一種典型的充電AMOLED像素補(bǔ)償電路。(a)電路圖；(b)時(shí)序圖。

Fig.7A typical AMOLED pixel circuit using charging method. (a)Circuit schematic. (b)Timing diagram.

(2)VTH檢測(cè)

G1為高電平，G2和G3為低電平。T1和T3被打開，T2和T4關(guān)閉，A點(diǎn)通過T3管被充電到VD。由于DTFT導(dǎo)通，VB升高直至DTFT恰好關(guān)閉，于是VB=V0-VTH。VCB=VDATA-(V0-VTH)。

(3)發(fā)光

G1為低電平，G2、G3為高電平，T1、T3關(guān)閉，T2、T4被打開。于是：

(3)

式(3)表明OLED的電流值與VTH無關(guān)。表3為該像素電路的器件參數(shù)。圖8是DTFT的ΔVTH分別為0，0.5，1 V時(shí)，OLED電流的瞬態(tài)變化，可以看出在發(fā)光階段，流過OLED的電流基本一致。

圖9為VTH檢測(cè)階段DTFT的VTH漂移時(shí)VB的變化，且VB=V0-VTH。由圖可知，DTFT的ΔVTH為0.5 V時(shí)，VB相應(yīng)的變化量為0.5 V。該電路能夠較精確地檢測(cè)DTFT正、負(fù)VTH的漂移。

表3　采用充電檢測(cè)法的AMOLED像素電路器件參數(shù)

圖8　驅(qū)動(dòng)管VTH漂移時(shí)，IOLED的瞬態(tài)變化。

Fig.8Transient response ofIOLEDvs. ΔVTHof driving TFT

圖9　VTH漂移時(shí)VB的變化

2.3偏置電流法

圖10為偏置電流法的電路結(jié)構(gòu)，其基本過程為：首先將DTFT的柵極預(yù)置一個(gè)基準(zhǔn)電壓VREF，促使DTFT打開。然后在DTFT的源極接入一個(gè)偏置電流源，直至流過DTFT的電流逐漸穩(wěn)定于Ibias，DTFT處于飽和狀態(tài)，所以：

(4)

于是

(5)

最終DTFT的VTH信息即可保存在它的源極[17-19]。

圖10偏置電流法的AMOLED像素電路簡圖

Fig.10Schematic of AMOLED pixel circuit using the constant-current-biasing method

圖11(a)是采用偏置電流法的AMOLED像素電路實(shí)例，該電路有4個(gè)開關(guān)管T1、T2、T3、T4，驅(qū)動(dòng)管DTFT，2個(gè)電容CS和C1[20]。如圖11(b)所示，該電路的操作過程分為3個(gè)階段：

三是水利投入結(jié)構(gòu)持續(xù)優(yōu)化。繼續(xù)支持重大水利工程建設(shè)，保證事關(guān)民生的水利工程、江河重點(diǎn)骨干水利工程、生態(tài)環(huán)境保護(hù)和治理工程等建設(shè)投資穩(wěn)定增長。著力改善民生水利，先后設(shè)立小型農(nóng)田水利建設(shè)、重點(diǎn)小型病險(xiǎn)水庫除險(xiǎn)加固、中小河流治理、山洪災(zāi)害防治非工程措施建設(shè)等專項(xiàng)資金，大幅度增加防汛抗旱救災(zāi)投入，突出加大對(duì)水利建設(shè)重點(diǎn)領(lǐng)域和薄弱環(huán)節(jié)的支持力度。在加強(qiáng)工程建設(shè)的同時(shí)，支持節(jié)水型社會(huì)建設(shè)和水資源監(jiān)控能力建設(shè)，提高水利綜合服務(wù)水平。

(1)VTH檢測(cè)

SCAN1為高電平，SCAN2為低電平，T1、T2、T4被打開，T3關(guān)閉。偏置電流源通過T1、T2對(duì)G、D兩點(diǎn)充電，直至DTFT被打開且達(dá)到飽和狀態(tài)。于是VG=Vbiss+VTH+VSS1(Vbias=(Ibias/β)0.5)，并且CS上的電壓為VCS=VG-0=VG。

圖11一種典型的采用偏置電流檢測(cè)法的AMOLED像素補(bǔ)償電路。(a)電路圖；(b)時(shí)序圖。

Fig.11A typical AMOLED pixel circuit using constant-current-biasing method.(a)Circuit schematic. (b)Timing diagram.

表4采用偏置電流檢測(cè)法的AMOLED像素電路器件參數(shù)

Tab.4Parameter of AMOLED pixel circuit in Fig. 11

器件參數(shù)參數(shù)值W/L(T1～T4)8μm/4μmW/L(DTFT)25μm/4μmCS0.3pFVDD116VVDATA0～3VVSS13VVSS20VVSCAN13～20VVSCAN2-3～20V

(2)數(shù)據(jù)輸入

SCAN1為低電平，SCAN2為高電平，T1、T2、T4關(guān)閉，T3被打開。VDATA=VP-Vbias，且G點(diǎn)電位懸浮，由電容自舉可得VG=VP+VTH+VSS1。

(3)發(fā)光

SCAN1為低電平，SCAN2為低電平，T1、T2、T3、T4關(guān)閉。DTFT的柵源電壓VGS=VP+VTH。DTFT處于飽和狀態(tài)，于是

式(6)表明OLED的電流值與VTH無關(guān)。表4為采用偏置電流法的AMOLED像素電路器件參數(shù)。如圖12所示，當(dāng)DTFT的VTH發(fā)生漂移時(shí)，在發(fā)光階段流過OLED的電流基本保持一致。

圖12　驅(qū)動(dòng)管VTH漂移時(shí)IOLED的變化

Fig.12Transient response ofIOLEDvs. ΔVTHof driving TFT

3　結(jié)果與討論

現(xiàn)有的IGZO TFT的AMOLED像素設(shè)計(jì)基本上都是用到以上3種VTH的檢測(cè)方法。根據(jù)這些VTH檢測(cè)方法，近幾年，已經(jīng)出現(xiàn)幾十種各具特色的IGZO TFT的AMOLED像素設(shè)計(jì)。但是，迄今未有研究對(duì)這3種VTH檢測(cè)方法的效果作出比較和分析。而且，VTH檢測(cè)時(shí)間、TFT的寄生電容等參數(shù)也將會(huì)影響VTH的檢測(cè)效果。因此我們對(duì)以上這些因素做了進(jìn)一步的研究。

3.1VTH檢測(cè)效果比較

VTH檢測(cè)方法檢測(cè)精度的差別主要體現(xiàn)在AMOLED像素的電流誤差率[4]。圖13為不同VTH檢測(cè)方法的檢測(cè)效果比較。3種像素電路的VTH檢測(cè)時(shí)間都為50 μs。當(dāng)VTH向正向漂移時(shí)，隨著VTH的漂移量逐漸增大，不同檢測(cè)法的電流誤差率都在增大。充電法像素電路受VTH漂移的影響最大，在ΔVTH=2.5 V時(shí)，其電流誤差率達(dá)到11.3%。當(dāng)VTH向負(fù)向漂移時(shí)，放電法像素電路的電流誤差率最大，在ΔVTH=-2.5 V時(shí)，達(dá)到48.9%。

當(dāng)VTH負(fù)向漂移時(shí)，放電法像素電路的電流誤差率最大的原因是其不再能夠精確提取VTH。對(duì)于耗盡型IGZO TFT而言，當(dāng)它的VGS降低到0時(shí)，放電法就因?yàn)槁?源間不存在電流而終止，于是其VGS無法繼續(xù)減小到負(fù)的VTH。而另外兩種VTH檢測(cè)方法對(duì)于負(fù)VTH有著較好的補(bǔ)償效果。

圖13　不同像素電路中，電流誤差率與VTH漂移的關(guān)系。

3.2VTH檢測(cè)時(shí)間的影響

VTH檢測(cè)需要一定的時(shí)間才能完成，當(dāng)VTH檢測(cè)時(shí)間過短時(shí)，AMOLED像素的補(bǔ)償精度較差，電流誤差率較大。另外，VTH檢測(cè)時(shí)間的長度與AMOLED像素的有效發(fā)光時(shí)間直接相關(guān)，當(dāng)VTH檢測(cè)時(shí)間過長時(shí)，有效發(fā)光時(shí)間會(huì)減少，AMOLED亮度退化。圖14顯示了VTH檢測(cè)時(shí)間對(duì)AMOLED電流誤差率的影響。隨著VTH檢測(cè)時(shí)間增大，不同檢測(cè)法的電流誤差率都在減小。其中，偏置電流法電路的檢測(cè)時(shí)間約10 μs，放電法電路的檢測(cè)時(shí)間為15 μs，而充電法電路需要20 μs以上的檢測(cè)時(shí)間才能獲得較小的電流誤差率。

圖14　VTH檢測(cè)時(shí)間對(duì)應(yīng)的電流誤差率

Fig.14Current error ratevs.VTHdetection time for different circuit

偏置電流法的檢測(cè)時(shí)間之所以最短，是因?yàn)樗玫氖荄TFT的導(dǎo)通態(tài)電流，而另外兩者用到的是亞閾電流。如圖1所示，導(dǎo)通態(tài)電流一般比亞閾電流大若干數(shù)量級(jí)，因此偏置電流法能夠以更快的速度提供出足夠的電荷使得DTFT的柵-源極上達(dá)到與VTH適應(yīng)的電壓值。充電法的檢測(cè)時(shí)間最長的原因在于需要依靠較小的亞閾電流對(duì)較大的OLED電容進(jìn)行較大幅度(VDD-VTH)的充電。比較結(jié)果表明偏置電流法的電路所需要的VTH檢測(cè)時(shí)間最短，更適用于高幀頻高分辨率顯示。

3.3TFT寄生電容的影響

由于TFT柵電極與源/漏電極之間的交疊，柵電極與源/漏電極之間不可避免地存在一定量的寄生電容。這些TFT寄生電容將會(huì)影響VTH檢測(cè)的精度。TFT柵漏之間的寄生電容Cgd=WLDCOX，其中LD為TFT的交疊長度，W為TFT的寬度，COX為單位面積柵絕緣層電容。我們通過改變TFT交疊長度來等效改變寄生電容值對(duì)AMOLED補(bǔ)償效果的影響。

如圖15所示，相比于另外兩種檢測(cè)法，放電法受TFT交疊長度的影響最大，在LD=2 μm時(shí)，其電流誤差率為7.6%。而在LD=20 μm時(shí)，其IOLED誤差率達(dá)到了22.2%。偏置電流法受TFT交疊長度的影響最小，補(bǔ)償精度更高。

圖15　TFT交疊長度對(duì)補(bǔ)償效果的影響

Fig.15Current error ratevs. TFT overlapping length for different circuit

放電法與交疊長度關(guān)系最大的原因是DTFT和其他開關(guān)管的總寄生電容與自舉電容相并聯(lián)，且其值與自舉電容值相當(dāng)。當(dāng)交疊長度減小，放電法電路中的寄生電容將正比地減小，于是參與放電過程的電容值也減少，補(bǔ)償效果得到改善。而在充電法和偏置電流法中，OLED電容相比于寄生電容更大，所以交疊長度的影響較小。

綜合以上分析可知，放電法不能精確地補(bǔ)償負(fù)VTH漂移，充電法需要的VTH檢測(cè)時(shí)間最長，而偏置電流法能夠達(dá)到的補(bǔ)償精度最高。但是，偏置電流法需要額外的電流源，其外部驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜程度最高。

4　結(jié)　　論

系統(tǒng)比較了適用于IGZO-TFT-AMOLED的VTH檢測(cè)方法，發(fā)現(xiàn)偏置電流法能夠達(dá)到的補(bǔ)償精度最高，但偏置電流法需要額外的電流源，其外部驅(qū)動(dòng)電路的復(fù)雜程度也最高；放電法不能精確地補(bǔ)償負(fù)VTH漂移；充電法需要的VTH檢測(cè)時(shí)間最長。本文的研究結(jié)果將有助于指導(dǎo)新型的AMOLED面板的設(shè)計(jì)。

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王奧運(yùn)(1991-)，男，安徽亳州人，碩士研究生，2014年于湖南工學(xué)院獲得學(xué)士學(xué)位，主要從事AMOLED驅(qū)動(dòng)電路的研究。

E-mail: 949721816@qq.com胡照文(1963-)，男，湖南長沙人，副教授，2008年于中南大學(xué)獲得碩士學(xué)位，主要從事電磁波吸收材料、電磁兼容及軌道交通控制方面的研究。

E-mail: mastergoal@163.com

Investigation ofVTHDetection Methods for AMOLED Pixel Circuit Design with IGZO-TFT

WANG Ao-yun, HU Zhao-wen*, CHEN Meng, YIN Qian-yi, LIAO Cong-wei, DENG Lian-wen

(SchoolofPhysicsandElectronics,CentralSouthUniversity,Changsha410083,China)

*CorrespondingAuthor,E-mail:mastergoal@163.com

Due to the high mobility, excellent uniformity over large area and low manufacturing cost, indium gallium zinc oxide thin film transistor (IGZO TFT) is promising technology in promoting active matrix organic light emitting diode (AMOLED) into mass production. However, threshold voltage(VTH) shift of IGZO TFTs still exists, thus AMOLED pixel circuit is required to compensateVTHshift.VTHdetection method is essential in AMOLED pixel circuit design. This paper reviews typicalVTHdetecting methods, namely the discharging method, charging method, and constant-current-biasing method. Simulations using Smart-Spiceare are carried out to compare the compensation efficiency. Also, the influences ofVTHdetection time and TFT parasitic capacitance on differentVTHdetecting methods are comprehensively analyzed. It is shown that the discharging method can not accurately compensate negativeVTHshift, the charging method requires the longestVTHdetection time, and the constant-current-biasing method has the highest compensation accuracy.

IGZO； TFT； AMOLED； threshold voltage compensation

1000-7032(2016)05-0608-08

2015-12-13；

2016-01-20

湖南省科技計(jì)劃(2015JC3041)資助項(xiàng)目

TN7

A

10.3788/fgxb20163705.0608