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論文題目：AMOLED像素驅動電路設計
① 項目研究的背景和意義
有機發光顯示器(OLEDs)是當今平板顯示器研究領域的熱點之一。與液晶顯示器(LCD)相比,OLEDs具有低能耗、生產成本低(比液晶低20%～30%) 、自發光、寬視角、工藝簡單、成本低、溫度適應性好、響應速度快等優點 。目前,在手機、PDA、數碼相機等小屏顯示應用領域OLEDs已經開始取代傳統的LCD 顯示屏 。
OLED顯示器驅動方式可分爲兩種類型：無源矩陣OLED(Passive Matrix OLED,簡稱PMOLED)和有源矩陣OLED(Active Matrix OLED，簡稱AMOLED)。PMOLED採用行列掃描的方式驅動相應的像素髮光,具有結構簡單,生產成本低的優點,但器件能耗高,分辨率有限,器件壽命和顯示品質也無法同TFT-LCD 相抗衡。在AMOLED 中,每個發光像素都有獨立的TFT電路驅動,不存在交叉串擾問題,亮度、壽命以及分辨率等都較PMOLED 有大幅提高 。由於顯示器未來發展趨勢是向着高精細畫質應用，PMOLED驅動方式已無法滿足要求。因此，發展AMOLED驅動技術，解決有機發光顯示器的“瓶頸”問題顯得日益迫切。
像素驅動電路的設計是AMOLED顯示器的核心技術內容，具有重要研究意義。本項目致力於基於薄膜晶體管(TFT)的AMOLED顯示器像素驅動電路的研究與實現。
② 工作任務分析
目前，應用於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)，二者實現量產的優勢最大 。a-Si TFT與LTPS TFT相比具有工藝簡單、價格低、製備成品率高、關態漏電流小等優點。但a-Si TFT載流子遷移率低，器件的尺寸要比LTPS TFT大得多，而且驅動電壓和信號電壓都比較大，這些不利因素會造成顯示屏像素開口率下降、OLED的壽命縮短 ，同時a-Si TFT技術存在着過高的光敏感性問題 。LTPS TFT具有較高的載流子遷移率，相比於非晶硅工藝，其特徵尺寸可以做到更小，增加OLED像素的開口率，還可以實現將顯示器的外圍驅動電路集成於顯示器的周邊。
OLED有源矩陣驅動方式可分爲電流編程模式和電壓編程模式。電流編程是在數據線上提供一恆定電流透過電流鏡的作用控制OLED上流過的電流，即根據通入電流的大小控制像素的明暗程度(灰階)。文獻[4]和[9]是採用電流編程模式。採用電流編程技術的AMOLED畫面具有自動補償LTPS TFT器件差異的`功能，由此能提供高均勻度及高精細的畫質表現，但在低色階區電流寫入不足 。在電流編程之前還需要以電壓驅動一小段時間使OLED本身的寄生電容預充電(precharge)使OLED的兩端電壓達到導通電壓,導致建立時間長，掃描頻率不能太高，限制了電流編程模式只適用於中小尺寸顯示 。另外,電流鏡設計中一般要求至少兩個LTPS TFT的物理特性是一致的(閾值電壓、遷移率等相同)，對於目前的多晶硅工藝這是很難實現的。 電壓編程模式是在數據線上使用電壓信號控制流經OLED的電流而決定像素的明暗程度。電壓編程模式結構簡單，開口率高，像素充電迅速，功耗小，控制方便，外圍驅動芯片設計容易、成本低。透過像素驅動電路的設計可補償LTPS TFT閾值電壓的差異及OLED導通電壓隨時間退化，還可以補償大面積顯示中電源線寄生電阻引起的電壓降，但無法補償TFT中載流子遷移率的差異。儘管如此，可以透過優化LTPS TFT製備工藝提高遷移率的均勻性。
最簡單的AMOLED像素驅動電路如右圖所示，包含兩個薄膜晶體管(TFT)和一個存儲電容(簡稱2T1C電路)，其中一個開關 (switching) TFT，一個驅動(driving)TFT。當掃描線(scan line)開啓時，外部電路送入電壓數據信號經由開關TFT存儲在存儲電容(Cs)中，此電壓信號控制驅動TFT導通電流大小，也就決定了OLED的灰階;當掃描線關閉時，存儲於Cs中的電壓仍能保持驅動TFT在導通狀態，故能在一個畫面時間內維持OLED的固定電流。
與TFT-LCD利用穩定的電壓控制亮度不同，OLED器件屬於電流驅動，需要穩定的電流來控制發光。由於製程和器件老化等原因，各個像素點驅動管TFT的閾值電壓存在不均勻性，這樣導致流過各個像素點OLED的電流會發生變化，影響圖像顯示的均勻性。因此有必要對像素電路提出補償，使流過各個像素點的電流非均勻些控制在一定的範圍之內。很多文獻 在仿真的過程中，將OLED器件作爲一個二極管和電容的並聯，本項目中採用的OLED模型也是將一個二極管和電容並聯。本項目採用EDA仿真軟件Hspice，對設計的AMOLED像素驅動電路進行模擬仿真，並提取出合理的參數，實現對驅動管TFT閾值漂移的補償。
③ 國內外研究現狀
2T1C像素驅動電路結構簡單，像素開口率高，適合大批量生產，因此2T1C電路的研究吸引了不少研究單位 。吉林大學司玉娟等 曾經做過傳統AMOLED像素驅動電路的仿真研究，在合理選擇Poly-Si TFT模型參數的基礎上, 對2T1C像素驅動電路進行詳細分析, 總結出驅動電路的合理工作參量, 並詳細分析它們的變化對驅動電路的影響, 爲像素驅動電路設計分析提供依據。Sanford等 把OLED器件不僅作爲發光器件，而且把它作爲一個電容使用，提出了一種可以補償閾值漂移的2T1C電路，但是它並不能完全消除閾值漂移的影響。
此外多個研究單位提出了多於2個TFT的TFT補償電路。1998年on等 首先提出了四個TFT和二個電容的補償電路，它不但可以補償值電壓的改變，還可以減少電源線寄生電阻導致的電壓降，與傳統2T1C驅動電路相比，可以使得面板的亮度更加均勻。等 提出了一種基於氫化非晶硅薄膜晶體管(a-Si:H TFT)可補償閾值漂移的6T1C像素驅動電路，實驗表明文獻[12]中所設計的像素驅動電路隨着工作時間的變化，流過OLED的電流只有7%的衰減，遠遠小於傳統2T1C電路的28%，仿真和實驗都表明這種6T1C電路能夠維持相當的電流穩定性，從而保持面板發光亮度的基本不變。等 提出了一種改進型的電路，這款基於Poly-Si TFT 的5T1C 像素電路採用光學反饋的方式，不僅消除了Poly-Si TFT的驅動管閾值電壓不均造成的像素點發光亮度不均，而且彌補了由於OLED本身的退化導致的發光亮度下降。同時，相比於文獻[12],文獻[13]少了一個晶體管從而提高了像素的開口率。文獻[14][15]均是五個TFT和一個電容的像素驅動電路，對LTPS TFT的驅動管由於製程工藝造成閾值電壓不均提出了補償，提高了像素點的發光均勻程度。文獻[11]-[15]的像素電路使用了多個TFT，導致控制線路複雜，降低了像素點的開口率，基於此文獻[16]提出了三個TFT和一個電容的補償電路，這個電路不需要驅動管TFT的閾值產生階段，從而控制信號波形與傳統2T1C電路一樣簡單。以上像素補償電路[11]-[16]皆是基於電壓編程模式。文獻[9]提出了一種基於電流編程的4T1C電路，仿真和實驗同時證明該電路能夠補償低溫多晶硅薄膜晶體管(LTPS-TFT)的閾值電壓和遷移率的不均。當像素點溫度從27 升至60 時，該4T1C電路流過OLED的電路僅增加了1.5%，而傳統2T1C電路流過OLED的電流將增加37% 。
第1-2周：閱讀相關文獻資料及撰寫畢業設計開題報告。
第3-4周：優化傳統2T1C像素電路設計參數，2T1C電路動態分析和仿真，進一步熟悉Hspice和AIM-spice仿真軟件的使用。
第5-6周：研究文獻[13]中的像素電路，提取OLED器件、存儲電容和TFT器件的模型參數。
第7-8周：進一步閱讀文獻，找像素電路設計的靈感，並構思新的閾值補償電路拓撲結構。
第9-12周：仿真分析新的電路拓撲，並提取出合理的模型和工藝參數。
第13-14周：撰寫畢業設計報告，準備畢業答辯。
第15周：畢業答辯。
⑤ 參考文獻
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