金属氧化物TFT行驱动电路设计分析

金属氧化物TFT行驱动电路设计分析 本文关键词：氧化物，电路设计，驱动，金属，分析

金属氧化物TFT行驱动电路设计分析 本文简介：摘要：薄膜晶体管（thinfilmtransistor，TFT）是平板显示领域核心的有源寻址器件，金属氧化物TFT应用于有源矩阵有机发光二级管（activematrixorganiclightemittingdiode，AMOLED）显示已成为业界研究热点.基于氧化铟镓锌薄膜晶体管（IGZOTFT）

金属氧化物TFT行驱动电路设计分析 本文内容：

摘要：薄膜晶体管（thinfilmtransistor，TFT）是平板显示领域核心的有源寻址器件，金属氧化物TFT应用于有源矩阵有机发光二级管（activematrixorganiclightemittingdiode，AMOLED）显示已成为业界研究热点.基于氧化铟镓锌薄膜晶体管（IGZOTFT）模型，采用相邻TFT串接反馈（seriesconnectedtwo-transistor，STT）、双负电源、多时钟控制等结构设计，提出一款新型的行集成驱动电路.该电路能显著减少器材的漏电流，有效提高输出级栅级电压，稳定输出.仿真结果显示，在60Hz刷新速率下，该电路单级的功耗为161.53μW，驱动信号为7μs，满足4K（3840列×2160行）分辨率的显示需求，可以实现180级级联和复用输出，电路结构简单，功耗小.通过进一步优化该电路的结构与器件参数，单级功耗可减少到126.05μW，同时纹波和失真也可得到一定程度的抑制.

关键词：有源矩阵有机发光二级管；氧化铟镓锌薄膜晶体管；行驱动电路；复用输出

有源矩阵有机发光二极管（activematrixorganiclightemittingdiode，AMOLED）具有可自主发光、高响应速度和可柔性弯曲等优点，被誉为可取代液晶显示（LCD）的下一代大尺寸、高分辨率显示器件.金属氧化物薄膜晶体管（thinfilmtransistor，TFT）由于其优良的器件特性和低成本的生产工艺，适用于AMOLED显示，成为产业界研究的热点.传统的TFT主要包括非晶硅TFT（a-SiTFT）和多晶硅TFT（Poly-SiTFT）[1].其中，a-SiTFT虽工艺简单、价格低、制备成品率高、漏电流小，但是迁移率一般小于1cm/（VS），不适用于AMOLED.Poly-SiTFT虽然迁移率较高，但是制造设备昂贵、工艺复杂，也不适用于大尺寸AMOLED显示[2].氧化铟镓锌（IGZO）是一种用于TFT背板平板显示技术的半导体材料.与传统TFT相比，IGZO的电子迁移率是非晶硅的20~50倍[3].由于IGZO可以提升刷新速率、提高分辨率，非常适用于大尺寸显示，被认为是最适合应用于AMOLED显示的TFT之一.但IGZOTFT存在负阈值电压、漏电流较大、驱动能力下降等一系列问题[4-5]，这给行驱动电路的设计提出了新的挑战.针对这些问题，本文基于广州新视界公司的IGZOTFT模型，采用了相邻TFT串接反馈（seriesconnectedtwo-transistor，STT）电路结构，双负电源、耦合电容及钟控反相器等设计，提出了一款新型的行驱动电路.

1新型行驱动电路

新型行驱动电路由IGZOTFT和耦合电容构成，如图1所示，电路主要分成下面几个部分.1）输入级：M1、M2、M3组成时钟控制的反相器，M4和M5形成STT结构，将上一级输出信号COUT作为本级输入信号VIN引入.M6和M7组成反馈回路，在COUT为高电平时导通，避免Q1因电容耦合效应而升高.M8也是反馈通管，将本级输出的COUT反馈到输入级的STT结构中，有效减少漏电流.2）耦合电容：稳定输出高、低电平值.C1上存储的电荷Q1可保证输出级下拉管的稳定输出；C2上存储的电荷Q2A可保证输出级上拉管的稳定输出，使输出信号COUT和OUT1-OUT3稳定输出.3）放电回路：当CLK1和CLK2为高电平时，放电管M12和M13导通，Q2B为低电平，关断输出级的上拉管，保证CLK4、CLK5、CLK6不会误输出[6-7].4）输出级：上拉管M9和下拉管M10构成本级的输出级；M14-M19形成三级复用输出结构.在相同使用情况下，复用结构能够节省17个TFT，3级共节省约47%的TFT，节省了电路的面积和功耗.5）其他的一些设计：电路采用了VSS1和VSS2两个负电源，VSS1<VSS2<0，通过增加一个负电源减小电路的功耗；在节点Q2A和Q2B之间接入分压管M11，形成栅漏短接，作电平移位二极管使用.对图1所示的单级电路进行180级的级联，电源电压VDD、VSS1、VSS2分别为12V、-6V、-8V，在VIN输入μs级脉宽信号，阻容负载分别为5kΩ和50pF，最后3级（178级、179级、180级）输出波形如图2所示.仿真结果显示，在180级级联的条件下，输出信号脉宽最小为7μs，2160行逐行驱动共需0.15ms，按此计算，4K（3840列×2160行）分辨率可以达到66Hz的刷新率，输出的高、低电平均在噪声容限内.单级的功耗约为161.53μW.但是，输出高电平存在“尖顶”失真，输出低电平存在纹波.再增加级联数目或减小脉宽时间，则输出电压幅值明显减小，低于VDD的80%.考虑实现2160行的驱动，可在每180级级联内加入一缓冲单元，提高电路的驱动能力，确保电路正常工作，缓冲单元的延迟仅几十ns，可以忽略.

2新型行驱动电路的优化设计

针对前述高电平失真、低电平纹波及功耗等问题，对上述新型行驱动电路进行优化设计.1）元器件参数的优化设计.TFT有效的透光区域与全部面积的比例为开口率.一般而言，TFT器件的宽长比越大，关态时的漏电流就越高，开口率越大；实际应用中，在满足一定开口率的情况下，TFT器件沟道长度越短，漏电流就会越小[8-9].电路可利用耦合电容C2在输出高电平期间存储的电荷，减小输出时钟信号变化对输出电压的影响，维持输出电压的高电平.图3和图4分别为下拉管宽长比为20∶1和10∶1，耦合电容C2的值分别为8pF和5pF的输出波形图.仿真结果显示，在折衷考虑像素开口率、产品良率与光刻精度及驱动能力的情况下，适当缩小输出级下拉管宽长比，可有效减少低电平时的毛刺现象，抑制漏电流，提高电路性能；减小耦合电容C2的值，可以改善输出高电平的“尖顶”现象，将C2的值从原来的8pF减小到5pF时，高电平“尖顶”现象完全消失，同时输出电压的幅值降到了10V，仅为原来输出电压幅值的83%，满足行驱动信号的设计要求.因此，在满足输出高电平电压值的基础上，减小耦合电容C2的值可改善高电平失真现象.2）关联时钟的优化设计.图5为单级复用输出时序图，其中，输入信号如时钟信号CLK1-CLK6在本级及其他各级所加信号一样，输入信号（VIN）N为上一级的输出信号（COUT）N-1，输出信号COUT、OUT1-OUT3为本级的输出信号.CLK1控制钟控反相器，控制耦合电容C1的充放电；CLK2驱动输入信号VIN；CLK3驱动输出信号COUT.而CLK1、CLK2、CLK3的脉宽、周期一样，可通过增加延时电路设计为3个相位相差1/3周期的关联时钟信号；CLK4、CLK5、CLK6在COUT为高电平期间依次进行复用输出的驱动，可通过增加触发器电路设计为前一个时钟下降沿触发下一个时钟上升沿的关联信号.通过将时钟信号设置成关联时钟信号，减小时钟信号的个数，同时也增加了延时和触发电路，CLK1-CLK6在所有级上所加信号完全一样，可以将延时电路和触发器电路共用，设计在单级电路以外.通过上述优化设计，仿真结果显示减小了电路的高、低电平失真，简化了电路的时钟信号，单级功耗降为126.05μW.

3结论

本文设计了一种新型的基于IGZOTFT的行集成驱动电路.采用STT结构，显著减少器件的漏电流；设置两个不同水平的负电源，用来关断输出级大尺寸器件，减小输出级漏电流；利用电容耦合，有效提高输出级栅极电压，稳定输出；使用时钟控制的反相器，减少非时钟周期内的漏电流；采用双边流水线驱动时序，简化电路的驱动，通过增加放电回路和输出级时钟来实现，实现了180级联的复用输出.并通过对电路的优化设计减小了电路的失真，降低了功耗.仿真结果显示，该新型驱动电路可实现180级复用输出，单级的功耗约为161.53μW，驱动信号为7μs，满足4K（3840列×2160行）分辨率的显示屏不低于60Hz刷新速率需求.最后对电路结构与器件参数进行优化，电路单级功耗可减小至126.05μW，电路纹波、失真减小.

作者：黄静 王志亮 张振娟 邓洪海 魏觅觅 单位：南通大学电子信息学院

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