AMOLED电流镜像像素电路的稳定性分析

文章编号：1006-6268（2009）04-0044-05

摘要：a-Si:H TFT在长时间施加直流栅偏压下将导致晶体管阈值电压漂移，造成OLED的发光亮度下降，影响其使用寿命。而多管的像素电路设计可以补偿或消除阈值电压的漂移。本文分析了电流控制电流镜像像素电路的工作原理，结合a-Si:H TFT阈值漂移模型仿真了电路在长时间工作下阈值漂移对驱动电流稳定性的影响，并提出了相应的解决办法。研究结果表明合理的像素电路设计可以有效改善驱动电流的稳定性。

关键词：氢化非晶硅薄膜晶体管；有机电致发光二极管；电流镜像像素电路；电流稳定性

中图分类号：TN27文献标识码：B

Stability Analysis of Current-mirrored Pixel

Circuit for Active-Matrix OLED

CAO Wei, LIN Zu-lun, HE Shi-ong

(School of Optoelectronic Information, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

Abstract: a-Si:H TFT threshold voltage shifts under gate bias for a long time, which reduces the luminance and life of the OLED. The pixel circuit with multi-transistors can compensate for the threshold voltage shift. In this paper, self-compensating current mirror-based pixel circuit was presented. This work analyzed the long-term stability of the current mirror-based current programmed four-TFT circuit cooperated with the model of a-Si:H TFT Vth shift, and the corresponding solutions were proposed This paper demonstrates that it is possible by circuit design to control the OLED drive current instability in the circuit.

Keywords: a-Si:H TFT；OLED；mirror-based pixel circuit；current stability

引言

薄膜晶体管（TFT）有源矩阵有机电致发光显示（AMOLED）具有无源矩阵有机电致发光显示（PMOLED）所无法比拟的优越性。与PMOLED相比，AMOLED具有发光亮度高、寿命长、显示容量大等特点。AMOLED的像素驱动电路至少由两个TFT组成[1]，是一种可控的恒流驱动电路，根据控制方式的不同，AMOLED的像素驱动电路可分为电压控制恒流源[2][3]和电流控制恒流源[4]两种，根据沟道材料的不同可分为氢化非晶硅薄膜晶体管（a-Si:H TFT）电路[5]和多晶硅薄膜晶体管（Poly-Si TFT）电路[2]两种类型。

Poly-Si材料则具有较高的载流子迁移率，其电子迁移率比a-Si:H材料的电子迁移率高两个数量级以上，但在实际中LTPS要获得良好的产量是非常困难的，主要是因为再结晶技术不完善，导致整个显示屏的不均匀性，加上多晶硅需要更多的光刻次数，增加了工艺的复杂程度和成本。而a-Si:H TFT电路由于a-Si:H TFT技术成熟，产业规模大等优势，得到了广泛的研究。a-Si:H TFT一个最重要的不稳定性就是在长时间栅偏压下阈值电压会发生漂移。由于a-Si:H TFT在长时间施加直流栅偏压下导致晶体管阈值电压漂移，造成OLED的发光亮度下降，影响使用寿命，因此必须采取特殊的设计来补偿或消除阈值电压的漂移。参考文献6中列举和分析了多种OLED有源驱动电路的像素结构，他们通过在像素中应用多个TFT(3个以上)，来达到补偿阈值电压的漂移或不一致。

1AMOLED像素电路工作原理与参数选择

1.1电流控制电流镜像像素电路的工作原理

下面以图1所示结构阐述电流控制电流镜像像素电路的工作原理。

选通状态：当扫描线上电压Vselect处于高电平时，此像素被选通，晶体管T1、T2导通， 首先通过T1管对像素电容Cs充电，随着Cs两端电压升高，T3中有电流通过。当电容Cs两端电压达到稳定值时，整个电流通过T2管流到T3管，而T1管无电流通过。整个充电过程与T3和T4管的阈值电压无关。

同时，由于T3管和T4管的栅极相连，电压相等，数据电流IDATA被镜像为流经OLED的驱动电流IOLED。当T3和T4管完全匹配时，此电路结构允许通过改变T3和T4的尺寸线性改变像素电流的大小。驱动电流 与数据电流 关系如下：

1.2 像素电路电容的选择

非选通时，影响电容稳定性的因素主要有两个，开关管漏电流和像素电路寄生电容。因为漏电流的影响微小，可以忽略。当像素显示为低灰度时，数据电流较小，电容充电时间变长，较大的电容需要较长的充电时间，当电容大于一定数值时，电容在像素选通时间内无法完成充电；电容过小时，由于像素寄生电容的影响，电容的电压在像素关闭的瞬间将有较大的衰减，然后稳定在某定值，从而导致像素电流下降。

采用表1的参数仿真了像素电容――驱动电流的特性曲线，仿真结果（图3）表明当电容越大时（充电完成），非选通驱动电流I 越接近选通驱动电流I ，即寄生电容的影响越小，而当Cs=2pF时，电容无法充满。综合考虑电容充电时间和电容电压衰减，选取像素电容Cs=1pF。

2像素电流稳定性分析

根据像素电路结构和各TFT的工作状态可以得到：

从上述等式可以看出，T2、T3、T4的阈值漂移将会影响驱动电流的稳定性。电流镜准确实现电流跟随功能的基本要求是T2在选通时开态电阻较低，非选通时有较小的漏电流；驱动管T3和T4在任何时候都是匹配的。这意味着在4个TFT像素电路中，T3和T4的初始值必须匹配，且阈值的漂移相同，在选通状态最后稳定时，T3和T4都必须工作在饱和区。这些条件有任何改变，像素驱动电流就会有所变化，导致显示质量的下降。a-Si TFT阈值漂移主要有两种不同的机制引起像素驱动电流的变化：开关管T2退化、驱动管T3和T4管阈值漂移不匹配。

2.1 开关管T2的阈值漂移

在像素非选通时，T1和T2作为开关管功能上应处于隔离。所以开关管在非选通时要求有很低的漏电流，在选通时有较低的开态电阻。随着工作时间的增加开关管阈值发生漂移，相应的开关管的开态电阻增大。通过T2，T3的电流逐渐增大到 ，直到T1的电流为0，此时T3的栅极电压与输入数据电流 对应。现在当T2的开关电阻增大，则T2的漏源电压增加，T3的栅压相应增加了（考虑沟道效应）。T3和T4的栅极相连则输出驱动电流也增加了。即使T3和T4完全匹配，T2的衰退亦会引起驱动电流的变化。

图4为开关管T2阈值漂移对像素驱动电流的影响曲线(IDATA=1uA)，仿真结果表明T2的阈值漂移在选通电压越低时影响越大，而当时T2阈值漂移对像素驱动电流几乎没有影响。合理选择选择电压可以有效减小开关管阈值漂移对驱动电流的影响。

2.2 T3和T4管阈值漂移

公式（1）表明像素电路的驱动电流也依赖与T3与T4的匹配度，T3与T4的阈值漂移不匹配将导致驱动电流的变化。研究发现[9][10]除了栅极的电压外，漏极电压亦是引起a-Si:H TFT阈值漂移的原因，漏电压越高漂移越小。在电流镜像像素电路中，T3管和T4管始终有相同的栅极电压，但是非选通时工作在不同的状态区域。T4的漏极处于高电位，始终工作于饱和区；而T3在一帧中主要工作在放大区，结果由于T3和T4阈值漂移速度不同导致了像素驱动电流的增大。

在像素电路中加入开关管T1控制T3栅极和电容的通断（图5），在非选通时T1因为 为低电平而关闭，从而使T3处于关闭状态。仿真结果（图6）表明T1管的加入可以有效抑制T3与T4因为漏极电压不同而引起的阈值漂移的不匹配。

3结论

基于a-Si TFT阈值漂移模型，影响电流镜像像素电路驱动电流稳定性的机制主要有两方面，开关管的退化，驱动管阈值漂移不匹配。本文仿真并分析了阈值对4个a-Si TFT电流镜像像素电路驱动电流稳定性的影响，同时提出了相应的解决办法。仿真研究表明基于电流镜像的像素电路可以通过电路设计改善像素电路驱动电流的稳定性。

参考文献

[1] M. Stewart, R. S. Howell, L. Pires, et. Al. Polysilicon VGA active matrix OLED display-Technology and performance [J]. IETM Tech. Dig. 1998, pp. 871~874

[2] J. C. Goh, H. J. Chung, J. Jin, et. Al. A new pixel circuit for active matrix organic light-emitting diodes [J]. IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Vol. 23, No. 9, Sep. 2002, pp. 544-546.

[3] J. C. Goh, H. J. Chung, and C. H. Ham. A new poly-Si TFT pixel circuit scheme for active matrix organic light emitting diode display [C]. AISA DISPLAY/IDW, 2001, pp. 319-322.

[4] T. Sasaoka, M.Sekiya, A. Yumoto, et. al, A-13.0 inch AMOLED display with top emitting structure and adaptive current mode programmed pixel circuit [C].SID TECH. Dig. 2001,pp. 384-387.

[5] J. C. Goh, J,Jin, K. S. Cho, et.. A new a-Si:H thin film transistor pixel circuit for active matrix organic light-emitting diodes [J]. IEEE ELECTRON DEVICE LETTERS, Vol. 24, No. 9, Sep. 2003, pp. 583-585.

[6] Arokia Nathan, Senior Member, IEEE, G. Reza Chaji, Student Member, IEEE, and Shahin J. Ashtiani, Student Member, IEEE. Driving Schemes for a-Si and LTPS AMOLED Displays [J]. JOURNAL OF DISPLAY TECHNOLOGY, VOL. 1, NO. 2, DECEMBER 2005

[7]S.J.Bae,H.S.Lee,J.Y.Lee,etal.A novel pixel design for an active matrix organic light emitting diode display[C].inProc.Int.DisplayResearchConf.,2000:358-361.

[8]A.Yumoto,M.Asano,H.Hasegawa,etal. Pixel-driving methods for large-sized poly-Si AM-OLED displays[C].inProc.Int.DisplayWorkshop,2001:1395-1398.

[9] K. Sakariya, P. Servati, and A. Nathan, "Stability analysis of current programmed a-Si:H AMOLED pixel circuits," IEEE J. Solid-State Circuits, vol. 51, no. 12, pp. 1477-1486, Dec. 2004.

[10] K. S. Karim, A. Nathan, M. Hack, and W. I. Milne, "Drain-bias dependence of threshold voltage stability of amorphous silicon TFTs," IEEE Electron Device Lett., vol. 25, no. 4, pp. 188-190, Apr. 2004.

作者简介：曹伟（1984－），男，重庆人，硕士研究生，主要研究方向为AMOLED用a-Si：H TFT的研究，E-mail：。

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