7英寸低温多晶硅amoled驱动方案设计.pdf

华中科技大学 硕士学位论文 7英寸低温多晶硅AM-OLED驱动方案设计 姓名：张俊 申请学位级别：硕士 专业：微电子学与固体电子学 指导教师：尹盛 20080528 I 摘摘 要要 多晶硅材料具有载流子迁移率高、易于集成等诸多优点，非常适合于制作有源矩 阵有机电致发光显示（Active Matrix Organic Light Emitting Display，AM-OLED）的薄 膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）像素单元电路但其特性参数分布不均的问题， 会影响屏幕亮度均匀性和灰度精确性，传统的驱动方案无法解决这个问题因此，为 了得到均匀的显示效果，设计具有克服阈值漂移功能的驱动方案是很有意义的 本文设计了一套 7 英寸 1,600 万色 AM-OLED 驱动方案，按照像素单元设计、芯 片选型及接口电路设计、灰度级提高的步骤进行首先，设计了一种三管像素单元电 路， 根据相关设计规则确定参数， 通过 Hspice 仿真验证其具有克服阈值漂移的功能以 及良好的线性度，画出版图并计算了开口率，然后进行了错误率分析该像素单元电 路具有开口率高、驱动时序简单的优点然后，选择了行列驱动 IC，在市面上还没有 大尺寸 AM-OLED 驱动 IC 的前提下， 使用可级联的 PM-OLED 的驱动 IC 来驱动 7 英 寸 AM-OLED。

接着，设计了视频接口电路，引入新型的 HDMI 接口，图像数据的发 送和接收全部采用数字信号，避免了图像细节的丢失最后，使用结合型灰度实现方 法将灰度级提高四倍，使最终的色彩数达到 1,600 万色，并在 5 英寸 16 级灰度 AM-OLED 显示系统上引入这种方案，实现了验证 本文为国家“863 计划”7 英寸 AM-OLED 驱动技术提供了一个可行的方案 关键词：关键词： 有机电致发光显示（OLED）; 低温多晶硅（LTPS）; 像素单元 II Abstract Polycrystalline silicon has the advantage of high carrier mobility, and it is used as the material of TFT of AM-OLED (Active Matrix Organic Light Emitting Display). However, its non-uniformity of characteristic may cause non-uniformed brightness, which finally results in imprecise gray scale of the panel. Conventional driving schemes can’t solve the problem. So it’s very meaningful to make a driving scheme that can solve this problem. In this paper, a driving scheme of 7 inch 16,000,000 color AM-OLED is contrived, the design is made as the follows: First, a 3-TFT AM-OLED pixel circuit is designed. The parameters are confirmed by related rules and simulation is carried out by Hspice. Results show the ability of compensating for shift of TFT threshold-voltage, as well as good linearity. Layout is drawn and aperture ratio is calculated. Error-rate is also discussed. This pixel circuit has the advantage of high aperture ratio and easy driving timing. Then, as large scale AM-OLED driver IC is still unavailable today, a PM-OLED driver IC, CLARE MXED101 is chosen to drive 7 inch AM-OLED. It provides current output, and can achieve 64-level gray scale. The video interface circuit is designed and HDMI interface is chosen. Pictures are transmitted by digital signals to avoid losing image details. At last, a combined scheme is used to increase the gray scale level at 4 times and 16,000,000 colors are obtained. The combined scheme is used in the 5 inch 4bit (16-level gray scale) AM-OLED driving system, and 61-level gray scale is successfully obtained, which testifies our method. A feasible scheme for the National 863 plans projects, 7 inch AM-OLED driving technology, is provided. Keywords: OLED; LTPS; pixel circuit 独创性声明独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。

尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果 对本文的研究做 出贡献的个人和集体， 均已在文中以明确方式标明 本人完全意识到本声 明的法律结果由本人承担 学位论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许 论文被查阅和借阅 本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部 分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文 保 密□，在____________年解密后适用本授权书 不保密□ （请在以上方框内打“√” ） 学位论文作者签名： 指导教师签名： 日期： 年 月 日 日期： 年 月 日 本论文属于 1 1 绪论绪论 1.1 引言引言 有机电致发光显示， 又称有机发光二极管或有机发光显示 （Organic Light Emitting Diode，OLED） ，是自 20 世纪中期发展起来的一种新型显示技术。

有机电致发光现象 在 1936 年就被人发现，但直到 1987 年柯达公司推出了 OLED 双层器件，OLED 才作 为一种可商业化和性能优异的平板显示技术而引起人们的重视与液晶显示器相比， OLED 具有全固态、主动发光、高亮度、高对比度、超薄、低成本、低功耗、无视角 限制、工作温度范围宽等诸多优点[1] OLED 一经面世，即被业界赋予了美好的期望， “最理想和最具发展前景的下一代 显示技术” 、 “平板显示的明日之光” 、 “第三代显示技术” 、 “梦幻般的显示技术” 、 “一 项长远的显示技术”和“终极显示器”[2]同时，众多的科研院所及产业公司纷纷投 人巨大的人力与资金，出现了研究、开发与产业化齐头并进的局面国内外著名的市 场调查分析机构如 iSuppli、Displaysearch、Stanford Resource、Fmst&Sullivan 等也对 该产业前景做出了高期望值的预测 OLED 的一些主要特点如下[3,4]： 1. OLED 在通电后能自行发光，不需要背光照明光源，可以省掉背光模块占用的体 积、重量和消费的电能，发光效率高，能耗低； 2. 工作电压可低至 2～10V，用电池即能驱动； 3. 产品厚度仅约 2mm，核心层厚度可小于 1mm(仅为液晶的 1/3)； 4. OLED 显示屏响应时间可低至数十微秒，远优于 TFT-LCD，显示运动图像的质量 好。

有源 OLED 视角达 160°，亮度可达 300cd/m2 以上，能在明亮的环境下显示 均匀平滑的画面； 5. OLED 的低温特性好，可在-40℃下正常显示； 6. OLED 为全固态器件，无液体物质，抗压和抗震能力强，能经受振动和加速度等 冲击； 7. OLED 能在不同材质的基板上制作，甚至可将电路印刷在弹性材料上做成可弯曲 的柔软显示器； 2 8. OLED 单个像素尺寸相当小，尤其适合在微型显示设备上应用OLED 只要解决 寿命较短及稳定性较差等问题，将成为未来较理想的显示器 1.2 OLED 的工作原理的工作原理 有机发光二极管最简单的形式是由一个发光材料层组成，嵌在两个电极之间输 入电压时载流子运动，穿过有机层，直至电子空穴并重新结合，这样达到能量守恒并 将过量的能量以光脉冲形式释放这时其中一个电极是透明的，可以看到发出的光 图图 1-1 OLED 的结构图 OLED 按所使用的载流子传输层和发光层有机薄膜材料的不同， 分为两种不同的 技术类型：一种是以有机染料和颜料为发光材料的小分子基 OLED，另一种是以共轭 高分子为发光材料的高分子基 OLED[5] 如图 1-1 所示， 有机小分子电致发光的原理： 从阴极注入电子，从阳极注入空穴，被注入的电子和空穴在有机层内传输[6,7]。

第一层 的作用是传输空穴和阻挡电子，使得没有与空穴复合的电子不能进入正电极；第二层 是电致发光层，被注人的电子和空穴在有机层内传输，并在发光层内复合，从而激发 发光层分子产生单重态激子，使单重态激子辐射跃迁而发光聚合物电致发光过程则 为：在电场的作用下，将空穴和电子分别注入到共轭高分子的最高占有轨道和最低空 轨道，产生正、负极子，极子在聚合物链段上转移，最后复合形成单重态激子，单重 态激子辐射跃迁而发光单色小型 OLED 发光器件的有机发光层基本上都是三层结 构，全色 OLED 发光器件则为多层结构，一般都超过三层[8] 3 1.3 OLED 的驱动方式的驱动方式 OLED 驱动方式分为被动（Passive Matrix）和主动（Active Matrix）矩阵显示两 种方式[9]在被动矩阵 OLED（简称 PM-OLED）中，ITO 和金属电极都是平行的电极 条，二者相互正交，在交叉处形成 LED，如图 1-2（a）所示LED 逐行点亮形成一 帧可视图像由于每一行的显示时间都非常短，要达到正常的图像亮度，每一行的 LED 的亮度都要足够高例如，一个 100 行的器件，每一行的亮度必须比平均亮度高 100 倍。

这需要很高的电流和电压，从而引起功耗增加，显示效率急剧下降，使得 PM-OLED在大面积显示中的应用受到限制 对于2英寸的小面积显示器件， PM-OLED 的节能效果比同样尺寸的背光源LCD要明显得多； 但对于10英寸的大面积PM-OLED 来说和相同尺寸的 LCD 相比， 节能效果就不复存在了 因此， 对于大面积显示 OLED， 采用主动矩阵是一种比较理想的选择。