面向IGZO-TFT-AMOLED像素電路設計的VTH檢測方法研究

王奧運， 胡照文， 陳　蒙， 尹芊奕， 廖聰維， 鄧聯文

(中南大學 物理與電子學院， 湖南 長沙　410083)

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面向IGZO-TFT-AMOLED像素電路設計的VTH檢測方法研究

王奧運， 胡照文*， 陳蒙， 尹芊奕， 廖聰維， 鄧聯文

(中南大學 物理與電子學院， 湖南 長沙410083)

由于遷移率高、均勻性好、制備成本低等優勢，銦鎵鋅氧化物薄膜晶體管(IGZO TFT)有望促成有源矩陣有機發光顯示器件(AMOLED)的大規模量產。但是IGZO TFT存在閾值電壓(VTH)漂移的問題，實用的AMOLED像素電路必須對VTH漂移進行補償以實現較好的顯示效果，而VTH的檢測是AMOLED像素電路設計中的關鍵環節。本文系統研究了VTH檢測方法，比較了放電法、充電法、偏置電流法補償VTH的效果，研究了VTH檢測時間和TFT寄生電容等參數的影響。研究結果表明：放電法不能精確地補償負VTH漂移，充電法需要的VTH檢測時間最長，偏置電流法能夠達到的補償精度最高。

IGZO； TFT； AMOLED； 閾值電壓補償

1　引　　言

AMOLED具有自發光、色彩鮮艷、對比度高、響應速度快、功耗低等優點，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的主流[1-3]。AMOLED對于TFT的要求較高，非晶硅(a-Si)TFT和低溫多晶硅(LTPS)TFT這兩種傳統技術并不適合于大尺寸AMOLED顯示[4]： LTPS TFT雖然遷移率較高、電學穩定性較好[5]，但是其電學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，且存在嚴重的特性漂移。以上這些缺點限制了Si基TFT在大尺寸AMOLED像素電路中的應用。

IGZO TFT是近年來新出現的TFT技術，它兼具遷移率高、均勻性好、制備成本低廉等優點，有可能促進AMOLED實現量產[4]。但是在偏壓應力的作用下，IGZO TFT的VTH仍然會存在一定量的漂移[6]。為了補償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償方案[7-14]。一般而言，AMOLED像素電路的工作過程分為4個階段：初始化、VTH檢測、數據輸入和發光。其中，VTH檢測階段是像素電路設計的重要環節。如果VTH檢測不準確，那么像素電路將不能精確地補償VTH的漂移。雖然現在已經有不少IGZO-TFT-AMOLED像素電路方案，但是還沒有文獻對這些檢測方法的效果進行比較。本文將系統地研究IGZO TFT的AMOLED像素電路的VTH檢測方法，并對比它們的檢測效果。

2　AMOLED像素的VTH檢測方法

本研究中選用RPI(Level=35)模型來描述IGZO TFT的電學特性。圖1給出了利用SmartSpice模擬得到的IGZO TFT的轉移特性(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，如表1所示。

圖1　IGZO TFT的轉移特性(IDS-VGS)

表1　IGZO TFT器件參數

2.1放電法

圖2給出了放電檢測法的電路結構。在放電法中，首先將DTFT的柵極預置為高電壓V0。然后，短接DTFT的柵極和漏極，使得G點電壓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)是采用放電檢測法的AMOLED像素電路[15]，其中T1、T2、T3、T4為開關管，DTFT為驅動管，CS為存儲電容。如圖3(b)所示，該電路的操作過程分為3個階段：

(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導通，VA=-Vdata。

(2)VTH檢測

EMS為低電平，SCAN為高電平，開關管T2、T3關閉，開關管T1和T4被打開。VA保持為-Vdata，而B點通過柵漏短接的DTFT放電，直到DTFT恰好關閉。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像素補償電路。(a)電路圖；(b)時序圖。

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

(3)發光

EMS為高電平，SCAN為低電平。于是T2和T3被打開，T1和T4關閉。A點通過T2接地，由于B點懸浮，由電容自舉可得VB=VTH+Vt0+Vdata。則此時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。

表2為該像素電路的器件參數。圖4顯示了DTFT柵極電壓VB隨時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檢測階段，VB逐漸減小到VTH+Vt0；在發光階段，VB上升至VTH+Vt0+Vdata。圖5是DTFT的VTH漂移時的IOLED的瞬態變化。可以看出當DTFT的ΔVTH達到2 V時，OLED像素在發光階段的電流退化量較小。

表2　采用放電檢測法的AMOLED像素電路器件參數

圖4　VB的瞬態模擬結果

圖5　驅動管VTH漂移時，IOLED的瞬態響應。

Fig.5Transient response ofIOLEDvs. ΔVTHof driving TFT

2.2充電法

圖6給出了充電法的電路結構。充電法的基本過程是：首先將DTFT的柵極預置為高電壓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個開關管T1、T2、T3、T4，驅動管DTFT和存儲電容CS。如圖7(b)所示，該電路的操作過程分為3個階段：

(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關閉。VB被設置為較低電位。

圖7一種典型的充電AMOLED像素補償電路。(a)電路圖；(b)時序圖。

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

(2)VTH檢測

G1為高電平，G2和G3為低電平。T1和T3被打開，T2和T4關閉，A點通過T3管被充電到VD。由于DTFT導通，VB升高直至DTFT恰好關閉，于是VB=V0-VTH。VCB=VDATA-(V0-VTH)。

(3)發光

G1為低電平，G2、G3為高電平，T1、T3關閉，T2、T4被打開。于是：

(3)

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

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

表3　采用充電檢測法的AMOLED像素電路器件參數

圖8　驅動管VTH漂移時，IOLED的瞬態變化。

Fig.8Transient response ofIOLEDvs. ΔVTHof driving TFT

圖9　VTH漂移時VB的變化

2.3偏置電流法

圖10為偏置電流法的電路結構，其基本過程為：首先將DTFT的柵極預置一個基準電壓VREF，促使DTFT打開。然后在DTFT的源極接入一個偏置電流源，直至流過DTFT的電流逐漸穩定于Ibias，DTFT處于飽和狀態，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像素電路實例，該電路有4個開關管T1、T2、T3、T4，驅動管DTFT，2個電容CS和C1[20]。如圖11(b)所示，該電路的操作過程分為3個階段：

三是水利投入結構持續優化。繼續支持重大水利工程建設，保證事關民生的水利工程、江河重點骨干水利工程、生態環境保護和治理工程等建設投資穩定增長。著力改善民生水利，先后設立小型農田水利建設、重點小型病險水庫除險加固、中小河流治理、山洪災害防治非工程措施建設等專項資金，大幅度增加防汛抗旱救災投入，突出加大對水利建設重點領域和薄弱環節的支持力度。在加強工程建設的同時，支持節水型社會建設和水資源監控能力建設，提高水利綜合服務水平。

(1)VTH檢測

SCAN1為高電平，SCAN2為低電平，T1、T2、T4被打開，T3關閉。偏置電流源通過T1、T2對G、D兩點充電，直至DTFT被打開且達到飽和狀態。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法的AMOLED像素補償電路。(a)電路圖；(b)時序圖。

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

表4采用偏置電流檢測法的AMOLED像素電路器件參數

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

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

(2)數據輸入

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

(3)發光

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

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

圖12　驅動管VTH漂移時IOLED的變化

Fig.12Transient response ofIOLEDvs. ΔVTHof driving TFT

3　結果與討論

現有的IGZO TFT的AMOLED像素設計基本上都是用到以上3種VTH的檢測方法。根據這些VTH檢測方法，近幾年，已經出現幾十種各具特色的IGZO TFT的AMOLED像素設計。但是，迄今未有研究對這3種VTH檢測方法的效果作出比較和分析。而且，VTH檢測時間、TFT的寄生電容等參數也將會影響VTH的檢測效果。因此我們對以上這些因素做了進一步的研究。

3.1VTH檢測效果比較

VTH檢測方法檢測精度的差別主要體現在AMOLED像素的電流誤差率[4]。圖13為不同VTH檢測方法的檢測效果比較。3種像素電路的VTH檢測時間都為50 μs。當VTH向正向漂移時，隨著VTH的漂移量逐漸增大，不同檢測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，其電流誤差率達到11.3%。當VTH向負向漂移時，放電法像素電路的電流誤差率最大，在ΔVTH=-2.5 V時，達到48.9%。

當VTH負向漂移時，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。對于耗盡型IGZO TFT而言，當它的VGS降低到0時，放電法就因為漏-源間不存在電流而終止，于是其VGS無法繼續減小到負的VTH。而另外兩種VTH檢測方法對于負VTH有著較好的補償效果。

圖13　不同像素電路中，電流誤差率與VTH漂移的關系。

3.2VTH檢測時間的影響

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

圖14　VTH檢測時間對應的電流誤差率

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

偏置電流法的檢測時間之所以最短，是因為它利用的是DTFT的導通態電流，而另外兩者用到的是亞閾電流。如圖1所示，導通態電流一般比亞閾電流大若干數量級，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-源極上達到與VTH適應的電壓值。充電法的檢測時間最長的原因在于需要依靠較小的亞閾電流對較大的OLED電容進行較大幅度(VDD-VTH)的充電。比較結果表明偏置電流法的電路所需要的VTH檢測時間最短，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寄生電容將會影響VTH檢測的精度。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AMOLED補償效果的影響。

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

圖15　TFT交疊長度對補償效果的影響

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

放電法與交疊長度關系最大的原因是DTFT和其他開關管的總寄生電容與自舉電容相并聯，且其值與自舉電容值相當。當交疊長度減小，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償負VTH漂移，充電法需要的VTH檢測時間最長，而偏置電流法能夠達到的補償精度最高。但是，偏置電流法需要額外的電流源，其外部驅動電路的復雜程度最高。

4　結　　論

系統比較了適用于IGZO-TFT-AMOLED的VTH檢測方法，發現偏置電流法能夠達到的補償精度最高，但偏置電流法需要額外的電流源，其外部驅動電路的復雜程度也最高；放電法不能精確地補償負VTH漂移；充電法需要的VTH檢測時間最長。本文的研究結果將有助于指導新型的AMOLED面板的設計。

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王奧運(1991-)，男，安徽亳州人，碩士研究生，2014年于湖南工學院獲得學士學位，主要從事AMOLED驅動電路的研究。

E-mail: 949721816@qq.com胡照文(1963-)，男，湖南長沙人，副教授，2008年于中南大學獲得碩士學位，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

湖南省科技計劃(2015JC3041)資助項目

TN7

A

10.3788/fgxb20163705.0608