面向IGZO-TFT-AMOLED像素电路设计的VTH检测方法研究

王奥运， 胡照文， 陈　蒙， 尹芊奕， 廖聪维， 邓联文

(中南大学 物理与电子学院， 湖南 长沙　410083)



面向IGZO-TFT-AMOLED像素电路设计的VTH检测方法研究

王奥运， 胡照文*， 陈蒙， 尹芊奕， 廖聪维， 邓联文

(中南大学 物理与电子学院， 湖南 长沙410083)

由于迁移率高、均匀性好、制备成本低等优势，铟镓锌氧化物薄膜晶体管(IGZO TFT)有望促成有源矩阵有机发光显示器件(AMOLED)的大规模量产。但是IGZO TFT存在阈值电压(VTH)漂移的问题，实用的AMOLED像素电路必须对VTH漂移进行补偿以实现较好的显示效果，而VTH的检测是AMOLED像素电路设计中的关键环节。本文系统研究了VTH检测方法，比较了放电法、充电法、偏置电流法补偿VTH的效果，研究了VTH检测时间和TFT寄生电容等参数的影响。研究结果表明：放电法不能精确地补偿负VTH漂移，充电法需要的VTH检测时间最长，偏置电流法能够达到的补偿精度最高。

IGZO； TFT； AMOLED； 阈值电压补偿

1　引　　言

AMOLED具有自发光、色彩鲜艳、对比度高、响应速度快、功耗低等优点，有望取代薄膜晶体管液晶显示器(TFT-LCD)成为下一代显示技术的主流[1-3]。AMOLED对于TFT的要求较高，非晶硅(a-Si)TFT和低温多晶硅(LTPS)TFT这两种传统技术并不适合于大尺寸AMOLED显示[4]： LTPS TFT虽然迁移率较高、电学稳定性较好[5]，但是其电学特性的大面积均匀性较差[6]。另一方面，a-Si TFT虽然具有较好的大面积均匀性，但是其迁移率过低，且存在严重的特性漂移。以上这些缺点限制了Si基TFT在大尺寸AMOLED像素电路中的应用。

IGZO TFT是近年来新出现的TFT技术，它兼具迁移率高、均匀性好、制备成本低廉等优点，有可能促进AMOLED实现量产[4]。但是在偏压应力的作用下，IGZO TFT的VTH仍然会存在一定量的漂移[6]。为了补偿IGZO TFT的VTH漂移带来的AMOLED像素特性退化，研究者提出了多种补偿方案[7-14]。一般而言，AMOLED像素电路的工作过程分为4个阶段：初始化、VTH检测、数据输入和发光。其中，VTH检测阶段是像素电路设计的重要环节。如果VTH检测不准确，那么像素电路将不能精确地补偿VTH的漂移。虽然现在已经有不少IGZO-TFT-AMOLED像素电路方案，但是还没有文献对这些检测方法的效果进行比较。本文将系统地研究IGZO TFT的AMOLED像素电路的VTH检测方法，并对比它们的检测效果。

2　AMOLED像素的VTH检测方法

本研究中选用RPI(Level=35)模型来描述IGZO TFT的电学特性。图1给出了利用SmartSpice模拟得到的IGZO TFT的转移特性(IDS-VGS)曲线。IGZO TFT的宽长比为4 μm /4 μm。采用线性外推等方法，我们提取出IGZO TFT的器件参数，如表1所示。

图1　IGZO TFT的转移特性(IDS-VGS)

表1　IGZO TFT器件参数

2.1放电法

图2给出了放电检测法的电路结构。在放电法中，首先将DTFT的栅极预置为高电压V0。然后，短接DTFT的栅极和漏极，使得G点电压VG通过DTFT放电而逐渐降低，直至VG=VTH+VOLED(VTH和VOLED分别为DTFT和OLED的阈值电压)。于是DTFT的VTH被保存在DTFT的栅电极。

图2　放电检测法的AMOLED像素电路简图

Fig.2Schematic of AMOLED pixel circuit using discharging method

图3(a)是采用放电检测法的AMOLED像素电路[15]，其中T1、T2、T3、T4为开关管，DTFT为驱动管，CS为存储电容。如图3(b)所示，该电路的操作过程分为3个阶段：

(1)初始化

SCAN、EMS为高电平，所有TFT管打开，DTFT的栅极和漏极通过T4短接，于是VB被上拉到接近VDD。由于T1导通，VA=-Vdata。

(2)VTH检测

EMS为低电平，SCAN为高电平，开关管T2、T3关闭，开关管T1和T4被打开。VA保持为-Vdata，而B点通过栅漏短接的DTFT放电，直到DTFT恰好关闭。最终，VB=VTH+Vt0，其中VTH和Vt0分别是DTFT和OLED的阈值电压。因此CS上电压为VC=VB-VA=VTH+Vt0+Vdata。

图3一种典型的放电AMOLED像素补偿电路。(a)电路图；(b)时序图。

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

(3)发光

EMS为高电平，SCAN为低电平。于是T2和T3被打开，T1和T4关闭。A点通过T2接地，由于B点悬浮，由电容自举可得VB=VTH+Vt0+Vdata。则此时DTFT源极电压为Vt0+ΔVOLED。所以:

(1)

(2)

其中k=μCOXW/L。式(2)表明，OLED的电流值与VTH无关。

表2为该像素电路的器件参数。图4显示了DTFT栅极电压VB随时间延长而变化的情况。在初始化阶段，VB被充电到接近VDD；在VTH检测阶段，VB逐渐减小到VTH+Vt0；在发光阶段，VB上升至VTH+Vt0+Vdata。图5是DTFT的VTH漂移时的IOLED的瞬态变化。可以看出当DTFT的ΔVTH达到2 V时，OLED像素在发光阶段的电流退化量较小。

表2　采用放电检测法的AMOLED像素电路器件参数

图4　VB的瞬态模拟结果

图5　驱动管VTH漂移时，IOLED的瞬态响应。

Fig.5Transient response ofIOLEDvs. ΔVTHof driving TFT

2.2充电法

图6给出了充电法的电路结构。充电法的基本过程是：首先将DTFT的栅极预置为高电压V0，打开DTFT，因此DTFT的源极电压逐渐升高至V0-VTH。于是DTFT的VTH信息被保存在它的源极。

图6　充电检测法的AMOLED像素电路简图

Fig.6Schematic of AMOLED pixel circuit using charging method

图7(a)是采用充电法的AMOLED像素电路[16]。该电路有4个开关管T1、T2、T3、T4，驱动管DTFT和存储电容CS。如图7(b)所示，该电路的操作过程分为3个阶段：

(1)初始化

G1和G3为高电平，G2为低电平。于是T1、T2和T4被打开，T2关闭。VB被设置为较低电位。

图7一种典型的充电AMOLED像素补偿电路。(a)电路图；(b)时序图。

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

(2)VTH检测

G1为高电平，G2和G3为低电平。T1和T3被打开，T2和T4关闭，A点通过T3管被充电到VD。由于DTFT导通，VB升高直至DTFT恰好关闭，于是VB=V0-VTH。VCB=VDATA-(V0-VTH)。

(3)发光

G1为低电平，G2、G3为高电平，T1、T3关闭，T2、T4被打开。于是：

(3)

式(3)表明OLED的电流值与VTH无关。表3为该像素电路的器件参数。图8是DTFT的ΔVTH分别为0，0.5，1 V时，OLED电流的瞬态变化，可以看出在发光阶段，流过OLED的电流基本一致。

图9为VTH检测阶段DTFT的VTH漂移时VB的变化，且VB=V0-VTH。由图可知，DTFT的ΔVTH为0.5 V时，VB相应的变化量为0.5 V。该电路能够较精确地检测DTFT正、负VTH的漂移。

表3　采用充电检测法的AMOLED像素电路器件参数

图8　驱动管VTH漂移时，IOLED的瞬态变化。

Fig.8Transient response ofIOLEDvs. ΔVTHof driving TFT

图9　VTH漂移时VB的变化

2.3偏置电流法

图10为偏置电流法的电路结构，其基本过程为：首先将DTFT的栅极预置一个基准电压VREF，促使DTFT打开。然后在DTFT的源极接入一个偏置电流源，直至流过DTFT的电流逐渐稳定于Ibias，DTFT处于饱和状态，所以：

(4)

于是

(5)

最终DTFT的VTH信息即可保存在它的源极[17-19]。

图10偏置电流法的AMOLED像素电路简图

Fig.10Schematic of AMOLED pixel circuit using the constant-current-biasing method

图11(a)是采用偏置电流法的AMOLED像素电路实例，该电路有4个开关管T1、T2、T3、T4，驱动管DTFT，2个电容CS和C1[20]。如图11(b)所示，该电路的操作过程分为3个阶段：

三是水利投入结构持续优化。继续支持重大水利工程建设，保证事关民生的水利工程、江河重点骨干水利工程、生态环境保护和治理工程等建设投资稳定增长。着力改善民生水利，先后设立小型农田水利建设、重点小型病险水库除险加固、中小河流治理、山洪灾害防治非工程措施建设等专项资金，大幅度增加防汛抗旱救灾投入，突出加大对水利建设重点领域和薄弱环节的支持力度。在加强工程建设的同时，支持节水型社会建设和水资源监控能力建设，提高水利综合服务水平。

(1)VTH检测

SCAN1为高电平，SCAN2为低电平，T1、T2、T4被打开，T3关闭。偏置电流源通过T1、T2对G、D两点充电，直至DTFT被打开且达到饱和状态。于是VG=Vbiss+VTH+VSS1(Vbias=(Ibias/β)0.5)，并且CS上的电压为VCS=VG-0=VG。

图11一种典型的采用偏置电流检测法的AMOLED像素补偿电路。(a)电路图；(b)时序图。

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

表4采用偏置电流检测法的AMOLED像素电路器件参数

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

器件参数参数值W/L(T1～T4)8μm/4μmW/L(DTFT)25μm/4μmCS0.3pFVDD116VVDATA0～3VVSS13VVSS20VVSCAN13～20VVSCAN2-3～20V

(2)数据输入

SCAN1为低电平，SCAN2为高电平，T1、T2、T4关闭，T3被打开。VDATA=VP-Vbias，且G点电位悬浮，由电容自举可得VG=VP+VTH+VSS1。

(3)发光

SCAN1为低电平，SCAN2为低电平，T1、T2、T3、T4关闭。DTFT的栅源电压VGS=VP+VTH。DTFT处于饱和状态，于是

式(6)表明OLED的电流值与VTH无关。表4为采用偏置电流法的AMOLED像素电路器件参数。如图12所示，当DTFT的VTH发生漂移时，在发光阶段流过OLED的电流基本保持一致。

图12　驱动管VTH漂移时IOLED的变化

Fig.12Transient response ofIOLEDvs. ΔVTHof driving TFT

3　结果与讨论

现有的IGZO TFT的AMOLED像素设计基本上都是用到以上3种VTH的检测方法。根据这些VTH检测方法，近几年，已经出现几十种各具特色的IGZO TFT的AMOLED像素设计。但是，迄今未有研究对这3种VTH检测方法的效果作出比较和分析。而且，VTH检测时间、TFT的寄生电容等参数也将会影响VTH的检测效果。因此我们对以上这些因素做了进一步的研究。

3.1VTH检测效果比较

VTH检测方法检测精度的差别主要体现在AMOLED像素的电流误差率[4]。图13为不同VTH检测方法的检测效果比较。3种像素电路的VTH检测时间都为50 μs。当VTH向正向漂移时，随着VTH的漂移量逐渐增大，不同检测法的电流误差率都在增大。充电法像素电路受VTH漂移的影响最大，在ΔVTH=2.5 V时，其电流误差率达到11.3%。当VTH向负向漂移时，放电法像素电路的电流误差率最大，在ΔVTH=-2.5 V时，达到48.9%。

当VTH负向漂移时，放电法像素电路的电流误差率最大的原因是其不再能够精确提取VTH。对于耗尽型IGZO TFT而言，当它的VGS降低到0时，放电法就因为漏-源间不存在电流而终止，于是其VGS无法继续减小到负的VTH。而另外两种VTH检测方法对于负VTH有着较好的补偿效果。

图13　不同像素电路中，电流误差率与VTH漂移的关系。

3.2VTH检测时间的影响

VTH检测需要一定的时间才能完成，当VTH检测时间过短时，AMOLED像素的补偿精度较差，电流误差率较大。另外，VTH检测时间的长度与AMOLED像素的有效发光时间直接相关，当VTH检测时间过长时，有效发光时间会减少，AMOLED亮度退化。图14显示了VTH检测时间对AMOLED电流误差率的影响。随着VTH检测时间增大，不同检测法的电流误差率都在减小。其中，偏置电流法电路的检测时间约10 μs，放电法电路的检测时间为15 μs，而充电法电路需要20 μs以上的检测时间才能获得较小的电流误差率。

图14　VTH检测时间对应的电流误差率

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

偏置电流法的检测时间之所以最短，是因为它利用的是DTFT的导通态电流，而另外两者用到的是亚阈电流。如图1所示，导通态电流一般比亚阈电流大若干数量级，因此偏置电流法能够以更快的速度提供出足够的电荷使得DTFT的栅-源极上达到与VTH适应的电压值。充电法的检测时间最长的原因在于需要依靠较小的亚阈电流对较大的OLED电容进行较大幅度(VDD-VTH)的充电。比较结果表明偏置电流法的电路所需要的VTH检测时间最短，更适用于高帧频高分辨率显示。

3.3TFT寄生电容的影响

由于TFT栅电极与源/漏电极之间的交叠，栅电极与源/漏电极之间不可避免地存在一定量的寄生电容。这些TFT寄生电容将会影响VTH检测的精度。TFT栅漏之间的寄生电容Cgd=WLDCOX，其中LD为TFT的交叠长度，W为TFT的宽度，COX为单位面积栅绝缘层电容。我们通过改变TFT交叠长度来等效改变寄生电容值对AMOLED补偿效果的影响。

如图15所示，相比于另外两种检测法，放电法受TFT交叠长度的影响最大，在LD=2 μm时，其电流误差率为7.6%。而在LD=20 μm时，其IOLED误差率达到了22.2%。偏置电流法受TFT交叠长度的影响最小，补偿精度更高。

图15　TFT交叠长度对补偿效果的影响

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

放电法与交叠长度关系最大的原因是DTFT和其他开关管的总寄生电容与自举电容相并联，且其值与自举电容值相当。当交叠长度减小，放电法电路中的寄生电容将正比地减小，于是参与放电过程的电容值也减少，补偿效果得到改善。而在充电法和偏置电流法中，OLED电容相比于寄生电容更大，所以交叠长度的影响较小。

综合以上分析可知，放电法不能精确地补偿负VTH漂移，充电法需要的VTH检测时间最长，而偏置电流法能够达到的补偿精度最高。但是，偏置电流法需要额外的电流源，其外部驱动电路的复杂程度最高。

4　结　　论

系统比较了适用于IGZO-TFT-AMOLED的VTH检测方法，发现偏置电流法能够达到的补偿精度最高，但偏置电流法需要额外的电流源，其外部驱动电路的复杂程度也最高；放电法不能精确地补偿负VTH漂移；充电法需要的VTH检测时间最长。本文的研究结果将有助于指导新型的AMOLED面板的设计。

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王奥运(1991-)，男，安徽亳州人，硕士研究生，2014年于湖南工学院获得学士学位，主要从事AMOLED驱动电路的研究。

E-mail: 949721816@qq.com胡照文(1963-)，男，湖南长沙人，副教授，2008年于中南大学获得硕士学位，主要从事电磁波吸收材料、电磁兼容及轨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

湖南省科技计划(2015JC3041)资助项目

TN7

A

10.3788/fgxb20163705.0608