基于像素复用技术的硅基OLED微显示像素驱动电路研究

【摘要】微显示器是一种本身物理尺寸只有英寸级别,但借助光学系统可以实现大屏幕、高品质图像的显示器件。微显示具有重量轻、体积小、便于携带、图像分辨率高、功耗低等优点,由于其实际显示效果可以与大尺寸、高信息含量的显示器件相媲美,因此被广泛应用在近眼显示设备和便携式微型投影仪等装置中,在航空航天、军事、医疗以及娱乐等诸多领域具有广阔的应用前景。硅上有机微显示(OrganicLight-emittingDeviceonSilicon,OLEDoS)利用OLED作为发光显示元件,是将顶发射OLED集成于含有CMOS驱动电路的单晶硅片衬底上,OLEDoS微显示器具有OLED的全部优点,同时又利用了成熟的CMOS工艺技术。由于微显示器显示面积小,其像素数量与普通大尺寸显示器无异,因此其单个像素面积极小,比如只有15×15μm2,甚至更小；同时又由于OLED的电流效率比较高,因此流过单个像素OLED的电流极小,低亮度显示时其驱动电流小到只有几百皮安甚至几十皮安；但是CMOS驱动电路采用迁移率较大的单晶硅材料,常规尺寸MOS晶体管的饱和驱动电流约为微安量级,在传统的2T-1C像素驱动电路中为了实现小电流则只能增大驱动管的沟道长度,比如达到数百微米,因此较大的MOS沟道长度与较小的微显示像素面积成为了难以调和的矛盾。为此,美国的eMagin公司采用工作在亚阈值区的MOS管作为像素驱动电路中的驱动管,以产生小驱动电流,并于2002年成功地生产了首款OLEDoS微显示产品,但MOS管的亚阈值电流对驱动管栅源电压和阈值电压失配等条件非常敏感；中科院微电子所提出的一种驱动管两端并联分流MOS管的方法,以实现OLED发光单元所需的小电流,但并联支路产生较大的无用功耗,使OLEDoS微显示器工作温度升高；基于一帧内人眼对亮度的感知取决于发光点的亮度和发光时间积分的原理,本课题组曾提出了一种可用于单色OLEDoS微显示的PWM像素驱动电路,虽然该电路能够实现较小平均亮度,但由于存储电容值较小,其数据保持效果尚差,导致实现高等级灰度显示时较为困难。本文在分析了MOS管漏电流产生机理的基础上,提出了一种开关管串联的双电容结构PWM像素驱动电路,其中MOS驱动管仍可工作在饱和区,改进的PWM像素驱动电路有效地改善了OLED发光期间存储电容的数据保持效果,即使在最坏情况下分析时也可实现约75级灰度显示,同时改进的像素驱动电路具有较强的OLED电学老化补偿能力。在改进的PWM像素电路基础上,本文又设计了一种可应用于彩色OLEDoS微显示的像素驱动电路,该像素驱动电路采用像素复用技术,即多个像素共用由扫描管、驱动管和存储电容组成的驱动电路单元,每个像素点的发光单元只由一个小尺寸的开关MOS管控制其电流导通与否。像素复用驱动电路单元的方法能够提供足够的像素面积用来增大驱动MOS管沟道长度和存储电容的面积,使MOS驱动管工作在饱和区,同时显著地增强了存储电容的数据保持效果,当12个亚像素复用时采用最坏情况分析表明,存储数据变化导致OLED发光单元一帧内的平均亮度变化不超过一个“最小可觉差”指数(JustNoticeableDifferenceIndex,JNDIndex);同时长沟道MOS驱动管有效地抑制了沟长调制效应,使驱动管的驱动电流对其源漏电压依赖性减小,进而可以有效地补偿了OLED电学老化对显示屏亮度的影响,仿真结果表明,当驱动管的沟道长度为50μm时,即使OLED的老化程度为30%以上其亮度衰减仍小于1.0%。
【作者】杨春城；
【导师】李传南；
【作者基本信息】吉林大学，微电子学与固体电子学，2014，硕士
【关键词】微显示；OLED；驱动电路；脉宽调制；像素复用；

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