基于電流源控制的CNT
本文為了實(shí)現(xiàn)碳納米管場(chǎng)致發(fā)射顯示器(CNT-FED)的產(chǎn)品化，采用CNT-FED陰極電流源驅(qū)動(dòng)方法，研究了CNT-FED亮度的均勻性和非線性調(diào)節(jié)問題。從分立元件驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)原理出發(fā)，采用了高穩(wěn)定性陰極電流源像素驅(qū)動(dòng)電路，將電流源驅(qū)動(dòng)電路預(yù)先制作在硅基底上，再利用室溫下生長碳納米管(CNT)的方法，將CNT發(fā)射體和電流源驅(qū)動(dòng)電路集成在同一硅襯底上，最終實(shí)現(xiàn)了集成CNT-FED驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。該驅(qū)動(dòng)電路解決了CNT-FED亮度均勻性和非線性調(diào)節(jié)問題，對(duì)場(chǎng)射顯示器驅(qū)動(dòng)電路的應(yīng)用研究和CNT-FED驅(qū)動(dòng)電路的集成化具有參考意義。
引言
場(chǎng)發(fā)射顯示器(FED)是采用冷陰極技術(shù)的新型平板顯示器[1-2]。目前FED顯示技術(shù)的發(fā)展已經(jīng)歷了第一代金屬尖錐陣列型和第二代金剛石薄膜型，正向第三代碳納米管(CNT) 薄膜型FED發(fā)展[3-4]。CNT因其優(yōu)異的物理和化學(xué)性能，使其在場(chǎng)發(fā)射、高強(qiáng)度的復(fù)合材料以及納米電子器件等諸多領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[5-6]。在新型顯示技術(shù)領(lǐng)域，因CNT發(fā)射特性穩(wěn)定、開啟電壓低、易于制作，近年來國內(nèi)外諸多顯示器廠家、研究機(jī)構(gòu)以及高校等投入了大量資金和人力對(duì)其進(jìn)行全面和系統(tǒng)的研究與開發(fā)，但目前研究主要集中在CNT-FED的發(fā)射材料的研究以及顯示屏的設(shè)計(jì)與制作上[7-8]，CNT-FED的產(chǎn)品化需要配套的驅(qū)動(dòng)電路控制系統(tǒng)，這是CNT-FED實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的一個(gè)重要技術(shù)，而目前CNT-FED驅(qū)動(dòng)控制電路的研究相對(duì)滯后，尤其亮度控制是驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)鍵電路，為此本文從CNT-FED的調(diào)制特性出發(fā)，研究了CNT-FED驅(qū)動(dòng)電路的亮度控制的原理和實(shí)現(xiàn)方法。
1 CNT-FED的工作原理及存在的問題
CNT-FED的顯示原理與陰極射線管(CRT)相似[9-10]，由CNT陰極向真空發(fā)射電子，然后電子在電場(chǎng)的作用下向陽極高速運(yùn)動(dòng)，因受高速電子的轟擊，陽極板上的熒光粉發(fā)光。當(dāng)熒光粉發(fā)光效率和電子運(yùn)動(dòng)的速度確定時(shí)，顯示器的發(fā)光亮度主要取決于CNT陰極發(fā)射的電子數(shù)[11-13]，因此，通過控制陰極電子的發(fā)射能力就能實(shí)現(xiàn)顯示器的亮度控制，在三極型FED中[14-15]，陰極電子發(fā)射的強(qiáng)弱受柵極電壓Vg產(chǎn)生的電場(chǎng)決定，即 Vg控制著發(fā)射電流的大小，其發(fā)射特性可通過像素單元的伏安特性來表示，又叫 CNT-FED 調(diào)制特性曲線，如圖1所示。通過調(diào)節(jié)柵極電壓 Vg 的大小來改變發(fā)射電流，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)亮度控制，從圖1可以看出調(diào)制特性存在嚴(yán)重的非線性，另外場(chǎng)發(fā)射存在開啟電壓Vt，只有當(dāng)Vg大于等于Vt時(shí)，才能產(chǎn)生場(chǎng)發(fā)射。矩陣尋址是FED平板顯示器通常采用的顯示方式，其每個(gè)像素單元相對(duì)獨(dú)立工作，但各像素單元的調(diào)制特性存在一定離散性，當(dāng)采用電壓驅(qū)動(dòng)陰極時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)兩個(gè)問題：一是電壓相同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大小不同的電流，這將會(huì)導(dǎo)致亮度的不均勻;二是由于像素點(diǎn)間I/V特性曲線的非線性存在差異性，故不能簡單地通過固定的非線性校正來改善其性能，因此，很難通過控制電壓來完成亮度控制[16-17]。為了解決這一問題，本文提出了陰極電流源控制方法，即通過對(duì)在陰極添加電流源，強(qiáng)迫陰極的發(fā)射電流跟隨恒流源變化。在電流模式下，能夠很好地解決這個(gè)問題。電流驅(qū)動(dòng)的原理是在陰極的驅(qū)動(dòng)電路中采用恒流源電流驅(qū)動(dòng)模式，恒流源輸出電流Io決定了像素電流的上限，保證了各像素的發(fā)射電流大小一樣，故可實(shí)現(xiàn)顯示屏亮度的均勻一致。通過調(diào)制恒流源的導(dǎo)通時(shí)間來實(shí)現(xiàn)對(duì)灰度級(jí)的調(diào)制，其原理和電壓PMW類似，由于工藝上很難實(shí)現(xiàn)CNT陰極的均勻制備，因此電流驅(qū)動(dòng)是保證均勻顯示的理想方式。恒流源輸出電流Io具體值要根據(jù)CNT陰極材料的特性來決定，要能保證Io在PWM調(diào)制下，最大占空比輸出電流時(shí)，顯示屏的最大亮度達(dá)到要求。
2 CNT-FED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
2.1 高穩(wěn)定電流源電路原理
基本電流源輸出電流Io依賴于參考電流大小，參考電流的大小依賴于輸入電壓VCC，因此VCC的穩(wěn)定性決定了恒流源輸出電流Io的穩(wěn)定性;如果采用高輸出電阻電流源，其輸出電阻數(shù)量級(jí)可達(dá)到兆歐級(jí)，輸出電阻越高，作為有源負(fù)載的電壓增益就越大。因此，基本電流源電路不適合用作穩(wěn)定性要求很高的FED陰極恒流源。為此，我們采用了一種高穩(wěn)定性電流源電路，如圖2所示。
圖2中穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值為VZ，則電流源的輸出：,此時(shí)，Io與電源電壓無關(guān)。T1的作用是用來穩(wěn)定 Vz，。
假設(shè)某原因?qū)е耉Z升高 ，則Vgs下降，Ib隨之下降，IDZ隨之下降 ，最后Vz隨之下降;反之， Vz下降，Vgs升高，Ib隨之升高 ，IDZ隨之升高，最后Vz升高。這種電路相當(dāng)于引入了一個(gè)負(fù)反饋以此來穩(wěn)定Vz?？梢?，圖2恒流源電路結(jié)構(gòu)簡單，并且輸出電流很穩(wěn)定，與輸入電壓基本沒有關(guān)系，適合用作FED平板顯示器的陰極恒流源。
2.2 分立元件的CNT-FED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
分立元件電流源驅(qū)動(dòng)電路原理如圖3所示(只畫出一個(gè)像素)，該電路元器件選取時(shí)需要滿足輸出電流Io的要求，同時(shí)T1管要應(yīng)具有良好的開關(guān)特性。
和電壓驅(qū)動(dòng)電路相比，每個(gè)像素的陰極多了一個(gè)恒流源，即每個(gè)像素多出四個(gè)分立元件;這對(duì)于較大屏幕的FED顯示屏如1024×768來說，用作陰極恒流源的分立元件總個(gè)數(shù)為1024×768×4個(gè)。這無形中增加了整體驅(qū)動(dòng)電路連線的復(fù)雜度和體積，不符合平板顯示器輕薄的設(shè)計(jì)要求。為此，針對(duì)陰極電流驅(qū)動(dòng)法，我們又提出一種將部分驅(qū)動(dòng)電路(電流源)集成到陰極SI襯底上去的方法;這種方法既可解決亮度的非線性調(diào)節(jié)問題，又可滿足使FED輕薄的設(shè)計(jì)要求。
2.3 集成CNT-FED驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)
由于CNT-FED 具有在硅基底上直接生長碳納米管的優(yōu)點(diǎn)[18]，我們可以將驅(qū)動(dòng)電路集成到陰極板當(dāng)中，這是驅(qū)動(dòng)電路和陰極集成的前提條件。對(duì)于整體的驅(qū)動(dòng)電路來說，可分為高低壓轉(zhuǎn)換部分、邏輯控制部分和視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換等部分。整體驅(qū)動(dòng)的電路比較龐大，特別是高低壓轉(zhuǎn)換部分對(duì)集成電路的要求更高。另一方面，作為陰極發(fā)射體的碳納米管生長效果不佳，其所對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路就失去了作用，而不加考慮地集成了每個(gè)陰極對(duì)應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電路，會(huì)使顯示器成本的大幅度提高。相對(duì)而言，如果只將恒流源電路集成于SI襯底中，簡單易行，成本低，這是一種解決FED亮度問題的一種理想選擇。把電流源電路應(yīng)用集成電路工藝做到硅基底上，即可解決FED器件的亮度均勻性問題，又可解決亮度的非線性調(diào)節(jié)問題;實(shí)現(xiàn)了部分驅(qū)動(dòng)電路集成，簡化外圍驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜度，使整體FED系統(tǒng)達(dá)到輕薄的設(shè)計(jì)要求。恒流源集成于SI襯底整體結(jié)構(gòu)的集成CNT-FED驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)示意圖如圖4所示，它為兩個(gè)相鄰像素點(diǎn)的FED器件的整體結(jié)構(gòu)。首先，在硅基底上制作恒流源控制電路，然后生成氧化絕緣層，再在氧化絕緣層上燒結(jié)陰極，最后生長碳納米管發(fā)射陣列。
按事先安排好的矩陣，重復(fù)生長多個(gè)圖4所示的像素單元，這些像素單元所構(gòu)成的陣列即為陰極顯示屏。兩列相鄰陰極像素點(diǎn)，要用隔離槽隔開。
圖5所示為16×16點(diǎn)陣的CNT-FED示意圖。在生長點(diǎn)陣時(shí)，在同一列上所有像素點(diǎn)的陰極恒流源的電源輸入端VCC要連在一塊，作為數(shù)據(jù)信號(hào)的輸入端;同時(shí)，在同一行的柵極都要連接在一塊，作為這一行的柵電壓Vg的輸入端。柵極與掃描線驅(qū)動(dòng)連在一起，陰極與數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)相連。施加固定高壓在陽極上用來加速電子。對(duì)柵極進(jìn)行逐行選址，施加高電位在選中行對(duì)應(yīng)的柵極，低電位施加于其余行。陰極恒流源的數(shù)據(jù)信號(hào)端施加與所顯示圖像相應(yīng)的脈沖，當(dāng)對(duì)應(yīng)列上需顯示，對(duì)應(yīng)的陰極恒流源數(shù)據(jù)信號(hào)端為高電平產(chǎn)生輸出電流Io;當(dāng)所對(duì)應(yīng)列上無顯示時(shí)，對(duì)應(yīng)的陰極恒流源數(shù)據(jù)信號(hào)端為低電平無電流輸出;通過控制陰極上恒流源的數(shù)據(jù)信號(hào)端脈沖的寬度或數(shù)目來實(shí)現(xiàn)灰度顯示;如此逐行、逐幀循環(huán)即可實(shí)現(xiàn)字符和圖形的顯示。
3 結(jié)果與結(jié)論
通過分析CNT-FED器件調(diào)制特性得知，陰極電流的精確控制無法通過電壓驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)，而電流驅(qū)動(dòng)卻能實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極電流的良好控制能力。在電流驅(qū)動(dòng)電路中，只要施加合理的柵極電壓就可以保證所有像素陽極電流都等于陰極恒流源電流Io，從而保證了亮度顯示的均勻性，因此，電流驅(qū)動(dòng)克服了各像素不一致的缺點(diǎn)。由于分立元件驅(qū)動(dòng)電路會(huì)使整體驅(qū)動(dòng)電路連線復(fù)雜，體積龐大，為此，利用碳納米管可生長在SI襯底上的優(yōu)點(diǎn)，將電流源電路集成在SI襯底中，然后再生長碳納米管。采用電流源和CNT的集成驅(qū)動(dòng)電路，既解決了CNT-FED亮度均勻性與非線性調(diào)節(jié)問題，又滿足了FED輕薄的設(shè)計(jì)要求，是實(shí)現(xiàn)CNT-FED驅(qū)動(dòng)的理想方式。我們所設(shè)計(jì)的碳納米管陰極驅(qū)動(dòng)電路，能夠?qū)崿F(xiàn)字符的動(dòng)態(tài)顯示，顯示效果如圖6所示。
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