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(xiàn)性調(diào)節(jié)問(wèn)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(zhǎng)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(xiàn)性調(diào)節(jié)問(wèn)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(kāi)啟電壓低、易于制作，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外諸多顯示器廠(chǎng)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(kāi)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(wèn)題
CNT-FED的顯示原理與陰極射線(xiàn)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(yáng)極高速運(yùn)動(dòng)，因受高速電子的轟擊，陽(yáng)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(guò)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(guò)像素單元的伏安特性來(lái)表示，又叫 CNT-FED 調(diào)制特性曲線(xiàn)，如圖1所示。通過(guò)調(diào)節(jié)柵極電壓 Vg 的大小來(lái)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(xiàn)性，另外場(chǎng)發(fā)射存在開(kāi)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(wèn)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(xiàn)的非線(xiàn)性存在差異性，故不能簡(jiǎn)單地通過(guò)固定的非線(xiàn)性校正來(lái)改善其性能，因此，很難通過(guò)控制電壓來(lái)完成亮度控制[16-17]。為了解決這一問(wèn)題，本文提出了陰極電流源控制方法，即通過(guò)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(wèn)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(guò)調(diào)制恒流源的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)灰度級(jí)的調(diào)制，其原理和電壓PMW類(lèi)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(lái)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(lài)于參考電流大小，參考電流的大小依賴(lài)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(wú)關(guān)。T1的作用是用來(lái)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(lái)穩(wěn)定Vz?？梢?jiàn)，圖2恒流源電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，并且輸出電流很穩(wěn)定，與輸入電壓基本沒(méi)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(huà)出一個(gè)像素)，該電路元器件選取時(shí)需要滿(mǎn)足輸出電流Io的要求，同時(shí)T1管要應(yīng)具有良好的開(kāi)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(lái)說(shuō)，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(wú)形中增加了整體驅(qū)動(dòng)電路連線(xiàn)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(xiàn)性調(diào)節(jié)問(wèn)題，又可滿(mǎn)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(zhǎng)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(lái)說(shuō)，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(zhǎng)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(jiǎn)單易行，成本低，這是一種解決FED亮度問(wèn)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(wèn)題，又可解決亮度的非線(xiàn)性調(diào)節(jié)問(wèn)題;實(shí)現(xiàn)了部分驅(qū)動(dòng)電路集成，簡(jiǎn)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(zhǎng)碳納米管發(fā)射陣列。
按事先安排好的矩陣，重復(fù)生長(zhǎng)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(kāi)。
圖5所示為16×16點(diǎn)陣的CNT-FED示意圖。在生長(zhǎng)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(xiàn)驅(qū)動(dòng)連在一起，陰極與數(shù)據(jù)線(xiàn)驅(qū)動(dòng)相連。施加固定高壓在陽(yáng)極上用來(lái)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(wú)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(wú)電流輸出;通過(guò)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(lái)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(guò)分析CNT-FED器件調(diào)制特性得知，陰極電流的精確控制無(wú)法通過(guò)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(yáng)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(xiàn)復(fù)雜，體積龐大，為此，利用碳納米管可生長(zhǎng)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(zhǎng)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(xiàn)性調(diào)節(jié)問(wèn)題，又滿(mǎn)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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