阈值电压补偿技术:从2T1C 到 6T1C -3

上一节我们说到 2T1C 通过增加

  • 选择晶体管(STFT)
  • 存储电容(CST)
  • 多路复用技术

解决了两个问题:

  • 面内像素的独立控制

  • 像素亮度的保持

对于AMOLED显示而言,亮度均匀性是衡量其显示品质的核心指标。然而,作为每个像素“心脏”的驱动薄膜晶体管,其阈值电压 却存在两大挑战:

空间不均匀性:由于制造工艺的限制,遍布于面板上的数百万个TFT,其Vth在出厂时就存在微小的差异。
时间不稳定性:在长期使用过程中,TFT受到电学应力和温度影响,Vth会随时间发生漂移,且漂移程度在不同像素间也可能不同。

OLED是电流驱动型器件,其亮度由流过自身的电流精确控制。在简单的2T1C电路中,此电流由驱动管的栅源电压决定。Vth的任何微小波动,都会直接改变驱动电流,最终在屏幕上表现为令人不悦的亮度不均,即Mura现象。因此,Vth补偿是实现高品质AMOLED显示的核心技术门槛。


1,TFT vth 的来源??(记住蓝色的字即可)


定义:源极和漏极之间导通时的最小电压(NMOS),公式如下

材料与工艺因素通常会直接影响电荷分布与缺陷状态:

  • 沟道掺杂:向沟道区域注入硼(B)等杂质,会增加体电荷密度,需要更高的栅压来克服这些电荷才能形成沟道,从而导致Vth正偏。

  • 栅介质(GI)电荷(改变平带电压):
       固定电荷(Fixed charge):界面附近不可移动的正/负电荷。
陷阱电荷(Interface/bulk traps):可俘获载流子,影响有效栅压。
    • 有源层质量

      缺陷(如氧空位、悬挂键、晶界)充当电荷陷阱或施主/受主中心。

      氧空位(在 IGZO 中)→ 施主态 → 提供自由电子 → 降低 Vth。

      悬挂键或杂质 → 陷阱态 → 捕获载流子 → 导致 Vth、漂移

    2,TFT vth 对亮度的影响?(NMOS管为例)


    相对于参考设计Vth,面板上不同位置的 TFT 可能有的正偏、有的负偏、有的不变:
    • Vth 正偏:器件更难开启 → 需要更大的正栅压才能导通

    关态漏电流降低:有利于黑态功耗

    • Vth 负偏:器件更容易开启,甚至变为常开(normally-on, Vth<0)

    关态漏电流增大 → 静态功耗上升

    在饱和区(发光阶段),漏极电流满足:I = k * (Vgs - Vth)² 
    每个pixel DTFT 有各自的vth ,即使Vgs 是同一个值,也会有不同的电流,即每个OLED pixel  亮度存在差异。


    3,像素电路vth 内补偿设计(3T1C)


    为了补偿vth,我们可以让驱动电压到达栅极的过程 经过 DTFT,从2T1C 像素电路变成 右边的3T1C 电路:

    • 充电的过程:


    (假定这个阶段PVDD 和 PVEE,两处是断路)

    (同时假定,初始的栅极电压是一个较大的电压,确保驱动电压可正常写入)


    当Scan 信号打开,电荷逐渐从驱动电极注入CST

    栅极电压从高到低逐渐减小,当 Vgs-Vth =0 停止,电荷锁入 CST

    即栅极电压  Vg = 驱动电压 +vth ,即实现了vth 的抓取

    此时 电容上下极电压差: delta V = 驱动电压 +vth -PVDD


    • 发光的过程:


    当Scan信号关闭, Vs 从原来的 驱动电压,变成了 PVDD

    Vgs  = 驱动电压 +vth - PVDD


    发光阶段电流:I = k * (Vgs - Vth)² 
    = k * (驱动电压 +vth - PVDD - Vth)² 
    k * (驱动电压 - PVDD )² 
    两侧的vth相抵,互相补偿,发光时的状态全由 PVDD 和驱动电压来控制

    4,解决 充电 PVDD 和 PVEE  干扰 初始栅极电压的影响(6T1C)

    ---我们加了两个EM的TFT,用来控制PVDD 和 PVEE的干扰
    充电阶段,关闭
    发光阶段,打开
    ---栅极加了一个初始化栅极电压的开关,用来在驱动电压到来前确保栅极高电位,DTFT打开状态

    那么时序就很容易得出来:

    1. 复位初始化:EM-Scan低电平,隔离电源干扰
    2. 栅极初始化:Scan2高电平,确保DTFT开启状态
    3. 数据写入:Scan2低电平,Scan1高电平,写入Vdata并完成Vth提取
    4. 发光显示:Scan1低电平,EM-Scan高电平,OLED按补偿后电流发光

    5,技术演进与前沿发展

    1. 复杂补偿电路结构

    随着显示需求提高,出现了更复杂的补偿结构:

    7T1C电路:在6T1C基础上增加OLED旁路晶体管,更彻底消除残影

    4T2C电路:采用双栅极TFT设计,通过底栅极电位调控Vth值

    2. LTPO宽频驱动技术

    LTPO技术结合LTPS(高频性能好)和氧化物(如IGZO,关态电流低)两种TFT优点,支持1~120Hz刷新率自适应调节,大幅降低动态功耗。

    3. 一次锁存(OTD)架构

    OTD架构创新性地将Vth锁存与数据刷新分离,将补偿频率降至数据刷新频率的1/N(如每20帧补偿一次),高刷新率下动态功耗降低超50%。