[发明专利]硅基有源有机发光二极管显示器像素电路

说明书

【技术领域】：

本发明属于有机发光二极管显示器技术领域，特别涉及一种硅基有源有机发光二极管显示器像素电路。

【背景技术】：

硅基有源有机发光二极管(OLED)显示及其像素电路特点

硅基有源有机发光二极管(AMOLED)显示作为新型微显示技术充分结合了OLED与CMOS工艺的优点，在近眼显示领域占有独特优势。首先OLED为自发光器件，无需背光源，相应液晶微显示器背光源所需的偏光器、分光镜、散光屏等光学配件都可省去；同时OLED只有在需要时才发光，对于视频显示而言，平均显示亮度为屏幕全白显示时亮度的25％，而液晶显示的背光源要求工作时间一直点亮，与OLED的全白显示一样，因而在整个系统功耗上OLED显示优势更为明显。其次OLED可在较低电压下(3～10V)发光，其工作状态与传统二极管类似；第三，由于单晶硅MOS管载流子迁移率很高，电路工作速度快，因而可将相关驱动及接口电路集成在背板上，减少整个显示系统元件个数，在降低成本的同时还能减轻微显示系统的重量，这一点对于头盔式近眼显示应用而言尤为重要。此外相对于液晶微显示技术而言，硅基AMOLED还有响应速度快、工作温度范围宽等优点，而且实现了全固态显示，更为结实可靠，在近眼显示领域发展潜力更大。

作为微显示应用而言，硅基AMOLED与普通平板显示OLED有所区别。平板显示OLED一般为直视型器件，而微显示器一般需借助光学放大观看，观看者看到的是放大的虚像。因而相对而言平板显示OLED像素面积较大(边长一般为100至400um)，而硅基微显示器像素面积相对要小很对，一般边长为10至20微米左右。另外平板显示OLED的最大亮度明显要高，一般要求大于500Cd/m²，而微显示一般只要求大于100Cd/m²。这是因为平板显示器往往在较亮的环境光中工作，而用作近眼显示的微显示器往往在密闭环境下工作，受环境光影响较小。同时由于硅基微显示的像素面积较小，根据目前OLED材料的电流密度及近眼显示亮度要求，每个像素所需驱动电流非常小，一般为几百pA至几十nA，相比平板显示OLED而言要小得多。因而为保证显示的均匀性，要求每个像素电流之间的匹配度非常高，要保证如此小电流的精确度对于单晶硅电路设计而言无疑挑战比较大。

与液晶平板显示背板芯片相比，硅基AMOLED背板芯片最大的不同之处就是像素电路的设计，这也是微显示背板芯片设计的一个关键。因为OLED是电流驱动器件，其显示亮度与驱动电流成正比。要实现稳定显示，就要求为OLED提供稳定驱动电流；而且为实现高对比度或多级灰度画面的显示，还要对电流大小进行精确控制，电流幅度的变化范围至少要达到100∶1。硅基AMOLED的像素电路主要分为电压控制与电流控制两种。

经典的2T1C像素电路如图1(a)所示，由两个MOS管和一个电容(2T1C)构成，其中M2为开关管，M1为驱动管，VDD为电源，GND为地。编程期间扫描信号Vscan开启开关管M2，数据电压Vdata对电容充放电，发光期间开关管M2关闭，电容上存储的电压使驱动管M1保持导通，导通电流流入发光层(图中等效为二极管)使其发光。电压控制电路的特点是结构简单，这一点在高分辨率显示中尤为重要，另外电容充电速度快，且易于与现有的液晶显示技术兼容。但其缺点是驱动电流的线性控制较为困难，也即显示的灰度不易控制。从MOS管的饱和电流公式可知，驱动管的饱和电流与其栅源电压|V_GS|并非线性关系，而OLED的亮度与驱动电流成线性关系，由此带来的问题是电压对显示亮度的控制并非线性。

对于硅基AMOLED而言，其像素面积受限，所需驱动电流非常小，而MOS管饱和电流与栅源电压又为非线性关系，因而要想通过电压控制得到稳定一致的小电流，对MOS管的阈值电压稳定性及晶体管尺寸的匹配性要求非常高。因为即使电压值稍有偏差就会对小电流的一致性产生较大影响，很难达到满意的均匀显示效果。另外OLED材料本身存在衰退，随着工作时间的增加，要想维持恒定的驱动电流，所需外加电压要增加，这说明OLED材料的电阻增加，若不增加外加电压，器件显示亮度必然下降。而且OLED衰退的速度与像素电路驱动的模式相关，一般在恒定直流电压驱动下OLED的衰退速度更快一些。因而对于硅基AMOLED电压控制像素电路的设计而言，除了要考虑驱动电流的精度之外，还要考虑补偿OLED材料本身的衰退。