بخشی از مقاله
چکیده -
در این مقاله مدار راهاندازی برای دیود گسیل نوری ارگانیک ارائه شده است. این مدار دارای ساختار آیینه جریان و شامل چهار ترانزیستور و یک خازن است. در ساخت ترانزیستورهای فیلم باریک این مدار از اکسید ایندیوم گالیوم روی استفاده شده است. به دلیل وجود آیینه جریان مشخصههای ترانزیستور راهانداز با دقت قابل حس شدن است. این آیینه جریان به شکل مسیری برای دشارژ گیت ترانزیستور راهانداز است.
روند دشارژ به شدت به ولتاژ آستانه و قابلیت حرکت بستگی دارد. این مدار پس از بررسی نشان میدهد که تغییرات ولتاژ آستانه و قابلیت حرکت جبرانسازی میشود. نتایج توسط نرم افزار H-spice بدست آمده و در مورد آنها بحث خواهد شد. در نهایت این نتایج با مدار راهانداز رایج مقایسه میشود. این مدار دارای رفتار بهتری نسبت به مدارهای گذشته است.
-1 مقدمه
نمایشگر دیود گسیل نوری ارگانیک نسبت به نمایشگرهای کریستال مایع مزایای فراوانی از جمله توان مصرفی پایینتر، دقت بالاتر، کیفیت بهتر و قطر نازکتر دارد1]و.[2 هرچند در تولید این نوع نمایشگرها مشکلاتی از جمله ازهمپاشیدگی جریان راهاندازی دیود گسیل نوری ارگانیک و تفاوت مشخصههای ترانزیستور فیلم باریک وجود دارد. بدین منظور فناوری اکسید فلز ترانزیستورهای فیلم باریک توسعه یافته است. به عنوان مثال به جای سیلیکن غیربلوری هیدروژنی - a-Si.H - یا پلیسیلیکن - poly-Si - از اکسید ایندیوم گالیوم روی - IGZO - استفاده می-شود. که در نمایشگرها مشخصههای بهتری از قبیل قابلیت حرکت کمتر و یکنواختی و پایداری بیشتر را دارا میباشد. هرچند همچنان غیریکنواختی ولتاژ آستانه و قابلیت حرکت وجود دارد
در سالهای گذشته توجه زیادی به طراحی مدارهای راهانداز دیود گسیل نوری ارگانیک صورت گرفته است.[1] این مدارها به دو دسته کلی تقسیم میشوند. مدار پیکسل برنامهریزی شده با ولتاژ - VPPC - و مدار پیکسل برنامهریزی شده با جریان . - CPPC - در برنامهریزی با جریان به دلیل شارژ خازن پارازیتی خطوط دیتا، این نوع مدارها دارای اشکالاتی هستند که از ساخت نمایشگرها در اندازههای بزرگ ممانعت میکنند.[1] در مقابل برای جبران جابهجایی یا غیریکنواختی ولتاژ آستانه مدار نوع برنامهریزی با ولتاژ پیشنهاد میشود.
برای جبرانسازی تغییرات قابلیت حرکت مدارهایی در 2]،3،[7 ارائه شده است. علی رغم مفید بودن این مدارها، تعداد زیاد ترانزیستورهای به کار برده شده نیازمند سیگنالهای کنترلی زیادی است. به دلیل زیاد شدن سیگنالهای کنترلی، ناحیه مفید کاهش یافته و نسبت روزنهی نور نیز کم میشود. همچنین در این مدارها تنها به جبرانسازی ولتاژ آستانه پرداخته شده است و در صورتی که جبرانسازی قابلیت حرکت نیز نیاز باشد، مدار بسیار پیچیدهتر میشود. بنابراین لازم است مدار سادهتری با سیگنالهای کنترل کمتر برای بهبود نمایشگر دیود گسیل نوری ارگانیک طراحی شود.
هدف اصلی این مقاله طراحی یک مدار راهانداز دیود گسیل نوری ارگانیک است که ضمن سادگی، ولتاژ آستانه و تغییرات قابلیت حرکت در آن جبران شود. یکی از ویژگیهای مدار پیشنهادی وجود خازن خودراهانداز است که یک سر آن به خط دیتا و سر دیگر آن به آیینه جریان متصل است و به عنوان حسگر ولتاژ آستانه و قابلیت حرکت ترانزیستور راهانداز را حس میکند.
-2 مدار پیشنهادی و نحوه راهاندازی
شکل 1 مدار پیشنهادی و تصویر زمانبندی آن را نشان می-دهد. این مدار شامل 4 ترانزیستور فیلم باریک و یک خازن است. ترانزیستور 1 که ترانزیستور راهاندازی است جریان دیود گسیل نوری ارگانیک را مهیا میکند. ترانزیستورهای 3 و 4 مسیر دشارژ الکترود گیت ترانزیستور راهاندازی را ایجاد میکنند. خازن C در دوره ابتدایی راهاندازی برای خودراهاندازی استفاده میشود و در دوره انتهایی که همان دوره گسیل نور است در حال ذخیرهسازی شارژ است.
الکترود سمت چپ این خازن به خط دیتا و الکترود سمت راست آن به به مسیر دشارژ و گیت ترانزیستور راهانداز متصل است. بنابراین ولتاژ دیتای به کار برده شده در مدار از این خازن عبور میکند. سیگنالهای خارجی مدار که نقش کنترل و تنظیم مشخصات مدار را به عهده دارند شامل دو خط اسکن و یک خط دیتا میباشند. سطح بالا و پایین خطوط اسکن به ترتیب VH و VL هستند. همچنین سطح بالا و پایین خط دیتا VH و Vref هستند که Vref ولتاژ مرجع خط دیتا میباشد.
شکل- 1 مدار راهانداز دیاگرام زمانی دیود گسیل نوری ارگانیک
1-2 مرحله اول راهاندازی
در مرحله اول scan1 در سطح پایین و scan2 در سطح بالا قرار دارد. با توجه به اینکه ترانزیستورها از نوع P میباشند، در این حالت T3 خاموش و T1 روشن است. لذا گیت ترانزیستور 2 توسط VDD شارژ میشود. بنابراین VG2=VDD خواهد شد.
2-2 مرحله دوم راهاندازی
در مرحله دوم راهاندازی scan1 به سطح بالا میرود و scan2 در سطح پایین قرار میگیرد. بنابراین T3 روشن و T1 خاموش میشود. درنتیجه ولتاژ گیت-سورس ترانزیستور 2 دشارژ می-شود. این کاهش مقدار ولتاژ VGS به شدت به هدایت T4 بستگی دارد. نقدار باقی مانده از VGS در پایان دوره دوم با ولتاژ آستانه و قابلیت حرکت ترانزیستور 4 تعیین میشود. این بدان معناست که قابلیت حرکت بالاتر یا ولتاژ آستانه کمتر باعث میشود شارژ کمتری در -سورس باقی بماند. بنابراین مشتق مرتبه اول VGS ترانزیستور 2 متناسب با جریان عبوری از ترانزیستور 4 است که در ناحیه اشباع صورت میگیرد و به شکل زیر نوشته میشود:
که در این رابطه ʽFE قابلیت حرکت اثر میدان، Cox ظرفیت خازنی گیت، VO مقدار تقریبی ولتاژ روشن شدن دیود گسیل نوری ارگانیک و خط دیتا در طول دوره دوم راهاندازی است. لازم به ذکر است که ولتاژ سورس T2 به وسیلهی نسبت مقاومت معادل ترانزیستور - RT2 - 2 به مقاومت معادل دیود گسیل نوری ارگانیک - ROLED - تعیین میشود. در انتهای دوره دوم راهاندازی که T2 به ناحیهی زیر آستانهای تغییر وضعیت می-دهد، RT2 بسیار بزرگتر از ROLED میشود. بنابراین میتوان VO را با ولتاژ سورس - VS - T2 تقریبا یکسان در نظر گرفت. با انتگرالگیری از معادله - 1 - ، معادله زیر به دست میآید:
که در این رابطه VG مقدار نهایی VGS پس از دورهی دشارژ آن است و t0 و t1 به ترتیب زمانهای آغازین و پایانی دشارژ VGS است. بنابراین میتوان گفت VGS تایعی از زمان دشارژ است که میتوان آن را از رابطه زیر به دست آورد:
عبارات اول و دوم معادله - 3 - بیانگر این است که به دلیل اینکه VGS مطابق با VO و VTH4 افزایش خواهد یافت، ازهمپاشیدگی ولتاژ روشن شدن OLED و ولتاژ آستانه ترانزیستور 4 هر دو قابل جبرانسازی است. عبارت سوم این رابطه نشان میدهد VGS به صورت معکوس با ʽFE ارتباط دارد. در این مورد قابلیت حرکت از مقدار میانگین مربوط به غیریکنواختی کوچکتر است. دشارژ VGS در میان T4 متوقف میشود و مقدار بزرگتری از VGS در پایان دورهی دوم باقی خواهد ماند. بدین ترتیب اگر قابلیت استفاده حرکت به نسبت بزرگ شود، VGS کمتر خواهد شد. در این صورت تغییرات ولتاژ آستانه یا قابلیت حرکت ترانزیستور راه-اندازی قابل جبران است.
عنصر قابل توجه در مدار خازن C است که یک سر آن به خط دیتا و سر دیگر آن به گیت ترانزیستور راهانداز متصل شده است.
در طول دورهی دوم راهاندازی خازن با مقدار شارژ میشود. طبق قانون پایستگی شارژ، برای دورههای متوالی گیت ترانزیستور 2 زمین میشود. تفاوت اصلی این مدار با سایر مدارهای راهاندازی شده با ولتاژ این است که در این مدار پس از دورهی دوم ولتاژ گیت به صورت طبیعی ثابت باقی میماند. هرچند شارژ موجود در خازن صرفنظر از مقدار دقیق Vdata، باقی میماند. به عبارت دیگر اختلاف ولتاژ تا زمانی که scan1 به سطح بالا برود، ثابت میماند.
لازم به ذکر است ولتاژ آستانه و قابلیت حرکت به طور کامل قابل جبرانسازی نیست بنابراین مقادیری خطا در VGS و به وجود خواهد آمد. لذا باید پارمترهای مدار به طور دقیق انتخاب شوند تا جبرانسازی به طور حداکثری صورت پذیرد.
3-2 مرحله گسیل
در مرحلهی گسیل هر دو اسکن در سطح پایین قرار میگیرند و ترانزیستورهای 1و 3 هر دو خاموش میشوند و گره گیت ترانزیستور 2 نیز زمین میشود. خط دیتا در مقدار VH قرار می-گیرد. در مقایسه با مرحلهی قبل مقدار ولتاژ سمت چپ خازن به VH - Vdata افزایش مییابد. بنابراین سمت راست خازن نیز به همین مقدار میرسد. جریان دیود گسیل نوری ارگانیک با رابطه زیر بیان میشود:
که در این رابطه - 2 - ʽFE Cox K 2 = است. با توجه به اتصال گیتها و سورسها ترانزیستورهای 2 و 4 این دو ترانزیستور به شکل آیینه جریان هستند. بنابراین با توجه به ساختار آیینه جریان و فرض یکسان بودن ولتاژهای آستانه و قابلیت حرکت-های این دو ترانزیستور، میتوان رابطه - 4 - را به صورت زیر بازنویسی کرد:
معادله - - 5 نشان میدهد جریان عبوری از OLED مستقل از تغییرات ولتاژ آستانه و قابلیت حرکت است که یک اثر جبران-سازی خوب به وجود آورده است. در [9- 11] تمرکز بر روی جبرانسازی جابهجایی ولتاژ آستانه - VTH - صورت گرفته اما در مدار پیشنهادی هم VTH و هم تغییرات قابلیت حرکت جبران میشود. علاوه بر این در 9]،[ 7 سیگنالهای کنترلی فراوانی برای بهبود مدار به کار برده شده در حالی که سادگی از ویژگیهای مدار پیشنهادی است که این مساله باعث کاهش قیمتها در طراحی و ساخت ICهای نمایشگر میشود.
-3 نتایج شبیهسازی
در شبیهسازی مدار پیشنهادی از نرمافزار H-spice شده است که در آن ترانزیستورها دارای قابلیت حرکت 7/42، ولتاژ آستانه 2/2 V و خازن گیت در واحد مکان nf/cm2 17/27 تنظیم شده است. سایر مقادیر پارامترها در جدول 1 آورده شده است. ناحیه اشغال شده توسط مدار 1450 P2 است که به نسبت مدارهای راهانداز OLED یک مدار کوچک محسوب میشود. همچنین توان مصرفی در ناحیه گسیل نور در حدود 10/2 mW است.
جدول-1 مقادیر پارامترهای مدار راهاندازی
شکل 2 مقادیر سیگنالهای scan، Vdata و IOLED را در زمانهای مختلف نشان میدهد. ابتدا جریان دیود دارای یک بخش گذرا است که در همان مراحل اول و دوم صورت میپذیرد. بعد از بخش گذرا هر سه پالس ورودی صفر میشوند که صفر شدن جریان را در بر دارد. در قسمت نهایی که همان گسیل نور است، جریان دیود در مقداری حدود 194 A ثابت میماند.
