CN105654904B - 一种amoled像素电路及驱动方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种AMOLED像素电路及驱动方法,包括第一开关晶体管T1、第二开关晶体管T2、驱动管T3、有机发光二极管OLED、数据线Vdata、第一扫描控制线Vscan1、第二扫描控制线Vscan2、存储电容Cst、编程/擦除信号线Vpe，驱动方法包括阈值电压重置阶段、阈值电压补偿阶段、驱动电压写入阶段以及发光阶段，本发明具有结构和操作简单、尺寸小、开口率高、功耗低等优点，适用于高分辨率、大尺寸的平板显示。

Description

一种AMOLED像素电路及驱动方法
技术领域
本发明涉及一种有源矩阵有机发光二极管(Active-Matrix Organic LightEmitting Diode，AMOLED)像素电路及其驱动方法，属于平板显示技术领域。
背景技术
平板显示(Flat Panel Display,FPD)广泛应用于电视、计算机、平板电脑及智能手机等各类电子产品中，在电子信息产业中具有举足轻重的作用。作为平板显示的新兴代表，AMOLED显示具有自主发光、视角宽、色彩鲜艳、对比度高、工作温度范围宽(在零下40℃仍可工作)及适于柔性显示等优点，近年来发展势头迅猛。
像素电路是构成平板显示的基本单元，一个典型的AMOLED像素电路由两个薄膜晶体管(2T，T表示Transistor)、一个存储电容(1C,C表示Capacitor)及有机发光二极管OLED构成,呈2T1C结构。其中，一个晶体管作为开关管，用于控制数据线对存储电容进行充电的通路；另外一个晶体管则作为驱动管，为OLED提供驱动电流，并通过驱动电流的大小调节OLED的明暗程度(灰阶)；存储电容则主要用于在OLED发光阶段维持施加在驱动管栅极的驱动电压。但是在实际应用中，无论是何种类型的薄膜晶体管，施加在薄膜晶体管上的电压偏置所产生的应力效应(Bias-Induced Stress,BIS)不可避免地会引起薄膜晶体管的阈值电压发生漂移。由于阈值电压是决定晶体管输出电流的一个关键参数，阈值电压漂移将对驱动管的驱动电流(进而对OLED的灰阶)产生严重影响。因此实际使用时往往要求像素电路具备对其驱动管的阈值电压漂移进行补偿的功能，以提高显示的稳定性能。当前，一个具备阈值电压补偿功能的像素电路通常包含了4个以上的晶体管和2个以上的电容，并需配备数目众多的控制线和数据线才可以进行阈值电压补偿。因此现有技术的像素电路具有尺寸大、开口率低、功耗高、结构和操作复杂等缺点，限制了它在高分辨率、大尺寸平板显示中的应用。
利用双栅薄膜晶体管自身具备阈值电压调节功能的特点，Y.H.Tai等人提出了一种新型的AMOLED像素电路及其驱动方法(Y.H.Tai，L.S.Chou，H.L.Chiu,et al.,IEEEElectron Device Lett.,Vol.33,No.3,pp.393-395,2012)。如图1所示，该像素电路采用双栅薄膜晶体管作为驱动管，呈3T2C结构，具有结构和操作简单、功耗低的优点。然而像素电路中的电容(如存储电容、补偿电容)的尺寸通常远大于晶体管的尺寸，因此像素电路的尺寸主要由电容决定。因此，与现有技术中5T2C等AMOLED像素电路比较，Y.H.Tai等提出的3T2C像素电路虽然减少了晶体管的数目，但在尺寸方面的优势并不显著，仍然存在着尺寸大、开口率低的缺点。
申请号为201510166569X的专利公开了一种像素电路及其驱动方法，该像素电路包括反馈单元和驱动管T1，其中驱动管T1为双栅薄膜晶体管。该电路同样利用了双栅薄膜晶体管自身具备阈值电压调节功能的特点，通过反馈单元来调整施加在T1其中一个栅极上的电压，进而实现T1的阈值电压调节和补偿。该电路呈3T1C结构，但存在以下问题：(1)T1的阈值电压调节范围与施加在其栅极上的电压的极性密切相关，由于施加在T1其中一个栅极上的电压的极性始终为正(与电源电压VDD保持一致)而不能为负，因此，其阈值电压调节范围较窄；(2)在T1其中一个栅极上施加一个大的正电压(如VDD)会引起T1的阈值电压减小，甚至使T1的阈值电压小于零，导致T1处于常导通的状态，进而导致电路中VDD与地之间形成通路，这会引起发光器件的误发光。
申请号为201410442661.X的发明专利公开了一种基于薄膜晶体管的反相器，具体公开了一种薄膜晶体管，如图3所示，该薄膜晶体管包括衬底(10)，设在衬底上的第一栅极(11)，设在衬底(10)上并且覆盖底栅(11)的栅氧化层(12)，设在栅氧化层(12)上的沟道层(13)，设在沟道层(13)上相对两侧的源极(14)、漏极(15)，设在沟道层(13)上以及源极(14)、漏极(15)上的隧穿层(21)，设在隧穿层(21)上的存储层(22)，设在存储层(22)上的阻挡层(23)，以及设在阻挡层(23)上的第二栅极(16)，所述第二栅极(16)位于第一栅极(11)正上方。所述驱动管为具有电荷存储功能的双栅薄膜晶体管，通过调节其存储层中的电荷数目，可调节驱动管的阈值电压。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种结构和操作简单(呈3T1C结构)、尺寸小、开口率高、功耗低的AMOLED像素电路及驱动方法，可有效解决AMOLED像素电路中驱动管的阈值电压漂移引起的显示稳定性问题。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种AMOLED像素电路，包括第一开关晶体管T1、第二开关晶体管T2、驱动管T3、有机发光二极管OLED、数据线Vdata、第一扫描控制线Vscan1、第二扫描控制线Vscan2、存储电容Cst、编程/擦除信号线Vpe，其中：
所述第一开关晶体管T1包括第一开关晶体管漏极、第一开关晶体管栅极以及第一开关晶体管源极，所述第一开关晶体管漏极与数据线Vdata相连接，第一开关晶体管栅极与第一扫描控制线Vscan1相连接，而第一开关晶体管源极与存储电容Cst的A端相连接；
所述第二开关晶体管T2包括第二开关晶体管漏极、第二开关晶体管栅极以及第二开关晶体管源极，所述第二开关晶体管漏极与有机发光二极管OLED的阳极相连接，第二开关晶体管栅极与第二扫描控制线Vscan2相连接，第二开关晶体管源极连接地线Vss；
所述驱动管T3为具备电荷存储功能且能够通过调节其自身存储层中的电荷数目调节其阈值电压的双栅薄膜晶体管；所述驱动管T3包括第一栅极、第二栅极、驱动管漏极以及驱动管源极，所述第一栅极与存储电容Cst的A端相连接，第二栅极与编程/擦除信号线Vpe相连接，驱动管漏极与电源线Vdd相连接，驱动管源极与有机发光二极管OLED的阳极相连接；
所述存储电容Cst的B端以及有机发光二极管OLED的阴极分别与地线Vss相连接。
一种AMOLED像素电路的驱动方法，包括以下步骤：
(1)阈值电压重置阶段：第一扫描控制线Vscan1设为高电平，第二扫描控制线Vscan2设为高电平，电源线Vdd设为低电平，数据线Vdata上的电压设为预置电压Vpreset，编程/擦除信号线Vpe上的电压设为擦电压Ve；利用隧穿机制对驱动管T3进行擦操作使其阈值电压变小；
(2)阈值电压补偿阶段：第一扫描控制线Vscan1和第二扫描控制线Vscan2维持为高电平，电源线Vdd变为高电平，数据线Vdata上的电压维持为预置电压Vpreset，编程/擦除信号线Vpe上的电压变为编程电压Vp；利用沟道热电子注入机制对驱动管T3进行编程操作使其阈值电压变大，完成驱动管T3的阈值电压补偿；
(3)驱动电压写入阶段：第一扫描控制线Vscan1和第二扫描控制线Vscan2维持高电平，数据线Vdata上的驱动电压Vdrive通过第一开关晶体管T1写入到驱动管T3的第一栅极并通过存储电容保持到下一帧更新；
(4)发光阶段：第一扫描控制线Vscan1和第二扫描控制线Vscan2变为低电平，存储电容Cst所保持的驱动电压提供给驱动管T3的第一栅极，驱动有机发光二极管OLED。
优选的：所述利用隧穿机制对驱动管T3进行擦操作使其阈值电压变小的方法：利用F-N隧穿机制或光照辅助F-N隧穿机制，使得电子从驱动管T3的存储层返回到沟道层，且/或空穴从驱动管T3的沟道层注入并存储到存储层。
优选的：所述利用沟道热电子注入机制对驱动管T3进行编程操作使其阈值电压变大的方法：利用沟道热电子注入机制，使电子从驱动管T3的沟道层注入并存储到存储层使得驱动管T3的阈值电压越来越大；当驱动管T3的第二栅极与驱动管源极之间的电压与驱动管T3的阈值电压相等时，驱动管T3的工作状态由饱和状态变为截止状态，沟道热电子消失，进而由沟道层向存储层注入电子的过程停止，存储层中的电子数目不再增加。
有益效果：本发明提供的AMOLED像素电路及驱动方法，相比现有技术，具有以下有益效果：
(1)与现有技术中AMOLED像素电路相比，本发明提出的AMOLED像素电路利用了驱动管自身具备阈值电压调节功能的特点，有效地减少了像素电路中的器件数目以及控制线和数据线的数目，简化了像素电路结构，具有结构和操作简单、尺寸小、开口率高、功耗低的优点。
(2)本发明与Y.H.Tai等提出的3T2C AMOLED像素电路相比，两者在原理上相似，都利用了驱动管自身具有的阈值电压调节功能的特点来构建像素电路。两者的主要不同之处在于：Y.H.Tai等提出的3T2C像素电路利用存储在补偿电容Ccomp中的电荷来设定驱动管的栅极偏置，进行阈值电压的补偿；而本发明中的驱动管自身就具备电荷存储的功能，利用存储在驱动管存储层中的电荷即可进行阈值电压补偿。因此本发明的像素电路无需使用补偿电容，呈3T1C结构，与Y.H.Tai等提出的3T2C像素电路相比，本发明的AMOLED像素电路尺寸更小、开口率更高，更适于在高分辨率、大尺寸平板显示中应用。此外，本发明像素电路中的驱动管借助了非易失性存储器件所具有优异的电荷存储和保持能力的特点，因此较之于电容，具有更加优越的电荷保持能力，可有效防止由于电荷泄漏导致的阈值电压补偿功能失效等问题，具有更高的稳定性。本发明与申请号为201510166569X的专利相比，具有更宽的阈值电压调节范围，并有效防止了OLED误发光。
(3)本发明提出的AMOLED像素电路包含的元件数目少、结构简单，有助于降低产品的制造难度、提高产品成品率及降低产品成本。
综上所述：本发明具有结构和操作简单、尺寸小、开口率高、功耗低等优点，适用于高分辨率、大尺寸的平板显示。
附图说明
图1：(a)为Y.H.Tai等提出的一种基于双栅薄膜晶体管作为驱动管的AMOLED像素电路示意图；(b)为该像素电路的信号时序图。
图2：(a)为本发明提出的一种AMOLED像素电路示意图，(b)为本发明AMOLED像素电路的信号时序图。
图3为现有技术中的驱动管的结构示意图。
图中有：第一开关晶体管T1，第二开关晶体管T2，驱动管T3，存储电容Cst，有机发光二极管OLED，第一扫描控制线Vscan1，第二扫描控制线Vscan2，数据线Vdata，编程/擦除信号线Vpe，电源线Vdd，地线Vss，预置电压Vpreset，驱动电压Vdrive,擦电压Ve，编程电压Vp。
10为衬底，11为第一栅极，12为栅氧化层，13为沟道层，14为驱动管源极、15为驱动管漏极，16为第二栅极，21为隧穿层，22为存储层，23为阻挡层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种AMOLED像素电路，如图2所示，包括第一开关晶体管T1、第二开关晶体管T2、驱动管T3、有机发光二极管OLED、数据线Vdata、第一扫描控制线Vscan1、第二扫描控制线Vscan2、存储电容Cst、编程/擦除信号线Vpe，其中：
所述第一开关晶体管T1用于通过第一扫描控制线Vscan1控制数据线Vdata上的电压写入到驱动管T3中的第一栅极。以及用于通过第一扫描控制线Vscan1控制数据线Vdata上的电压存储到存储电容Cst的通路。所述第一开关晶体管T1包括第一开关晶体管漏极、第一开关晶体管栅极以及第一开关晶体管源极，所述第一开关晶体管漏极与数据线Vdata相连接，第一开关晶体管栅极与第一扫描控制线Vscan1相连接，而第一开关晶体管源极与存储电容Cst的A端相连接。
所述第二开关晶体管T2用于为驱动管T3在阈值电压重置阶段和阈值电压补偿阶段提供由电源线Vdd到地线Vss的通路，并使得有机发光二极管OLED的阳极和阴极在重置阶段和阈值电压补偿阶段短接，防止有机发光二极管OLED在这两个阶段误发光。所述第二开关晶体管T2包括第二开关晶体管漏极、第二开关晶体管栅极以及第二开关晶体管源极，所述第二开关晶体管漏极与有机发光二极管OLED的阳极相连接，第二开关晶体管栅极与第二扫描控制线Vscan2相连接，第二开关晶体管源极连接地线Vss。
所述驱动管T3为具备电荷存储功能的双栅薄膜晶体管，该双栅薄膜晶体管通过调节其存储层中的电荷数目调节其阈值电压，即所述驱动管为具有电荷存储功能的双栅薄膜晶体管，通过调节其存储层中的电荷数目，可调节驱动管的阈值电压。。所述驱动管T3用于根据第一开关晶体管T1和第二开关晶体管T2的控制为有机发光二极管OLED提供驱动电流，控制有机发光二极管OLED的灰阶，并且用于实现对驱动管自身的阈值电压漂移进行补偿。
本实施的驱动管T3可采用如图3所示的驱动管结构。如图3所示，所述驱动管T3包括第一栅极11、第二栅极16、驱动管漏极15以及驱动管源极14，所述第一栅极11用于阈值电压补偿和驱动有机发光二极管OLED，第二栅极16仅用于阈值电压补偿。所述第一栅极11与存储电容Cst的A端相连接，第二栅极16与编程/擦除信号线Vpe相连接，驱动管漏极15与电源线Vdd相连接，驱动管源极14与有机发光二极管OLED的阳极相连接。
在该实施例中，驱动管T3包括由上到下依次设置的第二栅极16、阻挡层23、存储层22、隧穿层21、沟道层13、栅氧化层12以及衬底10，所述栅氧化层12与衬底10相对的一面的形状为凹形，所述第一栅极11设置于衬底10上且栅氧化层12覆盖底栅11上，即所述第一栅极11位于栅氧化层12的的凹形的内部，而所述栅氧化层12的两侧凸起侧端与衬底10相接。所述隧穿层21与沟道层13相对的一面的形状为凸形，所述驱动管源极14设置于沟道层13上，且所述驱动管源极14位于沟道层13的两侧，而所述隧穿层21覆盖在驱动管源极14上，且所述隧穿层2的凸形端与沟道层13连接，即所述驱动管源极14位于隧穿层2的较低的两侧。
所述存储电容Cst的B端连接地线Vss。
所述有机发光二极管OLED的阴极接地线Vss。
一种AMOLED像素电路的驱动方法，如图2b所示，包括以下步骤：
(1)阈值电压重置阶段：第一扫描控制线Vscan1设为高电平，第二扫描控制线Vscan2设为高电平，电源线Vdd设为低电平，数据线Vdata上的电压设为预置电压Vpreset，编程/擦除信号线Vpe上的电压设为擦电压Ve。对驱动管T3进行擦操作，所述擦操作是指通过利用Fowler-Nordheim(F-N)隧穿机制或光照辅助F-N隧穿机制等，将电子从驱动管T3的存储层22返回到沟道层13，且/或空穴从驱动管T3的沟道层13注入并存储到存储层22(称为“擦”操作)。随着擦操作的进行，存储层22中的电子数目越来越少而空穴数目越来越多，进而导致驱动管T3的阈值电压越来越小。
该阶段主要用于重置驱动管T3存储层中的电荷及驱动管T3的阈值电压，为后续进行阈值电压补偿做准备。在该阶段，擦操作进行的程度越深，则像素电路能进行阈值电压补偿范围就越广，但是会导致花费的时间变长，工作速度越慢。因此可根据具体应用决定“擦”操作进行的深度。
(2)阈值电压补偿阶段：第一扫描控制线Vscan1和第二扫描控制线Vscan2维持为高电平，电源线Vdd变为高电平，数据线Vdata上的电压维持为预置电压Vpreset，编程/擦除信号线Vpe上的电压变为编程电压Vp。对驱动管T3进行编程操作，所述编程操作是指通过利用沟道热电子(Channel Hot Electron，CHE)注入机制，电子从驱动管T3的沟道层13注入并存储到存储层22(称之为“编程”操作)。随着编程操作的进行，存储层22中的电子数目越来越多，进而导致驱动管T3的阈值电压越来越大，当驱动管T3的第二栅极与驱动管源极之间的电压与驱动管T3的阈值电压相等时，驱动管T3的工作状态由饱和状态变为截止状态，沟道热电子消失，进而由沟道层13向存储层22注入电子的过程停止，存储层22中的电子数目不再增加。
该阶段实现了对驱动管的阈值电压进行补偿，解决了驱动管阈值电压漂移的问题。为了说明补偿机理，设在驱动管的存储层22没有存储电荷的条件下驱动管的初始阈值电压为Vth0，工作一段时间后由于BIS等引起的阈值电压为Vth1。当Vth1>Vth0时，与Vth0的情况相比，在该阶段注入并存储到存储层22中的电荷数将减少，进而导致由存储层22中的电荷引起的阈值电压增加量减小；当Vth1<Vth0时,与Vth0的情况相比，在该阶段注入并存储到存储层22中的电荷数增多，进而导致由存储层22中的电荷引起的阈值电压增加量变大。因此通过调节驱动管存储层22中的电荷，驱动管总的阈值电压会维持一个稳定值，从而实现阈值补偿。
(3)驱动电压写入阶段：第一扫描控制线Vscan1和第二扫描控制线Vscan2维持高电平，数据线Vdata上的驱动电压Vdrive通过第一开关晶体管T1写入到驱动管T3的第一栅极并通过存储电容保持到下一帧更新。
(4)发光阶段：第一扫描控制线Vscan1和第二扫描控制线Vscan2变为低电平，存储电容Cst所保持的驱动电压提供给驱动管T3的第一栅极，驱动有机发光二极管OLED。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种AMOLED像素电路的驱动方法，所述AMOLED像素电路包括第一开关晶体管T1、第二开关晶体管T2、驱动管T3、有机发光二极管OLED、数据线Vdata、第一扫描控制线Vscan1、第二扫描控制线Vscan2、存储电容Cst、编程/擦除信号线Vpe，其中：
所述第一开关晶体管T1包括第一开关晶体管漏极、第一开关晶体管栅极以及第一开关晶体管源极，所述第一开关晶体管漏极与数据线Vdata相连接，第一开关晶体管栅极与第一扫描控制线Vscan1相连接，而第一开关晶体管源极与存储电容Cst的A 端相连接；
所述第二开关晶体管T2包括第二开关晶体管漏极、第二开关晶体管栅极以及第二开关晶体管源极，所述第二开关晶体管漏极与有机发光二极管OLED的阳极相连接，第二开关晶体管栅极与第二扫描控制线Vscan2相连接，第二开关晶体管源极连接地线Vss；
所述驱动管T3为具备电荷存储功能且能够通过调节其自身存储层中的电荷数目调节其阈值电压的双栅薄膜晶体管；所述驱动管T3包括第一栅极、第二栅极、驱动管漏极以及驱动管源极，所述第一栅极与存储电容Cst的A端相连接，第二栅极与编程/擦除信号线Vpe相连接，驱动管漏极与电源线Vdd相连接，驱动管源极与有机发光二极管OLED的阳极相连接；
所述存储电容Cst的B端以及有机发光二极管OLED的阴极分别与地线Vss相连接；
其特征在于，包括以下步骤：
（1）阈值电压重置阶段：第一扫描控制线Vscan1设为高电平，第二扫描控制线Vscan2设为高电平，电源线Vdd设为低电平，数据线Vdata上的电压设为预置电压Vpreset，编程/擦除信号线Vpe上的电压设为擦电压Ve；利用隧穿机制对驱动管T3进行擦操作使其阈值电压变小；
（2）阈值电压补偿阶段：第一扫描控制线Vscan1和第二扫描控制线Vscan2维持为高电平，电源线Vdd变为高电平，数据线Vdata上的电压维持为预置电压Vpreset，编程/擦除信号线Vpe上的电压变为编程电压Vp；利用沟道热电子注入机制对驱动管T3进行编程操作使其阈值电压变大，完成驱动管T3的阈值电压补偿；
（3）驱动电压写入阶段：第一扫描控制线Vscan1和第二扫描控制线Vscan2维持高电平，数据线Vdata上的驱动电压Vdrive通过第一开关晶体管T1写入到驱动管T3的第一栅极并通过存储电容保持到下一帧更新；
（4）发光阶段：第一扫描控制线Vscan1和第二扫描控制线Vscan2变为低电平，存储电容Cst所保持的驱动电压提供给驱动管T3的第一栅极，驱动有机发光二极管OLED。
2.根据权利要求1所述的AMOLED像素电路的驱动方法，其特征在于：所述驱动管T3包括由上到下依次设置的第二栅极（16）、阻挡层（23）、存储层（22）、隧穿层（21）、沟道层(13)、栅氧化层(12)以及衬底(10)，所述栅氧化层(12)与衬底(10)相对的一面的形状为凹形，所述第一栅极(11)设置于栅氧化层（12）的凹形内部，且所述栅氧化层(12)的两侧凸起侧端与衬底（10）相接；所述隧穿层（21）与沟道层（13）相对的一面的形状为凸形，驱动管源极（14）设置于隧穿层（2）凸形一面较低的两侧上，且所述隧穿层（2）的凸形端与沟道层（13）连接。
3.根据权利要求1所述的AMOLED像素电路的驱动方法，其特征在于：所述利用隧穿机制对驱动管T3进行擦操作使其阈值电压变小的方法：利用隧穿机制使得电子从驱动管T3的存储层返回到沟道层，且/或空穴从驱动管T3的沟道层注入并存储到存储层。
4.根据权利要求3所述的AMOLED像素电路的驱动方法，其特征在于：所述隧穿机制包括F-N隧穿机制或光照辅助F-N隧穿机制。
5.根据权利要求1所述的AMOLED像素电路的驱动方法，其特征在于：所述利用沟道热电子注入机制对驱动管T3进行编程操作使其阈值电压变大的方法：利用沟道热电子注入机制，使电子从驱动管T3的沟道层注入并存储到存储层使得驱动管T3的阈值电压越来越大；当驱动管T3的第二栅极与驱动管源极之间的电压与驱动管T3的阈值电压相等时，驱动管T3的工作状态由饱和状态变为截止状态，沟道热电子消失，进而由沟道层向存储层注入电子的过程停止，存储层中的电子数目不再增加。
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