基于電流源控制的CNT-FED驅(qū)動電路設(shè)計

摘要：本文為了實現(xiàn)碳納米管場致發(fā)射顯示器(CNT-FED)的產(chǎn)品化，采用CNT-FED陰極電流源驅(qū)動方法，研究了CNT-FED亮度的均勻性和非線性調(diào)節(jié)問題。從分立元件驅(qū)動電路設(shè)計原理出發(fā)，采用了高穩(wěn)定性陰極電流源像素驅(qū)動電路，將電流源驅(qū)動電路預(yù)先制作在硅基底上，再利用室溫下生長碳納米管(CNT)的方法，將CNT發(fā)射體和電流源驅(qū)動電路集成在同一硅襯底上，最終實現(xiàn)了集成CNT-FED驅(qū)動電路的設(shè)計。該驅(qū)動電路解決了CNT-FED亮度均勻性和非線性調(diào)節(jié)問題，對場射顯示器驅(qū)動電路的應(yīng)用研究和CNT-FED驅(qū)動電路的集成化具有參考意義。

引言

　　場發(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，使其在場發(fā)射、高強度的復(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、開啟電壓低、易于制作，近年來國內(nèi)外諸多顯示器廠家、研究機構(gòu)以及高校等投入了大量資金和人力對其進行全面和系統(tǒng)的研究與開發(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)計與制作上^[7-8]，CNT-FED的產(chǎn)品化需要配套的驅(qū)動電路控制系統(tǒng)，這是CNT-FED實現(xiàn)量產(chǎn)的一個重要技術(shù)，而目前CNT-FED驅(qū)動控制電路的研究相對滯后，尤其亮度控制是驅(qū)動電路的關(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)動電路的亮度控制的原理和實現(xiàn)方法。

1 CNT-FED的工作原理及存在的問題

　　CNT-FED的顯示原理與陰極射線管(CRT)相似^[9-10]，由CNT陰極向真空發(fā)射電子，然后電子在電場的作用下向陽極高速運動，因受高速電子的轟擊，陽極板上的熒光粉發(fā)光。當(dāng)熒光粉發(fā)光效率和電子運動的速度確定時，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，通過控制陰極電子的發(fā)射能力就能實現(xiàn)顯示器的亮度控制，在三極型FED中^[14-15]，陰極電子發(fā)射的強弱受柵極電壓Vg產(chǎn)生的電場決定，即 Vg控制著發(fā)射電流的大小，其發(fā)射特性可通過像素單元的伏安特性來表示，又叫 CNT-FED 調(diào)制特性曲線，如圖1所示。通過調(diào)節(jié)柵極電壓 Vg 的大小來改變發(fā)射電流，進而實現(xiàn)亮度控制，從圖1可以看出調(diào)制特性存在嚴(yán)重的非線性，另外場發(fā)射存在開啟電壓Vt，只有當(dāng)Vg大于等于Vt時，才能產(chǎn)生場發(fā)射。矩陣尋址是FED平板顯示器通常采用的顯示方式，其每個像素單元相對獨立工作，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)動陰極時，就會出現(xiàn)兩個問題：一是電壓相同時會產(chǎn)生大小不同的電流，這將會導(dǎo)致亮度的不均勻;二是由于像素點間I/V特性曲線的非線性存在差異性，故不能簡單地通過固定的非線性校正來改善其性能，因此，很難通過控制電壓來完成亮度控制^[16-17]。為了解決這一問題，本文提出了陰極電流源控制方法，即通過對在陰極添加電流源，強迫陰極的發(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問題。電流驅(qū)動的原理是在陰極的驅(qū)動電路中采用恒流源電流驅(qū)動模式，恒流源輸出電流I_o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，故可實現(xiàn)顯示屏亮度的均勻一致。通過調(diào)制恒流源的導(dǎo)通時間來實現(xiàn)對灰度級的調(diào)制，其原理和電壓PMW類似，由于工藝上很難實現(xiàn)CNT陰極的均勻制備，因此電流驅(qū)動是保證均勻顯示的理想方式。恒流源輸出電流I_o具體值要根據(jù)CNT陰極材料的特性來決定，要能保證I_o在PWM調(diào)制下，最大占空比輸出電流時，顯示屏的最大亮度達(dá)到要求。

2 CNT-FED驅(qū)動電路設(shè)計

2.1 高穩(wěn)定電流源電路原理

　　基本電流源輸出電流I_o依賴于參考電流大小，參考電流的大小依賴于輸入電壓V_CC，因此V_CC的穩(wěn)定性決定了恒流源輸出電流I_o的穩(wěn)定性;如果采用高輸出電阻電流源，其輸出電阻數(shù)量級可達(dá)到兆歐級，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V_Z，則電流源的輸出： ,此時，I_o與電源電壓無關(guān)。T1的作用是用來穩(wěn)定 V_z ， 。

　　假設(shè)某原因?qū)е耉_Z升高 ，則Vgs下降，I_b 隨之下降，I_DZ隨之下降 ，最后V_z隨之下降;反之， V_z下降，Vgs升高，I_b隨之升高 ，I_DZ隨之升高，最后V_z升高。這種電路相當(dāng)于引入了一個負(fù)反饋以此來穩(wěn)定V_z?？梢姡瑘D2恒流源電路結(jié)構(gòu)簡單，并且輸出電流很穩(wěn)定，與輸入電壓基本沒有關(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)動電路設(shè)計

　　分立元件電流源驅(qū)動電路原理如圖3所示(只畫出一個像素)，該電路元器件選取時需要滿足輸出電流Io的要求，同時T1管要應(yīng)具有良好的開關(guān)特性。