一種TFT模擬仿真與計(jì)算方法*

馬小龍

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院　西安　710021)

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一種TFT模擬仿真與計(jì)算方法*

馬小龍

(西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院西安710021)

摘要隨著顯示行業(yè)的發(fā)展,AMOLED技術(shù)成為目前的主流技術(shù)。其中的薄膜晶體管(TFT)成為AMOLED顯示質(zhì)量的主要影響因素,閾值電壓作為TFT性能的主要特征參數(shù)之一,其提取和計(jì)算方法至關(guān)重要。論文利用ATLAS仿真工具進(jìn)行TFT結(jié)構(gòu)和特性的仿真,然后提取TFT仿真的轉(zhuǎn)移特性曲線數(shù)據(jù)結(jié)果以及結(jié)合EXCEL工具計(jì)算出TFT閾值電壓的值。其方法簡(jiǎn)單有效,計(jì)算過程直觀,利于研究后期TFT的性能優(yōu)化。

關(guān)鍵詞AMOLED; 薄膜晶體管; 閾值電壓; 提取; ATLAS; EXCEL

Class NumberTN6

1　引言

隨著平板顯示的發(fā)展,有機(jī)電致發(fā)光二極管(OLED)顯示器作為新一代平板顯示器以其獨(dú)特的主動(dòng)發(fā)光、低功耗、響應(yīng)速度快、寬視角、可制成柔性面板等特點(diǎn)被視為21世紀(jì)最具前途的技術(shù)之一[1]。OLED作為電流驅(qū)動(dòng)主動(dòng)發(fā)光型器件,可將其按驅(qū)動(dòng)方式分為無源矩陣有機(jī)電致發(fā)光器件(PMOLED)和有源矩陣有機(jī)電致發(fā)光器件(AMOLED),PMOLED采用行列掃描的方式驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的像素發(fā)光,相當(dāng)于給OLED脈沖電流的方式,而在AMOLED中,每個(gè)發(fā)光像素都有獨(dú)立的TFT電路驅(qū)動(dòng)[2]。相比兩種驅(qū)動(dòng)技術(shù),后者相比前者其像素電路中器件功耗更小,器件壽命更長(zhǎng),因此AMOLED驅(qū)動(dòng)方式成為目前OLED顯示的主流技術(shù)。

AMOLED中TFT的性能直接影響著顯示的效果和質(zhì)量,其閾值電壓作為TFT的主要性能參數(shù)之一直接決定AMOLED顯示的開啟電壓,TFT閾值電壓越小,顯示功耗越小。針對(duì)TFT閾值電壓的計(jì)算,國內(nèi)外有多種計(jì)算方法,本文提出了一種結(jié)合ATLAS和EXCEL來計(jì)算TFT閾值電壓的方法,該方法簡(jiǎn)單直接,具有一定的應(yīng)用價(jià)值,大大節(jié)約了計(jì)算時(shí)間和成本,為TFT器件性能的優(yōu)化工作提供了良好的技術(shù)依據(jù)。

2　多晶硅薄膜晶體管的仿真

目前應(yīng)用最多的AMOLED TFT采用的有單晶硅薄膜晶體管(a-Si TFT)和多晶硅薄膜晶體管(p-Si TFT),對(duì)于非晶硅而言,其晶格結(jié)構(gòu)是無序的,晶格在隨機(jī)方向延伸,這種無序結(jié)構(gòu)阻礙了電子的順利輸運(yùn),而在多晶硅內(nèi)部,電子可以在有序的晶格體系中更為高效的傳導(dǎo)[3]。相比于非晶硅薄膜晶體管(a-Si),p-Si TFT的元件性能要高出100多倍,其載流子遷移率高出一兩個(gè)數(shù)量級(jí),具有優(yōu)越的傳輸特性、閾值電壓的漂移相對(duì)較小[4],而且要實(shí)現(xiàn)所需的亮度輸出,信號(hào)電壓、掃描電壓和源電壓都相對(duì)比較小,從功耗的角度看有很大的優(yōu)勢(shì)[5],并可將周邊電路集成到玻璃基板上,減少驅(qū)動(dòng)的外部IC數(shù)量,并使連接端子數(shù)減少到1/20,大大提高了產(chǎn)品的可靠性,它還有縮小像素尺寸、提高開口率、易實(shí)現(xiàn)高清晰化等優(yōu)點(diǎn)[6]。特別是低溫多晶硅,更是廣泛應(yīng)用于AMOLED中[7]。因此,本文采用p-Si TFT進(jìn)行TFT仿真對(duì)象,具有更好的實(shí)際應(yīng)用意義。

目前大多數(shù)TFT仿真都是采用SPICE仿真軟件,該軟件是由美國加州伯克利大學(xué)開發(fā)出的SPICE電路仿真軟件[8～9]。但是大多數(shù)采用SPICE仿真工具進(jìn)行TFT仿真的都是在已有模型參數(shù)的基礎(chǔ)上開始的,其模型參數(shù)來著于實(shí)驗(yàn)結(jié)果,相當(dāng)于先做了制作TFT的物理實(shí)驗(yàn),然后把實(shí)驗(yàn)參數(shù)代入SPICE仿真軟件中進(jìn)行后期的仿真研究,因此此方法加大了研究時(shí)間和成本,并且該軟件側(cè)重于器件應(yīng)用的電路級(jí)仿真,特別是其包括的HSPICE大多數(shù)應(yīng)用于TFT像素補(bǔ)償電路級(jí)仿真[10]。在沒有研究設(shè)備和條件的情況下,本文采用TFT仿真軟件為SILVACO公司的ATLAS系統(tǒng)仿真軟件,該軟件本身屬于半導(dǎo)體器件仿真工具,該軟件可以在沒有實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料以及實(shí)驗(yàn)條件下,通過修改ATLAS系統(tǒng)中的器件結(jié)構(gòu)、材料和物理機(jī)理等進(jìn)行TFT的器件性能仿真。其建立器件的一般步驟為:定義網(wǎng)格,定義材料區(qū)域,定義電極,定義摻雜,定義材料類型,定義物理模型,定義接觸模型。建立的器件用Tonyplot直接顯示出來,以便于查看修改。該方法直觀有效,大大提高了研究成本和效率。

在ATLAS系統(tǒng)中的Deckbuild下進(jìn)行TFT器件的仿真,器件模型如圖1所示。本文采用的p-Si模型為典型的器件模型,包括缺陷態(tài)密度、衰變能、峰值能、電子/空穴捕獲橫截面等。通過修改漏極電壓Vd的大小,來得出p-Si TFT不同的轉(zhuǎn)移特性曲線,轉(zhuǎn)移特性曲線如圖2所示,從而進(jìn)行后面參數(shù)的計(jì)算。

圖1　ATLAS中TFT器件結(jié)構(gòu)模型

圖2　ATLAS中TFT Vd=5V的轉(zhuǎn)移特性曲線

3　TFT閾值電壓的計(jì)算

3.1數(shù)據(jù)的提取

本文設(shè)定了8組TFT漏極電壓數(shù)據(jù)條件,分別是漏極電壓為5V、10V、15V、20V、25V、30V、35V、40V,在ATLAS系統(tǒng)里也可以直接通過修改語句來得到仿真效果圖,如圖3所示,但是可以明顯看出各組仿真曲線并不清晰,所以本文根據(jù)前面ATLAS仿真軟件得到的結(jié)果,首先是將p-Si TFT仿真數(shù)據(jù)提取出來,包括柵極電壓和對(duì)應(yīng)的漏極電流等。

通過Tonyplot提取出的數(shù)據(jù)以str文件保存下來,本文利用UltraEdit工具打開該文件并將柵極電壓和對(duì)應(yīng)的漏極電流保存到EXCEL工具中,當(dāng)然也可以用TXT格式打開,但是相比UltraEdit而言,打開的柵極電壓和對(duì)應(yīng)的漏極電流沒有格式可言,容易造成數(shù)據(jù)提取的混亂,UltraEdit打開的格式是一對(duì)一的關(guān)系,直接有序,利于數(shù)據(jù)的提取,提取之后然后在EXCEL中整合各組數(shù)據(jù)。

圖3　ATLAS中TFT不同漏極電壓下的轉(zhuǎn)移特性曲線

3.2閾值電壓的計(jì)算

圖4　各漏極電壓下的特性曲線

表1　漏極電壓為15V時(shí)的p-Si TFT仿真在EXCEL中的回歸值

因此通過EXCEL的回歸功能將圖4所示的數(shù)據(jù)計(jì)算出有用的值來,本文列出了漏極電壓為15V時(shí)所用EXCEL的回歸功能計(jì)算出的部分?jǐn)?shù)值,如表1所示。此漏極電壓為15V的條件下,其p-Si TFT閾值電壓的值為Intercept的絕對(duì)值除以X Variable 1的值,然后計(jì)算出其他組的各閾值電壓,最后在EXCEL中整合出的閾值電壓變化規(guī)律如表2所示,由該圖可以看出在一定的漏極電壓范圍內(nèi),隨著漏極電壓的增大,閾值電壓逐漸增大,且增大的幅值逐漸減小。至此可以看出,通過EXCEL工具進(jìn)行閾值電壓的計(jì)算簡(jiǎn)單直接,有效地將變化規(guī)律展現(xiàn)出來,對(duì)以后的TFT性能的優(yōu)化具有一定的意義。

表2　各漏極電壓下的p-Si TFT的Vth對(duì)應(yīng)的值

圖5　各漏極電壓下的p-Si TFT的Vth變化曲線

4　結(jié)語

隨著平板顯示行業(yè)中AMOLED像素電路主流的發(fā)展,薄膜晶體管TFT作為影響顯示質(zhì)量和效果的主要器件,也逐漸成為顯示行業(yè)的研究重點(diǎn),閾值電壓作為TFT性能的主要特征參數(shù)之一更加具有研究?jī)r(jià)值,本文利用SILVACO公司的ATLAS仿真工具仿真出p-Si TFT物理模型及轉(zhuǎn)移特性曲線,然后提取出各組不同漏極電壓下TFT特性曲線的柵極電壓和漏極電流的參數(shù)值,最后利用EXCEL工具進(jìn)行閾值電壓的計(jì)算,通過圖形曲線的方式展現(xiàn)TFT閾值電壓的變化規(guī)律,該方法還可以用于器件工程上其他計(jì)算過程,相比與其他TFT閾值電壓研究方法,該方法簡(jiǎn)單直接有效,具有一定的應(yīng)用價(jià)值,節(jié)約了研究時(shí)間和成本,有利于以后研究TFT的性能優(yōu)化。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 徐小麗,劉如,郭小軍,等.基于不同TFT技術(shù)的AMOLED像素電路仿真分析[J].液晶與顯示,2010,25(4):565-568.

XU Xiaoli, LIU Ru, GUO Xiaojun, et al. Based on Different TFT AMOLED Technology Pixel Circuit Simulation Analysis[J]. LCD and Display,2010,25(4):565-568.

[2] 郭英英,李榮玉,梁寶聞,等.AM-OLED四管像素驅(qū)動(dòng)電路特性研究[J].液晶與顯示,2008,23(6):667-670.

GUO Yingying, LI Rongyu, LIANG Baowen, et al. AM-OLED quads pixel driving circuit characteristic research[J]. LCD and Display,2008,23(6):667-670.

[3] Jenny Donelan.綜述:低溫多晶硅技術(shù)[J].現(xiàn)代顯示Advanced Display,2010,117:5-7.

Jenny Donelan. Review: Low Temperature Polycrystalline Silicon Technology[J]. Modern Display Advanced Display,2010,117:5-7.

[4] 司玉娟,李春星,劉式墉.有源OLED兩管TFT像素驅(qū)動(dòng)電路的仿真研究[J].發(fā)光學(xué)報(bào),2002,23(5):518-522.

SI Yujuan, LI Chuncheng, LIU Shiyong. Two Tube TFT Active OLED Pixel Driving Circuit Simulation[J]. Journal of Luminescence,2002,23(5):518-522.

[5] 沈匿,林祖?zhèn)?陳文彬,等.AMOLED像素電路的設(shè)計(jì)與仿真[J].電子器件,2011,34(5):550-554.

SHEN Ni, LIN Zulun, CHEN Wenbin, et al. AMOLED Pixel Circuit Design and Simulation[J]. Electronic Devices,2011,34(5):550-554.

[6] 王江濤,陳向?qū)?多晶硅薄膜晶體管性能研究[J].現(xiàn)代顯示Advanced Display,2011,124:37-41.

WANG Jiangtao, CHEN Xiangning. Polycrystalline Silicon Thin Film Transistor Performance Study[J]. Modern Display Advanced Display,2011,124:37-41.

[7] 丁媛媛,司玉娟,郎六琪.基于P-Type多晶硅TFT技術(shù)的集成型有源OLED驅(qū)動(dòng)電路[J].電子器件,2008,31(1):77-81.

DING Yuanyuan, SI Yujuan, LANG Liuqi. Based on P-Type polysilicon TFT Technology Integrated Active OLED Driving Circuit[J]. Electronic Devices,2008,31(1):77-81.

[8] Oh M, Leem H, Yoon S, et al. Charge pump circuit for depletion-mode oxide TFTs[J]. Electronics Letters,2011,47(6):378-380.

[9] Tinivella R, Camarchia V, Pirola M, et al. Simulation and design of OFET RFIDs through an analog/digital physics-based library[J]. Organic Electronics,2011,12(8):1328-1335.

[10] Zhang Yongwen, Chen Wenbin. A new LTPS TFT AC pixel circuit for an AMOLED[J]. Journal of Semiconductors,2013,34(1):015009-1-5.

[11] 黃海琴.ZnO基薄膜晶體管的研制[D].北京:北京交通大學(xué),2012.

HUANG Haiqin. The development of the ZnO based thin film transistor[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University,2012.

[12] Lee H-G, Oh S-Y, Fuller G. A simple and accurate method to measure the threshold voltage of An enhancement-mode MOSFET[J]. Electron Devices, IEEE Transaction on,1982,29(2):346-348.

[13] Jain S. Measurement of threshold voltage and channel length of submicron MOSFETs[J]. Solid-State and Electron Device, IEE Proceeding I,1988,135(6):162-164.

[14] Lee H-G, Oh S-Y, Fuller G. A simple and accurate method to measure the threshold voltage of An enhancement-mode MOSFET[J]. Electron Devices, IEEE Transaction on,1982,29(2):346-348.

收稿日期:2015年10月13日,修回日期:2015年11月26日

作者簡(jiǎn)介:馬小龍,男,碩士研究生,研究方向:計(jì)算機(jī)控制及機(jī)器視覺。

中圖分類號(hào)TN6

DOI:10.3969/j.issn.1672-9722.2016.04.009

A Method of Simulation and Calculation of TFT

MA Xiaolong

(College of Electrical and Information Engineering, Xi’an Technological University, Xi’an710021)

AbstractWith the development of the display industry, AMOLED technology is mainstream technology. The Thin Film Transistor is the main influence factor of the AMOLED display quality, and the threshold voltage is one of the main characteristic parameters of the TFT performance, its extraction and calculation method is so important. This paper uses the ATLAS simulation tool to simulate TFT structure and characteristics, then extracts the final simulation data of the transfer characteristic curve and calculates the TFT threshold voltage combining with EXCEL tool. The calculation procedure of this method is simple and effective, intuitive and conducive to study late TFT performance optimization.

Key WordsAMOLED, TFT, threshold voltage, extraction, ATLAS, EXCEL