半導體薄膜晶體管的節(jié)能設計方法研究

彭強+姚若河

摘 要： 以往提出的半導體薄膜晶體管的節(jié)能設計方法，受到半導體薄膜晶體管不易受控缺陷的影響，節(jié)能效果不佳，故提出一種性能更為優(yōu)異的半導體薄膜晶體管的節(jié)能設計方法。概述了半導體薄膜晶體管中電源回路和驅動電路的節(jié)能設計原理，并給出終端設備架構設計方案。使用電源回路控制半導體薄膜晶體管供電頻率，實現(xiàn)基本節(jié)能。利用驅動電路進一步調節(jié)電能損耗、管理電源回路的電流諧波，改善半導體薄膜晶體管的開關性能。并以構建模型的方式對電路噪音進行消除，優(yōu)化儲能水平。經實驗驗證可得，所提方法下的半導體薄膜晶體管擁有優(yōu)良的開關性能和儲能水平，并且節(jié)能效果較好。

關鍵詞： 半導體； 薄膜晶體管； 節(jié)能； 電源回路

中圖分類號： TN304.055?34； TN321.5 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0136?04

Abstract： The previously?proposed energy?saving design method of the semiconductor thin?film transistor has poor energy?saving effect because the semiconductor thin?film transistor is not easy to control， so a superior energy?saving design method of semiconductor thin?film transistor is put forward. The energy?saving design principles of the power loop and drive circuit in semiconductor thin?film transistor are summarized. The architecture design scheme of the terminal device is given. The power loop is used to control the power?supply frequency of the semiconductor thin?film transistor to realize the basic energy saving. The drive circuit is adopted to regulate the electric energy loss further， manage the current harmonic of the power loop， and improve the switching performance of the semiconductor thin?film transistor. The mode of model construction is employed to eliminate the circuit noise， and optimize the energy storage performance. The experimental verification results show that the method makes the semiconductor thin?film transistor have high switching performance， high energy storage level， and superior energy?saving effect.

Keywords： semiconductor； thin?film transistor； energy saving； power loop

0 引 言

隨著信息時代的悄然來臨，顯示器也向著智能化、節(jié)能化的目標不斷邁進，半導體薄膜晶體管以其加工簡便、成本低廉、體積小和高遷移率等優(yōu)勢，逐漸成為顯示器的主流制作材料[1]。近年來，人們對顯示器節(jié)能效果的要求越來越高。為了響應市場需求，有關組織曾提出多種節(jié)能設計方法，但由于受到半導體薄膜晶體管不易受控缺陷的影響，其節(jié)能效果不佳，更為優(yōu)異的半導體薄膜晶體管的節(jié)能設計方法仍在研究中[2]。

文獻[3]以無機復合材料為涂層，對半導體薄膜晶體管進行了節(jié)能設計。無機復合材料能夠有效改善半導體的兼容性能，并弱化分子層，提高半導體薄膜晶體管的開關性能，但卻無法對半導體薄膜晶體管中不同層次組件之間的平衡能力進行優(yōu)化，因此節(jié)能效果不佳。文獻[4]基于有機半導體材料提出一種半導體薄膜晶體管的節(jié)能設計方法，這一方法將有機半導體材料置于設計中心點，對半導體薄膜晶體管中的通信工作進行性能優(yōu)化，其成本低廉，并且儲能水平良好，但遷移率低、壽命短，并非良好的節(jié)能方法。文獻[5]通過變更半導體薄膜晶體管中的電極材料達到節(jié)能目的，電極材料的導電性、魯棒性和接觸點對管中電流的流通性具有較大的影響，因此該方法的節(jié)能效果要優(yōu)于以上兩種方法，但在一定程度上限制了半導體薄膜晶體管的開關性能。

為了改善以上問題，提出一種能夠同時兼具優(yōu)良的開關性能和儲能水平，并且節(jié)能效果較好的半導體薄膜晶體管的節(jié)能設計方法，給出節(jié)能原理，對電源回路和驅動電路進行重點設計。

1 半導體薄膜晶體管節(jié)能原理

半導體薄膜晶體管的電能耗損率與其供電頻率有很大關系，如圖1所示。當供電頻率處于[500 Hz，50 kHz]的范圍內，半導體薄膜晶體管的電能耗損率迅速增長，最高可達125%。而當供電頻率處于[50 Hz，18 kHz]的范圍內，電能耗損率最高僅為102%，可節(jié)約大概23%的電能[6]?；谏鲜鲈恚岚雽w薄膜晶體管的節(jié)能設計方法將設計出一種電源回路，使半導體薄膜晶體管的供電頻率始終維持在50 Hz～18 kHz，保證最基本的節(jié)能效果。

為了在保證節(jié)能效果的同時，使半導體薄膜晶體管仍具有優(yōu)良的開關性能，所提方法還對半導體薄膜晶體管驅動電路的設計提出了要求：

（1） 在維持節(jié)能效果的前提下，驅動電路的驅動電壓應富余，保證半導體薄膜晶體管的可持續(xù)工作；

（2） 為半導體薄膜晶體管提供的工作電流應低于其額定值，并使驅動電路穩(wěn)定不變；

（3） 可對電源回路的電流諧波進行實時管控；

（4） 驅動電路中各組件應具備較強的兼容性和安全性。

根據上述要求，應在驅動電路中使用具有強耐高溫性和抗干擾性的可編程硅單晶片，其電阻率為50 ，可對電流、電壓和驅動時間進行合理調節(jié)，適應所提方法對半導體薄膜晶體管的節(jié)能要求。

同時，為了獲取較為優(yōu)異的儲能水平，需要對半導體薄膜晶體管的終端設備架構進行調節(jié)，以合理消除其內部電路噪音，如圖2所示。以半導體薄膜晶體管中基區(qū)的結深和運動分子數量為依據，設置展寬區(qū)長度，通常當結深為20 μm時，展寬區(qū)為60 μm。終端設備所使用的管分壓為2環(huán)，可在減輕儲能壓力的同時節(jié)約設計成本[7]。

2 半導體薄膜晶體管的節(jié)能設計方法研究

2.1 電源回路設計

本文半導體薄膜晶體管節(jié)能設計方法給出的電源回路主要由單相半控橋和三相全橋變流器構成，如圖3所示，其功能參數如表1所示。由圖3可知，單相半控橋的作用是整流，電源回路的初始輸入電壓為恒定的交流電，如果電源回路中的電容儲能效果非常好，那么經單相半控橋整流后的交流電則能夠以任意電壓進行直流變換。調節(jié)直流電壓至所需數值，再通過三相全橋變流器進行直流、交流電壓轉換，便可使半導體薄膜晶體管的供電頻率維持在[50 Hz，18 kHz]范圍內。

以往提出的半導體薄膜晶體管節(jié)能設計方法通常使用變壓器實現(xiàn)電壓轉換，導致電源回路產生了較多的功率干擾，并且無法帶來優(yōu)異的節(jié)能效果，而三相全橋變流器具有攜帶方便、穩(wěn)定性強的優(yōu)點，可持續(xù)工作3 800 h，電壓轉換性能更加強勁[8]。在進行電壓轉換時，應使三相全橋變流器內部的兩個晶體管單獨工作，防止電源回路出現(xiàn)短路狀況，故應將二者的排列角度置于120°。

2.2 驅動電路設計

本文提出的半導體薄膜晶體管節(jié)能設計方法中，驅動電路的作用是調節(jié)半導體薄膜晶體管中不必要的電能損耗，并對電源回路的電流諧波進行管控，達到改善半導體薄膜晶體管開關性能的目的。驅動電路中標準電流波形以及其電路設計圖如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，驅動電路以其標準電流波形進行工作，通過光電耦合方式對半導體薄膜晶體管和電源回路的受控區(qū)域進行劃分。整個驅動電路擁有8個監(jiān)控接口。接口1，2用來連接脈沖，其兩端電壓為3.5 V，可實現(xiàn)半導體薄膜晶體管與電源回路的高性能連通。

當驅動電路對半導體薄膜晶體管的電能損耗進行調節(jié)時，需要將接口1，2的兩端電壓調至0 V，此時電容C5處于放電狀態(tài)，接口3，8可實現(xiàn)連通，并使電路產生降壓現(xiàn)象，半導體薄膜晶體管將出現(xiàn)反向偏置電壓，電能損耗也相應縮減[9]。驅動電路對電源回路電流諧波的管控工作與上述調節(jié)較為類似，其操控的是接口7，8兩端電壓，使用開關控制電壓升降，使接口5，6處于連通狀態(tài)，進而實現(xiàn)對電流諧波的縮減，增強半導體薄膜晶體管的開關性能，為優(yōu)異的節(jié)能效果提供后臺支持。

2.3 電路噪音消除模型

半導體薄膜晶體管的內部電路噪音會導致其儲能水平的降低，對節(jié)能效果造成較大的影響，必須采用一種較為有效的方式對噪音進行消除。為此，所提半導體薄膜晶體管的節(jié)能設計方法構建了電路噪音消除模型，該模型將半導體薄膜晶體管的內部電路分為正、反相兩部分，將正向的輸入、輸出電壓設為，，反向的輸入、輸出電壓設為，，當正、反兩相的電壓近視相等時，便可實現(xiàn)對半導體薄膜晶體管內部電路噪音的消除[10]。如果將正、反兩相的實時電壓繪制成曲線，用表示正相電壓曲線，那么反相電壓曲線則可表示為。從坐標處向正相電壓曲線做一條斜率為1的輔助線，將該輔助線與的交點坐標設為，則可獲取關系式如下：

式中：是驅動電路輸出電壓；是半導體薄膜晶體管實際供電電壓；是漏電電壓；是半導體薄膜晶體管的設計參數。至此，消除半導體薄膜晶體管內部電路噪音可看作是求解的過程。由于不同的半導體薄膜晶體管正、反兩相電壓曲線并不重合，故電路噪音消除模型定義了一個噪音極限值，當取最大值時，和可看作近似相等，的最大值如下：

3 實驗驗證

3.1 實驗現(xiàn)場

為了驗證本文提出的半導體薄膜晶體管節(jié)能設計方法的各項性能，需要進行實驗。實驗將國內某科技公司生產的半導體薄膜晶體管與萬用表、存儲電容和顯示板相連，如圖6所示。使用電壓、頻率調節(jié)儀控制實驗自變量，對本文方法、文獻[3]方法和文獻[4]方法的開關性能、儲能水平和節(jié)能效果進行對比驗證。

3.2 開關性能驗證

半導體薄膜晶體管的開關性能是其最重要的性能之一，是保證半導體薄膜晶體管與其他電路元件有效溝通的基礎性能。以往的節(jié)能設計中通常會削弱開關性能，導致半導體薄膜晶體管的兼容性降低，得不償失，因此，開關性能的驗證必不可少。在本文實驗中，通過調節(jié)半導體薄膜晶體管的偏置電壓，觀察其偏置電流隨時間的變化趨勢，來確定不同方法下半導體薄膜晶體管開關性能的優(yōu)劣性，如圖7所示。與文獻[3]方法和文獻[4]方法相比，本文方法下半導體薄膜晶體管偏置電流最為穩(wěn)定，表現(xiàn)出優(yōu)良的開關性能。

3.3 儲能水平驗證

在光照狀態(tài)下和無光狀態(tài)下對不同方法下半導體薄膜晶體管的儲能水平進行了驗證，使用偏置電壓來表示儲能水平，二者成正比關系，實驗結果如圖8所示?？煽闯?，在光照狀態(tài)下，三種方法的儲能水平無較大差別，而在無光狀態(tài)下，本文方法的偏置電壓要遠高于文獻[3]方法以及文獻[4]方法，表現(xiàn)出優(yōu)良的儲能水平。

3.4 節(jié)能效果驗證

實驗令半導體薄膜晶體管正常運行48 h，使用文獻[3]方法、文獻[4]方法以及本文方法對其進行節(jié)能，實驗結果如表2所示，可知本文方法的節(jié)能效果最佳。

表2 節(jié)能效果驗證實驗結果 kW·h

4 結 論

本文提出一種能夠同時兼具優(yōu)良的開關性能和儲能水平，并且節(jié)能效果較好的半導體薄膜晶體管的節(jié)能設計方法。半導體薄膜晶體管的電能耗損率與其供電頻率有很大關系，使半導體薄膜晶體管的供電頻率始終維持在50 Hz～18 kHz，可保證最基本的節(jié)能效果。因此，本文方法給出節(jié)能原理，對電源回路和驅動電路進行了重點設計。經實驗驗證可得，在本文方法下，半導體薄膜晶體管的開關性能、儲能水平和節(jié)能效果均優(yōu)于以往提出的節(jié)能設計方法，具有較高的使用價值。

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