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基于电流源控制的CNT-FED驱动电路设计
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摘要：本文为了实现碳纳米管场致发射显示器(CNT-FED)的产品化，采用CNT-FED阴极电流源驱动方法，研究了CNT-FED亮度的均匀性和非线性调节问题。从分立元件驱动电路设计原理出发，采用了高稳定性阴极电流源像素驱动电路，将电流源驱动电路预先制作在硅基底上，再利用室温下生长碳纳米管(CNT)的方法，将CNT发射体和电流源驱动电路集成在同一硅衬底上，最终实现了集成CNT-FED驱动电路的设计。该驱动电路解决了CNT-FED亮度均匀性和非线性调节问题，对场射显示器驱动电路的应用研究和CNT-FED驱动电路的集成化具有参考意义。
引言
场发射显示器(FED)是采用冷阴极技术的新型平板显示器[1-2]。目前FED显示技术的发展已经历了第一代金属尖锥阵列型和第二代金刚石薄膜型，正向第三代碳纳米管 (CNT) 薄膜型FED发展[3-4]。CNT因其优异的物理和化学性能，使其在场发射、高强度的复合材料以及纳米电子器件等诸多领域具有广阔的应用前景[5-6]。在新型显示技术领域，因CNT发射特性稳定、开启电压低、易于制作，近年来国内外诸多显示器厂家、研究机构以及高校等投入了大量资金和人力对其进行全面和系统的研究与开发，但目前研究主要集中在CNT-FED的发射材料的研究以及显示屏的设计与制作上[7-8]，CNT-FED的产品化需要配套的驱动电路控制系统，这是CNT-FED实现量产的一个重要技术，而目前CNT-FED驱动控制电路的研究相对滞后，尤其亮度控制是驱动电路的关键电路，为此本文从CNT-FED的调制特性出发，研究了CNT-FED驱动电路的亮度控制的原理和实现方法。
1 CNT-FED的工作原理及存在的问题
CNT-FED的显示原理与阴极射线管(CRT)相似[9-10]，由CNT阴极向真空发射电子，然后电子在电场的作用下向阳极高速运动，因受高速电子的轰击，阳极板上的荧光粉发光。当荧光粉发光效率和电子运动的速度确定时，显示器的发光亮度主要取决于CNT阴极发射的电子数[11-13]，因此，通过控制阴极电子的发射能力就能实现显示器的亮度控制，在三极型FED中[14-15]，阴极电子发射的强弱受栅极电压Vg产生的电场决定，即 Vg控制着发射电流的大小，其发射特性可通过像素单元的伏安特性来表示，又叫 CNT-FED 调制特性曲线，如图1所示。通过调节栅极电压 Vg 的大小来改变发射电流，进而实现亮度控制，从图1可以看出调制特性存在严重的非线性，另外场发射存在开启电压Vt，只有当Vg大于等于Vt时，才能产生场发射。矩阵寻址是FED平板显示器通常采用的显示方式，其每个像素单元相对独立工作，但各像素单元的调制特性存在一定离散性，当采用电压驱动阴极时，就会出现两个问题：一是电压相同时会产生大小不同的电流，这将会导致亮度的不均匀;二是由于像素点间I/V特性曲线的非线性存在差异性，故不能简单地通过固定的非线性校正来改善其性能，因此，很难通过控制电压来完成亮度控制[16-17]。为了解决这一问题，本文提出了阴极电流源控制方法，即通过对在阴极添加电流源，强迫阴极的发射电流跟随恒流源变化。在电流模式下，能够很好地解决这个问题。电流驱动的原理是在阴极的驱动电路中采用恒流源电流驱动模式，恒流源输出电流Io决定了像素电流的上限，保证了各像素的发射电流大小一样，故可实现显示屏亮度的均匀一致。通过调制恒流源的导通时间来实现对灰度级的调制，其原理和电压PMW类似，由于工艺上很难实现CNT阴极的均匀制备，因此电流驱动是保证均匀显示的理想方式。恒流源输出电流Io具体值要根据CNT阴极材料的特性来决定，要能保证Io在PWM调制下，最大占空比输出电流时，显示屏的最大亮度达到要求。
2 CNT-FED驱动电路设计
2.1 高稳定电流源电路原理
基本电流源输出电流Io依赖于参考电流大小，参考电流的大小依赖于输入电压VCC，因此VCC的稳定性决定了恒流源输出电流Io的稳定性;如果采用高输出电阻电流源，其输出电阻数量级可达到兆欧级，输出电阻越高，作为有源负载的电压增益就越大。因此，基本电流源电路不适合用作稳定性要求很高的FED阴极恒流源。为此，我们采用了一种高稳定性电流源电路，如图2所示。
图2中稳压管的稳压值为VZ，则电流源的输出：
,此时，Io与电源电压无关。T1的作用是用来稳定 Vz ，
。
假设某原因导致VZ升高 ，则Vgs下降，Ib 随之下降，IDZ随之下降 ，最后Vz随之下降;反之， Vz下降，Vgs升高，Ib随之升高 ，IDZ随之升高，最后Vz升高。这种电路相当于引入了一个负反馈以此来稳定Vz。可见，图2恒流源电路结构简单，并且输出电流很稳定，与输入电压基本没有关系，适合用作FED平板显示器的阴极恒流源。
2.2 分立元件的CNT-FED驱动电路设计
分立元件电流源驱动电路原理如图3所示(只画出一个像素)，该电路元器件选取时需要满足输出电流Io的要求，同时T1管要应具有良好的开关特性。
和电压驱动电路相比，每个像素的阴极多了一个恒流源，即每个像素多出四个分立元件;这对于较大屏幕的FED显示屏如1024×768来说，用作阴极恒流源的分立元件总个数为1024×768×4个。这无形中增加了整体驱动电路连线的复杂度和体积，不符合平板显示器轻薄的设计要求。为此，针对阴极电流驱动法，我们又提出一种将部分驱动电路(电流源)集成到阴极SI衬底上去的方法;这种方法既可解决亮度的非线性调节问题，又可满足使FED轻薄的设计要求。
2.3 集成CNT-FED驱动电路设计
由于CNT-FED 具有在硅基底上直接生长碳纳米管的优点[18]，我们可以将驱动电路集成到阴极板当中，这是驱动电路和阴极集成的前提条件。对于整体的驱动电路来说，可分为高低压转换部分、逻辑控制部分和视频信号转换等部分。整体驱动的电路比较庞大，特别是高低压转换部分对集成电路的要求更高。另一方面，作为阴极发射体的碳纳米管生长效果不佳，其所对应的驱动电路就失去了作用，而不加考虑地集成了每个阴极对应的驱动电路，会使显示器成本的大幅度提高。相对而言，如果只将恒流源电路集成于SI衬底中，简单易行，成本低，这是一种解决FED亮度问题的一种理想选择。把电流源电路应用集成电路工艺做到硅基底上，即可解决FED器件的亮度均匀性问题，又可解决亮度的非线性调节问题;实现了部分驱动电路集成，简化外围驱动系统复杂度，使整体FED系统达到轻薄的设计要求。恒流源集成于SI衬底整体结构的集成CNT-FED驱动电路结构示意图如图4所示，它为两个相邻像素点的FED器件的整体结构。首先，在硅基底上制作恒流源控制电路，然后生成氧化绝缘层，再在氧化绝缘层上烧结阴极，最后生长碳纳米管发射阵列。
按事先安排好的矩阵，重复生长多个图4所示的像素单元，这些像素单元所构成的阵列即为阴极显示屏。两列相邻阴极像素点，要用隔离槽隔开。
图5所示为16×16点阵的CNT-FED示意图。在生长点阵时，在同一列上所有像素点的阴极恒流源的电源输入端VCC要连在一块，作为数据信号的输入端;同时，在同一行的栅极都要连接在一块，作为这一行的栅电压Vg的输入端。栅极与扫描线驱动连在一起，阴极与数据线驱动相连。施加固定高压在阳极上用来加速电子。对栅极进行逐行选址，施加高电位在选中行对应的栅极，低电位施加于其余行。阴极恒流源的数据信号端施加与所显示图像相应的脉冲，当对应列上需显示，对应的阴极恒流源数据信号端为高电平产生输出电流Io;当所对应列上无显示时，对应的阴极恒流源数据信号端为低电平无电流输出;通过控制阴极上恒流源的数据信号端脉冲的宽度或数目来实现灰度显示;如此逐行、逐帧循环即可实现字符和图形的显示。
3 结果与结论
通过分析CNT-FED器件调制特性得知，阴极电流的精确控制无法通过电压驱动实现，而电流驱动却能实现对阴极电流的良好控制能力。在电流驱动电路中，只要施加合理的栅极电压就可以保证所有像素阳极电流都等于阴极恒流源电流Io，从而保证了亮度显示的均匀性，因此，电流驱动克服了各像素不一致的缺点。由于分立元件驱动电路会使整体驱动电路连线复杂，体积庞大，为此，利用碳纳米管可生长在SI衬底上的优点，将电流源电路集成在SI衬底中，然后再生长碳纳米管。采用电流源和CNT的集成驱动电路，既解决了CNT-FED亮度均匀性与非线性调节问题，又满足了FED轻薄的设计要求，是实现CNT-FED驱动的理想方式。我们所设计的碳纳米管阴极驱动电路，能够实现字符的动态显示，显示效果如图6所示。
参考文献：
[1] Lee N S , Chung D S , Han I T , et al. Application of carbon nanotubes to field emission displays [ J] .Diamond Relat. Mate r. ,2001 , 10(2): 265-270
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[3] Shigeo Itoh, Mitsuru Tanaka, Takeshi Tonegawa. Development of Field Emission Display [ J] .Journal of Vacuum Science &Technology B: Microelectronics and Nanometer Structures,2004,22( 3) : 1362-1366
[4] 雷威,丁沭沂，张晓兵，等.场发射平板显示及光源的研究进展[J].真空电子技术，2013 ,50(5):56-61
[5] 林金阳,张永爱,杨尊先,等.磁场后处理增强碳纳米管场发射特性的研究[J].真空科学与技术学报，2014,34(1)：96-99
[6] 邢晓曼, 代秋声.碳纳米管场发射阴极制备技术的最新进展[J].CT 理论与应用研究, 2013, 22(1): 181-194
[7] 王福全，董长昆，李得天.碳纳米管场发射阴极制备技术与应用进展[J].材料导报,2013,27(11):139-143
[8] 张永爱,林金阳,吴朝兴,等.薄膜后栅型 SnO2 场发射显示器的制备及性能研究[J].光学学报，2011，31(3)：0323002.1-0323002.6
[9] 袁寿财，刘亚媚。碳纳米管阴极场发射平板显示器用高压驱动电路研究[J].赣南师范学院学报，2013,3：10-13
[10] 张杰,张永爱，吴朝兴,等.薄膜型平栅极FED背光源的制备及性能研究[J].光电子技术，2010 ,30(3)：179-183
[11] 董建会. 碳纳米材料制备及其场发射特性研究[ D].硕士学位论文.成都:电子科技大学,2009.
[12] 段新超, 王小平, 王丽军,等. 平板显示用场发射冷阴极材料[J].材料导报，2008,22(1)：8-11
[13] A. A. Talin, K. A. dean, J . E. Jaskie. Field emission display: a critical rebiew. Solid State Elctronics, 2001( 45) : 963.-965
[14] 李玉魁，李晓荃，曾凡光.分段圆型碳纳米管阴极结构的三极FED制作[J].微纳电子技术,2013,50(2)：74-77
[15] 狄亮，宁铎.平板显示器驱动电路技术分析[J].现代显示，2007(75)：45-49
[16] 潘金艳, 朱长纯.一种提高碳纳米管场发射特性方法[J].功能材料与器件学报,2008,14(6)：1001-1006
[17] 邓记才,张兵临,姚宁.FED 显示器的亮度控制[J].半导体光电，2006 ,27(1):95-97
[18 ] Wang Q K, ZHU C. Field emission from thick carbon nanotube film on Si substrate[ J].Sur face and Interface Analysis: 2004, 36( 5-6) : 478-480
引言
场发射显示器(FED)是采用冷阴极技术的新型平板显示器[1-2]。目前FED显示技术的发展已经历了第一代金属尖锥阵列型和第二代金刚石薄膜型，正向第三代碳纳米管 (CNT) 薄膜型FED发展[3-4]。CNT因其优异的物理和化学性能，使其在场发射、高强度的复合材料以及纳米电子器件等诸多领域具有广阔的应用前景[5-6]。在新型显示技术领域，因CNT发射特性稳定、开启电压低、易于制作，近年来国内外诸多显示器厂家、研究机构以及高校等投入了大量资金和人力对其进行全面和系统的研究与开发，但目前研究主要集中在CNT-FED的发射材料的研究以及显示屏的设计与制作上[7-8]，CNT-FED的产品化需要配套的驱动电路控制系统，这是CNT-FED实现量产的一个重要技术，而目前CNT-FED驱动控制电路的研究相对滞后，尤其亮度控制是驱动电路的关键电路，为此本文从CNT-FED的调制特性出发，研究了CNT-FED驱动电路的亮度控制的原理和实现方法。
1 CNT-FED的工作原理及存在的问题
CNT-FED的显示原理与阴极射线管(CRT)相似[9-10]，由CNT阴极向真空发射电子，然后电子在电场的作用下向阳极高速运动，因受高速电子的轰击，阳极板上的荧光粉发光。当荧光粉发光效率和电子运动的速度确定时，显示器的发光亮度主要取决于CNT阴极发射的电子数[11-13]，因此，通过控制阴极电子的发射能力就能实现显示器的亮度控制，在三极型FED中[14-15]，阴极电子发射的强弱受栅极电压Vg产生的电场决定，即 Vg控制着发射电流的大小，其发射特性可通过像素单元的伏安特性来表示，又叫 CNT-FED 调制特性曲线，如图1所示。通过调节栅极电压 Vg 的大小来改变发射电流，进而实现亮度控制，从图1可以看出调制特性存在严重的非线性，另外场发射存在开启电压Vt，只有当Vg大于等于Vt时，才能产生场发射。矩阵寻址是FED平板显示器通常采用的显示方式，其每个像素单元相对独立工作，但各像素单元的调制特性存在一定离散性，当采用电压驱动阴极时，就会出现两个问题：一是电压相同时会产生大小不同的电流，这将会导致亮度的不均匀;二是由于像素点间I/V特性曲线的非线性存在差异性，故不能简单地通过固定的非线性校正来改善其性能，因此，很难通过控制电压来完成亮度控制[16-17]。为了解决这一问题，本文提出了阴极电流源控制方法，即通过对在阴极添加电流源，强迫阴极的发射电流跟随恒流源变化。在电流模式下，能够很好地解决这个问题。电流驱动的原理是在阴极的驱动电路中采用恒流源电流驱动模式，恒流源输出电流Io决定了像素电流的上限，保证了各像素的发射电流大小一样，故可实现显示屏亮度的均匀一致。通过调制恒流源的导通时间来实现对灰度级的调制，其原理和电压PMW类似，由于工艺上很难实现CNT阴极的均匀制备，因此电流驱动是保证均匀显示的理想方式。恒流源输出电流Io具体值要根据CNT阴极材料的特性来决定，要能保证Io在PWM调制下，最大占空比输出电流时，显示屏的最大亮度达到要求。
2 CNT-FED驱动电路设计
2.1 高稳定电流源电路原理
基本电流源输出电流Io依赖于参考电流大小，参考电流的大小依赖于输入电压VCC，因此VCC的稳定性决定了恒流源输出电流Io的稳定性;如果采用高输出电阻电流源，其输出电阻数量级可达到兆欧级，输出电阻越高，作为有源负载的电压增益就越大。因此，基本电流源电路不适合用作稳定性要求很高的FED阴极恒流源。为此，我们采用了一种高稳定性电流源电路，如图2所示。
图2中稳压管的稳压值为VZ，则电流源的输出：
,此时，Io与电源电压无关。T1的作用是用来稳定 Vz ，
。
假设某原因导致VZ升高 ，则Vgs下降，Ib 随之下降，IDZ随之下降 ，最后Vz随之下降;反之， Vz下降，Vgs升高，Ib随之升高 ，IDZ随之升高，最后Vz升高。这种电路相当于引入了一个负反馈以此来稳定Vz。可见，图2恒流源电路结构简单，并且输出电流很稳定，与输入电压基本没有关系，适合用作FED平板显示器的阴极恒流源。
2.2 分立元件的CNT-FED驱动电路设计
分立元件电流源驱动电路原理如图3所示(只画出一个像素)，该电路元器件选取时需要满足输出电流Io的要求，同时T1管要应具有良好的开关特性。
和电压驱动电路相比，每个像素的阴极多了一个恒流源，即每个像素多出四个分立元件;这对于较大屏幕的FED显示屏如1024×768来说，用作阴极恒流源的分立元件总个数为1024×768×4个。这无形中增加了整体驱动电路连线的复杂度和体积，不符合平板显示器轻薄的设计要求。为此，针对阴极电流驱动法，我们又提出一种将部分驱动电路(电流源)集成到阴极SI衬底上去的方法;这种方法既可解决亮度的非线性调节问题，又可满足使FED轻薄的设计要求。
2.3 集成CNT-FED驱动电路设计
由于CNT-FED 具有在硅基底上直接生长碳纳米管的优点[18]，我们可以将驱动电路集成到阴极板当中，这是驱动电路和阴极集成的前提条件。对于整体的驱动电路来说，可分为高低压转换部分、逻辑控制部分和视频信号转换等部分。整体驱动的电路比较庞大，特别是高低压转换部分对集成电路的要求更高。另一方面，作为阴极发射体的碳纳米管生长效果不佳，其所对应的驱动电路就失去了作用，而不加考虑地集成了每个阴极对应的驱动电路，会使显示器成本的大幅度提高。相对而言，如果只将恒流源电路集成于SI衬底中，简单易行，成本低，这是一种解决FED亮度问题的一种理想选择。把电流源电路应用集成电路工艺做到硅基底上，即可解决FED器件的亮度均匀性问题，又可解决亮度的非线性调节问题;实现了部分驱动电路集成，简化外围驱动系统复杂度，使整体FED系统达到轻薄的设计要求。恒流源集成于SI衬底整体结构的集成CNT-FED驱动电路结构示意图如图4所示，它为两个相邻像素点的FED器件的整体结构。首先，在硅基底上制作恒流源控制电路，然后生成氧化绝缘层，再在氧化绝缘层上烧结阴极，最后生长碳纳米管发射阵列。
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图5所示为16×16点阵的CNT-FED示意图。在生长点阵时，在同一列上所有像素点的阴极恒流源的电源输入端VCC要连在一块，作为数据信号的输入端;同时，在同一行的栅极都要连接在一块，作为这一行的栅电压Vg的输入端。栅极与扫描线驱动连在一起，阴极与数据线驱动相连。施加固定高压在阳极上用来加速电子。对栅极进行逐行选址，施加高电位在选中行对应的栅极，低电位施加于其余行。阴极恒流源的数据信号端施加与所显示图像相应的脉冲，当对应列上需显示，对应的阴极恒流源数据信号端为高电平产生输出电流Io;当所对应列上无显示时，对应的阴极恒流源数据信号端为低电平无电流输出;通过控制阴极上恒流源的数据信号端脉冲的宽度或数目来实现灰度显示;如此逐行、逐帧循环即可实现字符和图形的显示。
3 结果与结论
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[6] 邢晓曼, 代秋声.碳纳米管场发射阴极制备技术的最新进展[J].CT 理论与应用研究, 2013, 22(1): 181-194
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