專利名稱：低功率有機(jī)發(fā)光二極管像素電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種像素電路，特別是涉及一種利用互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)技術(shù)的低功率有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)像素電路。
背景技術(shù)：
當(dāng)施加電流于其上時(shí)，任何一種OLED像素可以利用任何一種發(fā)光的有機(jī)材料。一OLED顯示器包含多個構(gòu)成一陣列的OLED像素。
一OLED像素的發(fā)光由一像素電路來控制，其包括一恒定電流源，或是一恒定電壓源。通常認(rèn)為恒定電流源在所述像素的陣列中，提供較均勻的亮度。這是因?yàn)榱炼葘﹄娏鞯囊蕾囆在呄蚓鶆颍欢诓煌南袼刂?，所述OLED上的電壓在一給定電流時(shí)趨向不均勻。Howard等人的美國專利6,023,259披露了一種電流驅(qū)動器，其提供一OLED的無源(passive)矩陣驅(qū)動電流。對通常的顯示器亮度而言，有源矩陣驅(qū)動工作造成較低OLED功率效益，為了避免閃爍，需要一刷新率大于或等于60Hz。
在一有源(active)矩陣顯示器中，通常在其各自的像素電路之內(nèi)提供儲存一像素的狀態(tài)。一般實(shí)現(xiàn)的方式為，將相當(dāng)于一動態(tài)RAM的單元并入每一像素電路中，在其中該狀態(tài)以一電容器上的電壓來儲存。該配置的缺點(diǎn)是，該電壓很快地從所述電容器流出，因此必須定期刷新顯示器上所呈現(xiàn)的圖像。刷新該圖像的工作消耗相當(dāng)大的功率。因此需要找尋有別于傳統(tǒng)動態(tài)RAM的另一種替代方案。
對一″開″像素的亮度的控制，通?？梢允褂每刂埔荒M電壓值的方式來實(shí)現(xiàn)，該模擬電壓決定施加于該像素的電壓或電流。模擬控制電路為另一種過量功率消耗的來源。因此需要找尋有別于傳統(tǒng)模擬控制電路的另一種替代方案。
該OLED顯示器由有機(jī)材料的薄層構(gòu)成，其中單獨(dú)的OLED像素受到該OLED一陽極與該OLED的一相反電極間偶發(fā)的短路。該短路可以引起在該電路中流動的過度電流、在該像素電路上過度的電壓、以及過度的功率消耗。與一短路的像素鄰接的優(yōu)質(zhì)像素可能受到該短路像素的熱度而遭到破壞，而過度的電流可能改變電源電壓。
在該OLED顯示器的工作期間，所述有機(jī)材料層會捕獲電荷，使得在該OLED上的壓降增加，因而引起亮度的不均勻以及一個燒結(jié)的圖像。該捕獲的電荷可以藉由反向偏壓該OLED的方式來移除。
該OLED本身通常需要一約為+/-6伏特的電壓，以在開啟時(shí)展現(xiàn)一適當(dāng)?shù)牧炼?，并在反向偏壓時(shí)以移除該捕獲的電荷。傳統(tǒng)的CMOS集成電路技術(shù)使用以低于4伏特電壓工作的晶體管。因此，CMOS技術(shù)并不能夠驅(qū)動OLED。還有，在一OLED像素電路中的CMOS裝置，特別容易在超過4伏特的電壓時(shí)受到損害。
改變一顯示器的圖像的傳統(tǒng)方式是用一處理器來更新一顯示控制器的存儲器，其可定期并單獨(dú)尋址該顯示器的每一個像素，并在必要時(shí)將其″開″(ON)或″關(guān)″(OFF)。如果該顯示器包括大量像素，如十萬、一百萬、或是更多個像素的話，此工作可能消耗大量的功率，并成為處理器的負(fù)擔(dān)。
在將多個像素電路并入顯示器時(shí)的另外一個問題為該顯示器的匯集組件的物理配置問題。也就是說，該顯示器為限制所述像素及其伴隨電路的有限區(qū)域，然像素間必須維持一恒定間距，以提供一均勻的圖像。
由于以上所述的缺點(diǎn)，OLED顯示器尚未如許多其它傳統(tǒng)顯示技術(shù)受到設(shè)計(jì)者的使用。使用動態(tài)RAM與其刷新圖像所需的對應(yīng)電路，以及有關(guān)功率消耗的議題等，對使用OLED于電池工作的裝置中、以及如手持裝置或手表所用的小型顯示器來說是一障礙。所述OLED工作電壓對于一OLED像素電路中CMOS電路的使用來說是一障礙。對使用OLED的大型顯示器來說，在一陣列中每一個像素的定期尋址是一障礙。在諸像素間恒定間距的維持，對任何一種顯示器來說都是很重要的考慮。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的一目的是提供一種克服以上及其它問題的改進(jìn)的OLED顯示器。
本發(fā)明的另一目的是提供一種消耗低功率的改進(jìn)的OLED像素電路，并因此適合使用于一小型電池供電的裝置中。
本發(fā)明的另一目的是提供將像素的狀態(tài)保留在一靜態(tài)儲存單元或是存儲器中的OLED像素電路，而同時(shí)維持高電路密度與低功率。
本發(fā)明的另一目的是提供一利用CMOS技術(shù)來控制一OLED的OLED像素電路。
本發(fā)明的另一目的是提供一OLED像素電路以限制一短路像素的效應(yīng)，使得非短路像素繼續(xù)以正常方式工作。
本發(fā)明還有一目的是提供一OLED像素電路能夠處理OLED上在正常與反向偏壓狀態(tài)間的大型電壓變化，而不會使該OLED像素電路晶體管受到一過量的電壓。
本發(fā)明還有一目的是提供一OLED像素電路適合使用于一大型顯示器的格式。
根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例，一像素電路包括一有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)、及一靜態(tài)存儲器用來儲存代表該OLED工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)。
根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例，一像素電路包括一OLED、一控制該OLED的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路、及一保護(hù)電路用來保護(hù)該CMOS電路免于過電壓的狀況。
根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例，一像素電路包括一OLED、及一控制該OLED的CMOS電路。該CMOS電路包括有一使用一場效應(yīng)晶體管(FET)構(gòu)成的電流源，而該FET具有一大于該FET閾值電壓的靜態(tài)柵極至源極電壓。
根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例，一顯示器包括像素電路陣列。每一個該像素電路包括有一OLED及一靜態(tài)存儲器用來儲存代表該OLED工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)。


本發(fā)明將結(jié)合附圖通過實(shí)施例的方式詳細(xì)說明，附圖中圖1A示出了根據(jù)本發(fā)明的OLED陣列結(jié)構(gòu)的俯視圖；圖1B為圖1A陣列在線1B-1B方向的側(cè)視圖；圖2為一OLED像素字陣列結(jié)構(gòu)的方塊圖，每一字由16個像素組成；圖3為一OLED像素字電路的一實(shí)施例的方塊圖；圖4為符合本發(fā)明技術(shù)的一字選擇電路中的邏輯電路的示意圖，；圖5為一OLED像素電路的一實(shí)施例簡化的示意圖；圖6為一OLED像素電路更詳盡的示意圖；
圖7為顯示與控制寄存器清除連接以驅(qū)動一OLED陣列的方塊圖；及圖8為一OLED像素字結(jié)構(gòu)的方塊圖，顯示像素電路與一字選擇電路對OLED像素各陽極間的實(shí)際關(guān)系。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例的教導(dǎo)是涉及有關(guān)有源(active)矩陣OLED顯示器。這種顯示器可以配置為微顯示，并并入小型、以電池工作的裝置，如電子表。然而，這種特別的使用范圍與應(yīng)用并不能做為實(shí)施本發(fā)明教導(dǎo)的限制。
圖1A為OLED結(jié)構(gòu)一陣列100的俯視圖，例如圖樣元素(像素)或是發(fā)光元素，而圖1B為從圖1A中的1B-1B線所看到的陣列100的側(cè)視圖。陣列100的每一個OLED結(jié)構(gòu)被建構(gòu)以具有一像素電路，其包括一OLED以及一用來儲存代表該OLED工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲器。
陣列100一般可視為一規(guī)則的n×m像素陣列，其中n可等于m或不等于m。
陣列100包括多個OLED結(jié)構(gòu)，每一結(jié)構(gòu)具有一陽極電極105。該陽極電極105以二維配置，形成一平面顯示。圖1B中所示的側(cè)視圖，說明陣列100的垂直結(jié)構(gòu)，例如一硅芯片101，其上為圖樣化的陽極電極105。在陽極電極105之下配置有一擋光層(圖未示)，以防止OLED光或是外來光線到達(dá)下面的電路。一有機(jī)層102與一透明陰極相反電極層103布局在陽極電極105之上。
在一些具有透明陽極的OLED顯示器中，一觀察者可以通過其陽極電極105看到該OLED，但是在該優(yōu)選實(shí)施例中涉及通過其陰極相反電極層103看到該OLED。這是因?yàn)樵摴杌?01不是透明，而是非透明的緣故。
一保護(hù)罩玻璃104附于該硅芯片101的陰極電極層103上，以提供該OLED結(jié)構(gòu)環(huán)境的保護(hù)。一適當(dāng)?shù)臐駳馕談┮部梢灾梅庞谝还璨Ａд值拿芊庵畠?nèi)，但在陣列100的邊界之外。
在尋址該顯示器的一有源陣列方案中，定義所述像素狀態(tài)的數(shù)據(jù)，即是否該像素為ON，即亮，或是OFF，即暗的數(shù)據(jù)，可以寫入并儲存于動態(tài)或是靜態(tài)存儲器結(jié)構(gòu)中。該儲存的數(shù)據(jù)也可以從該存儲器結(jié)構(gòu)中讀出，若是如此的話，該配置例如用于電力測試。在一動態(tài)存儲器陣列中，數(shù)據(jù)儲存于一由CMOS電路的組成電鎖存器中，并且實(shí)際上所保持的該數(shù)據(jù)沒有消耗功率。根據(jù)本發(fā)明的目前的優(yōu)選實(shí)施例的OLED顯示裝置使用了用于低功率消耗的靜態(tài)存儲器。
在根據(jù)本技術(shù)的靜態(tài)陣列顯示器中，該有機(jī)材料夾在下面電路的像素電極和一相反電極之間。該像素電極通常是光發(fā)射二極管的陽極而該相反電極通常是陰極。構(gòu)成該顯示器的像素的矩形陣列按照需要顯示的圖像“通”或“斷”。每一像素具有一像素陽極電極和相對于相反電極控制陽極的電狀態(tài)的像素電路。
所述像素電路可以使用形成于一絕緣基板上的薄膜來構(gòu)成，或是使用集成電路技術(shù)來構(gòu)成，最好是以硅為主。一般來說，該像素電路可以(1)任何合適的材料，例如結(jié)晶硅、非結(jié)晶硅、多晶硅、微結(jié)晶硅、一有機(jī)半導(dǎo)體或是高分子半導(dǎo)體，及(2)配置于，例如，硅、玻璃、塑料、陶瓷或是藍(lán)寶石(AL2O3)的基板上來制造。所述薄膜電路配置于一絕緣(介電)基板的優(yōu)點(diǎn)為成本較低以及可以制成大型顯示器。一般來說，使用結(jié)晶硅裝置受到小面積陣列的限制，但所述電路的效能及制造密度較所述薄膜電路高。根據(jù)本技術(shù)的該OLED電路適合使用不同的制造技術(shù)來實(shí)施，但是該結(jié)晶硅技術(shù)為優(yōu)選實(shí)施例。因?yàn)楣杌鍖梢姽鈦碚f為不透明，發(fā)光最好是經(jīng)由該相反電極，其最好是形成為連續(xù)的透明導(dǎo)體材料板，如氧化銦錫，例如見相反電極層103。
在以下的說明中，該術(shù)語″陣列″指的是所述像素的陣列，也為所述陽極的陣列。
圖2為一OLED陣列200的方塊圖，包含多個數(shù)據(jù)儲存裝置或是單元，在此也稱為字結(jié)構(gòu)205。每一字結(jié)構(gòu)205為一16位的靜態(tài)隨機(jī)存取存儲器(SRAM)，其對應(yīng)陣列200一行上的十六個像素。在此實(shí)施例中，數(shù)據(jù)每次以16位寫入及讀出。
對每一字結(jié)構(gòu)205的輸入等為一列區(qū)塊選擇204、位線203、一字線讀取202與一字線寫入201。當(dāng)字線寫入201與列區(qū)塊選擇204兩者同時(shí)啟動時(shí)，數(shù)據(jù)從位線203寫入字結(jié)構(gòu)205，例如將其切換成一高電平狀態(tài)。而當(dāng)字線讀取202與列區(qū)塊選擇204兩者同時(shí)啟動時(shí)，數(shù)據(jù)從字結(jié)構(gòu)205讀入位線203。而當(dāng)字線讀取202與字線寫入201兩者同時(shí)啟動時(shí)，沒有工作受到定義。
注意每一列區(qū)塊選擇204與陣列200的一列有關(guān)，其中每一字線寫入201和字線讀取202與陣列200的一行有關(guān)。藉由使用一適當(dāng)?shù)牧袇^(qū)塊選擇204、一字線寫入201與一字線讀取202的組合，可以將數(shù)據(jù)寫入或是讀出陣列200的任何字結(jié)構(gòu)205。
位線203的總數(shù)目對應(yīng)陣列200像素的列數(shù)。因?yàn)槊恳蛔纸Y(jié)構(gòu)205代表16像素，列區(qū)塊選擇204的數(shù)目對應(yīng)陣列200中像素的列數(shù)除以16。
傳統(tǒng)的SRAM通常使用互補(bǔ)位線等，即每位兩線。本發(fā)明每像素列使用一單一位線，因此，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)相較，可降低功率的消耗。例如，在圖2中，一組位線203代表配置為16條單一線的數(shù)據(jù)位1-16。
從系統(tǒng)的觀點(diǎn)而言，從一顯示器的所述存儲器單元讀取數(shù)據(jù)較從該顯示器外接式的系統(tǒng)存儲器讀取的效率來得差，因?yàn)閺脑擄@示器讀取的功率消耗通常較高而且速度較低。然而，從該顯示器的所述存儲單元讀取數(shù)據(jù)在電路測試該顯示器時(shí)卻很有用。盡管如此，重點(diǎn)還是應(yīng)該擺在寫入該顯示器而不是從該顯示器讀取。如此，便不需要如脈沖式字線尋址、位線均衡與位線感測電路等的傳統(tǒng)SRAM設(shè)計(jì)技術(shù)。
圖3為一OLED像素字結(jié)構(gòu)205的方塊圖。字結(jié)構(gòu)205包括一字選擇電路300與十六個像素電路400。字選擇電路300的輸入為列區(qū)塊選擇204、字線讀取202與字線寫入201。字選擇電路300的輸出則為字讀取404與字寫入405。像素電路400的輸入為一單一位線203、字讀取404及字寫入405。字讀取404與字寫入405分別為字線讀取202與字線寫入201的局部字選擇的延伸。字選擇電路300例如顯示于像素電路400的左邊。
圖4示出在字選擇電路300中一些邏輯的電路細(xì)節(jié)。字選擇電路300包括兩個AND(與)門500與501。
AND(與)門500的輸入為列區(qū)塊選擇204與字線讀取202。字讀取404為AND(與)門500的輸出。當(dāng)列區(qū)塊選擇204與字線讀取202都為高電平時(shí)，即作用(active)時(shí)，字讀取404變高電平，即作用(active)。
AND(與)門501的輸入為列區(qū)塊選擇204與字線寫入201。字讀取405為AND(與)門501的輸出。當(dāng)列區(qū)塊選擇204與字線寫入201都為高電平時(shí)，即作用時(shí)，字讀取405變高電平，即作用。
圖5為陣列200中像素電路400主要功能組件的一簡化的示意圖。像素電路400包括一SRAM單元10、一連接至一電源電壓V1的電流源20、三個開關(guān)30、40與50、一接地的柵極P-型金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)晶體管60，其n-阱連接至其源極64，即一浮動阱，以及一OLED 70連接至一電源電壓V2。在正常的工作期間，V1為正電壓，V2為負(fù)電壓。
SRAM單元10的輸入為一單一位線203、字讀取404、與字寫入405。注意該位線203為一單一位線，用來輸入一代表該數(shù)據(jù)的信號至SRAM單元10，以及從SRAM單元10輸出一代表該數(shù)據(jù)的信號。字寫入405使得數(shù)據(jù)能夠?qū)懭隨RAM單元10，而字讀取404使得數(shù)據(jù)能夠從SRAM單元10讀取。SRAM單元10的輸出為位線203及一控制線8。注意該位線203同時(shí)為SRAM單元10的輸入與輸出。控制線8用來控制開關(guān)40。在位線203與字寫入405上的高電平狀態(tài)，一高電平狀態(tài)寫入SRAM單元10。當(dāng)SRAM單元10儲存一高電平狀態(tài)時(shí)，控制線8關(guān)閉開關(guān)40。當(dāng)SRAM單元10儲存一低電平狀態(tài)時(shí)，控制線8打開開關(guān)40。
V1提供電流源20的電源。電流源20產(chǎn)生對應(yīng)于OLED 70的一預(yù)先決定的最大亮度電平的一輸出電流。
希望能夠用控制經(jīng)過OLED 70的平均電流來控制該OLED 70的亮度。DUTY FACTOR NOT(6)為一脈沖寬度調(diào)制信號，其做為陣列200中所有像素共同的輸入。在該DUTY FACTOR NOT(6)的低電平狀態(tài)關(guān)閉開關(guān)30。在該DUTY FACTOR NOT(6)的高電平狀態(tài)打開開關(guān)30。該DUTY FACTORNOT(6)控制經(jīng)過OLED 70的平均電流，以設(shè)定其亮度至一低于最大亮度的電平。
REVERSE BISE(7)為一信號，其做為陣列200中所有像素共同的輸入。在REVERSE BISE(7)的高電平狀態(tài)關(guān)閉開關(guān)50。在REVERSE BISE(7)的低電平狀態(tài)打開開關(guān)50。
當(dāng)開關(guān)30與40關(guān)閉而開關(guān)50為開啟時(shí)，電流從電流源20流出，經(jīng)過開關(guān)30及40，流入PMOS晶體管60的源極64。PMOS晶體管60工作在一共柵放大(cascode)級，以提供電流源20一較大的電壓順應(yīng)范圍，例如本技術(shù)領(lǐng)域所熟知的那樣。自PMOS晶體管60漏極62出來的電流流入OLED 70使OLED 70開啟。電壓順應(yīng)范圍是輸出電流幾乎固定的輸出電壓范圍。一共柵放大級為一共同柵極放大器級，其藉由提供電壓增益來改善該電壓順應(yīng)的范圍。
當(dāng)電流流經(jīng)PMOS晶體管60時(shí)，其具有一相當(dāng)?shù)偷碾妷?，例如大約10微伏，流過其漏極62與源極64。當(dāng)電流流動時(shí)，在漏極62上的電壓可以高于或低于地?cái)?shù)伏，而在源極64上的電壓為高于地的最小閾值電壓，并總是高于其漏極62上的電壓。一閾值電壓為維持該晶體管在正常工作導(dǎo)電區(qū)域的最小源極至柵極電壓。當(dāng)沒有電流流入PMOS晶體管60的源極64時(shí)，在源極64上的電壓并不低于地。
在一OLED的工作期間，電荷可以在其有機(jī)層中被捕獲。此工作增加了一給定電流流動所需的OLED的前向偏壓。該捕獲電荷可以藉由反向偏壓該OLED來移除，定期或是不定期均可。
OLED 70藉由開啟開關(guān)30來反向偏壓，因此中斷來自電流源20的電流流動、關(guān)閉開關(guān)50并將V2從一負(fù)電壓切換至一正電壓。關(guān)閉開關(guān)50將源極64與PMOS晶體管60的n-阱接地。PMOS晶體管60的漏極6為一p-擴(kuò)散區(qū)。當(dāng)V2切換至一正電壓時(shí)，電流從V2流出，經(jīng)過OLED 70 PMOS晶體管60與開關(guān)50。經(jīng)由PMOS晶體管60與關(guān)閉的開關(guān)50，OLED 70的陽極72維持在接地以上一二極管壓降。OLED 70的反向偏壓電壓為V2的正電壓減掉一二極管壓降。
一OLED的反向偏壓并不需要在頻繁的間隔中進(jìn)行。而是可以在不規(guī)則間隔或是當(dāng)一顯示器未受收看的時(shí)候進(jìn)行。例如，在一手表的顯示器中，一OLED可以在白天以正常偏壓方式驅(qū)動，在晚上時(shí)，當(dāng)該顯示器上的圖像為關(guān)閉(OFF)時(shí)，該OLED電壓可受反向偏壓。另一個例子是，該OLED可以在一脈沖寬度調(diào)制亮度控制周期中，在OLED關(guān)掉(OFF)時(shí)受到反向偏壓。
圖6示出了圖5像素電路400的詳細(xì)細(xì)節(jié)。在該實(shí)施例中，V1設(shè)定為+3V而V2設(shè)定為-5V。
SRAM單元10包括n-型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)晶體管11與15，以及反相器12、13與14。在寫入工作時(shí)，在字寫入輸入405的一高電平狀態(tài)使得NMOS晶體管11將位線203上的邏輯狀態(tài)耦合到反相器12的輸入。
反相器12的輸出為其輸入的反置。反相器12的輸出與反相器13的輸入、反相器14的輸入連接，并提供控制線8的信號。
反相器13將其輸出連接至反相器12的輸入。請注意反相器12從位線203以一打開(ON)NMOS晶體管11或是從反相器13的輸出接收其輸入。NMOS晶體管11的電流驅(qū)動是部分由其信道寬度與其信道長度的比值來決定。反相器12與NMOS晶體管11的電流驅(qū)動相當(dāng)強(qiáng)，例如比反相器13的驅(qū)動強(qiáng)10倍。如此，位線203的輸入，經(jīng)由打開(ON)NMOS晶體管11至反相器12，決定SRAM單元10的狀態(tài)。一開始，經(jīng)由NMOS晶體管11數(shù)據(jù)電平設(shè)定反相器12的狀態(tài)，然后反相器13回饋，即提供一鎖定信號給反相器12，以在移除NMOS晶體管11的數(shù)據(jù)電平后維持該狀態(tài)。因此，NMOS晶體管11與反相器12與13組成一數(shù)據(jù)鎖存器。
一PMOS晶體管40A做為開關(guān)40(圖5)?？刂凭€8，從反相器12的輸出，連接至PMOS晶體管40A的柵極。
為了從SRAM單元10讀取數(shù)據(jù)，字讀取404設(shè)定為高電平，以導(dǎo)致NMOS晶體管15將反相器14的輸出連接到位線3。經(jīng)由反相器12與反相器14的反相工作，SRAM單元10讀出數(shù)據(jù)的極性與先前寫入SRAM單元10的極性相同。
SRAM單元10可以藉由消除反相器14并將反相器12的輸出直接連接至NMOS晶體管15而得以簡化。在此狀況下，SRAM單元10的數(shù)據(jù)讀出為先前寫入SRAM單元10的反置，但其可在一位線讀取電路(圖未示)中重新反置。最好是，反相器14包含在內(nèi)，因?yàn)槠湓谧x取工作期間，隔離像素電路400與位線203上的噪聲以及由位線203負(fù)載的電容。
一PMOS晶體管20A做為一電流源20(圖5)。一VREF 21連接至PMOS晶體管20A的柵極，并也連接至一同樣置于陣列200中所有其它像素電路中的PMOS晶體管。
先前提到的擋光層，例如可以用來分配該V1的+3V電源。該擋光層為一導(dǎo)電層，在該陣列中配置與連接，以對V1電源分配提供一低阻抗路徑。以此方式，該擋光層進(jìn)行兩種功能，即，擋光與電源分配。
PMOS晶體管20A為一場效應(yīng)晶體管(FET)，其信道寬度(W)、信道長度(L)與柵極至源極電壓(Vgs)在面積限制(～W×L)下可發(fā)揮最大作用，以縮小閾值電壓(VT)的效應(yīng)與信道寬度在電流經(jīng)過陣列中像素的OLED 70均勻度上的變化。該通道長度藉由如由該柵極導(dǎo)體形成漏極與源極擴(kuò)散的間隔來決定。該通道寬度為該柵極導(dǎo)體上漏極或源極尺寸。在飽和時(shí)，(|Vds|＞|Vgs-VT|)，該漏極電流與(W/L)(Vgs-VT)2，成正比，其中Vds為漏極至源極電壓。VREF 21電壓相對V1而設(shè)定，并可調(diào)整以得到一OLED 70理想測量的最大亮度，因而移除電流源晶體管參數(shù)的效應(yīng)，以及該顯示器最大總亮度的OLED效益。
在PMOS晶體管20A的實(shí)施例中，該通道長度為2m(79.12微米)，該通道寬度為67nm(2.64微米)，而PMOS晶體管柵極至源極電壓正常為-1.1V。在閾值電壓為-0.6V的狀況下，該P(yáng)MOS晶體管20A維持飽和的狀態(tài)，只要其源極至漏極電壓大于0.5V，即產(chǎn)生恒定電流。注意該P(yáng)MOS晶體管20A的靜態(tài)源極至柵極電壓大于其閾值電壓。換句話說，驅(qū)動OLED 70只需要0.5V的消耗電壓。在此方面，該設(shè)計(jì)是非常有功率效率。用此實(shí)施方法，PMOS晶體管20A的電流變化，在該陣列的像素中，都小于1.05∶1。
一PMOS晶體管30A起開關(guān)30(圖5)的作用，而一NMOS晶體管50A起開關(guān)50的作用(圖5)。此組件的配置允許圖5中所示的DUTY FACTOR NOT(6)與REVERSE BISE(7)在一單一REVERSE BIAS/DUTY FACTOR NOT(9)信號中結(jié)合。REVERSE BLAS/DUTY FACTOR NOT(9)為陣列200中所有像素的一共同輸入。
在OLED 70的正常前向偏壓工作下，REVERSE BIAS/DUTY FACTORNOT(9)為工作系數(shù)調(diào)制，以快速地將PMOS晶體管30A開與關(guān)，以工作系數(shù)調(diào)制在OLED 70中的電流。對OLED 70亮度的此數(shù)字控制，較利用一模擬電壓控制來得均勻。當(dāng)PMOS晶體管30A藉由將晶體管20A、30A、40A、50A與60的寄生電容放電而關(guān)閉以幫助線性化脈沖寬度調(diào)制時(shí)，NMOS晶體管50A可藉由REVERSE BIAS/DUTY FACTOR NOT(9)打開。如果未放電，該寄生繞線、漏極至基板、源極至基板與FET電極間電容會在PMOS晶體管30A為關(guān)閉時(shí)，允許電流連續(xù)流入該OLED一小段時(shí)間。該寄生電容趨向維持該P(yáng)MOS晶體管60的源極64在高電壓，允許PMOS晶體管60繼續(xù)傳導(dǎo)，直到源極64的電荷放光為止。
如果CMOS電路曝露至一電壓超過一擊穿電壓的話(通常為3.6V)，可能受到損壞。同樣地，在受到超過攝氏100度的溫度時(shí)，該有機(jī)層的壽命大大地縮減。如果一OLED在其陽極與陰極間受到短路，一過度的電流可能流過該短路的OLED像素電路。該電流可能產(chǎn)生熱度并損害一鄰接的像素，而且其也可能干擾供應(yīng)至該顯示器中其它像素的電壓。
因此，像素電路400包括一保護(hù)電路包含PMOS晶體管81、82與83，以及一電阻器84。在正常的工作期間，當(dāng)該像素在OFF的狀態(tài)下，在該OLED 70上的壓降降低，使得在PMOS晶體管60的漏極62的電壓變得負(fù)得更多。PMOS晶體管81、82與83每一個都降低約1V，使得在PMOS晶體管60的源極64的電壓的限制較接地負(fù)約3V。即是，PMOS晶體管81、82與83提供一負(fù)值(-3V)電壓限制，以確保PMOS晶體管60的柵極至漏極電壓不超過其擊穿電壓3.6V。藉由限制PMOS晶體管60漏極62的電壓，該保護(hù)電路有效地限制流經(jīng)像素電路400其它組件的電流。當(dāng)OLED 70打開，在漏極62的電壓約為接地以上的1.75V。在OLED 70打開時(shí)，PMOS晶體管81、82與83沒有作用。
當(dāng)OLED 70短路時(shí)，電阻器84限制可以流動的電流，以及可以消耗的功率。PMOS晶體管81、82與83仍將PMOS晶體管60漏極62的電壓限制于-3V左右，使得電阻器84上的任何過度電壓下降。在一較佳的具體實(shí)施例中，電阻器84是以具有40,000歐姆電阻的未摻雜的多晶硅來制作。
PMOS晶體管81、82與83與電阻器84也允許測試OLED 70，并經(jīng)由同樣置放于其它像素電路的組件，測試陣列200中所有的OLED像素。此系藉由設(shè)定V2為一負(fù)值電壓，如相對接地-7V的方式完成，允許V1浮動或是將之接地。以此配置的方式，電流路徑從接地經(jīng)PMOS晶體管81、82與83、電阻器84、OLED 70至V2。每一個PMOS晶體管81、82與83降低約0.7V。OLED 70為前向偏壓，而若屬優(yōu)質(zhì)則會開啟。此測試用于，例如，在OLED沉積后與在顯示器進(jìn)一步裝配前的密封時(shí)發(fā)現(xiàn)缺陷。
除了如以上所述節(jié)省功率的技術(shù)之外，可以藉由管理圖像寫入一顯示器的方式來節(jié)省功率。例如，顯示器功率消耗與一像素的亮度與像素″開″的數(shù)目成正比，因此如果有一方法能降低一像素的亮度與像素″開″的數(shù)目就能節(jié)省功率。
例如，如果陣列200設(shè)于一手表的顯示器中，像素的數(shù)目需要以時(shí)針顯示時(shí)間的像素需求數(shù)在像素總數(shù)的百分之1與2間。一典型的文字屏幕可能打開百分之10至20的像素。圖像可能需要百分之50像素的亮度。
因此，有別于幀序列工作，以空間混色產(chǎn)生灰階圖像，以消除需要快速寫入顯示器的功率(其為幀序列工作所必需)。
″開″像素的數(shù)目通常小于百分之50，而因此可以藉由在將新數(shù)據(jù)寫入該顯示器的前一個清除顯示的工作，以及藉由僅寫入像素已″開″的字結(jié)構(gòu)來節(jié)省電源。完全顯示可以使用位線及在該陣列之外的字線驅(qū)動器電路來清除。如果提高所有的字線寫入201與列區(qū)塊選擇204，而所有位線203上為低數(shù)據(jù)狀態(tài)的話，則低電平數(shù)據(jù)可寫入陣列200將顯示器所有像素關(guān)閉的所有的SRAM單元10。在手表的例子中，此功能的控制是由手表的處理器在更新顯示器的前所發(fā)出。然后，數(shù)據(jù)僅寫入在新顯示屏幕中必須打″開″的像素而已。
因?yàn)槭直盹@示器通常百分之99的時(shí)間在顯示時(shí)間，而且因?yàn)槭直碇甘緯r(shí)間的指針并不需要高的對比，在顯示時(shí)間的時(shí)候，亮度可以降低至一相當(dāng)?shù)偷牧炼入娖?，例如約為30燭光/平方米。此亮度電平應(yīng)足夠做夜間使用與房間環(huán)境光線電平低對比的應(yīng)用。在室內(nèi)環(huán)境下顯示文字與圖像，100燭光/平方米應(yīng)該足夠。只有在強(qiáng)烈陽光下使用才需要約500燭光/平方米的亮度電平。
為了在一手表系統(tǒng)的待機(jī)功能中節(jié)省功率，該REVERSE BIAS/DUTYFACTORNOT(9)應(yīng)在一高電平狀態(tài)。除此之外，V2至顯示器的連接應(yīng)打開，以消除任何關(guān)閉狀態(tài)的OLED電流或是由于OLED短路產(chǎn)生的電流等。如此，在V1與V2間的該電流路徑斷開，使得沒有電流流經(jīng)像素電路400。
同時(shí)，如果V1的電壓降低，可以降低從SRAM單元10汲取的待機(jī)電流，但是不要設(shè)定太低以免該顯示器失去其數(shù)據(jù)。降低供應(yīng)電壓會降低經(jīng)過反相器12、13與14的漏電流，并因此降低待機(jī)功率。在手表的應(yīng)用上，待機(jī)的控制由手表處理器提供。
DUTY FACTOR NOT(6)、REVERSE BISE(7)、待機(jī)與清除的控制信號可以寫入一SRAM字結(jié)構(gòu)，其形成一顯示控制寄存器，如以下所述，其并非為陣列200的一部分，而在其外部。以此方式，該顯示控制信號等為該顯示器的部分，但并不位于該手表的其它地方，因此降低該顯示器專用信號線的數(shù)目。
該控制寄存器的一功能為″清除″顯示，即，將所有的像素在一工作中全部關(guān)閉。即是，清除顯示的圖像，而不將該顯示器所有的單獨(dú)像素尋址。此工作的完成，使得該處理器只需要將在新圖像上為″開″的所述像素寫入，因此相較于寫入所有像素，可降低功率消耗與處理器的負(fù)擔(dān)。
圖7示出了有關(guān)寫入與讀取陣列200及一顯示控制寄存器705，及清除工作的控制流程的顯示功能方塊圖。該處理器(圖未示)將一字寫入顯示控制寄存器705，其包括一專用于清除功能的位。在圖7所示的示范性實(shí)施例中，一字具有16位。
在工作中，處理器傳送地址、一讀取/寫入信號、一芯片選擇信號、及圖像數(shù)據(jù)給該顯示器。對每一個接收的地址與數(shù)據(jù)字，一列選擇線204(圖2)由一列區(qū)塊譯碼器701啟動，一字線讀取202(圖2)或一字線寫入201(圖2)由一字線譯碼器702啟動，而且適當(dāng)?shù)奈痪€203(圖2)由位線寫入/讀取驅(qū)動器703選擇。如果要進(jìn)行清除工作，顯示控制寄存器705可尋址以由列區(qū)塊譯碼器701與字線譯碼器702寫入，而該清除的數(shù)據(jù)位則可應(yīng)用于該位線寫入/讀取驅(qū)動器703，并儲存于顯示控制寄存器705。然后啟動顯示控制寄存器705的一清除線輸出704，將一清除信號應(yīng)用至列區(qū)塊譯碼器701、字線譯碼器702與位線讀取/寫入驅(qū)動器703，其使一″零″同時(shí)寫入陣列200所有的像素中，將所有的OLED都關(guān)閉。
該顯示器是設(shè)計(jì)以由一微處理器的存儲器擴(kuò)充總線來尋址，該微處理器將圖像數(shù)據(jù)以字的形式傳送至顯示器，每一字一次包含數(shù)個像素的數(shù)據(jù)，例如，一次16像素。數(shù)據(jù)也可以從該顯示器的SRAM儲存區(qū)讀出，例如在做測試時(shí)，也是一次一字。為了實(shí)施此工作，字選擇電路可嵌入該顯示器中，例如，每16像素水平群組一個電路。此需要像素電路與實(shí)際像素間連接的定期移位，以維持一均勻、或是固定的像素間距。
圖8為一OLED像素字結(jié)構(gòu)205的方塊圖，示出了像素電路400與一字選擇電路300對OLED像素各陽極間的物理關(guān)系。字結(jié)構(gòu)205包含在陣列200一行上配置的16像素電路400與一個字選擇電路300。16個OLED陽極電極105迭在字結(jié)構(gòu)205上，每一陽極是由一導(dǎo)體通道802連接至一對應(yīng)像素電路400的金屬導(dǎo)體801。信道802與導(dǎo)體801為像素電路400至陽極105的傳導(dǎo)路徑的一部分，即從圖6中的電阻器84至OLED 70。雖然在圖8中，為了清楚起見，陽極電極105與像素電路400彼此鄰接，但是不言可喻，在此項(xiàng)技術(shù)中，其至少一部分彼此重迭。在圖8中的例子，該像素電路400的平均列向尺寸及陽極電極105的間距為871nm(34.3微米)，而字選擇電路300的列向間距為203nm(8微米)。為了使該16像素電路400與一字選擇電路300與該16陽極電極105占據(jù)相同的水平空間，每像素電路400的列向尺寸可減低12.7nm(0.5微米)，即與該陽極電極105相較，從871nm(34.3微米)降低至859nm(33.8微米)。最好是，信道802應(yīng)該放在每個陽極電極105的中心，或至少放在每個陽極電極105相同的相對位置。為了實(shí)現(xiàn)此方式，每一像素電路400的導(dǎo)體801具有一足夠的列向范圍，以配合信道802的移動位置。其結(jié)果為該OLED陽極的間距在陣列上均勻，甚至在像素電路的間距(其與OLED陽極連接)不均勻時(shí)亦然。
總的來說，本發(fā)明的像素電路已有技術(shù)相比較有許多的優(yōu)點(diǎn)。例如，CMOS電路并入一有源矩陣OLED顯示器的每一像素中。所述電路展示電池工作的低功率消耗、合并一亮度均勻的恒定電流源，以及降低亮度與OLED特性間的從屬關(guān)系，并允許使用該OLED所需要工作電壓一較低電壓的電路技術(shù)。每像素合并一SRAM存儲器單元以控制其狀態(tài)，像素的開或關(guān)，因此不需要定期刷新。當(dāng)需要減少該OLED隨著時(shí)間的損壞時(shí)，該電路也提供反向電壓的應(yīng)用，提供亮度的工作系數(shù)控制，以及一電流限制電阻器以隔絕短路像素的效應(yīng)。該顯示器由一微處理器的存儲器擴(kuò)充總線用數(shù)個像素長度字的形式來尋址，并且該顯示數(shù)據(jù)可以使用相同的形式讀出。譯碼該字地址的電路嵌入包含該顯示的像素的陣列中。還有，提供以一工作清除該顯示圖像，因此僅需要尋址″開″啟的像素，即可顯示新的像素。
權(quán)利要求
1.一種像素電路，包含一有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)；及一靜態(tài)存儲器，用來儲存代表該OLED工作狀態(tài)的數(shù)據(jù)。
2.如權(quán)利要求1所述的像素電路，還包含一用于將一代表該數(shù)據(jù)的信號輸入至該靜態(tài)存儲器以及從該靜態(tài)存儲器輸出一代表該數(shù)據(jù)的信號的單一位線。
3.如權(quán)利要求1所述的像素電路，還包含一第一輸入，使該數(shù)據(jù)能夠?qū)懭朐撿o態(tài)存儲器；及一第二輸入，使該數(shù)據(jù)能夠從該靜態(tài)存儲器讀取。
4.如權(quán)利要求1所述的像素電路，其中該靜態(tài)存儲器包含一第一組件，經(jīng)由與其耦合的一數(shù)據(jù)信號，以提供一源信號；一第二組件，具有一輸入用來接收來自該第一組件的該源信號，并用來驅(qū)動至一狀態(tài)，以產(chǎn)生代表該儲存數(shù)據(jù)的輸出；及一第三組件，具有一輸入耦合該第二組件的該輸出，及一輸出耦合該第二組件的該輸入，以用來提供一鎖存信號，以在移除該源信號之后維持該第二組件的該狀態(tài)。
5.如權(quán)利要求4所述的像素電路，其中該第一組件提供一第一驅(qū)動電流；及其中該第三組件提供一低于該第一驅(qū)動電流的第二驅(qū)動電流。
6.如權(quán)利要求1所述的像素電路，還包含一互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路用來控制該OLED；及一保護(hù)電路，用來保護(hù)該CMOS電路免于過電壓的損害。
7.如權(quán)利要求1所述的像素電路，其中所述CMOS電路包含一電流源；及一在該CMOS電路的輸出級中的共柵極放大器裝置。
8.如權(quán)利要求7所述的像素電路，其中該共柵極放大器裝置具有一浮動阱。
9.如權(quán)利要求6所述的像素電路，其中該保護(hù)電路，將經(jīng)由該CMOS電路的電流限制至一預(yù)先決定的值。
10.如權(quán)利要求6所述的像素電路，其中該保護(hù)電路，將跨過該CMOS電路的電壓限制至一預(yù)先決定的值。
11.如權(quán)利要求6所述的像素電路，還包含一電流限制電阻器與該OLED串聯(lián)。
12.如權(quán)利要求11所述的像素電路，其中該電阻器包含薄膜。
13.如權(quán)利要求11所述的像素電路，其中該電阻器包含未摻雜的多晶硅。
14.如權(quán)利要求6所述的像素電路，其中該CMOS電路包含一電路，用來反向偏壓該OLED，以移除從該OLED所限制的電荷。
15.如權(quán)利要求14所述的像素電路，其中用于反向偏壓該OLED的該電路包含一與該OLED串聯(lián)的n-型金屬氧化物半導(dǎo)體(NMOS)晶體管；及一與該NMOS晶體管串聯(lián)的p-型金屬氧化物半導(dǎo)體(PMOS)晶體管，其中該NMOS晶體管與該P(yáng)MOS晶體管提供一反向偏壓電流路徑從該OLED的一陽極至接地。
16.如權(quán)利要求6所述的像素電路，其中該CMOS電路包含一用來控制經(jīng)過該OLED的一平均電流的工作系數(shù)電路。
17.如權(quán)利要求16所述的像素電路，其中該工作系數(shù)電路允許反向偏壓該OLED，以從該OLED移除所捕獲的電荷。
18.如權(quán)利要求6所述的像素電路，其中該CMOS電路包含一場效晶體管(FET)電流源。
19.如權(quán)利要求18所述的像素電路，其中該FET具有一大于該FET閾值電壓的靜態(tài)柵極至源極電壓。
20.如權(quán)利要求18所述的像素電路，其中該FET具有一大于該FET的一通道寬度的通道長度。
21.如權(quán)利要求6所述的像素電路，其中該CMOS電路包含一第一輸入，用來設(shè)定該像素的一最大亮度；及一第二輸入，用來控制該像素的一工作系數(shù)，以設(shè)定該像素一亮度小于該最大亮度。
22.如權(quán)利要求1或6所述的像素電路，其中該像素電路包含配置于一基板上的一材料，其中該材料從結(jié)晶硅、非結(jié)晶硅、多晶硅、微結(jié)晶硅、一有機(jī)材料與一多分子材料所組成的群組中選出，及其中該基板從包含硅、玻璃、塑料、陶瓷及藍(lán)寶石(AL2O3)的群組中選出。
23.如權(quán)利要求6所述的像素電路，其中該保護(hù)電路能夠提供該OLED一前向偏壓電流路徑以照明該OLED。
24.一種包含如權(quán)利要求1所述像素電路的陣列的顯示器。
25.如權(quán)利要求24所述的顯示器，其中每一該OLED包含一電極，其中所述OLED以一在該陣列中為均勻的間距彼此分開，且其中所述像素電路以一在該陣列中為不均勻的間距彼此分開。
26.如權(quán)利要求24所述的顯示器，還包含一用來將所有所述OLED同時(shí)設(shè)定至一均勻工作狀態(tài)的電路。
27.如權(quán)利要求26所述的顯示器，其中所述OLED的該均勻工作狀態(tài)為＂關(guān)＂，且其中該顯示器由一隨后設(shè)定選擇各個所述OLED為＂開＂的處理器控制。
28.如權(quán)利要求26所述的顯示器，其中該電路是藉由一處理器經(jīng)由一存儲器總線來尋址。
29.如權(quán)利要求24所述的顯示器，其中每一該像素電路是藉由一處理器經(jīng)由一存儲器總線來尋址。
30.如權(quán)利要求24所述的顯示器，其中該陣列為一電子表的一組件。
全文摘要
一種包含一有機(jī)發(fā)光二極管(OLED)及一用來儲存代表該OLED工作狀態(tài)數(shù)據(jù)的靜態(tài)存儲器的像素電路。在一實(shí)施例中，一像素電路可以包括一用來控制該OLED的互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)電路、一用來保護(hù)該CMOS電路不至于有過電壓的狀況的保護(hù)電路、以及一具有一大于該FET閾值電壓的靜態(tài)柵極至源極電壓的場效晶體管(FET)的電流源。
文檔編號G09F9/30GK1543637SQ01821765
公開日2004年11月3日 申請日期2001年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2001年1月4日
發(fā)明者詹姆斯·L·桑福德, 尤金·S·施利格, S 施利格, 詹姆斯 L 桑福德 申請人:國際商業(yè)機(jī)器公司