Правильная ссылка на эту страницу
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19870123Elc019.shtml

Повышение срока службы тонкопленочных электролюминесцентных панелей

УДК 681.327.22:621.383

Prolonging the life of thin-film EL flat panels, No.32, pp.84—87.

Описан усовершенствованный технологический процесс Bidfet, позволивший создать ИС формирователей возбуждающих напряжений для тонкопленочных электролюминесцентных панелей с симметричной формой выходного напряжения. Применение таких формирователей позволило устранить эффект возникновения скрытого изображения на экране.

Тонкопленочные электролюминесцентные индикаторные панели (ЭЛП) в будущем могут найти применение в многочисленных областях, где в настоящее время используются газоразрядные матричные экраны. В особенности это относится к военной аппаратуре, требованиям которой в наибольшей степени удовлетворяют плоские экраны. В то время как по уровню освоения тонкопленочные ЭЛП уступают газоразрядным панелям, разработчики считают, что ЭЛП имеют лучшие механические параметры и потребляют меньшую мощность. Благодаря новому методу возбуждения, устраняющему один из эксплуатационных недостатков ЭЛП — так называемый эффект дифференциального старения, эти приборы станут еще более привлекательными для разработчиков.

Новый подход фирмы Texas Instruments Inc. (Даллас) основан на усовершенствовании процесса Bidfet, при котором на одном кристалле объединены биполярные и МОП-транзисторы. В результате удалось удвоить выходное напряжение приборов (со 120 до 225 В) и сделать их пригодными для использования в симметричных формирователях строчных напряжений, устраняющих эффект дифференциального старения.

Дифференциальное старение связано с электрическими характеристиками панели и способом ее возбуждения. Например, при обычном асимметричном возбуждении экран имеет тенденцию сохранять любые непрерывно отображаемые рисунки и воспроизводить их в виде тусклого нестираемого изображения. Этот эффект может стать проблемой, например, при воспроизведении меню входа в систему, постоянно высвечиваемого на экране, когда компьютер находится в режиме ожидания. Возникающий при этом рисунок скрытого изображения выглядит более ярким, чем окружающий его фон (напротив, аналогичный эффект в электронно-лучевых трубках проявляется в виде более тусклого по отношению к фону изображения). Слишком явный эффект дифференциального старения приводит к значительному уменьшению срока службы тонкопленочных ЭЛП в дисплейных мониторах.

Проведенные изготовителями тонкопленочных ЭЛП предварительные исследования показали, что появление скрытого изображения, видимо, в большей степени связано с методом возбуждения панели, чем с технологией ее изготовления или материалами. Дальнейшие исследования привели к выводу, что сведение к минимуму эффекта дифференциального старения можно получить в основном путем компенсации или устранения асимметрии формы возбуждающего напряжения, приложенного к панели.

Для решения проблемы изготовители панелей обратились к полупроводниковым фирмам — поставщикам ИС формирователей асимметричных возбуждающих напряжений. Один из ведущих изготовителей таких формирователей фирма Texas Instruments реагировала на этот призыв введением дополнительных операций в свой хорошо апробированный процесс Bidfet, при котором в одном кристалле объединены биполярные ДМОП (с двойной диффузией) и n- и p-канальные логические МОП-схемы. Разработчики этой фирмы превратили стандартный кристалл асимметричного 225-В ДМОП-формирователя с открытым стоком в двухтактный 225-В Bidfet строчный формирователь, обеспечивающий симметричное возбуждение.

Это весьма существенное изменение технологического процесса, так как оно должно дать удвоение пробивного напряжения стандартного 120-В Bidfet-формирователя. Технология Bidfet — прекрасная основа для изготовления высоковольтных симметричных строчных формирователей, поскольку единственным ограничением в этом случае оказывается максимальное выходное напряжение ДМОП-каскада.

Разработчики фирмы Texas Instruments преуспели также в объединении в одном корпусе 225-В транзисторов с открытыми стоком и истоком, которые необходимы для возбуждения строки индикатора. Другие изготовители используют для этой цели две ИС, одну с р-канальным транзистором с открытым истоком и другую с n-канальным транзистором с открытым стоком. Поэтому усовершенствованные однокристальные Bidfet-формирователи позволяют обойтись меньшим числом межсоединений, занимают меньшую площадь на печатной схемной плате, требуют меньшего числа интерфейсных сигналов и позволяют получить лучшую в технико-экономическом отношении схему возбуждения тонкопленочных ЭЛП, чем обычные приборы. Фирма полагает, что благодаря многочисленным достоинствам симметричного возбуждения по сравнению с асимметричным новые строчные формирователи позволят сделать последний метод стандартным для нового поколения тонкопленочных ЭЛП.

В повсеместно используемом в настоящее время методе тонкопленочные ЭЛП возбуждаются напряжением асимметричной формы, которое воздействует на элементы отображения разнополярными импульсами записи и регенерации (рис.1, вверху). Поскольку два разнополярных импульса отличаются по амплитуде ( +190 и —210 В) и длительности, возникает постоянная составляющая напряжения на ячейке. В результате могут появляться «тлеющие» ячейки, которые остаются частично включенными даже в отсутствии сигналов выборки. Именно по этой причине в тонкопленочных ЭЛП возникает скрытое изображение.

Устранение скрытого изображения. Обычные ИС формирователей для тонкопленочных электролюминесцентных панелей дают асимметричную форму напряжения. Чтобы
Рис.1. Устранение скрытого изображения. Обычные ИС формирователей для тонкопленочных электролюминесцентных панелей дают асимметричную форму напряжения. Чтобы предотвратить появление скрытого изображения, возникающего из-за дифференциального старения элементов отображения, была разработана ИС нового типа, в которой используется симметричное возбуждение и которая предназначена для следующего поколения индикаторов.

Из-за неодинаковости импульсов, используемых для адресации элементов отображения, и обусловленного этим неравномерного накопления заряда дифференциальное старение сильнее проявляется в верхней части экрана, чем в нижней. Когда же амплитуды импульсов становятся одинаковыми, что и имеет место при симметричном возбуждении, эффект дифференциального старения в верхней и нижней частях экрана проявляется одинаково.

Более оптимальный метод — возбуждение любого элемента симметричными импульсами записи переменной полярности (рис.1, внизу). Этот метод имеет существенные преимущества. Во-первых, элементы отображения возбуждаются одинаковыми положительным и отрицательным напряжениями (фактически переменным напряжением), так что постоянная составляющая напряжения не возникает. Этим исключается эффект выгорания ячеек. Во-вторых, отсутствие сильноточных импульсов регенерации значительно повышает контрастность экрана и уменьшает мощность, потребляемую системой. Боб Шир, инженер-конструктор группы схемотехники дисплеев фирмы Texas Instruments, говорит: «Симметричное возбуждение редко применялось в системах управления тонкопленочными ЭЛП, поскольку до сих пор мало какие ИС строчных формирователей позволяли его реализовать».

Чтобы иметь возможность использования схем симметричного возбуждения, фирма Texas Instruments выпустила семейство монолитных ИС строчных формирователей SN65563, SN65564, SN75563 и SN75564. Интегральные схемы SN65563 и SN75563 отличаются от SN65564 и SN75564 только порядком подсоединения возбуждающих сигналов к выводам корпуса. Наличие двух различных конфигураций выводов позволяет упростить конструкцию печатной платы.

Во всех четырех ИС положительный входной сигнал записи управляет состоянием выходных транзисторов возбуждения индикатора. При высоком уровне напряжения Q-выходы представляют собой формирователи со свободным истоком, а выходные данные не инвертированы по отношению ко входным. Инвертирование данных происходит при низком уровне положительного входного сигнала записи. Последовательные данные вводятся во встроенный в ИС сдвиговый регистр на спаде тактирующих импульсов. Высокий уровень на входе разрешения выборки обеспечивает включение тех выходов, у которых связанные с ними регистры находятся в единичном состоянии. В результате соответствующие строки присоединяются либо к выводу высокого напряжения источника электропитания при высоком уровне положительного импульса записи, либо к «земле» — при низком уровне этого импульса. Вывод последовательного выхода позволяет каскадно включать дополнительные строчные формирователи.

Когда разработчики фирмы Texas Instruments решили создавать высоковольтные симметричные ИС формирователей строк, они остановились на технологическом процессе Bidfet по трем причинам. Во-первых, он позволяет получить все компоненты, которые требуются для симметричного формирователя. Во-вторых, существуют достоверные данные по надежности формирователей для тонкопленочных ЭЛП. И наконец, Bidfet представляет собой апробированную технологию для массового производства с низкой себестоимостью.

В то же время эта технология не свободна от недостатков. В строчном формирователе для тонкопленочных ЭЛП низковольтные логические КМОП-каскады должны сопрягаться с 225-В каскадами с тристабильным выходом. В случае стандартного процесса это становится проблемой, поскольку пробивное напряжение истоковых ДМОП-повторителей составляет всего 120 В. Разработчики фирмы Texas Instruments нашли в стандартном процессе три вызывающих пробой механизма, которые необходимо исключить, чтобы создать высоковольтные симметричные формирователи.

Первый вид пробоя происходит в pn-переходе между изолирующей областью и эпитаксиальным слоем, где образуется ДМОП-транзистор. Электрический пробой возникает в этом переходе на или около поверхности кремния из-за усиления электрического поля и наличия участков с малым радиусом кривизны, обусловленных проходящим по поверхности выводом высокого напряжения. Другой механизм связан с участками с малым радиусом кривизны и уровнем легирования диффузионной области транзистора на задней стороне затвора. В случае стандартного процесса возможен пробой при напряжениях, меньше требуемых. Последнее третье ограничение стандартного процесса заключается в том, что пробой происходит в объеме кремния между диффузионной областью p-МОП транзистора на задней стороне затвора и скрытым n+-слоем. Для устранения любой из перечисленных причин пробоя требуется свой независимый подход.

Чтобы легче найти эти решения, разработчики фирмы Texas Instruments использовали два сложных пакета программ САПР: Supra — двумерную модель процессов в полупроводниковой структуре и Gemini — программу анализа двумерных электрических полей. Ввод данных в Supra позволяет получить профиль перехода и концентрацию примесей на основе данных об этапах процесса. Иными словами, если в программу ввести продолжительности каждого процесса, то по имеющимся уравнениям методом конечных разностей рассчитывается профиль перехода и концентрация примесей.

Выходные данные программы Supra служат входными для Gemini. Эта последняя позволяет разработчикам смоделировать распределение электрических потенциалов на переходах и поверхности кремния для гипотетического прибора. Программа выдает значения напряженности электрического поля. На основании анализа напряженности и конфигурации электрического поля разработчик может идентифицировать области кристалла, где могут возникать лавины, которые приводят к электрическому пробою.

Критическое рассмотрение процесса Bidfet с помощью программ Supra и Gemini позволило разработать высоковольтные приборы (рис.2). Чтобы создать новый технологический процесс, разработчики фирмы Texas Instruments по очереди устраняли каждый из трех недостатков, присущих стандартному процессу.

Удвоение напряжения. Усовершенствованный процесс Bidfet более чем вдвое повышает пробивные напряжения (до 250 В). Введение поликремниевых экранирующих
Рис.2. Удвоение напряжения. Усовершенствованный процесс Bidfet более чем вдвое повышает пробивные напряжения (до 250 В). Введение поликремниевых экранирующих пластин помогает исключить различные виды пробоя.

Первый из них — пробой перехода между эпитаксиальным и изоляционным слоями обусловлен высокой концентрацией электрического поля и участками с малым радиусом кривизны, созданными проходящими поверху металлическими дорожками. Одно из возможных решений проблемы — экранирующая электрическое поле пластина, расположенная поверх слоя окисла над переходом. Металлические проводники должны проходить поверх этой экранирующей пластины. В случае необходимости на экран подается напряжение смещения.

Для определения пригодности такой структуры разработчики фирмы Texas Instruments создали ее модель, используя программу Supra, и затем оценили эту модель при разных напряжениях смещения на экране. Одновременно оценивались и другие параметры: перекрытие пластиной перехода и толщина слоя окисла. Выполненный анализ подтвердил, что выбранная разработчиками структура эпитаксиально-изоляционных областей будет выдерживать требуемые напряжения без пробоя.

Экранирующие пластины имеют значение и для подавления второго вида пробоя, вызываемого участками с малым радиусом кривизны на поверхности раздела эпитаксиального слоя и Д-кармана. В этом случае усиление электрического поля из-за малого радиуса кривизны сказывается сильнее, чем в диффузионной области. Разработчики предполагали, что экранируемая пластина, перекрывающая край диффузионной области, может видоизменить распределение электрического поля перехода, лежащего под ней. Для оценки характеристик при различных напряжениях смещения на экране модель Supra была введена в программу Gemini. Полученные результаты показывают, что предложенная структура будет, видимо, способна выдерживать максимальное напряжение сток — исток, возникающее в схеме симметричного возбуждения.

Для создания экранирующих пластин, которые могли бы разрешить обе проблемы сразу, фирма Texas Instruments ввела в стандартную структуру, изготавливаемую по процессу Bidfet, поликремниевый слой и напыленный на него слой окисла, предотвращающий короткое замыкание с проходящим поверху металлическим проводником. Оба нововведения были реализованы с минимальными изменениями стандартного процесса.

Третья проблема — объемный пробой материала — поддалась решению легче других. Необходимо было только заново найти оптимальную толщину и удельное сопротивление эпитаксиального слоя. Как и ожидалось, из-за больших рабочих напряжений новое значение толщины слоя должно быть больше старого.

Однако увеличение толщины привело к возникновению новой проблемы. Используя стандартный процесс изоляции, нельзя обеспечить разгонку примеси в более толстом эпитаксиальном слое, не увеличив чрезмерно время обработки. Учитывая это, разработчики ввели дополнительный скрытый слой р-типа, формируемый на подложке до осаждения эпитаксиального слоя. Тем самым в ИС формирователя имеет место диффузия снизу из области под эпитаксиальным слоем вверх, а не только обычная диффузия вниз примесей, введенных поверх эпитаксиального слоя.

Каждая строка тонкопленочного ЭЛП должна управляться схемой возбуждения с двумя выходными транзисторами, способной выдерживать напряжение 225 В. Высоковольтный процесс Bidfet обеспечивает именно эти требования — он позволяет создать тристабильный строчный ДМОП-формирователь, способный давать 250-В выходное напряжение. Низковольтные сигналы логических КМОП-каскадов независимо управляют транзисторами со стоковым и истоковым выходами. Такое управление позволяет устанавливать выходные транзисторы в любое из трех состояний: высокого напряжения, низкого напряжения и высокого сопротивления (в последнем случае оба выходных транзистора отключены). Транзистор с истоковым выходом коммутирует ток 80 мА и поддерживается в выключенном состоянии n-канальным МОП-транзистором, включенным между его затвором и истоком, когда истоковый транзистор не выбран логической схемой. Схема сдвига уровней представляет собой просто токоограничивающий pnp-транзистор с ДМОП-переключателем возбуждения. Нижний ДМОП-транзистор выходного каскада способен отводить ток более 100 мА.

Удвоенные пробивные выходные напряжения, получаемые по новой технологии Bidfet, показаны на осциллограммах напряжения (рис.3). Для лучшего восприятия каждая из осциллограмм выходного напряжения сдвинута на одно деление сетки на экране осциллографа. Форма кривой в высоковольтном состоянии формирователя точно соответствует напряжению возбуждения тонкопленочной ЭЛП VCC1. В низковольтном состоянии выходное напряжение по отношению к «земле» составляет менее 1 В. Наконец, как и следует ожидать, в состоянии высокого сопротивления выходное напряжение не определено, и его значение лежит между VCC2 и «землей». Важно также то, что как верхний, так и нижний транзисторы выходного двухтактного каскада выдерживают полное напряжение питания (в нашем случае 250 В).

Три состояния. Осциллограммы с высоковольтного выхода (точки соединения стока и истока выходных транзисторов) подтверждают, что усовершенствованная ст
Рис.3. Три состояния. Осциллограммы с высоковольтного выхода (точки соединения стока и истока выходных транзисторов) подтверждают, что усовершенствованная структура Bidfet способна выдержать 250 В без пробоя.

Это свойство делает потенциальные возможности применения новой ИС гораздо более широкими, чем только для однокристальных синхронных строчных формирователей тонкопленочных ЭЛП. Интеграция множества компонентов в одном кристалле, способном выдерживать высокие напряжения, открывает путь создания дешевых «разумных» регуляторов энергии для разнообразных применений.

Дочерние статьи:

Автоматическое проектирование не может заменить опыт

Выходные данные:

Журнал "Электроника" том 59, No.20 (753), 1986г - пер. с англ. М.: Мир, 1986, стр.44

Electronics Vol.59 No.32 October 2, 1986 A McGraw-Hill Publication

Prolonging the life of thin-film EL flat panels, No.32, pp.84—87.

Раздел: МЕТОДЫ, СХЕМЫ, АППАРАТУРА

Тема:     Отображение информации





Дата последнего изменения:
Thursday, 21-Aug-2014 09:10:44 MSK


Постоянный адрес статьи:
http://az-design.ru/Support/HardWare/TI/D19870123Elc019.shtml