Pixel design for AMOLED display
Creators: name: Βοσνιάδης, Παναγιώτης Σωτηρίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Οθόνες
Εικονοστοιχείο
Τρανζίστορ λεπτού υμενίου
TFT
AMOLED
LCD
PIXEL

description: The main subject of this thesis is to design a voltage programmable pixel circuit with a new threshold-voltage compensation technique for Active Matrix Organic Light Emitting Diode (AMOLED) displays. The proposed pixel has some modification of the conventional voltage programmed pixel circuit 2Τ1C (2 transistors – 1 capacitor). The simplicity of the proposed circuit is due to the fact that it requires only four TFT and one capacitor. Initially, an introduction to the Thin Film Transistor (TFT) is made, with references to the importance of the displays that use TFT, as well as how they operate, the operation regions and their differences to the Metal Oxide Semiconductor Field-effect Transistors (MOSFET). Subsequently, an analysis of three different kinds of the TFT technology, the amorphous silicon (a-Si), the Low-Temperature Polycrystalline Silicon (LTPS) and the Indium Gallium Zinc Oxide (IGZO) is made. There is a comparison of the two latest technology displays, the Liquid-Crystal Displays (LCD) and the Organic Light-emitting diode (OLED), as well as a presentation of the addressing methods of the pixel in the display technology. Then there is a more extensive analysis of an OLED pixel operation and the possible ways to program it with voltage or current. Subsequently, the operation of the circuit is thoroughly analyzed, as well as the design specifications. The time response analysis of the circuit with the parasitic capacitance and resistance are also mentioned. The threshold voltage compensation technique is implemented with a static circuit, resulting to fast response time, which is the main advantage of the proposed pixel. The simulation results for the pixel were made with virtuoso cadence suite and two TFT models, a LTPS model and IGZO model, were used. The simulation analyses refer to the variation of threshold-voltage (Vt), as well as the variation of carrier’s mobility (MU0), and showed an impressive reduction of the error in the output current in IGZO model. The basic model of the simulations is IGZO and the results showed that the current for different threshold voltages is almost independent of the threshold voltage. Comparing the power consumption of the two models, it was found that the LTPS model had a significantly lower consumption than the IGZO. Indications for further future projects are exposed based on our findings, mainly concerning the use of the pixel in virtual reality (VR) displays, which are considered the top high-tech devices
description: Η παρούσα διπλωματική εργασία αφορά τη σχεδίαση ενός κυκλώματος για ένα pixel προγραμματιζόμενο με τάση για Active Matrix Organic Light Emitting Diode (AMOLED) οθόνες. Ειδικότερα, χρησιμοποιήθηκε μια νέα τεχνική σχεδίασης για την αναίρεση των επιδράσεων της μεταβολής της τάσης κατωφλίου. Το προτεινόμενο κύκλωμα είναι μια παραλλαγή του συμβατικού κυκλώματος 2Τ1C (2 τρανζίστορ – 1 πυκνωτής) και αποτελείται από τέσσερα τρανζίστορ και έναν πυκνωτή, κάτι που το καθιστά ιδιαίτερα απλό στη σχεδίασή του. Αρχικά, γίνεται μια εισαγωγή στα τρανζίστορ λεπτού υμενίου (Thin Films Transistors - TFT), στον τρόπο και τις περιοχές λειτουργίας τους καθώς επίσης και στις διαφορές τους με τα Metal Oxide Semiconductor Field-effect Transistors (MOSFET). Στη συνέχεια, γίνεται αναφορά σε τρία μοντέλα TFT, το amorphous silicon (a-Si), το Low-Temperature Polycrystalline Silicon (LTPS) και το Indium Gallium Zinc Oxide (IGZO). Συγκρίνονται οι δύο τελευταίας τεχνολογίας οθόνες, η Liquid-Crystal Displays (LCD) και η Organic Light-emitting diode (OLED) και στη συνέχεια αναλύονται οι τεχνικές διευθυνσιοδότησης για το pixel. Ακολουθεί μια εκτενέστερη ανάλυση του τρόπου λειτουργίας ενός OLED pixel και στους πιθανούς τρόπους προγραμματισμού του με τάση ή ρεύμα. Στη συνέχεια αναλύεται το προτεινόμενο pixel, οι προδιαγραφές του και η χρονική του ανάλυση. Το κύκλωμα αναίρεσης της μεταβολής της τάσης κατωφλίου πραγματοποιείται με ένα στατικό κύκλωμα, οπότε το βασικό πλεονέκτημα του προτεινόμενου κυκλώματος είναι ο πολύ γρήγορος χρόνος ανταπόκρισης (response time). Ακολουθούν τα αποτελέσματα των προσομοιώσεων μέσω του προγράμματος virtuoso cadence. Οι προσομοιώσεις έγιναν αρχικά για δύο μοντέλα TFT, το IGZO και το LTPS. Οι αναλύσεις των προσομοιώσεων αφορούν τη μεταβολή της τάσης κατωφλίου (Vt) και τη μεταβολή της ευκινησίας φορέων (MU0) και έδειξαν εντυπωσιακή μείωση του σφάλματος στο ρεύμα εξόδου στην πρώτη περίπτωση. Το βασικό μοντέλο των προσομοιώσεων είναι το IGZO και τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το ρεύμα για διαφορετικές τάσεις κατωφλίου είναι σχεδόν ανεξάρτητο από την τάση κατωφλίου. Συγκρίνοντας την κατανάλωση στα δύο μοντέλα διαπιστώθηκε ότι το LTPS μοντέλο έχει αισθητά μικρότερη κατανάλωση σε σχέση με το IGZO. Η εργασία ολοκληρώνεται επισημαίνοντας κάποιες τροποποιήσεις στο σχεδιασμό του κυκλώματος ώστε να γίνει εφικτή η χρήση του pixel σε virtual reality (VR) συσκευές, που θεωρούνται οι πλέον υψηλής τεχνολογίας συσκευές