Micro-LED電流驅(qū)動的原理與應(yīng)用

Micro-LED是電流驅(qū)動型發(fā)光器件，其驅(qū)動方式一般只有兩種模式：無源選址驅(qū)動（PM：Passive Matrix，又稱無源尋址、被動尋址、無源驅(qū)動等等）與有源選址驅(qū)動（AM：Active Matrix，又稱有源尋址、主動尋址、有源驅(qū)動等），本文還將分析一種 “半有源”選址驅(qū)動方式。這幾種模式具有不同的驅(qū)動原理與應(yīng)用特色，下面將通過電路圖來具體介紹其原理。

什么是PM驅(qū)動模式？

無源選址驅(qū)動模式把陣列中每一列的LED像素的陽極（P-electrode）連接到列掃描線（Data Current Source），同時把每一行的LED像素的陰極（N-electrode）連接到行掃描線（Scan Line）。

當(dāng)某一特定的第Y列掃描線和第X行掃描線被選通的時候，其交叉點(diǎn)（X，Y）的LED像素即會被點(diǎn)亮。整個屏幕以這種方式進(jìn)行高速逐點(diǎn)掃描即可實現(xiàn)顯示畫面，如圖1所示。[1，2]這種掃描方式結(jié)構(gòu)簡單，較為容易實現(xiàn)。

但不足之處是連線復(fù)雜（需要X+Y根連線），寄生電阻電容大導(dǎo)致效率低，像素發(fā)光時間短（1場/XY）從而導(dǎo)致有效亮度低，像素之間容易串?dāng)_，并且對掃描信號的頻率需求較高。

另外一種優(yōu)化的無源選址驅(qū)動方式是在列掃描部分加入鎖存器，其作用是把某一時刻第X行所有像素的列掃描信號（Y1, Y2… … Yn）提前存儲在鎖存器中。

當(dāng)?shù)赬行被選通后，上述的Y1-Yn信號同時加載到像素上[3]。這種驅(qū)動方式可以降低列驅(qū)動信號頻率，增加顯示畫面的亮度和質(zhì)量。但仍然無法克服無源選址驅(qū)動方式的天生缺陷：連線龐雜，易串?dāng)_，像素選通信號無法保存等。而有源選址驅(qū)動方式為上述困難提供了良好的解決方案。

什么是AM驅(qū)動模式？

在有源選址驅(qū)動電路中，每個Micro-LED像素有其對應(yīng)的獨(dú)立驅(qū)動電路，驅(qū)動電流由驅(qū)動晶體管提供。基本的有源矩陣驅(qū)動電路為雙晶體管單電容（2T1C：2 Transistor 1 Capacitor）電路，如圖2所示[4]。

圖2 有源選址驅(qū)動方式

每個像素電路中使用至少兩個晶體管來控制輸出電流，T1為選通晶體管，用來控制像素電路的開或關(guān)。T2是驅(qū)動個晶體管，與電壓源聯(lián)通并在一場（frame）的時間內(nèi)為Micro-LED提供穩(wěn)定的電流。

該電路中還有一個存儲電容C1來儲存數(shù)據(jù)信號（Vdata）。當(dāng)該像素單元的掃描信號脈沖結(jié)束后，存儲電容仍能保持驅(qū)動晶體管T2柵極的電壓，從而為Micro-LED像素源源不斷的驅(qū)動電流，直到這個frame結(jié)束。

2T1C驅(qū)動電路只是有源選址Micro-LED的一種基本像素電路結(jié)構(gòu)，它結(jié)構(gòu)較為簡單并易于實現(xiàn)。但由于其本質(zhì)是電壓控制電流源（VCCS），而Micro-LED像素是電流型器件，所以在顯示灰度的控制方面會帶來一定的難度，這一點(diǎn)我們在后面的《Micro-LED的彩色化與灰階》部分中會討論。

劉召軍博士課題組曾提出一種4T2C的電流比例型Micro-LED像素電路，采用電流控制電流源（CCCS）的方式，在實現(xiàn)灰階方面具有優(yōu)勢[5]。

什么是“半有源”選址驅(qū)動方式？

另外需要提及的是一種 “半有源”選址驅(qū)動方式[6]。這種驅(qū)動方式采用單晶體管作為Micro-LED像素的驅(qū)動電路（如圖3所示），從而可以較好地避免像素之間的串?dāng)_現(xiàn)象。

三大驅(qū)動方式對比

與無源選址相比，有源選址方式有著明顯的優(yōu)勢，更加適用于Micro-LED這種電流驅(qū)動型發(fā)光器件?，F(xiàn)詳細(xì)分析如下：

① 有源選址的驅(qū)動能力更強(qiáng)，可實現(xiàn)更大面積的驅(qū)動。而無源選址的驅(qū)動能力受外部集成電路驅(qū)動性能的影響，驅(qū)動面積于分辨率受限制。

② 有源選址有更好的亮度均勻性和對比度。在無源選址方式中，由于外部驅(qū)動集成電路驅(qū)動能力的有限，每個像素的亮度受這一列亮起像素的個數(shù)影響。一般來說，同一列的Micro-LED像素共享外部驅(qū)動集成電路的一個或多個輸出引腳的驅(qū)動電流。

所以，當(dāng)兩列中亮起的像素個數(shù)不一樣的時，施加到每個LED像素上的驅(qū)動電流將會不一樣，不同列的亮度就會差別很大。這個問題將會更加嚴(yán)重地體現(xiàn)在大面積顯示應(yīng)用中，如LED電視與LED大屏幕等。同時隨著行數(shù)和列數(shù)的增加，這個問題也會變得更嚴(yán)峻。

③ 有源選址可實現(xiàn)低功耗高效率。大面積顯示應(yīng)用需要比較大的像素密度，因此就必須盡可能減小電極尺寸，而驅(qū)動顯示屏所需的電壓也會極大的上升，大量的功率將損耗在行和列的掃描線上，從而導(dǎo)致效率低下。

④ 高獨(dú)立可控性。無源選址中，較高的驅(qū)動電壓也會帶來第二個麻煩，即串?dāng)_，也就是說，在無源選址LED陣列中，驅(qū)動電流理論上只從選定的LED像素通過，但周圍的其他像素將會被電流脈沖影響，最終也會降低顯示質(zhì)量。有源選址方式則通過由選通晶體管和驅(qū)動晶體管構(gòu)成的像素電路很好的避免了這種現(xiàn)象。

⑤ 更高的分辨率。有源選址驅(qū)動的更適用于高PPI高分辨率的Micro-LED顯示。

而第三種“半有源”驅(qū)動雖然可以較好地避免像素之間的串?dāng)_現(xiàn)象，但是由于其像素電路中沒有存儲電容，并且每一列的驅(qū)動電流信號需要單獨(dú)調(diào)制，并不能完全達(dá)到上面列出的有源選址驅(qū)動方式的全部優(yōu)勢。

以藍(lán)寶石襯底上外延生長的藍(lán)光Micro-LED為例，像素和驅(qū)動晶體管T2的連接方式有圖4所示的4種。但由于LED外延生長結(jié)構(gòu)是p型氮化鎵（GaN）在最表面而n型氮化鎵在底層，如圖5所示。

從制備工藝角度出發(fā)驅(qū)動晶體管的輸出端與Micro-LED像素的p電極連接較為合理，即圖4中的（a）和（c）。圖4（a）中Micro-LED像素連接在N型驅(qū)動晶體管的源極（Source）。由外延生長（Epitaxial Growth）、制備工藝、及器件老化所產(chǎn)生的不均勻性所導(dǎo)致的Micro-LED電學(xué)特性的不均勻性將會直接影響驅(qū)動晶體管的VGS，從而造成顯示圖像的不均勻。

而圖4（c）中的Micro-LED像素連接在P型驅(qū)動晶體管的漏極（Drain），可以避免上述影響，其電流-電壓關(guān)系圖6所示。因此，有P管像素電路驅(qū)動Micro-LED較為適宜。

圖6 Micro-LED與驅(qū)動晶體管的電流-電壓關(guān)系