像素电容的充电

11.1.2　像素电容的充电

在像素电极上储存的电荷由下式给出：

式中，V_n是像素电位，V_G是栅极电压，C_LC是液晶电容，非晶硅TFT的充电电流或漏极电流由下式给出：

TFT充电时，工作在它的I_D-V_D特性的线性区，漏极电流由下面的公式给出（渐近沟道近似）：

这里，μn是沟道内的电子迁移率，C_i是栅极绝缘层单位面积的电容，V_D是漏极电压，V_th是TFT的阈值电压，W和L分别是TFT的沟道宽度和长度。

假定这些参数是常数，从方程（11.1）～方程（11.4）得到

这里，C_px＝CL_C＋C_S＋C_GS。方程（11.5）的解可以很好地描述TFT的充电行为。设t＝0时，

从负半周到正半周的充电，像素电极的电压V_n由下式给出：

这里，τ是时间常数，a和b是量纲常数，分别由下面的3个公式定义：

方程（11.7）对应的是从负半周到正半周的转变，在方程中V_D是正的，V_n0是负的，如图11.3所示。

像素电压V_n的增量ΔV由下式给出：

这里，V_D是栅极电压脉冲振幅，V_n0是电压V_D发生跳变以后的值。因此在脉冲的边沿，V_n0（正半周）近似等于V_D，负半周近似等于-V_D，像素电压等于-V_D-

图11.3　TFT-LCD的充电电压波形

ΔV。像素的充电时间常数由下式给出：

式中，R_LC是液晶盒的电阻，R_off是非晶硅TFT的电阻。如果τ_px足够大，则像素电压就不会从它最初的充电电压值发生衰减。这种情况下初始的像素电压是：

方程（11.9）和方程（11.10）的常数简化为

对于V_D＞0和V_D＜0，这个公式都可以用。即使τ_px大于一帧的时间，但考虑到是由于C_GS引起的ΔV，V_n0还是近似等于-V_D。

根据方程（11.7），当tτ的时候，方程简化为

把具体的数值代入方程（11.16），可以分别得到正半周和负半周的α值。在开态开始的正半周充电速度相当高，但是继续进行下去的时候速度会明显变慢。

TFT沟道的宽度W和长度L的比率W/L直接和像素电容充电的时间t_r有关。如果把像素电极的电压和数据电压的比定义为r_c，则从方程（11.7）得到

这里k_t由下式给出：

像素电容充电的时间t_r必须要远小于帧扫描时间，这里将帧扫描时间定义为帧频时间t_f除以一帧的线数m，这个条件由下式给出：

从方程（11.8）～方程（11.19）我们得到

方程（11.20）右边的数值都是已知的常数，那么上式简化为

如果这个常数等于1，则可以使TFT的面积最小。在导出方程（11.21）时，我们假设了电压脉冲沿栅极总线传输过程中形成的栅极线延迟可以忽略不计。实际上，随着TFT-LCD液晶屏增大以及分辨率增高，栅极延迟对扫描时间的影响相当大。如果把栅极延迟也考虑进去，则方程（11.19）变成

一般要求C是一个远远大于1的常数：

从上升时间方程（11.19）还可以导出另一个基本判据。TFT必须要有足够的电荷保持能力，保证存储的电荷可以保持一帧的时间。这个保持率r可以表示为

如果方程（11.12）中的τ_px远远大于t_f，我们从方程（11.17）～方程（11.19）和方程（11.24）得到：

我们将TFT的开态电阻R_on定义为

从方程（11.8）、方程（11.12）、方程（11.25）和方程（11.26）得到TFT的电阻R_on和R_off之比：

对于480扫描线，99%的保持率（r＝0.99），r_c＝0.99，以及R_LC≈R_off，电阻R_on和R_off之比为：

这个标准建立了TFT开关电流on/off之比的最低水平的判据。用μn＝0.5cm²·（V·s）^-1，C_i＝20nF·cm^-2，W/L＝5，V_G＝13V，V_th＝1V和V_D＝8V代入方程（11.26），我们得到一个5×10⁶Ω的开态电阻，将这个值代入方程（11.28）计算出来的R_off大于2×10¹²Ω。在V_D＝10V时，这个电阻值对应的开态和关态电流分别是2μA和5pA。