彭強(qiáng)+姚若河

摘 要： 以往提出的半導(dǎo)體薄膜晶體管的節(jié)能設(shè)計(jì)方法，受到半導(dǎo)體薄膜晶體管不易受控缺陷的影響，節(jié)能效果不佳，故提出一種性能更為優(yōu)異的半導(dǎo)體薄膜晶體管的節(jié)能設(shè)計(jì)方法。概述了半導(dǎo)體薄膜晶體管中電源回路和驅(qū)動電路的節(jié)能設(shè)計(jì)原理，并給出終端設(shè)備架構(gòu)設(shè)計(jì)方案。使用電源回路控制半導(dǎo)體薄膜晶體管供電頻率，實(shí)現(xiàn)基本節(jié)能。利用驅(qū)動電路進(jìn)一步調(diào)節(jié)電能損耗、管理電源回路的電流諧波，改善半導(dǎo)體薄膜晶體管的開關(guān)性能。并以構(gòu)建模型的方式對電路噪音進(jìn)行消除，優(yōu)化儲能水平。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得，所提方法下的半導(dǎo)體薄膜晶體管擁有優(yōu)良的開關(guān)性能和儲能水平，并且節(jié)能效果較好。

關(guān)鍵詞： 半導(dǎo)體； 薄膜晶體管； 節(jié)能； 電源回路

中圖分類號： TN304.055?34； TN321.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）12?0136?04

Abstract： The previously?proposed energy?saving design method of the semiconductor thin?film transistor has poor energy?saving effect because the semiconductor thin?film transistor is not easy to control， so a superior energy?saving design method of semiconductor thin?film transistor is put forward. The energy?saving design principles of the power loop and drive circuit in semiconductor thin?film transistor are summarized. The architecture design scheme of the terminal device is given. The power loop is used to control the power?supply frequency of the semiconductor thin?film transistor to realize the basic energy saving. The drive circuit is adopted to regulate the electric energy loss further， manage the current harmonic of the power loop， and improve the switching performance of the semiconductor thin?film transistor. The mode of model construction is employed to eliminate the circuit noise， and optimize the energy storage performance. The experimental verification results show that the method makes the semiconductor thin?film transistor have high switching performance， high energy storage level， and superior energy?saving effect.

Keywords： semiconductor； thin?film transistor； energy saving； power loop

0 引 言

隨著信息時代的悄然來臨，顯示器也向著智能化、節(jié)能化的目標(biāo)不斷邁進(jìn)，半導(dǎo)體薄膜晶體管以其加工簡便、成本低廉、體積小和高遷移率等優(yōu)勢，逐漸成為顯示器的主流制作材料[1]。近年來，人們對顯示器節(jié)能效果的要求越來越高。為了響應(yīng)市場需求，有關(guān)組織曾提出多種節(jié)能設(shè)計(jì)方法，但由于受到半導(dǎo)體薄膜晶體管不易受控缺陷的影響，其節(jié)能效果不佳，更為優(yōu)異的半導(dǎo)體薄膜晶體管的節(jié)能設(shè)計(jì)方法仍在研究中[2]。

文獻(xiàn)[3]以無機(jī)復(fù)合材料為涂層，對半導(dǎo)體薄膜晶體管進(jìn)行了節(jié)能設(shè)計(jì)。無機(jī)復(fù)合材料能夠有效改善半導(dǎo)體的兼容性能，并弱化分子層，提高半導(dǎo)體薄膜晶體管的開關(guān)性能，但卻無法對半導(dǎo)體薄膜晶體管中不同層次組件之間的平衡能力進(jìn)行優(yōu)化，因此節(jié)能效果不佳。文獻(xiàn)[4]基于有機(jī)半導(dǎo)體材料提出一種半導(dǎo)體薄膜晶體管的節(jié)能設(shè)計(jì)方法，這一方法將有機(jī)半導(dǎo)體材料置于設(shè)計(jì)中心點(diǎn)，對半導(dǎo)體薄膜晶體管中的通信工作進(jìn)行性能優(yōu)化，其成本低廉，并且儲能水平良好，但遷移率低、壽命短，并非良好的節(jié)能方法。文獻(xiàn)[5]通過變更半導(dǎo)體薄膜晶體管中的電極材料達(dá)到節(jié)能目的，電極材料的導(dǎo)電性、魯棒性和接觸點(diǎn)對管中電流的流通性具有較大的影響，因此該方法的節(jié)能效果要優(yōu)于以上兩種方法，但在一定程度上限制了半導(dǎo)體薄膜晶體管的開關(guān)性能。

為了改善以上問題，提出一種能夠同時兼具優(yōu)良的開關(guān)性能和儲能水平，并且節(jié)能效果較好的半導(dǎo)體薄膜晶體管的節(jié)能設(shè)計(jì)方法，給出節(jié)能原理，對電源回路和驅(qū)動電路進(jìn)行重點(diǎn)設(shè)計(jì)。

1 半導(dǎo)體薄膜晶體管節(jié)能原理

半導(dǎo)體薄膜晶體管的電能耗損率與其供電頻率有很大關(guān)系，如圖1所示。當(dāng)供電頻率處于[500 Hz，50 kHz]的范圍內(nèi)，半導(dǎo)體薄膜晶體管的電能耗損率迅速增長，最高可達(dá)125%。而當(dāng)供電頻率處于[50 Hz，18 kHz]的范圍內(nèi)，電能耗損率最高僅為102%，可節(jié)約大概23%的電能[6]?；谏鲜鲈恚岚雽?dǎo)體薄膜晶體管的節(jié)能設(shè)計(jì)方法將設(shè)計(jì)出一種電源回路，使半導(dǎo)體薄膜晶體管的供電頻率始終維持在50 Hz～18 kHz，保證最基本的節(jié)能效果。

為了在保證節(jié)能效果的同時，使半導(dǎo)體薄膜晶體管仍具有優(yōu)良的開關(guān)性能，所提方法還對半導(dǎo)體薄膜晶體管驅(qū)動電路的設(shè)計(jì)提出了要求：

（1） 在維持節(jié)能效果的前提下，驅(qū)動電路的驅(qū)動電壓應(yīng)富余，保證半導(dǎo)體薄膜晶體管的可持續(xù)工作；

（2） 為半導(dǎo)體薄膜晶體管提供的工作電流應(yīng)低于其額定值，并使驅(qū)動電路穩(wěn)定不變；

（3） 可對電源回路的電流諧波進(jìn)行實(shí)時管控；

（4） 驅(qū)動電路中各組件應(yīng)具備較強(qiáng)的兼容性和安全性。

根據(jù)上述要求，應(yīng)在驅(qū)動電路中使用具有強(qiáng)耐高溫性和抗干擾性的可編程硅單晶片，其電阻率為50 ，可對電流、電壓和驅(qū)動時間進(jìn)行合理調(diào)節(jié)，適應(yīng)所提方法對半導(dǎo)體薄膜晶體管的節(jié)能要求。

同時，為了獲取較為優(yōu)異的儲能水平，需要對半導(dǎo)體薄膜晶體管的終端設(shè)備架構(gòu)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以合理消除其內(nèi)部電路噪音，如圖2所示。以半導(dǎo)體薄膜晶體管中基區(qū)的結(jié)深和運(yùn)動分子數(shù)量為依據(jù)，設(shè)置展寬區(qū)長度，通常當(dāng)結(jié)深為20 μm時，展寬區(qū)為60 μm。終端設(shè)備所使用的管分壓為2環(huán)，可在減輕儲能壓力的同時節(jié)約設(shè)計(jì)成本[7]。

2 半導(dǎo)體薄膜晶體管的節(jié)能設(shè)計(jì)方法研究

2.1 電源回路設(shè)計(jì)

本文半導(dǎo)體薄膜晶體管節(jié)能設(shè)計(jì)方法給出的電源回路主要由單相半控橋和三相全橋變流器構(gòu)成，如圖3所示，其功能參數(shù)如表1所示。由圖3可知，單相半控橋的作用是整流，電源回路的初始輸入電壓為恒定的交流電，如果電源回路中的電容儲能效果非常好，那么經(jīng)單相半控橋整流后的交流電則能夠以任意電壓進(jìn)行直流變換。調(diào)節(jié)直流電壓至所需數(shù)值，再通過三相全橋變流器進(jìn)行直流、交流電壓轉(zhuǎn)換，便可使半導(dǎo)體薄膜晶體管的供電頻率維持在[50 Hz，18 kHz]范圍內(nèi)。

以往提出的半導(dǎo)體薄膜晶體管節(jié)能設(shè)計(jì)方法通常使用變壓器實(shí)現(xiàn)電壓轉(zhuǎn)換，導(dǎo)致電源回路產(chǎn)生了較多的功率干擾，并且無法帶來優(yōu)異的節(jié)能效果，而三相全橋變流器具有攜帶方便、穩(wěn)定性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可持續(xù)工作3 800 h，電壓轉(zhuǎn)換性能更加強(qiáng)勁[8]。在進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換時，應(yīng)使三相全橋變流器內(nèi)部的兩個晶體管單獨(dú)工作，防止電源回路出現(xiàn)短路狀況，故應(yīng)將二者的排列角度置于120°。

2.2 驅(qū)動電路設(shè)計(jì)

本文提出的半導(dǎo)體薄膜晶體管節(jié)能設(shè)計(jì)方法中，驅(qū)動電路的作用是調(diào)節(jié)半導(dǎo)體薄膜晶體管中不必要的電能損耗，并對電源回路的電流諧波進(jìn)行管控，達(dá)到改善半導(dǎo)體薄膜晶體管開關(guān)性能的目的。驅(qū)動電路中標(biāo)準(zhǔn)電流波形以及其電路設(shè)計(jì)圖如圖4、圖5所示。

由圖4、圖5可知，驅(qū)動電路以其標(biāo)準(zhǔn)電流波形進(jìn)行工作，通過光電耦合方式對半導(dǎo)體薄膜晶體管和電源回路的受控區(qū)域進(jìn)行劃分。整個驅(qū)動電路擁有8個監(jiān)控接口。接口1，2用來連接脈沖，其兩端電壓為3.5 V，可實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體薄膜晶體管與電源回路的高性能連通。

當(dāng)驅(qū)動電路對半導(dǎo)體薄膜晶體管的電能損耗進(jìn)行調(diào)節(jié)時，需要將接口1，2的兩端電壓調(diào)至0 V，此時電容C5處于放電狀態(tài)，接口3，8可實(shí)現(xiàn)連通，并使電路產(chǎn)生降壓現(xiàn)象，半導(dǎo)體薄膜晶體管將出現(xiàn)反向偏置電壓，電能損耗也相應(yīng)縮減[9]。驅(qū)動電路對電源回路電流諧波的管控工作與上述調(diào)節(jié)較為類似，其操控的是接口7，8兩端電壓，使用開關(guān)控制電壓升降，使接口5，6處于連通狀態(tài)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對電流諧波的縮減，增強(qiáng)半導(dǎo)體薄膜晶體管的開關(guān)性能，為優(yōu)異的節(jié)能效果提供后臺支持。

2.3 電路噪音消除模型

半導(dǎo)體薄膜晶體管的內(nèi)部電路噪音會導(dǎo)致其儲能水平的降低，對節(jié)能效果造成較大的影響，必須采用一種較為有效的方式對噪音進(jìn)行消除。為此，所提半導(dǎo)體薄膜晶體管的節(jié)能設(shè)計(jì)方法構(gòu)建了電路噪音消除模型，該模型將半導(dǎo)體薄膜晶體管的內(nèi)部電路分為正、反相兩部分，將正向的輸入、輸出電壓設(shè)為，，反向的輸入、輸出電壓設(shè)為，，當(dāng)正、反兩相的電壓近視相等時，便可實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體薄膜晶體管內(nèi)部電路噪音的消除[10]。如果將正、反兩相的實(shí)時電壓繪制成曲線，用表示正相電壓曲線，那么反相電壓曲線則可表示為。從坐標(biāo)處向正相電壓曲線做一條斜率為1的輔助線，將該輔助線與的交點(diǎn)坐標(biāo)設(shè)為，則可獲取關(guān)系式如下：

式中：是驅(qū)動電路輸出電壓；是半導(dǎo)體薄膜晶體管實(shí)際供電電壓；是漏電電壓；是半導(dǎo)體薄膜晶體管的設(shè)計(jì)參數(shù)。至此，消除半導(dǎo)體薄膜晶體管內(nèi)部電路噪音可看作是求解的過程。由于不同的半導(dǎo)體薄膜晶體管正、反兩相電壓曲線并不重合，故電路噪音消除模型定義了一個噪音極限值，當(dāng)取最大值時，和可看作近似相等，的最大值如下：

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

為了驗(yàn)證本文提出的半導(dǎo)體薄膜晶體管節(jié)能設(shè)計(jì)方法的各項(xiàng)性能，需要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)將國內(nèi)某科技公司生產(chǎn)的半導(dǎo)體薄膜晶體管與萬用表、存儲電容和顯示板相連，如圖6所示。使用電壓、頻率調(diào)節(jié)儀控制實(shí)驗(yàn)自變量，對本文方法、文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法的開關(guān)性能、儲能水平和節(jié)能效果進(jìn)行對比驗(yàn)證。

3.2 開關(guān)性能驗(yàn)證

半導(dǎo)體薄膜晶體管的開關(guān)性能是其最重要的性能之一，是保證半導(dǎo)體薄膜晶體管與其他電路元件有效溝通的基礎(chǔ)性能。以往的節(jié)能設(shè)計(jì)中通常會削弱開關(guān)性能，導(dǎo)致半導(dǎo)體薄膜晶體管的兼容性降低，得不償失，因此，開關(guān)性能的驗(yàn)證必不可少。在本文實(shí)驗(yàn)中，通過調(diào)節(jié)半導(dǎo)體薄膜晶體管的偏置電壓，觀察其偏置電流隨時間的變化趨勢，來確定不同方法下半導(dǎo)體薄膜晶體管開關(guān)性能的優(yōu)劣性，如圖7所示。與文獻(xiàn)[3]方法和文獻(xiàn)[4]方法相比，本文方法下半導(dǎo)體薄膜晶體管偏置電流最為穩(wěn)定，表現(xiàn)出優(yōu)良的開關(guān)性能。

3.3 儲能水平驗(yàn)證

在光照狀態(tài)下和無光狀態(tài)下對不同方法下半導(dǎo)體薄膜晶體管的儲能水平進(jìn)行了驗(yàn)證，使用偏置電壓來表示儲能水平，二者成正比關(guān)系，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示?？煽闯?，在光照狀態(tài)下，三種方法的儲能水平無較大差別，而在無光狀態(tài)下，本文方法的偏置電壓要遠(yuǎn)高于文獻(xiàn)[3]方法以及文獻(xiàn)[4]方法，表現(xiàn)出優(yōu)良的儲能水平。

3.4 節(jié)能效果驗(yàn)證

實(shí)驗(yàn)令半導(dǎo)體薄膜晶體管正常運(yùn)行48 h，使用文獻(xiàn)[3]方法、文獻(xiàn)[4]方法以及本文方法對其進(jìn)行節(jié)能，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，可知本文方法的節(jié)能效果最佳。

表2 節(jié)能效果驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)結(jié)果 kW·h

4 結(jié) 論

本文提出一種能夠同時兼具優(yōu)良的開關(guān)性能和儲能水平，并且節(jié)能效果較好的半導(dǎo)體薄膜晶體管的節(jié)能設(shè)計(jì)方法。半導(dǎo)體薄膜晶體管的電能耗損率與其供電頻率有很大關(guān)系，使半導(dǎo)體薄膜晶體管的供電頻率始終維持在50 Hz～18 kHz，可保證最基本的節(jié)能效果。因此，本文方法給出節(jié)能原理，對電源回路和驅(qū)動電路進(jìn)行了重點(diǎn)設(shè)計(jì)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證可得，在本文方法下，半導(dǎo)體薄膜晶體管的開關(guān)性能、儲能水平和節(jié)能效果均優(yōu)于以往提出的節(jié)能設(shè)計(jì)方法，具有較高的使用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)

[1] 欒慶彬，皮孝東.半導(dǎo)體納米晶體在薄膜晶體管中的應(yīng)用[J].材料導(dǎo)報(bào)，2014，28（21）：1?7.

[2] 劉振，徐文亞，錢龍，等.印刷半導(dǎo)體碳納米管薄膜晶體管光電性能研究[J].影像科學(xué)與光化學(xué)，2014，32（3）：260?266.

[3] 周騰，陳征，崔錚.透明氧化物半導(dǎo)體及其溶液法制備薄膜晶體管[J].中國材料進(jìn)展，2014，33（3）：144?150.

[4] 李誼，劉琪，蔡婧，等.n?型有機(jī)半導(dǎo)體插入層提高p?型并五苯薄膜晶體管性能（英文）[J].無機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2014，30（11）：2621?2625.

[5] 朱大龍，謝應(yīng)濤，許鑫，等.基于金屬電極和有機(jī)半導(dǎo)體層的制備工藝對有機(jī)薄膜晶體管性能的研究[J].半導(dǎo)體光電，2015，36（1）：88?91.

[6] 周小娜，陳志英，蘇煥先，等.智能型節(jié)能交流接觸器控制器設(shè)計(jì)[J].電氣工程學(xué)報(bào)，2015，10（12）：27?31.

[7] 祁會祥.談綠色建筑和建筑節(jié)能設(shè)計(jì)[J].山西建筑，2014，40（32）：198?200.

[8] 周婷婷，楊孝安.節(jié)能環(huán)保行業(yè)融資結(jié)構(gòu)對經(jīng)營績效的影響[J].西安工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2015，29（5）：630?635.

[9] 隋俊杰，邵偉恒，吳上泉.基站綠色節(jié)能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2016，39（6）：136?139.

[10] 卜文銳.基于模糊規(guī)則的水泵節(jié)能循環(huán)控制系統(tǒng)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2015，38（17）：97?100.