基于a-IGZOTFTs的低功耗D触发器设计

基于a-IGZO薄膜材料的半导体器件开题报告一、选题背景和意义近年来，随着电子产品的快速发展，显示器件的需求持续增长。

而a-IGZO (非晶氧化铟镓锌)薄膜材料作为一种新型的半导体材料，具有优异的电学性能和光学性能，广泛应用于显示器件中，如TFT-LCD，OLED 等。

现有研究表明，a-IGZO半导体材料具有低功耗、高分辨率、高透明度等优点，被认为是未来显示器领域的一个重要趋势。

因此，本文以a-IGZO薄膜材料作为研究对象，探究其在半导体器件中的应用和性能，具有重要的意义和实际应用价值。

二、研究内容和目标1.研究a-IGZO薄膜材料的制备方法和特性。

2.探究a-IGZO半导体器件中的电子输运性质和光学性质。

3.分析a-IGZO薄膜材料在显示器件中应用时的性能参数。

4.基于实验数据，优化a-IGZO半导体器件的制备过程，提高器件的性能和效率。

三、研究方法和技术路线1.采用磁控溅射和原子层沉积等技术制备a-IGZO薄膜材料，并利用X射线衍射、光谱学等方法研究其物理特性。

2.通过电学测试和光电测试等实验手段，分析a-IGZO薄膜材料的电子输运性质和光学性质。

3.利用TFT-LCD、OLED等显示器件模型，依据实验数据，探究a-IGZO薄膜材料在显示器件中的应用性能。

4.结合实验数据，优化a-IGZO薄膜材料的制备过程，并探究优化后的器件性能和效率。

四、研究预期结果1.成功制备获得a-IGZO薄膜材料，并研究其物理特性。

2.分析a-IGZO薄膜材料的电子输运性质和光学性质，探究其在半导体器件中的应用前景。

3.依据实验数据，优化a-IGZO薄膜材料的制备过程，提高器件的性能和效率。

4.为a-IGZO薄膜材料在显示器件领域的应用提供科学依据和实验支持。

五、论文结构和进度安排本文主要分为以下部分：第一章：选题背景和意义第二章：a-IGZO薄膜材料的制备方法和特性第三章：a-IGZO半导体器件中的电子输运性质和光学性质第四章：a-IGZO薄膜材料在显示器件中的应用性能第五章：基于实验数据的器件制备优化和性能提升第六章：总结与展望进度安排：第一、二季度：查阅文献资料，制备a-IGZO薄膜材料并进行物理特性测试。

第34卷第3期2007年5月浙　江　大　学　学　报(理学版)Journal of Zhejiang U niversity(Science Edition)http :///sciVol.34No.3May 2007收稿日期:2005-05-30.作者简介:胡晓慧(1982-),女,硕士,主要从事多值逻辑及动态电路的研究.低功耗动态三值CMOS D 触发器设计胡晓慧1,2,沈继忠1,2,周　威1(1.浙江大学信息与电子工程学系,浙江杭州310028;2.浙江大学城市学院信息与电气工程学院,浙江杭州310015)摘　要:低功耗设计在当前超大规模集成电路中越来越重要.本文以一种没有直流功耗,具有完全电压摆幅的低功耗动态CMOS 三值反相器作为基础,结合简单三值差分逻辑(STDL )的结构,设计了一种低功耗动态三值CMOS D 触发器.该触发器能很好地实现动态D 触发器的逻辑功能,并且具有结构简单、芯片面积小、时钟简单等优点.Pspice 模拟表明所设计的触发器还具有速度快、功耗低的优点,它比二值动态TSPCL D 触发器节省近35%的能耗.关　键　词:动态三值反相器;差分逻辑;动态三值CMOS D 触发器;低功耗中图分类号:TN432;TP343 文献标识码:A 文章编号:1008-9497(2007)03-304-03HU Xiao 2hui 1,2,SH EN Ji 2zhong 1,2,ZHOU Wei 1(1.Department of I nf ormation S cience and Elect ronic Engineer 2ing ,Zhej iang Universit y ,H angz hou 310028,China;2.S chool of I nf ormation and Elect ric Engineering ,Zhe 2j iang Universit y cit y College ,H angz hou 310015,China )Design of low 2pow er dynamic ternary CMOS D flip 2flop.Journal of Zhejiang University (Science Edition ),2007,34(3):304～306Abstract :Low power design is playing a more and more important role in VL SI nowadays .In this paper a low 2pow 2er dynamic ternary CMOS D flip 2flop was designed ,which is based on the dynamic CMOS ternary inverter having full voltage swings without DC power dissipations and is combined with the structure of a Simple Ternary Differenti 2al Logic (STDL ).This flip 2flop has correct logic f unction as a dynamic D flip 2flop ,and has the distinct advantage of simple structure ,small chip area ,and simple two 2phase clock.It was shown by the pspice simulation that it has faster speed and lower power ,it can save nearly 35%power dissipation as comparing with binary dynamic TSPCL D flip 2flop .K ey w ords :dynamic ternary inverter ;differential logic ;dynamic ternary CMOS D flip 2flop ;low power 近年来,低功耗已经成为限制VL SI 电路设计的关键因素之一,它的重要性主要体现在两个方面:第一,随着VL SI 集成度的提高和工艺的改进,其密度和复杂性增加.如果不能很好地控制功耗,芯片产生的热量会导致功能下降及产生稳定性问题甚至错误行为,同时增加封装和散热的成本;第二,巨大的功耗也使使用电池的便携式设备因电池易耗尽而影响使用[1].在实现低功耗的方法中,动态电路引起越来越多的关注[2～12],因为动态电路具有较低的功耗.在动态电路中,动态能耗控制是一项极为重要的功能,它针对电路器件是否在使用及使用的程度,通过开关来控制器件,使得不需要工作的器件关闭,从而不消耗能量.同时动态电路在速度、芯片面积等方面也比静态电路有优势[12].在VL SI 中,为了减少互连线及引脚的数量,增加它们所传递的信息量,多值逻辑是一个有效的手段[2,3].触发器是时序电路的核心,是实现时序电路最基本的单元电路.而D 触发器因电路相对简单,应用较广,其设计得到了广泛的关注[13～16].文献[2]中提出了一种动态差分逻辑(STDL )的一般结构,它有着诸如电路延迟小,布线面积小,功耗低,以及很强的逻辑灵活性等特点.但是这种STDL 使用的是取值为(-1,0,1)的对称三值逻辑,这样在实现起来需要负电源及负电平输入信号,而在实际操作过程中,负电平实现起来是比较困难和不方便的.文献[3]对该STDL 进行了改进,使用了正电平电压,讨论了一般结构及组合电路的设计方法,但缺乏对时序电路的研究.作者应用STDL 结构设计了低功耗动态三值CMOS D 触发器,并给出了其仿真模拟及能耗比较.1　动态三值反相器及动态三值差分逻辑文献[2,3]中提出的动态三值CMOS 反相器的电路结构如图1所示.图中只用到了增强型PMOS 管和NMOS 管.输入输出信号电压均为0～3.3V.而逻辑电平2/3V DD (3.3V ),1/3V DD (1.65V )和GN D (0V ),分别代表了逻辑值2、1、0.电路电源电压V DD =5V.时钟信号采用非重叠两相时钟,如图2所示.时钟信号C P 和C P 幅度V CP 为5V.图1所示的动态三值反相器中,当C P =5V ,C P =0V 时,P 1和N 3截止,N 2导通,输出预置为1.65V ;而当C P =0V ,C P =5V 时,P 1和N 3导通,N 2截止,到1/3V DD 的通路截止,因此输出取决于输入:当输入为0V 时,P 2导通,N 1截止,输出上拉至3.3V ;输入为1.65V 时,P 2和N 1均截止,输出保持预置电压1.65V ;当输入是3.3V 时,P 2截止,N 1导通,输出下拉至0V.时钟采用5V 电压是为了N 2管充分导通,同时时钟与电源电压之间有1/3V DD 的偏移也减小了耦合噪声.从上述描述中可知,这种三值反相器的直流功耗相当小,和传统的二值静态CMOS 反相器相当.此外,它还拥有不依赖于MOS 管尺寸的输出电压幅度.文献[2]在动态三值反相器基础上,进一步提出图1　动态三值反相器Fig.1　Dynamic ternary inverter图2　非重叠两相时钟Fig.2　Two 2phase clock without overlapping了一种动态三值差分逻辑电路(STDL ),它有着和二值差分逻辑同样的诸如电路延迟小,布线面积小,功耗低,以及很强的逻辑灵活性等优点,但是取值为(-1,0,1)的对称三值逻辑的使用,使得实现起来需要负电源及负电平输入信号,而负电平在实际操作过程中实现起来是比较困难和不方便的.文献[3]对该STDL 进行了改进,使用了正电平电压,同时也将这个一般结构运用到了组合逻辑电路的设计中.图3　动态三值CMOS D 触发器Fig.3　Dynamic ternary CMOS D flip 2flop2　动态三值CMOS D 触发器将文献[3]的STDL 结构运用到时序电路中,作者设计了一种新的结构简单的动态三值CMOS D 触发器,其电路如图3(a )所示.图中,P 2,P 3,N 3,N 6以及晶体管P 1,N 2构成判决锁存器.当C P =5V ,C P =0V 时,N 2、P 1以及N 1截止,判决锁存器关闭,没有连接2/3V DD 或者GN D 的通路,同时输出节点Q 和Q 通过N 7和N 4预置为1/3V DD .而当C P =0V ,C P =5V 时,N 2、P 1以及N 1均导通,判决锁存器正常工作,这时输出由输入决定:当输入是503　第3期胡晓慧,等:低功耗动态三值CMOS D 触发器设计3.3V 时,由N 5和N 1组成的通路导通接地,N 8截止,根据上面所述反相器原理,输出节点Q 此时为3.3V (逻辑值2),而Q 为0电平;当输入是1.65V 时,N 5、N 8和N 1均截止,输出节点Q 和Q 均保持原有预充电值,即1/3V DD (逻辑值1);而当输入为0V 时,N 5截止,N 1和N 8组成的通路导通,输出节点Q 为0电平(逻辑值0),而Q 为3.3V.如果要输出逻辑值1,只要使C P 为高电平即可;而输出逻辑值0和2是通过V in 的输入来实现的.可见,此电路实现了动态D 触发器的逻辑功能.对设计的电路,采用0.18μm 标准工艺参数,用Pspice 进行了模拟,结果如图3(b )所示.模拟时,不考虑C P 和C P 之间的延迟,也不考虑V in 和V in 之间的延迟,两个输出端Q 和Q 的后面均接一个传输门作为负载.由模拟曲线可见,该电路能够很好地实现D 触发器的逻辑功能.3　能耗分析由于没有三值动态D 触发器的文献,作者就用文献[16]提出的二值动态TSPCL D 触发器(TSPCL DFF )电路作为比较对象,将本文提出的动态三值CMOS D 触发器(D T CMOS DFF )与TSPCL DFF 进行能耗模拟,并进行比较,结果如图4所示.模拟时,采用0.18μm 标准工艺,TSPCL DFF 的电源电压采用3.3V ,这两个D 触发器的输入V in 和时钟C P 的波形都如图3(b )所示.可见,动态三值CMOS D 触发器能耗很小,其平均能耗比TSPCL DFF 节省了近35%.图4　两种D 触发器的能耗曲线Fig.4　The power dissipation curve of the tow kinds DFFs4　结　论本文首先介绍了一种动态CMOS 三值反相器,这种反相器没有直流功耗,具有完全的电压摆幅.同时结合动态三值差分逻辑的一般结构,设计了一种动态三值CMOS D 触发器.这种触发器能很好地实现D 触发器的逻辑功能,同时拥有较小的延迟,全电压摆幅,简单的时钟,很高的速度等优点,并且通过能耗模拟表明,它比二值动态TSPCL D 触发器节省近35%的能耗.参考文献(R eferences):[1]　YUAN J S ,J IA Di.Teaching low 2power electronic de 2sign in electrical and computer engineering [J ].IEEE T ransactions ,2005,48(1):169-182.[2]　WU C Y ,HUAN G H Y.A new two 2phase 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Hui-juan,CH EN Xie-xiong.Properties of line2 ar f unction and its application[J].Journal of ZhejiangU niversity:Science Edition,2006,33(2):165-168.(责任编辑　涂　红)(上接第306页)[12]　REN Zhi2yuan,BRUCE H K,RADU M.Hierarchicaladaptive dynamic power management[J].IEEET ransactions on Computer,2005,54(4):409-420. 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[19]中华人民共和国国家知识产权局[12]发明专利申请公开说明书[11]公开号CN 1744437A[43]公开日2006年3月8日[21]申请号200510086548.3[22]申请日2005.09.30[21]申请号200510086548.3[71]申请人清华大学地址100084北京市北京100084－82信箱[72]发明人杨华中 高红莉 乔飞 汪蕙[51]Int.CI.H03K 3/012 (2006.01)H03K 3/037 (2006.01)H03K 3/356 (2006.01)权利要求书 1 页 说明书 4 页 附图 2 页[54]发明名称高性能低功耗主从型D触发器[57]摘要本发明属于D触发器设计技术领域，其特征在于，该触发器包括：对时钟信号进行反相的反相器；触发驱动电路，它设有一个与该反相器输出端相连的时钟信号输入端以及触发信号输入端；从动型触发电路，它的触发驱动信号输入端与该触发驱动电路的输出端相连，它的时钟信号输入端与该反相器的输入端相连；在时钟信号上升沿到来时，从动型触发电路就发生翻转，使正确的信号输出。

该D触发器具有功耗低、延时小、结构简单的优点。

200510086548.3权 利 要 求 书第1/1页 1.功耗低、延时小的主从型D触发器，其特征在于，该D触发器含有： 反相器XCK，用于对时钟信号CLK进行反相，该反相器XCK的输入端接所述时钟信号CLK；触发驱动电路，包括：NMOS管(MN5)衬底接地；N M O S管(M N6)衬底接地，而漏极和所述(M N5)管的漏极相连； 第1反相器(X1)，输入端接所述(MN5)管的栅极后构成该D触发器的输入端D，而该反相器(X1)的输出端接所述(MN6)管的栅极；NMOS管(MN1)，该管的衬底、漏极都接地，而源极接所述(MN6)管的漏极，该(MN1)管的栅极接所述反相器XCK的输出端；反向并联的两个反相器：第2反相器(X2)和第3反相器(X3)，该反相器(X2)的输出端接所述(MN6)管的源极，而该反相器(X2)的输入端接所述(MN5)管的源极； 从动式触发电路，包括：NMOS管(MN7)，该管的衬底接地，而栅极接所述第2反相器(X2)的输出端，标记为(SALATCH_P)端；NMOS管(MN8)，该管的衬底接地，而栅极接所述第2反相器(X2)的输入端，标记为(SALATCH_N)端；NMOS管(MN2)，该管的衬底、漏极都接地，栅极同时和所述时钟信号CLK以及反相器XCK的输入端接在一起，而源极同时接所述(MN7)、(MN8)两管的漏极； 反向并联的两个反相器：第4反相器(X4)和第5反相器(X5)，该反相器(X5)的输出端和所述(MN8)管的源极相连，标记为(QNI)端，该反相器(X5)的输入端和所述(MN7)管的源极相连，标记为(QI)端；输出反相器(X6)，该反相器(X6)的输入端接所述(QI)端，而输出端输出该D触发器的输出信号Q；输出反相器(X7)，该反相器(X7)的输入端接所述(QNI)端，而输出端输出该D 触发器的另一个输出信号QN。

一种新型a-IGZO TFT集成栅极驱动电路设计徐宏霞;邹忠飞;董承远【摘要】Reliability of conventional integrated gate driver decreased with amorphous InGaZnO thin film transistors (a-IGZO TFTs) employed, which is assumed to result from the threshold voltage shift.Accordingly, An improved integrated gate circuit was proposed, which exhibited larger redundancy for the threshold voltage shift by controlling the Q-point voltage stability of driver TFTs.It prevented the circuit failure due to threshold voltage shift (Vthshift margin en larged from less than ±-3 V to ±-9 V) , made integrated gate driver more stable, and led to longer life of liquid crystal display panels.%在传统集成栅驱动电路中采用非晶InGaZnO薄膜晶体管 (a-IGZO TFT) 后会造成信赖性的降低, 经过分析确定原因为驱动TFT阈值电压漂移.本文提出了一种改进的集成栅驱动电路, 通过对驱动TFT栅节点电压的稳定控制, 获得了较大的驱动TFT阈值电压漂移冗余度 (从原来的不到±-3V扩大到±-9V) , 克服了a-IGZO TFT阈值电压漂移所造成的电路失效, 稳定了集成栅驱动电路并延长了液晶显示器面板的寿命.【期刊名称】《液晶与显示》【年(卷),期】2018(033)012【总页数】6页(P996-1001)【关键词】非晶铟镓锌氧 (a-IGZO);薄膜晶体管 (TFT);集成栅极驱动 (GIA)【作者】徐宏霞;邹忠飞;董承远【作者单位】上海交通大学,上海 200240;昆山龙腾光电有限公司,江苏昆山215301;昆山龙腾光电有限公司,江苏昆山 215301;上海交通大学,上海 200240【正文语种】中文【中图分类】TP394.1;TH691.91 引言在薄膜晶体管-液晶显示器(TFT-LCD)产业中，集成栅极驱动电路(GIA, gate driver in array)具有可以实现窄边框、减少外围IC数量及其连线、降低模组成本、增强可靠性、提高分辨率等优点[1]。

第 38 卷第 10 期2023 年 10 月Vol.38 No.10Oct. 2023液晶与显示Chinese Journal of Liquid Crystals and DisplaysTFT基板低功耗显示驱动方法研究苗宗成1，2*，张瑞寅1，贺泽民1，梁蓬霞3（1.西京学院电子信息学院，材料与能源科学技术研究院，陕西西安 710123；2.西北工业大学光电与智能研究院，陕西西安 710072；3.京东方科技集团股份有限公司，北京 100176）摘要：TFT的低功耗特性能够减少电子设备的能量消耗，从而达到节省能源、延长电池寿命、降低使用设备温度、提高显示质量的目的。

因此，低功耗TFT在电子设备的设计和制造中具有十分重要的作用。

TFT基板的结构有很多种类，通常可分为一般型、高温多晶硅型、低温多晶硅型、金属氧化物半导体型和柔性材料基板型。

本文对现有的TFT基板显示器件的低功耗研究进行总结分析，主要包括两大方面：对TFT基板本身驱动进行优化；对TFT基板外设驱动进行优化。

本文对两大方面的低功耗研究进行了综述，并对近年来国内外TFT低功耗方法研究进行详细介绍。

根据所介绍的方法的特点与其尚未攻克的困境，对TFT基板显示设备低功耗驱动的未来发展进行了展望。

关键词：TFT；显示；低功耗；驱动中图分类号：TB565+.4；TN27 文献标识码：A doi：10.37188/CJLCD.2023-0204Review on driving method for low power consumption ofTFT-based display screensMIAO Zong-cheng1，2*，ZHANG Rui-yin1，HE Ze-min1，LIANG Peng-xia3（1.Technological Institute of Materials & Energy Science （TIMES）， School of Electronic Information，Xijing University， Xi′an 710123， China；2.School of Artificial Intelligence， Optics and Electronics （iOPEN）， Northwestern PolytechnicalUniversity， Xi′an 710072， China；3.BOE Technology Group Co.， Ltd.， Beijing 100176， China）Abstract：The low power consumption TFT can reduce the energy consumption of electronic devices，save energy， extend battery life， reduce device temperature， and improve display quality， which plays an important role in the design and manufacturing of electronic devices. The structure of TFT substrates can be divided into following types：high-temperature polycrystalline silicon，low-temperature polycrystalline 文章编号：1007-2780（2023）10-1372-17收稿日期：2023-06-05；修订日期：2023-07-15.基金项目：国家重点研发计划（No.2022YFB3603703）；国家自然科学基金（No.52173263）；陕西省秦创原引用高层次创新创业人才项目（No.QCYRCXM-2022-219）Supported by National Key R & D Program of China （No.2022YFB3603703）；National Natural ScienceFoundation of China （No.52173263）； Qinchuangyuan High-level Talent Project of Shaanxi （No.QCYRCXM-2022-219）*通信联系人，E-mail： miaozongcheng@第 10 期苗宗成，等：TFT基板低功耗显示驱动方法研究silicon， metal oxide semiconductor， and flexible material substrate. This article summarizes and analyzes the research on low power consumption of existing TFT substrate display devices， including two main aspects：optimizing the driving of TFT substrate itself and optimizing the driving of TFT substrate peripherals. The research of low power consumption TFT in recent years at home and abroad is introduced in detail. Based on the characteristics and challenges of the methods introduced，the future development of low power consumption driving for TFT substrate display devices is discussed.Key words： TFT； display； low power consumption； drive1 引言薄膜晶体管（Thin Film Transistor， TFT）低功耗驱动在移动设备和便携式电子产品中十分重要［1］。

基于a-IGZO TFTs的低功耗D触发器设计姚若河;林少龙【期刊名称】《华南理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2017(045)003【摘要】Proposed in this paper is a low-power consumption D flip-flop circuit with asynchronous reset on the basis of Pseudo-CMOS logic gates,which consists of n-type a-IGZO TFTs (Thin Film Transistors),replaces the dio-deload in Pseudo-CMOS topology with dynamic load,and decreases the static power consumption by reducing the conduction probability of the circuit.The output stage of the circuit is a latch,and the effect of dynamic load-caused output swing decrement on the delay is reduced through a feedback path.The proposed D flip-flop is then applied to the design of a ring shift register.The results show that the trigger circuit can reduce the static power consumption in NOR gate logic circuit effectively.%设计了一个基于Pseudo-CMOS逻辑门的低功耗异步复位D触发器电路.该D触发器全部由n型a-IGZO TFTs(薄膜晶体管)构成,采用动态负载替代Pseudo-CMOS拓扑中的二极管连接负载,通过减少电路导通的概率来降低静态功耗.电路的输出级为锁存器,通过反馈通路减少由动态负载造成的输出摆幅降低对延迟的影响.将该D触发器应用于环行移位寄存器的设计中,结果表明,该触发器电路可有效降低或非门逻辑电路中的静态功耗.【总页数】6页(P42-47)【作者】姚若河;林少龙【作者单位】华南理工大学电子与信息学院,广东广州 510640;华南理工大学电子与信息学院,广东广州 510640【正文语种】中文【中图分类】TN44【相关文献】1.基于a-IGZO TFT的AMOLED像素电路稳定性的仿真研究 [J], 贾田颖;詹润泽;董承远2.基于低功耗双边沿D触发器的任意进制异步计数器设计 [J], 赵敏笑;苏红富;陈偕雄3.基于多阈值技术的低功耗D触发器设计 [J], 张慧熙;沈继忠;顾晓燕4.基于时钟控制技术的低功耗三值D触发器设计 [J], 耿亮;沈继忠;许聪源5.一种新型a-IGZO TFT集成栅极驱动电路设计 [J], 徐宏霞;邹忠飞;董承远因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

低功耗四边沿触发器设计
郎燕峰;沈继忠
【期刊名称】《电路与系统学报》
【年(卷),期】2012(17)6
【摘要】根据在保持电路原有性能的前提下可通过降低时钟频率来降低系统功耗
的原理和双边沿触发器的设计思想，本文将多值信号信息量大的优点应用于时钟网络上设计了基于三值时钟的四边沿触发器，消除了三值时钟的冗余跳变，从而通过降低时钟频率的方式达到降低功耗的目的。

本文设计的四边沿触发器电路结构简单，既可以用于二值时序电路中也可以用于多值时序电路中。

模拟结果表明，本文设计的四边沿触发器具有正确的逻辑功能且能有效地降低系统功耗。

【总页数】5页(P37-41)
【作者】郎燕峰;沈继忠
【作者单位】浙江大学信息与电子工程学系,浙江杭州310027; 浙江工商大学信
息与电子工程学院,浙江杭州310018;浙江大学信息与电子工程学系,浙江杭州310027
【正文语种】中文
【中图分类】TN432
【相关文献】
1.多值低功耗双边沿触发器的简化设计 [J], 郎燕峰
2.低功耗能量回收时钟发生器和触发器的设计 [J], 蔡艳慧;方赟n;钟传杰
3.基于a-IGZO TFTs的低功耗D触发器设计 [J], 姚若河;林少龙
4.基于时钟控制技术的低功耗三值D触发器设计 [J], 耿亮;沈继忠;许聪源
5.基于灵敏放大器的高性能低功耗触发器设计 [J], 黄正峰;苏子安;曹迪;戚昊琛;倪天明;徐奇
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