半导体薄膜晶体管的节能设计方法研究
彭强+姚若河
摘 要： 以往提出的半导体薄膜晶体管的节能设计方法，受到半导体薄膜晶体管不易受控缺陷的影响，节能效果不佳，故提出一种性能更为优异的半导体薄膜晶体管的节能设计方法。概述了半导体薄膜晶体管中电源回路和驱动电路的节能设计原理，并给出终端设备架构设计方案。使用电源回路控制半导体薄膜晶体管供电频率，实现基本节能。利用驱动电路进一步调节电能损耗、管理电源回路的电流谐波，改善半导体薄膜晶体管的开关性能。并以构建模型的方式对电路噪音进行消除，优化储能水平。经实验验证可得，所提方法下的半导体薄膜晶体管拥有优良的开关性能和储能水平，并且节能效果较好。
关键词： 半导体； 薄膜晶体管； 节能； 电源回路
中图分类号： TN304.055?34； TN321.5 文献标识码： A 文章编号： 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
随着信息时代的悄然来临，显示器也向着智能化、节能化的目标不断迈进，半导体薄膜晶体管以其加工简便、成本低廉、体积小和高迁移率等优势，逐渐成为显示器的主流制作材料[1]。近年来，人们对显示器节能效果的要求越来越高。为了响应市场需求，有关组织曾提出多种节能设计方法，但由于受到半导体薄膜晶体管不易受控缺陷的影响，其节能效果不佳，更为优异的半导体薄膜晶体管的节能设计方法仍在研究中[2]。
文献[3]以无机复合材料为涂层，对半导体薄膜晶体管进行了节能设计。无机复合材料能够有效改善半导体的兼容性能，并弱化分子层，提高半导体薄膜晶体管的开关性能，但却无法对半导体薄膜晶体管中不同层次组件之间的平衡能力进行优化，因此节能效果不佳。文献[4]基于有机半导体材料提出一种半导体薄膜晶体管的节能设计方法，这一方法将有机半导体材料置于设计中心点，对半导体薄膜晶体管中的通信工作进行性能优化，其成本低廉，并且储能水平良好，但迁移率低、寿命短，并非良好的节能方法。文献[5]通过变更半导体薄膜晶体管中的电极材料达到节能目的，电极材料的导电性、鲁棒性和接触点对管中电流的流通性具有较大的影响，因此该方法的节能效果要优于以上两种方法，但在一定程度上限制了半导体薄膜晶体管的开关性能。
为了改善以上问题，提出一种能够同时兼具优良的开关性能和储能水平，并且节能效果较好的半导体薄膜晶体管的节能设计方法，给出节能原理，对电源回路和驱动电路进行重点设计。
1 半导体薄膜晶体管节能原理
半导体薄膜晶体管的电能耗损率与其供电频率有很大关系，如图1所示。当供电频率处于[500 Hz，50 kHz]的范围内，半导体薄膜晶体管的电能耗损率迅速增长，最高可达125%。而当供电频率处于[50 Hz，18 kHz]的范围内，电能耗损率最高仅为102%，可节约大概23%的电能[6]。基于上述原理，所提半导体薄膜晶体管的节能设计方法将设计出一种电源回路，使半导体薄膜晶体管的供电频率始终维持在50 Hz～18 kHz，保证最基本的节能效果。
为了在保证节能效果的同时，使半导体薄膜晶体管仍具有优良的开关性能，所提方法还对半导体薄膜晶体管驱动电路的设计提出了要求：
（1） 在维持节能效果的前提下，驱动电路的驱动电压应富余，保证半导体薄膜晶体管的可持续工作；
（2） 为半导体薄膜晶体管提供的工作电流应低于其额定值，并使驱动电路稳定不变；
（3） 可对电源回路的电流谐波进行实时管控；
（4） 驱动电路中各组件应具备较强的兼容性和安全性。
根据上述要求，应在驱动电路中使用具有强耐高温性和抗干扰性的可编程硅单晶片，其电阻率为50 ，可对电流、电压和驱动时间进行合理调节，适应所提方法对半导体薄膜晶体管的节能要求。
同时，为了获取较为优异的储能水平，需要对半导体薄膜晶体管的终端设备架构进行调节，以合理消除其内部电路噪音，如图2所示。以半导体薄膜晶体管中基区的结深和运动分子数量为依据，设置展宽区长度，通常当结深为20 μm时，展宽区为60 μm。终端设备所使用的管分压为2环，可在减轻储能压力的同时节约设计成本[7]。
2 半导体薄膜晶体管的节能设计方法研究
2.1 电源回路设计
本文半导体薄膜晶体管节能设计方法给出的电源回路主要由单相半控桥和三相全桥变流器构成，如图3所示，其功能参数如表1所示。由图3可知，单相半控桥的作用是整流，电源回路的初始输入电压为恒定的交流电，如果电源回路中的电容储能效果非常好，那么经单相半控桥整流后的交流电则能够以任意电压进行直流变换。调节直流电压至所需数值，再通过三相全桥变流器进行直流、交流电压转换，便可使半导体薄膜晶体管的供电频率维持在[50 Hz，18 kHz]范围内。
以往提出的半导体薄膜晶体管节能设计方法通常使用变压器实现电压转换，导致电源回路产生了较多的功率干扰，并且无法带来优异的节能效果，而三相全桥变流器具有携带方便、稳定性强的优点，可持续工作3 800 h，电压转换性能更加强劲[8]。在进行电压转换时，应使三相全桥变流器内部的两个晶体管单独工作，防止电源回路出现短路状况，故应将二者的排列角度置于120°。
2.2 驱动电路设计
本文提出的半导体薄膜晶体管节能设计方法中，驱动电路的作用是调节半导体薄膜晶体管中不必要的电能损耗，并对电源回路的电流谐波进行管控，达到改善半导体薄膜晶体管开关性能的目的。驱动电路中标准电流波形以及其电路设计图如图4、图5所示。
由图4、图5可知，驱动电路以其标准电流波形进行工作，通过光电耦合方式对半导体薄膜晶体管和电源回路的受控区域进行划分。整个驱动电路拥有8个监控接口。接口1，2用来连接脉冲，其两端电压为3.5 V，可实现半导体薄膜晶体管与电源回路的高性能连通。
当驱动电路对半导体薄膜晶体管的电能损耗进行调节时，需要将接口1，2的两端电压调至0 V，此时电容C5处于放电状态，接口3，8可实现连通，并使电路产生降压现象，半导体薄膜晶体管将出现反向偏置电压，电能损耗也相应缩减[9]。驱动电路对电源回路电流谐波的管控工作与上述调节较为类似，其操控的是接口7，8两端电压，使用开关控制电压升降，使接口5，6处于连通状态，进而实现对电流谐波的缩减，增强半导体薄膜晶体管的开关性能，为优异的节能效果提供后台支持。
2.3 电路噪音消除模型
半导体薄膜晶体管的内部电路噪音会导致其储能水平的降低，对节能效果造成较大的影响，必须采用一种较为有效的方式对噪音进行消除。为此，所提半导体薄膜晶体管的节能设计方法构建了电路噪音消除模型，该模型将半导体薄膜晶体管的内部电路分为正、反相两部分，将正向的输入、输出电压设为，，反向的输入、输出电压设为，，当正、反两相的电压近视相等时，便可实现对半导体薄膜晶体管内部电路噪音的消除[10]。如果将正、反两相的实时电压绘制成曲线，用表示正相电压曲线，那么反相电压曲线则可表示为。从坐标处向正相电压曲线做一条斜率为1的辅助线，将该辅助线与的交点坐标设为，则可获取关系式如下：
式中：是驱动电路输出电压；是半导体薄膜晶体管实际供电电压；是漏电电压；是半导体薄膜晶体管的设计参数。至此，消除半导体薄膜晶体管内部电路噪音可看作是求解的过程。由于不同的半导体薄膜晶体管正、反两相电压曲线并不重合，故电路噪音消除模型定义了一个噪音极限值，当取最大值时，和可看作近似相等，的最大值如下：
3 实验验证
3.1 實验现场
为了验证本文提出的半导体薄膜晶体管节能设计方法的各项性能，需要进行实验。实验将国内某科技公司生产的半导体薄膜晶体管与万用表、存储电容和显示板相连，如图6所示。使用电压、频率调节仪控制实验自变量，对本文方法、文献[3]方法和文献[4]方法的开关性能、储能水平和节能效果进行对比验证。
3.2 开关性能验证
半导体薄膜晶体管的开关性能是其最重要的性能之一，是保证半导体薄膜晶体管与其他电路元件有效沟通的基础性能。以往的节能设计中通常会削弱开关性能，导致半导体薄膜晶体管的兼容性降低，得不偿失，因此，开关性能的验证必不可少。在本文实验中，通过调节半导体薄膜晶体管的偏置电压，观察其偏置电流随时间的变化趋势，来确定不同方法下半导体薄膜晶体管开关性能的优劣性，如图7所示。与文献[3]方法和文献[4]方法相比，本文方法下半导体薄膜晶体管偏置电流最为稳定，表现出优良的开关性能。
3.3 储能水平验证
在光照状态下和无光状态下对不同方法下半导体薄膜晶体管的储能水平进行了验证，使用偏置电压来表示储能水平，二者成正比关系，实验结果如图8所示。可看出，在光照状态下，三种方法的储能水平无较大差别，而在无光状态下，本文方法的偏置电压要远高于文献[3]方法以及文献[4]方法，表现出优良的储能水平。
3.4 节能效果验证
实验令半导体薄膜晶体管正常运行48 h，使用文献[3]方法、文献[4]方法以及本文方法对其进行节能，实验结果如表2所示，可知本文方法的节能效果最佳。
表2 节能效果验证实验结果 kW·h
4 结 论
本文提出一种能够同时兼具优良的开关性能和储能水平，并且节能效果较好的半导体薄膜晶体管的节能设计方法。半导体薄膜晶体管的电能耗损率与其供电频率有很大关系，使半导体薄膜晶体管的供电频率始终维持在50 Hz～18 kHz，可保证最基本的节能效果。因此，本文方法给出节能原理，对电源回路和驱动电路进行了重点设计。经实验验证可得，在本文方法下，半导体薄膜晶体管的开关性能、储能水平和节能效果均优于以往提出的节能设计方法，具有较高的使用价值。
参考文献
[1] 栾庆彬，皮孝东.半导体纳米晶体在薄膜晶体管中的应用[J].材料导报，2014，28（21）：1?7.
[2] 刘振，徐文亚，钱龙，等.印刷半导体碳纳米管薄膜晶体管光电性能研究[J].影像科学与光化学，2014，32（3）：260?266.
[3] 周腾，陈征，崔铮.透明氧化物半导体及其溶液法制备薄膜晶体管[J].中国材料进展，2014，33（3）：144?150.
[4] 李谊，刘琪，蔡婧，等.n?型有机半导体插入层提高p?型并五苯薄膜晶体管性能（英文）[J].无机化学学报，2014，30（11）：2621?2625.
[5] 朱大龙，谢应涛，许鑫，等.基于金属电极和有机半导体层的制备工艺对有机薄膜晶体管性能的研究[J].半导体光电，2015，36（1）：88?91.
[6] 周小娜，陈志英，苏焕先，等.智能型节能交流接触器控制器设计[J].电气工程学报，2015，10（12）：27?31.
[7] 祁會祥.谈绿色建筑和建筑节能设计[J].山西建筑，2014，40（32）：198?200.
[8] 周婷婷，杨孝安.节能环保行业融资结构对经营绩效的影响[J].西安工程大学学报，2015，29（5）：630?635.
[9] 隋俊杰，邵伟恒，吴上泉.基站绿色节能系统的设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（6）：136?139.
[10] 卜文锐.基于模糊规则的水泵节能循环控制系统[J].现代电子技术，2015，38（17）：97?100.
摘 要： 以往提出的半导体薄膜晶体管的节能设计方法，受到半导体薄膜晶体管不易受控缺陷的影响，节能效果不佳，故提出一种性能更为优异的半导体薄膜晶体管的节能设计方法。概述了半导体薄膜晶体管中电源回路和驱动电路的节能设计原理，并给出终端设备架构设计方案。使用电源回路控制半导体薄膜晶体管供电频率，实现基本节能。利用驱动电路进一步调节电能损耗、管理电源回路的电流谐波，改善半导体薄膜晶体管的开关性能。并以构建模型的方式对电路噪音进行消除，优化储能水平。经实验验证可得，所提方法下的半导体薄膜晶体管拥有优良的开关性能和储能水平，并且节能效果较好。
关键词： 半导体； 薄膜晶体管； 节能； 电源回路
中图分类号： TN304.055?34； TN321.5 文献标识码： A 文章编号： 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
随着信息时代的悄然来临，显示器也向着智能化、节能化的目标不断迈进，半导体薄膜晶体管以其加工简便、成本低廉、体积小和高迁移率等优势，逐渐成为显示器的主流制作材料[1]。近年来，人们对显示器节能效果的要求越来越高。为了响应市场需求，有关组织曾提出多种节能设计方法，但由于受到半导体薄膜晶体管不易受控缺陷的影响，其节能效果不佳，更为优异的半导体薄膜晶体管的节能设计方法仍在研究中[2]。
文献[3]以无机复合材料为涂层，对半导体薄膜晶体管进行了节能设计。无机复合材料能够有效改善半导体的兼容性能，并弱化分子层，提高半导体薄膜晶体管的开关性能，但却无法对半导体薄膜晶体管中不同层次组件之间的平衡能力进行优化，因此节能效果不佳。文献[4]基于有机半导体材料提出一种半导体薄膜晶体管的节能设计方法，这一方法将有机半导体材料置于设计中心点，对半导体薄膜晶体管中的通信工作进行性能优化，其成本低廉，并且储能水平良好，但迁移率低、寿命短，并非良好的节能方法。文献[5]通过变更半导体薄膜晶体管中的电极材料达到节能目的，电极材料的导电性、鲁棒性和接触点对管中电流的流通性具有较大的影响，因此该方法的节能效果要优于以上两种方法，但在一定程度上限制了半导体薄膜晶体管的开关性能。
为了改善以上问题，提出一种能够同时兼具优良的开关性能和储能水平，并且节能效果较好的半导体薄膜晶体管的节能设计方法，给出节能原理，对电源回路和驱动电路进行重点设计。
1 半导体薄膜晶体管节能原理
半导体薄膜晶体管的电能耗损率与其供电频率有很大关系，如图1所示。当供电频率处于[500 Hz，50 kHz]的范围内，半导体薄膜晶体管的电能耗损率迅速增长，最高可达125%。而当供电频率处于[50 Hz，18 kHz]的范围内，电能耗损率最高仅为102%，可节约大概23%的电能[6]。基于上述原理，所提半导体薄膜晶体管的节能设计方法将设计出一种电源回路，使半导体薄膜晶体管的供电频率始终维持在50 Hz～18 kHz，保证最基本的节能效果。
为了在保证节能效果的同时，使半导体薄膜晶体管仍具有优良的开关性能，所提方法还对半导体薄膜晶体管驱动电路的设计提出了要求：
（1） 在维持节能效果的前提下，驱动电路的驱动电压应富余，保证半导体薄膜晶体管的可持续工作；
（2） 为半导体薄膜晶体管提供的工作电流应低于其额定值，并使驱动电路稳定不变；
（3） 可对电源回路的电流谐波进行实时管控；
（4） 驱动电路中各组件应具备较强的兼容性和安全性。
根据上述要求，应在驱动电路中使用具有强耐高温性和抗干扰性的可编程硅单晶片，其电阻率为50 ，可对电流、电压和驱动时间进行合理调节，适应所提方法对半导体薄膜晶体管的节能要求。
同时，为了获取较为优异的储能水平，需要对半导体薄膜晶体管的终端设备架构进行调节，以合理消除其内部电路噪音，如图2所示。以半导体薄膜晶体管中基区的结深和运动分子数量为依据，设置展宽区长度，通常当结深为20 μm时，展宽区为60 μm。终端设备所使用的管分压为2环，可在减轻储能压力的同时节约设计成本[7]。
2 半导体薄膜晶体管的节能设计方法研究
2.1 电源回路设计
本文半导体薄膜晶体管节能设计方法给出的电源回路主要由单相半控桥和三相全桥变流器构成，如图3所示，其功能参数如表1所示。由图3可知，单相半控桥的作用是整流，电源回路的初始输入电压为恒定的交流电，如果电源回路中的电容储能效果非常好，那么经单相半控桥整流后的交流电则能够以任意电压进行直流变换。调节直流电压至所需数值，再通过三相全桥变流器进行直流、交流电压转换，便可使半导体薄膜晶体管的供电频率维持在[50 Hz，18 kHz]范围内。
以往提出的半导体薄膜晶体管节能设计方法通常使用变压器实现电压转换，导致电源回路产生了较多的功率干扰，并且无法带来优异的节能效果，而三相全桥变流器具有携带方便、稳定性强的优点，可持续工作3 800 h，电压转换性能更加强劲[8]。在进行电压转换时，应使三相全桥变流器内部的两个晶体管单独工作，防止电源回路出现短路状况，故应将二者的排列角度置于120°。
2.2 驱动电路设计
本文提出的半导体薄膜晶体管节能设计方法中，驱动电路的作用是调节半导体薄膜晶体管中不必要的电能损耗，并对电源回路的电流谐波进行管控，达到改善半导体薄膜晶体管开关性能的目的。驱动电路中标准电流波形以及其电路设计图如图4、图5所示。
由图4、图5可知，驱动电路以其标准电流波形进行工作，通过光电耦合方式对半导体薄膜晶体管和电源回路的受控区域进行划分。整个驱动电路拥有8个监控接口。接口1，2用来连接脉冲，其两端电压为3.5 V，可实现半导体薄膜晶体管与电源回路的高性能连通。
当驱动电路对半导体薄膜晶体管的电能损耗进行调节时，需要将接口1，2的两端电压调至0 V，此时电容C5处于放电状态，接口3，8可实现连通，并使电路产生降压现象，半导体薄膜晶体管将出现反向偏置电压，电能损耗也相应缩减[9]。驱动电路对电源回路电流谐波的管控工作与上述调节较为类似，其操控的是接口7，8两端电压，使用开关控制电压升降，使接口5，6处于连通状态，进而实现对电流谐波的缩减，增强半导体薄膜晶体管的开关性能，为优异的节能效果提供后台支持。
2.3 电路噪音消除模型
半导体薄膜晶体管的内部电路噪音会导致其储能水平的降低，对节能效果造成较大的影响，必须采用一种较为有效的方式对噪音进行消除。为此，所提半导体薄膜晶体管的节能设计方法构建了电路噪音消除模型，该模型将半导体薄膜晶体管的内部电路分为正、反相两部分，将正向的输入、输出电压设为，，反向的输入、输出电压设为，，当正、反两相的电压近视相等时，便可实现对半导体薄膜晶体管内部电路噪音的消除[10]。如果将正、反两相的实时电压绘制成曲线，用表示正相电压曲线，那么反相电压曲线则可表示为。从坐标处向正相电压曲线做一条斜率为1的辅助线，将该辅助线与的交点坐标设为，则可获取关系式如下：
式中：是驱动电路输出电压；是半导体薄膜晶体管实际供电电压；是漏电电压；是半导体薄膜晶体管的设计参数。至此，消除半导体薄膜晶体管内部电路噪音可看作是求解的过程。由于不同的半导体薄膜晶体管正、反两相电压曲线并不重合，故电路噪音消除模型定义了一个噪音极限值，当取最大值时，和可看作近似相等，的最大值如下：
3 实验验证
3.1 實验现场
为了验证本文提出的半导体薄膜晶体管节能设计方法的各项性能，需要进行实验。实验将国内某科技公司生产的半导体薄膜晶体管与万用表、存储电容和显示板相连，如图6所示。使用电压、频率调节仪控制实验自变量，对本文方法、文献[3]方法和文献[4]方法的开关性能、储能水平和节能效果进行对比验证。
3.2 开关性能验证
半导体薄膜晶体管的开关性能是其最重要的性能之一，是保证半导体薄膜晶体管与其他电路元件有效沟通的基础性能。以往的节能设计中通常会削弱开关性能，导致半导体薄膜晶体管的兼容性降低，得不偿失，因此，开关性能的验证必不可少。在本文实验中，通过调节半导体薄膜晶体管的偏置电压，观察其偏置电流随时间的变化趋势，来确定不同方法下半导体薄膜晶体管开关性能的优劣性，如图7所示。与文献[3]方法和文献[4]方法相比，本文方法下半导体薄膜晶体管偏置电流最为稳定，表现出优良的开关性能。
3.3 储能水平验证
在光照状态下和无光状态下对不同方法下半导体薄膜晶体管的储能水平进行了验证，使用偏置电压来表示储能水平，二者成正比关系，实验结果如图8所示。可看出，在光照状态下，三种方法的储能水平无较大差别，而在无光状态下，本文方法的偏置电压要远高于文献[3]方法以及文献[4]方法，表现出优良的储能水平。
3.4 节能效果验证
实验令半导体薄膜晶体管正常运行48 h，使用文献[3]方法、文献[4]方法以及本文方法对其进行节能，实验结果如表2所示，可知本文方法的节能效果最佳。
表2 节能效果验证实验结果 kW·h
4 结 论
本文提出一种能够同时兼具优良的开关性能和储能水平，并且节能效果较好的半导体薄膜晶体管的节能设计方法。半导体薄膜晶体管的电能耗损率与其供电频率有很大关系，使半导体薄膜晶体管的供电频率始终维持在50 Hz～18 kHz，可保证最基本的节能效果。因此，本文方法给出节能原理，对电源回路和驱动电路进行了重点设计。经实验验证可得，在本文方法下，半导体薄膜晶体管的开关性能、储能水平和节能效果均优于以往提出的节能设计方法，具有较高的使用价值。
参考文献
[1] 栾庆彬，皮孝东.半导体纳米晶体在薄膜晶体管中的应用[J].材料导报，2014，28（21）：1?7.
[2] 刘振，徐文亚，钱龙，等.印刷半导体碳纳米管薄膜晶体管光电性能研究[J].影像科学与光化学，2014，32（3）：260?266.
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[5] 朱大龙，谢应涛，许鑫，等.基于金属电极和有机半导体层的制备工艺对有机薄膜晶体管性能的研究[J].半导体光电，2015，36（1）：88?91.
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[8] 周婷婷，杨孝安.节能环保行业融资结构对经营绩效的影响[J].西安工程大学学报，2015，29（5）：630?635.
[9] 隋俊杰，邵伟恒，吴上泉.基站绿色节能系统的设计与实现[J].现代电子技术，2016，39（6）：136?139.
[10] 卜文锐.基于模糊规则的水泵节能循环控制系统[J].现代电子技术，2015，38（17）：97?100.
