1、 TFT-LCD设计及制作（ 2） TFT工作原理 TFT基本结构 各种 TFT技术 2 TFT-LCD设计及制作 TFT工作原理 TFT基本结构 各种 TFT技术 3 TFT-LCD设计及制作 MOSFET 绝缘栅型场效应管（ Insulated Gate Field Effect Transistor，缩写为 IGFET） 的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用 Si02绝缘层隔离，因此而得名。 在 IGFET中，目前应用最为广泛的是 MOS场效应管（即金属 -氧化物 -半导体场效应管 :Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor,缩写为
2、 MOSFET） 4 TFT-LCD设计及制作 MOS结构是 MIS（ Metal-Insulator-Semiconductor）结构中的一种，当绝缘膜采用氧化膜时就是 MOS结构，在硅器件中，氧化膜是通过硅衬底的热氧化形成的。 它的栅 -源间电阻比结型场效应管大得多，可达 1010以上。它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时工艺简单，是微处理器、半导体存储器等超大规模集成电路中的核心器件和主流器件，也是一种重要的功率器件。 5 TFT-LCD设计及制作 根据导电方式的不同， MOSFET又分增强型、耗尽型。 所谓增强型是指：当 VGS=0时漏极电流也为零，管子是呈截止状态；加上正确的 VG
3、S后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。因而增强型MOSFET就是指必须施加栅压才能开启的一类MOFET。 6 TFT-LCD设计及制作 耗尽型则是指：当 VGS =0时漏极电流不为零，即形成沟道；加上正确 VGS的时，能使多数载流子流出沟道，从而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。因而耗尽型 MOSFET是指必须施加栅压才能关闭的一类 MOSFET。 7 TFT-LCD设计及制作 TFT 与 MOSFET 之比较分析 TFT 与 MO SFET 的工作原理比较 TFT 与 MOSFET的工作原理相似 , 当栅极施加正电压时 , 在栅极和半导体层间会产生一个电场
4、 ,在这个电场的作用下 , 形成了电子沟道 , 使源极与漏极之间形成导通状态 , 在栅极所加的电压越大 , 吸引的电子也愈多 , 所以导通电流也越大 ; 而当栅极施加负电压时 , 使得源极与漏极之间形成关闭状态。 8 TFT-LCD设计及制作 在实际 LCD生产中，主要利用 a-Si： H TFT的开态（大于开启电压）对像素电容快速充电，利用关态来保持像素电容的电压，从而实现快速响应和良好存储的统一。 9 TFT-LCD设计及制作 TFT 与 MOSFET 的结构非常的相似。 TFT与 MOSFET 相似也为一三端子元件 , 在LCD 的应用上可将其视为一开关。 10 TFT-LCD设计及制作
5、 TFT 与 MOSFET 不同之处 1、沟道与源、漏极 MO SFET 的载流子沟道所形成的界面 , 与源、漏极处于同一边 , 因此 , 载流子沟道形成后 , 会直接连接至源、漏极 , TFT 的电子沟道是形成于半导体层下方的界面 , 而源 漏极却是在半导体层上方的界面 , 因此 , TFT 的电子沟道要连接到源、漏极 , 必须再经过半导体层厚度 , 载流子的流动需要经过这个低导电性的区域 , 因而影响 TFT 的导电特性。 11 TFT-LCD设计及制作 2、栅极与源、漏极的重叠 MO SFET 的源、漏极掺杂 , 是利用栅极本身作为掩模 , 利用离子注入来形成 , 具有自动对准的效果 ,
6、 栅极与源、漏极之间并不会重叠。 而 TFT 的源、漏极 , 是另外用掩模来定义的 , TFT 的导通特性包括了半导体层厚度本身造成的电阻 , 如果栅极与源、漏极之间没有重叠 , 会造成一段不会形成沟道的距离 , 形成很大的阻值使其充电能力大幅降低。因此 , 必须在栅极与源、漏极之间故意地形成重叠 , 来避免 这样的情况。 12 TFT-LCD设计及制作 3、栅极绝缘层的材料 MO SFET 的栅极绝缘层是在高温下形成的氧 化硅 , 其本身和与硅半导体界面的品质都是极佳的。 而 TFT 的栅极绝缘层 , 由于基板耐温的限制而无法在高温下成长 , 而仅能以等离子体沉积的方式形成。 13 TFT-
7、LCD设计及制作 TFT等效电路 1.右图为 TFT一个像素的等效电路图，扫描线连接同一列所有TFT栅极电极， 而信号线连接同一行所有 TFT源极电极。 2.当 ON时信号线的数据写入液晶电容，此时， TFT组件成低阻抗(RON)，当 OFF时 TFT组件成高阻抗 (R)，可防止信号线数据的泄漏。 3.一般 RON与 ROFF电阻比至少约为 105以上。 扫描线 信号线 RON ROFF 液晶 存储电容 G D S 14 TFT-LCD设计及制作 14 G1 G2 G3 Gm Gm-2 Gm-1 S1 S2 S3 Sn-2 Sn-1 Sn Array 面板示意圖 15 TFT-LCD设计及制作
8、 非晶硅 TFT源漏电流与栅极电压的关系 没有光照的情况下， TFT开态电流与关态电流之比在 7个数量级的水平，管子开关特性很好。 但在 2000lx白光的照射下，如图中虚线所示，相同条件下关态电流迅速增大，使开态电流和关态电流之比减小到 5个数量级，导致管子工作不稳定。 这是采用窄禁带光敏半导体硅材料的固有缺陷。 16 TFT-LCD设计及制作 TFT与对比度 在 TFT-LCD中， TFT的电学特性 是确定显示器对比度的关键。 一般要求 TFT开态电流与关态电流之比要达到107以上。如果 TFT栅极电阻太大，使栅极脉冲延迟时间延长，则导致数据信号写入不足，会降低显示器的对比度 17 TFT
9、-LCD设计及制作 TFT的寄生电容与交叉串扰 一般认为， TFT矩阵驱动的图像不会产生类似无源驱动的交叉串扰的问题，但是，实际上由于在 数据信号线和公用电极之间，数据信号线与像素电极之间都可能存在寄生电容 ，它们会影响数据信号波形和幅度，因此，在 TFT-LCD 显示中也会产生交叉串扰 ( crosstalk)。 18 TFT-LCD设计及制作 所谓串扰就是信号波形畸变导致的灰度错乱，例如在白色背景中显示黑色横条时，横条的左右两边的颜色比正常颜色浅一些 ;或者在白色背景中显示黑色竖条时，竖条的上下两边的颜色比正常颜色浅一些， 当然从设计的角度寻找消除或抵消寄生电容的途径也不是不可能的，考虑到
10、开口率等多种原因，一般还是在驱动电路上做些设计比较合适。 19 TFT-LCD设计及制作 TFT与开口率 影响像素元开口率的主要因素： TFT电极 ; 栅极信号 bus-line; 数据 bus-line; 存储电容电极，黑矩阵材料。 这些部分的面积总和决定了一个像素的开口率。TFT做得越小，布线越细，开口率越高。 20 TFT-LCD设计及制作 21 TFT-LCD设计及制作 遗憾的是，在实际的设计和制造工艺上是很难两者兼顾的。 为了防止数据线和像素 ITO之间的空隙漏光以及显示屏表面反射光，彩膜基板上的黑矩阵的面积总是做得大于间隙面积的。 在制屏工艺中，如果彩膜基板和阵列 (array)基
11、极的对准定位发生偏移，则也会造成开口率的下降。 22 TFT-LCD设计及制作 如果把 黑矩阵做到阵列基板上 ，则可以消除由对准定位偏离造成的开口率下降。另一方面，黑矩阵做在阵列基板上可以非常精确地和数据线、像素 ITO衔接，从而进一步提高开口率。 23 TFT-LCD设计及制作 24 TFT-LCD设计及制作 在独立存储电容 Cs的设计中，如果用 ITO制作存储电容电极则可以有效地提高像素的开口率 。 采用 ITO膜制作存储电容 Cs电极可以改善像素的开口率。 传统的存储电容 Cs的电极是不透明的金属，背光源的光会被金属电极反射回来 ;采用 ITO膜做的存储电容 Cs的电极，背光源的光直接透
12、过电极，对提高像素的亮度做出了贡献。 25 TFT-LCD设计及制作 26 TFT-LCD设计及制作 TFT与亮度 为什么 TFT-LCD光能利用率只有 10%左右，还能有比较高的亮度， 就是因为 TFT寻址解决了无源驱动扫描占空比的问题。采用 TFT有源寻址，可以使像素元上的电压保持到下一个扫描信号的到达，从而保持了像素元的亮度。 因此 TFT是平板显示实现高亮度的核心。 27 TFT-LCD设计及制作 TFT与闪烁 TFT性能不良，例如 TFT设计不合理，或者工艺条件不合适，造成开态电流太小，导致信号写入畸变，或者由于存储电容电压保持特性不合适，都会引起画面闪烁 (flicker) 28 TFT-LCD设计及制作 TFT与响应速度 响应速度是评价液晶显示器最主要的技术指标之一。 确定液晶显示器的响应速度的主要因素是液晶材料的特性。 TIT的驱动特性对液晶显示器的响应速度也有一定的影响，因为 TFT沟道的长宽比直接与像素电容的充电时间有关。 29 TFT-LCD设计及制作 TFT与闪烁 TFT性能不良，例如 TFT设计不合理，或者工艺条件不合适，造成开态电流太小，导致信号写入畸变，或者由于存储电容电压保持特性不合适，都会引起画面闪烁 (flicker) 30 TFT-LCD设计及制作 TFT工作原理 TFT基本结构 各种 TFT技术
