TFT-LCD原理与设计

TFT-LCD原理与设计ThinFilmTransistor–LiquidCrystalDisplay1.1.1TFT-LCD发展简史•电场驱动方式，分为无源矩阵（PassiveMatrix,PM）驱动方式；和有源矩阵（ActiveMatrix,AM）驱动方式；景点驱动方式•PM型LCDDS（DynamicScattering）型LCD，电流效应的电光特性。缺点：驱动电压高、电流大、对比度低、电流大、响应速度慢、液晶易分解、寿命短；（无偏光板）TN（TwistedNematic）型LCD，扭曲向列型LCD，电压效应的电光特性，并使用偏光板；扭曲90度STN（SuperTwistedNematic）型LCD，超扭曲向列型LCD，扭曲180-270度；相比TN，STN电光特性曲线变陡。PM型LCD缺点：交叉效应，单个像素会被周围像素影响•AM型LCDAM型LCD，每个像素上设计一个非线性的有源器件，使得每个像素可以被独立控制，避免了“交叉效应”。1.1.1TFT-LCD发展简史•AM型LCD有源器件：二端子方式（MIM二极管为主,Metal-Insulator-Metal）三端子方式（TFT为主）TFT器件和材料常用的非晶硅（a-Si，AmorphousSilicon）和多晶硅（p-Si,PolySilicon）TN显示模式：视角不够大IPS（In-PlaneSwitching）面内开关显示模式：广视野VA（VerticalAlignment）垂直配向显示模式：广视野延伸的MVA,CPA,PVA,FFS,OCB模式等。1.1.2TFT-LCD竞争与发展优势•LCD：液晶显示器，非主动发光型显示信息量：分辨率、大型化画质：高精细化；亮度；灰阶数；对比度视野角轻便性：体积，重量，功耗TFT-LCD的优势：低压低功耗；平板型结构；被动显示；显示信息量大；易于色彩化；无电磁辐射；使用寿命长等优点AMOLED显示器发光型材料代替液晶材料依然采用TFT作为开关控制每个发光点AMOLED单个像素可以做得相当小，易获得极高的分辨率1.2TFT-LCD的基本概念•显示尺寸(DisplaySize)：实际可视对角线长度（1英寸=2.54cm）•长宽比（AspectRatio）:可视区域的纵横比或屏幕比例4：3或者16:9，长度（Horizontal）和宽度（Vertical）•有效显示区域（ActiveDisplayArea）：通过勾股定理计算，16:10比5:4的有效显示区域更高；•分辨率（NumberofPixels）:乘法形式表现例如：1024*7681024有效显示区域水平方向显示的像素总数768垂直方向显示的像素总数有效显示区域的像素总素越高，分辨率越高，画面的解析度的清晰度就越高;•像素节距（PixelPitch）:相邻两个相同像素间的距离，即像素重复单元的最小长度。像素节距越小，画面越细腻像素节距越小，文字就越小画面细腻度指标：PPI(PixelPerInch)值或者DPI（DotsPerInch）,即单位尺寸内的像素数目像素节距越小，PPI值或者DPI值越大。•功耗（PowerConsumption）:背光源功耗（90%）和驱动电路功耗•寿命（LifeTime）:单位小时（Hrs）•视听距离：1.2TFT-LCD的基本概念1.1.2光学相关概念•亮度（LuminanceofWhite）:画面明亮程度，单位：cd/m2,坎德拉每平米•对比度（ContrastRatio,CR）:全白亮度与全黑亮度的比值。对比度越高，画面层次感越鲜明•视野角(ViewingAngle):•相应时间（ResponseTime）：响应时间越小，画面切换时的相应速度越快，画面切换更流畅。tRS单位：毫秒。指的是：从断电关闭到通电开启状态过程中，亮度从0%上升到90%（长黑模式）的时间间隔或者亮度从100%下降到10%（长白模式）的时间间隔•色度域（ColorGamut）:TFT-LCD所能表现的颜色范围。用RGB三点连线的三角形区域来表示，三角形的面积越大，表示设备的色度域范围越大。•颜色深度（ColorDepth）:色深。像素所能使用的颜色数量，用bit二进制数表示。亮度等级8bits，表示有256（28）个亮度等级，每个亮度等级对应一个灰阶（GrayScale）。色深（位数）越大，明暗度的层次越多，灰阶越多，彩色显示的色素越多，画面效果越细腻。1.3TFT-LCD的结构和功能•OpenCell结构:显示屏（Panel）与驱动电路的组合体。相连：印刷电路板（PCB，PrintedCircuitBoard）,驱动芯片（IC，IntegratedCircuit），柔性印刷电路板（FPC，FlexiblePrintedCircuit）,连续基板，作用是通电后向显示屏提供各种显示画面的信息。•背光源：发光源，光学膜片，胶框组成，作用提供光源。•FPC与驱动IC封装处理，整体结构称为TAB(TapeAutomaticBonding)•Panel显示屏的结构：从上到下，偏光板、彩膜（ColorFilter,CF）基板、液晶、TFT基板和偏光板。•偏光板作用：控制背光源的光只让特定方向的光线通过，过滤掉其他方向的光线•液晶扭转，控制显示屏的光线亮度•控制液晶扭转的是加载于液晶上的像素电压•液晶可以对RGB光亮进行调节，得到所需的彩色显示1.3TFT-LCD的结构和功能•TFT基板上，每个子像素都包含一根扫描线、一根数据线和一个像素电极，三者由TFT开关进行连接•背光源的作用：给TFT-LCD提供亮度均匀分布的光源。根据光源的位置，分为测光式和直下式两种结构。•背光源结构：设计扩散片、棱镜片、扩散片的三明治结构。•下扩散片作用：将下方射出来的光线进行均匀化处理•棱镜片作用：利用全反射和折射定律，将分散的光集中在一定角度范围内射出，从而提高这个角度范围内的亮度。•上扩散片的作用：保护背光源不被Panel等外界物弄脏或者刮伤。2.1.5TFT-LCD的彩色显示•能被人眼感知的可见光区域很小，波长范围在380nm-780nm。一种波长只对应一种纯的单色光。•三原色RGB：R（700nm）,G(546.1nm)，B(435.8nm)•RG红绿两色混合形成黄色Y•RB红蓝两色混合形成紫红色M•GB绿蓝两色混合形成青绿色C•RGB三色混合形成白色W•以上就是加法混色•“帧/秒”表示1秒内出现的图片数量。60帧/秒是人眼视觉流畅的最低标准，单位时间内帧数越大，画面看起来越流畅。2.2.1TFT器件原理•TFT器件功能：一个连接数据线和像素的开关，开和关的时间由扫描线控制。a-Si材料的特性决定了TFT器件开关速度的量极。•MIS（metalInsulatorSemiconductor）构造：由金属栅极、G-SiNx、I-a-Si组成，是TFT器件成为开关使用的关键因素；•MS（MetalSemiconductor）欧姆接触构造：由n+a-Si和源漏极组成，是TFT器件和外接信号线的过渡区。•源极和漏极之间的I-a-Si可以形成导电沟道，把源极和漏极的间距称为沟道长L•提升a-Si：H的电导率，a-Si要进行氢化处理，H能够补偿a-Si中大量存在的悬挂键，降低a-Si的缺陷态密度•a-Si：H的迁移率隙就是导带和价带各自迁移率边之间的能量差，单位为电子伏特（eV）2.2.2TFT开关特性的要求•TFT功能：一个三端开关管。一端是栅极-扫描线；一端是漏极-数据线；一端是源极-像素电极。在栅极控制下，漏极的数据线通过TFT向源极的像素实施充放电。•栅极的功能：控制TFT的导电程度。•TFT--大电流的开态--需要对像素充放电•TFT--小电流的关态--不需要对像素充放电•开态电流也称为工作电流，越大越好，充放电越充分。•关态电流也称为漏电流，越小越好。•电导：表示沟道的导电能力。•沟道电阻越小，沟道的导电能力越强，电流越大，TFT的开态工作。•沟道电阻越大，沟道的导电能力越弱，电流越小，TFT的关态工作。•TFT开关特性要求可以用沟道电阻来表示：TFT开关等效为一个可调电阻。•TFT器件作为电阻，漏极对应的数据线电压—交流信号源；栅极的扫描线电压—脉冲信号源；源极对应一个像素电容。5.1TN的显示原理•控制外电压的大小，可以控制TN液晶分子的扭曲程度，从而控制透过液晶的光亮度。•常黑模式：没加电压时显示黑态的模式；上下偏光板的偏光轴平行设计•常白模式：上下偏光板垂直正交设计，即没加电压时显示白态•常白模式和常黑模式的液晶层的设计是一样的，差别在于偏光板的设计