13.液晶显示器件的有源驱动TFT

课次13.有源矩阵液晶显示器1.有源矩阵液晶显示器件分类普通矩阵TN液晶显示器件的电光特性很难满足高质量图像，特别是视频图像的显示。高分辨率要求的高扫描行数N，会导致：(1)驱动路数的宽容度α随N的增加而迅速下降；(2)每个像素的占空比1/N随N的增加而下降，这将导致驱动电压的提高，同时要求更亮的背光源。maxN1α1N1N2220onth2V1V(bN1)VNb22th02NbVVbN11.有源矩阵液晶显示器件分类1.有源矩阵液晶显示器件分类我们希望设计一个具有存储性的非线性有源器件：使每个像素可以独立驱动，从而克服直接动态驱动中的交叉效应，实现多路视频显示；同时解决由于驱动路数N增加，占空比变小所带来的种种问题。有源矩阵(ActiveMatrix)液晶显示器：利用有源器件驱动的液晶显示器件，根据有源器件的种类分：变阻器背对背二极管二极管环二端有源单晶硅三端有源有源矩阵AnOMSMMIMSi-p,Si,Te,CdSe:TFTMOSFETa1.有源矩阵液晶显示器件分类三端有源方式：扫描输入与寻址输入可以分别优化处理，所以图像质量好，但工艺制作复杂，投资额度大，以10亿美元为单位；二端有源方式：工艺相对简单，开口率较大，投资额度小，但图像质量比三端有源略差（袖珍电视产品应用）。1.有源矩阵液晶显示器件分类被动矩阵：行列电极分别在液晶盒两边，电极宽度决定像素大小主动矩阵：行列电极都在液晶盒一边，电极宽度与像素大小无关2.二端有源器件1.二极管寻址矩阵液晶显示普通矩阵液晶显示屏扫描行数存在极限的原因之一在于液晶像素的电容性负载（即具有对称性，或双向导通特性）。解决办法：在每个像素上串联一个二极管，使像素电路具有非线性，就可突破上述极限。设二极管正向导通电压为Vb，外加电压为Vo，当二极管与液晶像素串联后：当VoVb时，液晶像素上是没有电压的；当VoVb时，液晶像素上的电压为Vo-Vb。2.二端有源器件1.二极管寻址矩阵液晶显示此时液晶显示器件的电光特性曲线的陡度γ可表示为：如果二极管伏安特性曲线为理想L形，且Vb足够大时，则γ值可非常接近于1。这样就突破了TN液晶屏的扫描极限。b90b10b10VVV1VVVV2.二端有源器件1.二极管寻址矩阵液晶显示2.二端有源器件1.二极管寻址矩阵液晶显示如图所示：每个像素Pi,j上部都串联一个二极管Di,j。扫描行Xi：零电压；未扫描行Xi：负电平。寻址列Yi：负电平；未寻址列Yi：零电压。被选择像素：行电压—零，列电压—负值-VXF，二极管正向导通，像素电压VXF–VbV90；未被选择像素：行电压—负值-VXF，列电压—零，二极管反向截止，像素电压0。因此，完全消除了交叉效应。2.二端有源器件1.二极管寻址矩阵液晶显示一般来说，二极管反向截止，即其反向电阻远大于液晶像素的漏阻。因此被选择的像素充上电压后，在寻址信号移去后仍能保持。像素上的电荷只能靠自身的漏电才能泄放掉。所需时间这取决于液晶像素的介质驰豫常数τLC。介质驰豫常数τLC应小于帧周期TF，否则影响器件的响应特性。因此，上述单二极管有源矩阵的存储特性是不可能太大的，只对减少闪烁起作用。2.二端有源器件2.二极管环寻址矩阵液晶显示为了充分利用上述存储特性，需采用双阈值元件寻址，即对每个像素串联一对反向并联的二极管组。2.二端有源器件2.二极管环寻址矩阵液晶显示2.二端有源器件2.二极管环寻址矩阵液晶显示行扫描脉冲：正的置位脉冲和负的复位脉冲组成。复位脉冲——幅值-nVb，使像素上保持的电荷全部泄放掉，即被“清零”；置位脉冲——幅值nVb，与信号脉冲叠加实现像素的显示与否。这样介质驰豫常数τLC可以设计的足够大，使被选择像素在一帧内充上的电荷基本保持不变。列信号脉冲：幅值为-VY！2.二端有源器件2.二极管环寻址矩阵液晶显示被选择像素：行电压——nVb，列电压——-VY，一组二极管导通，像素电压VYV90，信号撤去之后，行列电压均为0，两组二极管均截止，像素电压保持不变。未被选择像素：行电压——nVb，列电压——0，两组二极管均截止，像素电压0，信号撤去之后，行列电压均为0，两组二极管均截止，像素电压保持不变。。被选择像素复位：行电压——-nVb，列电压——0，像素电压VY，另一组二极管导通，至像素电压为0。未被选择像素复位：行电压——-nVb，列电压——0，像素电压0，两组二极管均截止。2.二端有源器件2.二极管环寻址矩阵液晶显示单晶硅二极管正向压降为0.6~0.7V；-Si二极管正向压降为1V。正向压降小，且多个二极管串联不易实施，会导致开口率下降。PIN二极管正向压降较大，且导通后阻抗很小。PIN二极管：在p区和n区之间加了一层本征层I，本征层是高阻，所以使正向压降Vb较大。在正向工作时，由于p区或n区的载流子注入而电阻下降，注入电流越大，等效电阻越小。2.二端有源器件3.MIM寻址矩阵液晶显示MIM：金属-绝缘体-金属结构（五氧化二钽层夹在两层金属膜之间）。该结构在强电场作用下电导率具有很强的非线性，故可用于液晶显示的有源矩阵中。MIM-LCD的性能和价格介于STN-LCD和TFT-LCD之间。2.二端有源器件3.MIM寻址矩阵液晶显示MIM液晶显示器件等效电路RNIM—非线性电阻CMIM—MIM电容RLC—液晶阻抗CLC—液晶容抗2.二端有源器件4.ZnO变阻器寻址矩阵液晶显示将ZnO粉末与少量其他金属氧化物CoO或Sn2O3混合烧结，即形成金属氧化物变阻材料——陶瓷，其中半导电的ZnO颗粒被薄薄的绝缘层边界包围。如果加上外电场，其具有很强的非线性伏安特性。ZnO变阻器与液晶像素串联后使电光特性曲线右移，曲线陡度趋近于1。优点：温度系数小，高非线性伏安特性，适于制作大面积显示屏。缺点：ZnO不透光，仅能工作于反射式液晶显示器。3.三端有源器件1.TFT寻址矩阵液晶显示器的结构TFT-LCD使液晶显示器件进入高画质、真彩色显示的新阶段。TFT-LCD中采用的是TN液晶显示方式。目前TFT-LCD的市场产值占有比已超过90%。全世界的TFT-LCD生产线分布在日本、韩国、台湾和中国大陆。3.三端有源器件1.TFT寻址矩阵液晶显示器的结构3.三端有源器件1.TFT寻址矩阵液晶显示器的结构3.三端有源器件1.TFT寻址矩阵液晶显示器的结构在两块玻璃之间封入液晶，工作在TN方式。在下玻璃基板上光刻出行扫描线和列寻址线，构成一个矩阵。在其交叉点上制作出场效应管有源器件和像素电极。同一行中各像素串联的场效应管（FET）栅极是连在一起的，行电极X——栅极母线。同一列中各像素串联的场效应管（FET）漏极是连在一起的，列电极Y——漏极母线。场效应管（FET）源极与液晶的像素电极相连。为了增加液晶像素的驰豫时间，还对液晶像素并联上一个合适的电容。3.三端有源器件2.TFT寻址矩阵液晶显示器的工作原理当扫描到某一行时，扫描脉冲使该行上的全部场效应管导通，使得各列上的信号电压可以施加到液晶像素上，并对并联的电容充电。这样信号电压可以在液晶像素上持续接近一帧的时间，占空比达到百分之百，而与扫描行数N无关。未扫描行上的各场效应管处于开路状态，不管各列上的信号电压如何变化，对未扫描行上的液晶像素都无影响。3.三端有源器件2.TFT寻址矩阵液晶显示器的工作原理据TFT矩阵工作原理对三端有源矩阵中的TFT提出如下要求：在TFT导通的T1时间内应将99%的信号输入到CLC上；在TFT截止的T2时间内CLC上的信号损失应小于5%。于是有：Ron：TFT导通电阻；Roff：TFT开路电阻；CLC：液晶等效电容；T1：行扫描时间；T2：帧扫描时间。14.6()onLCSTRCC20.051()offLCSTRCC3.三端有源器件2.TFT寻址矩阵液晶显示器的工作原理对于PAL制式电视，T1=64um，T2=20ms，设CLC=1pF，代入上两式有：Ron1.6×106Ω，Roff4×1011Ω即TFT的通断比一般在5个数量级以上。考虑到温度增加时Roff会下降，这个比值应扩大到7个数量级以上。3.三端有源器件2.TFT寻址矩阵液晶显示器的工作原理扫描信号图像信号像素信号3.三端有源器件2.TFT寻址矩阵液晶显示器的工作原理充电过程：在选通时间T1内要求把99%的图像信号写入，其条件为：1ontLCIDVVe()ononLCSRCC0.99LCIDVV14.64.6()ononLCSTRCC3.三端有源器件2.TFT寻址矩阵液晶显示器的工作原理放电过程：在一帧时间内要求图像信号的泄漏在5%以内，其条件为：offtLCIDVVe()offoffLCSRCC0.95LCIDVV210.051()19.5offoffLCSTRCC3.三端有源器件2.TFT寻址矩阵液晶显示器的工作原理3.三端有源器件2.TFT寻址矩阵液晶显示器的工作原理3.三端有源器件3.非晶硅半导体场效应管-SiFET1979年P.G.LeComber等首次使用a-SiFET驱动了液晶显示器，特点如下：(1)不掺杂或轻掺杂的a-Si有很高的电阻率，故器件不需p-n结构的特别隔离工艺，结构简单；(2)a-SiFET具有非常高的开态和关态电流比；(3)可以用传统的光刻工艺，能实现高集成度；(4)制作温度低于350℃，因此可采用大面积廉价平板玻璃作衬底。3.三端有源器件3.非晶硅半导体场效应管-SiFET-SiFEF的结构：高阻半导体-Si、绝缘层、三个电极利用表面效应的绝缘栅场效应管3.三端有源器件3.非晶硅半导体场效应管-SiFET-SiFEF的特性曲线：3.三端有源器件3.非晶硅半导体场效应管-SiFET阵列对-SiFEF的要求：(1)较高的开关比，一般需≥105；(2)驱动电压小于15V；(3)交替使用峰值不同的漏极脉冲，或适当加一个偏置电压；(4)TFT开关速度必须能满足图像显示的要求，即从断态到通态的电流上升要陡；(5)TFT有合适的导电沟道宽长比W/L。3.三端有源器件3.非晶硅半导体场效应管-SiFET-SiFEF阵列的制作工艺：(1)先光刻好透明电极ITO的图形，作为液晶单元的背面接触；(2)蒸Cr，并光刻出Cr条，作为栅极G；(3)淀积绝缘层Si3N4，厚度约0.25μm；(4)淀积有源层a-Si:H，厚度约为0.2μm，将不需要的部分蚀掉；(5)沉积n+型a-Si:H，将不需要的部分刻蚀掉；(6)在Si3N4层上刻出接触窗口A，在下一工序中使ITO层与漏极电极D相连；(7)蒸镀铝层，光刻出源、漏电极。3.三端有源器件3.非晶硅半导体场效应管-SiFET-SiFEF阵列的制作工艺：3.三端有源器件4.多晶硅薄膜晶体管有源矩阵p-SiFET多晶硅（p-Si）：使a-Si薄膜中的硅粒在高温下再结晶，使晶粒长大到微米以上量级，可允许电子更加自由的流动，迁移率提高。根据处理时基片承受的温度不同p-Si可分为：高温多晶硅（HTPS）和低温多晶硅（LTPS）。HTPS：1000℃，特殊石英晶体基片；LTPS：激光热处理，普通玻璃基片。3.三端有源器件4.多晶硅薄膜晶体管有源矩阵p-SiFETp-SiFET的结构：3.三端有源器件5.连续晶界硅(ContinuousGrain-Silicon)SHARP的CGS(ContinuousGrain-Silicon)技术：a-Sip-SiCGS4.TET-LCD的结构4.TET-LCD的结构4.TET-LCD的结构5.TET-LCD的驱动电路结构移位寄存器512ⅹ6bit锁存器512DAC512ⅹ6bit数据驱动器1024X768像素矩阵(TFT—LCD)奇数线……CLKRREF512Χ6bit数据驱动器偶数线……REFRCLK768位移位寄存器768位缓冲驱动器扫描线1024扫描驱动器7681118(bit)RGB数据线18（bit）RG