平板显示技术：第四章01-TFT液晶显示器的结构与制备

第四章TFT液晶显示器的结构与制备TFT-LCD的结构薄膜晶体管TFTTFT-LCD的制备TFT-LCD用其他配件12华星光电34TFT-LCD各世代面板尺寸5各世代厂房的差别就在于玻璃基板的尺寸6厂商厂址玻璃基板尺寸(mm*mm)代数月产能(K)投产状况备注信利汕尾400X5002.550量产2007年Q4投产龙腾光电昆山1100X13005110量产2006年Q3投产深超光电深圳1200X13005.5100量产2009年Q1投产莱宝高科深圳400X5002.530量产2008年Q3投产天亿科技成都1500X1800660待定2013年Q4投产中电熊猫南京1500X1800680量产2011年Q2投产深天马上海1100X1300592量产深天马托管730X9204.530量产2007年Q4投产成都730X9204.530量产2010年Q2投产武汉730X9204.530量产2012年Q4投产厦门1200X13005.530量产待定京东方成都730X9204.530量产2009年Q3投产北京1100X1300597量产2005年Q1投产合肥1500X1800690量产2010年Q4投产北京2200X25008.590量产2011年Q3投产华星光电深圳2200X25008.5100量产2011年Q4投产三星苏州1870X22007.5100已开工待定LGD广州2160X24008120已开工待定友达光电昆山2160X2400890延期待定熊猫液晶南京3000X30001060-90待定待定74.1薄膜晶体管液晶结构有源矩阵液晶显示AMLCD是在每个液晶像素上配置一个二端或三端的有源器件，这样每个像素的控制都是相对独立的，从而去除了像素间的交叉效应，实现高质量图像显示。根据采用的有源器件的不同可分为三端的晶体管和二端的非线性元件驱动两大类。利用晶体管的三端有源驱动方式包括使用单晶硅MOS和薄膜场效应晶体管TFT。薄膜晶体管液晶显示器TFT-LCD多为TN型工作方式。玻璃基板与普通LCD不同。在下基板上要光刻出行扫描线和列寻址线，构成一个矩阵，在其交点上制作出TFT有源器件和像素电极。8TFT-LCD的显示彩色滤光片上偏光片下偏光片光源TFT基板液晶910TFT-LCD的基本构成基本结构背光板(BACKLIGHT)下偏光片(DOWNPOLARIZER)薄膜基板(TFTSUBSTRATE)液晶(LIQUIDCRYSTAL)彩色滤光片(COLORFILTER)上偏光片(UPPOLARIZER)11TFT-LCD液晶屏实物图液晶板在未通电情况下呈半透明状态可弯曲的柔性印刷板起到信号传输的作用，并且通过异向性导电胶与印刷电路板（蓝色PCB板的部分）压和，使两者连接相通12微观液晶面板，会看到红绿蓝为一组三原色，一般一组或两组为一个像素13AMLCD的种类TFT是有源矩阵液晶显示器件（AMLCD）中的一个非常重要半导体器件，依据其半导体层所使用的材料不同，AMLCD可分为：单晶硅SiMOSFET、多晶硅p-Si、非晶硅a-Si以及非硅材料类TFT-AMLCD。单晶硅：能够利用成熟的集成电路工艺直接将显示矩阵制作在单晶硅片上，易于实现高分辨率和小型化的显示基板。不过大面积无缺陷的单晶硅片制备困难，难于做成大尺寸的显示屏。非硅类：CdSe和Te，材料的稳定性和均匀性差。144.1.1TFT型液晶显示器TFT器件的工作原理类似于MOSFET，TFT阵列工艺流程也类似于在硅片上制备MOSFET的过程，只不过衬底变为玻璃基板，器件结构采用了薄膜形式。在玻璃基片上沉积一层硅,通过印刷光刻等工序做成晶体管阵列,每个像素都设有一个半导体开关，其加工工艺类似于大规模集成电路。再把TN液晶灌注在两片玻璃之间.由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制，因而，每个节点都相对独立，并且可以进行连续控制，这样的设计不仅提高了显示屏的反应速度，同时可以精确控制显示灰度，所以TFT液晶的色彩更逼真.把三种颜色分成独立的三个点，各自拥有不同的灰阶变化，然后把临近的三个RGB显示的点当作一个像素。15TFT-LCD结构1617TFTAMLCD是在两块玻璃之间封入TN型液晶构成的。下基板制备有作为像素开关的TFT器件、显示用的透明像素电极、存储电容、控制TFT栅极的扫描线（行）、控制TFT源端的信号线（列）等。上基板制备彩色滤色膜和遮光用的黑矩阵，并在其上制备透明的公共电极。在两片玻璃基板的内侧制备取向层，使液晶分子定向排列。两片玻璃之间灌注液晶，并通过封框胶粘结，同时起到密封的作用。在基板上均匀散布一些衬垫（spacer），保证间隙的均匀性。为了将上基板的公共电极引到下基板以便和外围的集成电路相连，需在两片玻璃之间采用银点胶制备连接点（contact）。两片玻璃基板的外侧分别贴有偏振片。此外，非晶硅TFT的栅线和信号线需要与外部的驱动集成电路和PCB电路板相连，下基板比上基板略大，其边缘制备有压焊点。18透射式TFTLCD侧视图PrintedcircuitboardPrismsheet偏光板TFT框胶TABDriverLSI扩散板Spacer间隙粒子分光片反射板側光偏光板像素电极存储电容液晶配向膜共通电极Overcoat保护膜ColorfilterBlackmatrix玻璃基板19204.1.2TFT阵列面板TFTLCD是通过调整薄膜晶体管上的电压,以控制液晶转向来产生灰阶.上下两层玻璃间,夾著液晶,形成平板电容器，大小约为0.1pF。以一般60Hz的画面更新频率,需要保持约16ms。但实际无法將电压保持这么久,造成电压出现变化,所显示的灰阶就会不正确.因此在面板设计上,会再加一个储存电容CS(storagecapacitor，约为0.5pF),以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面的時候.可以说，TFT本身只是一个使用晶体管制作的开关。它主要的工作是決定LCDgatedriver上的电压是不是要充到這个点来，至于该点要充到多高的电压,以便显示出怎樣的灰阶，都由外面的LCDsourcedriver来決定.常用的TFT是三端器件。一般在玻璃基板上制作半导体层，在其两端有与之相连接的源极和漏极。并通过栅极绝缘膜，与半导体相对置，设有栅极。利用施加于栅极的电压来控制源、漏电极间的电流。21G1G2G3GmGm-1S1S2S3Sn-1SnSource线储存电容Gate线液晶电容TFTArray面板说明comITOCLC22G1G2G3GmGm-2Gm-1S1S2S3Sn-2Sn-1SnArray面板示意图23TFT显示像素单元由TFT晶体管、存储电容、透明像素电极、扫描电极与信号电极构成一个完整的像素单元。完全相同的像素单元重复排列构成有源矩阵液晶显示。24（1）1934年第一个TFT的发明专利问世-----设想.（2）TFT的真正开始----1962年，由Weimer第一次实现.特点：器件采用顶栅结构，半导体活性层为CdS薄膜.栅介质层为SiO,除栅介质层外都采用蒸镀技术.器件参数：跨导gm=25mA/V,载流子迁移率150cm2/vs,最大振荡频率为20MHz.CdSe----迁移率达200cm2/vsTFT与MOSFET的发明同步，然而TFT发展速度及应用远不及MOSFET?!4.2薄膜晶体管TFT4.2.1TFT发展历程25（3）1962年，第一个MOSFET实验室实现.（4）1973年，实现第一个CdSeTFT-LCD(6*6)显示屏.-----TFT的迁移率20cm2/vs,Ioff=100nA.之后几年下降到1nA.（5）1975年，实现了基于非晶硅-TFT.随后实现驱动LCD显示.----迁移率＜1cm2/vs,但空气（H2O,O2)中相对稳定.（6）80年代,基于CdSe,非晶硅TFT研究继续推进.另外，实现了基于多晶硅TFT，并通过工艺改进电子迁移率从50提升至400.---当时p-SiTFT制备需要高温沉积或高温退火.---a-SiTFT因低温、低成本，成为LCD有源驱动的主流.26（7）90年代后，继续改进a-Si,p-SiTFT的性能，特别关注低温多晶硅TFT制备技术.----非晶硅固相晶化技术.有机TFT、氧化物TFT亦成为研究热点.---有机TFT具有柔性可弯曲、大面积等优势.TFT发展过程中遭遇的关键技术问题？低载流子迁移率稳定性和可靠性低温高性能半导体薄膜技术低成本、大面积沉膜挑战：在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜！27TFT的种类按采用半导体材料不同分为：无机TFT有机TFT化合物:CdS-TFT,CdSe-TFT氧化物:ZnO-TFT硅基:非晶Si-TFT,多晶硅-TFT基于小分子TFT基于高分子聚合物TFT无/有机复合型TFT：采用无机纳米颗粒与聚合物共混制备半导体活性层28TFT的主要应用1.LCD、OLED显示有源驱动的关键器件右图为简单的两管组成的模拟驱动方式，通过调制驱动管T2的栅极电流来控制流过OLED的电流，从而达到调节发光亮度的目的。T1管为寻址管。写信号时，扫描线处于低电位，T1导通态，数据信号存到电容C1上；显示时，扫描线处于高电位，T2受存储电容C1上的电压控制，使OLED发光.OTFT-OLED单元29TFT阵列面板的微观形貌30柔性基底上制备的超高频RFCPU芯片主要性能指标：工艺指标：2.基于TFT的数字逻辑集成电路RF频率：915MHz编码调制方式：脉宽调制数据速率：70.18kbits/sCPU时钟：1.12MHzROM:4kB,RAM:512B0.8m多晶硅TFT工艺晶体管数目：144k芯片面积：10.5*8.9mm231基于有机TFT的全打印7阶环形振荡器电路323.敏感元件，如：气敏、光敏、PH值测定N2O气体环境N2OGasSensors原理图溶液PH值测定原理图Phototransistor结构图33TFT的常用器件结构双栅薄膜晶体管结构薄膜晶体管的器件结构错列反向错列共面依据漏极/源极与栅极处在同一平面还是在相对的两侧344.2.2TFTArray工作原理TFTArray用来控制每个液晶单元是否偏扭转(导通与否)及偏转的角度大小(导通电压決定).对于显示屏来说，每个像素从结构上可以简化看作为像素电极和共同电极之间夹一层液晶。导通时液晶分子排列状态发生偏转，这样通过遮光和透光来达到显示的目的。同時TFT具有电容效应，能够保持电位状态，先前透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到电极下一次再加电改变其排列方式。要对j行i列的像素P（i,j）充电，就要把开关T（i,j）导通，对信号线D（i）施加目标电压。当像素电极被充分充电后，即使开关断开，电容中的电荷也得到保存，电极间的液晶层分子继续有电压施加场作用。数据（列）驱动器的作用是对信号线施加目标电压，而栅极（行）驱动器的作用是起开关的导通和断开。35TFT的工作原理：输入信号通过TFT元件对液晶电容进行充放电加保持电容，使液晶电容上的信息保持到下次新画面保持电容TFT元件加入电压液晶0.5pF0.1pF36SwitchOn时信号写入液晶电容，此时，TFT组件成低阻抗(RON)，当OFF时TFT组件成高阻抗(ROFF)，可防止信号线数据的泄漏。一般RON与ROFF电阻比至少约为105以上。不论TFT板的设计如何的变化,其结构一定需具备TFTdevice和控制液晶区域.TFTdevice是一个开关器，其功能就是控制电子跑到ITO区域的数量，当ITO区域流进去的电子数量达到我们想要的数值后，再将TFTdevice关掉，此时就将电子整个关(Keep)在ITO区域。掃描線信號線RONROFF液晶保持电容GDS37TFT-LCD电路结构上玻璃板是一共用电极；下玻璃基板上要放置扫描线和寻址线（行、列线），在交点上再制作上TFT有源器件和像素电极。显示矩阵和驱动电路封装在一起形成一个液晶显示模块LCM。控制TFT栅极的称为扫描线，与该行上所有TFT的栅极相连；控制TFT源端的称为信号线，与该行上所有TFT的源极相连；TFT的漏端与液晶像素单元