第三讲-a-SiH-TFT-的结构与工作原理.ppt

1,王丽娟2006年8月29日,第三讲a-Si:HTFT的结构和工作原理,柏拉图,1.a-Si:HTFT的工作原理3.TFT-LCD的基本结构,2,a-Si:H的性质,1.a-Si:HTFT的工作原理,a-Si:HTFT的有源层材料是a-Si:H，它是一种典型的非晶态半导体材料，从而决定了TFT的某些性质不同于MOSFET。,(a)(b)晶态和非晶态硅中缺陷示意图(a)为晶体；(b)非晶体,3,a-Si:HTFT的工作原理,1.a-Si:HTFT的工作原理,有源层是a-Si:H，属弱n型非晶半导体材料。当栅极加正电压，表面形成电子的累积，源漏加电压后，形成导电沟道。类似于MOS的电容。,4,随栅极电压VGS而变化，基本上可分为积累、耗尽、反型三种情况,a-Si:HTFT的能带图,1.a-Si:HTFT的工作原理,（a）平带状态VGS=0；（b）电子积累VGS0,表面出现电子的积累而带负电,5,qVGS,（c）电子耗尽VGS0；（d）反型状态VGS0,a-Si:HTFT的能带图,1.a-Si:HTFT的工作原理,表面处电子浓度将较体内电子浓度低,表面空穴浓度将超过体内电子的浓度,6,理想的MOS器件的C-V特性曲线,用C-V特性曲线来说明三种情况的变化，累积、耗尽等。,半导体,金属,绝缘层,欧姆接触,d,MIS结构,t空间电荷区,1.a-Si:HTFT的工作原理,7,a-Si:HTFT的C-V特性曲线,用C-V特性曲线来说明a-Si:HTFT的三种情况，累积、耗尽等。,半导体,金属,绝缘层,欧姆接触,d,MIS结构,t空间电荷区,1.a-Si:HTFT的工作原理,8,a-Si:HTFT的工作区,转移特性曲线，被分为四个区域：截止区VGSVTR、亚阈值区VTRVDS+VTH。,1.a-Si:HTFT的工作原理,9,a-Si:HTFT的线性区和饱和区,当VDS很小时，漏源之间存在贯穿全沟道的导电的N型沟道。当VDS增加时，栅极与反型层的电位差减少，使得Qn减少，沟道电阻增加。在接近漏极处，沟道电荷逐渐减少；当VDS=Vsat时，在漏极处沟道电荷为零，这时沟道开始夹断；当VDS继续增大，增加的电压将降落到夹断区上，夹断区是已耗尽空穴的空间电荷区，对沟道电流没有贡献。,1.a-Si:HTFT的工作原理,10,a-Si:HTFT的亚阈值区,前界面,后界面,a-Si:H,i/sSiNx,绝缘层,LD,亚阈值前区：栅压加正压时，0VGSVON时，漏极电流受界面态中陷阱数量和a-Si:H禁带中深的类受主局域态的影响，感应出得大部分电子都被局域态和a-Si:H/绝缘层界面所俘获，只有一小部分电子参与导电，因此有很小的亚阈值电流在漏源沟道之间流动，大约为10-1210-8A。当栅极的正压增加时，电子的密度也增加，电流呈指数形式增加。亚阈值后区：当VTRVGS0时，负的栅压使表面积累的电子大部分都耗尽由于表面高的界面态密度，在a-Si:H/钝化层界面（相对a-Si:H/绝缘层界面为反界面）有一个弱的反电子沟道存在，形成了亚阈值后区的导电沟道。栅压往负方向增加，亚阈值电流减小，最后过渡到截止区。,1.a-Si:HTFT的工作原理,11,a-Si:HTFT的截止区,当VGSVTR时，泄漏电流是由于Poole-Fenkel效应引起的载流子发散造成的，所以该区又叫Poole-Fenkel发散区。在漏源之间的泄漏电流随栅压往负方向增加，呈指数增加，主要是由场增强使得深缺陷态中的载流子发散造成的。,a-Si:H,i/sSiNx,绝缘层,LD,1.a-Si:HTFT的工作原理,12,a-SiTFT的结构,注:5PEP过孔在a-SiTFT的结构中没有体现,3.a-Si:HTFT的基本结构,13,a-SiTFT的结构,（1）背沟道阻挡型,3.TFT-LCD的基本结构,14,a-SiTFT的结构,3.a-Si:HTFT的基本结构,15,a-SiTFT的结构,遮光膜,绝缘层,漏电级,源电极,栅绝缘膜,n+a-Si,a-Si,栅极,（3）顶栅结构,玻璃基板,3.TFT-LCD的基本结构,16,a-SiTFT的结构,倒栅型（底栅型）：背沟道刻蚀型和背沟道阻挡型。背沟道刻蚀型的半导体层a-Si层的厚度是20003000A；刻蚀n+a-Si层时a-Si层也被刻蚀，由于刻蚀的选择比小，所以a-Si层相应要厚，工艺难度大；a-Si层厚，所以生产性不好。背沟道阻挡型的半导层a-Si层的厚度是300500A；刻蚀n+a-Si层时SiN也被刻蚀，由于刻蚀选择比大a-Si层可以做得薄，工艺简单；a-Si层薄P-CVD的生产性好。正栅型（顶栅型）：通过改进光刻有大幅度改善的可能性，即可能降低成本,彩晶的10.4寸和16.1寸采用的是背沟道阻挡型结构；6.5采用的是背沟道刻蚀型结构,3.TFT-LCD的基本结构,17,a-SiTFT驱动原理,a-SiTFT有源矩阵液晶显示器：a-Si是指有源层采用的是半导体材料a-Si的LCD；TFT是指薄膜晶体管；有源矩阵是指有TFT等有源元件的矩阵形结构的LCD；液晶显示器英文缩写是LCD。有源矩阵与无源矩阵LCD的区别：单纯在2枚玻璃基板间注入液晶材料的LCD为无源矩阵LCD；在内部引入薄膜晶体管或二级管等有源元件和液晶材料的LCD为有源矩阵LCD。无源矩阵采用的是静态驱动即采用的是小规模固定图形的驱动法；有源矩阵采用的是动态驱动。有源矩阵的驱动原理：a-SiTFT-LCD有源矩阵采用的是逐行扫描。CRT和P-SiTFT-LCD采用的是逐点扫描。在驱动a-SiTFT-LCD时，将扫描电路的顺序扫描信号（也叫寻址信号）供给栅线，将同步电路的数据信号（也叫显示数据信号）供给数据线（也叫信号线）。a-SiTFT元件配置在TFT基板上的栅线和数据线的交叉点上，以栅线选通某行像素，在数据线上输入数据信号。当栅线从第一行像素到依次选通到最后一行，即整个画面选通完成后构成一个画面，为1帧。当第一行栅线加上扫描信号时，第一行上的所有TFT成为导电状态（有源层的电子由价带跃迁到导带，形成可以自由移动的电子），所以的数据线加上数据信号（自由移动的电子可以沿着电场方向移动形成电流），通过TFT加到像素电容和存储电容上，并由各自的数据信号电压充电。扫描下一个栅线时，第一行栅线所选择的所有的像素，从数据线上断电。由像素电容和存储电容来保持，保持的电荷可以储存到最后一行扫描结束。反复进行同样的动作，完成1帧的驱动。,18,a-SiTFT驱动原理,有源矩阵的驱动原理：象这样所供给的数据信号，由扫描信号通过开关控制的TFT，写入像素电容和存储电容成为像素电压。以这个像素电压和对面电极上的电压之差，使之显示图象。被写入的数据信号，保持到下一个扫描信号供给时为止。也就是，由下一个扫描信号到数据被再写入为止，保持前一个数据信号，以再写入数据信号更新画面。为此，从液晶角度，因保持着数据信号施加的电压，实质上，液晶再做静态