第四章 液晶显示(四)

1、第五部分第五部分 薄膜晶体管液晶显示薄膜晶体管液晶显示 TN-LCD液晶显示的电极：液晶显示的电极：段型电极、矩阵型段型电极、矩阵型电极电极TN-LCD驱动方式：静态驱动、矩阵寻址驱动。驱动方式：静态驱动、矩阵寻址驱动。静态驱动静态驱动在需要显示的时间里分别同时给在需要显示的时间里分别同时给所需显示的段电极加上驱动电压，直到不需要所需显示的段电极加上驱动电压，直到不需要显示的时刻为止。静态驱动的对比度较高，但显示的时刻为止。静态驱动的对比度较高，但使用的驱动元器件较多，因此只用于电极数量使用的驱动元器件较多，因此只用于电极数量不多的段式显示。不多的段式显示。 一一 概述概述矩阵寻址驱动矩阵寻址

2、驱动TN-LCD的矩阵寻址驱动实际上是一的矩阵寻址驱动实际上是一种种简单矩阵（或无源矩阵）驱动方式简单矩阵（或无源矩阵）驱动方式，即把，即把TN-LCD的的上下基板上的上下基板上的ITO电极做成条状图形，并互相正交，行、电极做成条状图形，并互相正交，行、列电极交叉点为显示单元，称为列电极交叉点为显示单元，称为像素像素.按时间顺序逐一给各行电极施加选通电压，即扫描电压按时间顺序逐一给各行电极施加选通电压，即扫描电压，选到某一行时各列电极同时施加相应于该行的信号电压，选到某一行时各列电极同时施加相应于该行的信号电压，行电极选通一遍，就显示出一帧信息行电极选通一遍，就显示出一帧信息若行电极数为若行电

3、极数为N，每一行选通的时间只有一帧时间的，每一行选通的时间只有一帧时间的1/N，称称1/N为该矩阵寻址的占空比为该矩阵寻址的占空比，占空比越小，每行，占空比越小，每行在一帧时间内实际显示的时间所占的比例越小。在一帧时间内实际显示的时间所占的比例越小。矩阵显示矩阵显示无源矩阵显示及其扫描限制无源矩阵显示及其扫描限制 在在TN液晶盒上、下玻璃基板的内表面淀积许多彼此平行液晶盒上、下玻璃基板的内表面淀积许多彼此平行的条状透明电极，而且上、下电极条互相垂直，交叉处形的条状透明电极，而且上、下电极条互相垂直，交叉处形成显示象素。成显示象素。 4、选通第四行、选通第四行Y4扫描电极，同时选取扫描电极，同时

4、选取X2、X3、X4、X5信号电极信号电极 5、选通第五行、选通第五行Y5扫描电极，同时选取扫描电极，同时选取X6信号电极信号电极 6、选通第六行、选通第六行Y6扫描电极，同时选取扫描电极，同时选取X6信号电极信号电极 7、选通第七行、选通第七行Y7扫描电极，同时选取扫描电极，同时选取X1X5信号电极信号电极1、选通第一行、选通第一行Y1扫描电极，同时选取扫描电极，同时选取X1X5信号电极信号电极2、选通第二行、选通第二行Y2扫描电极，同时选取扫描电极，同时选取X6信号电极信号电极3、选通第三行、选通第三行Y3扫描电极，同时选取扫描电极，同时选取X6信号电极信号电极 交叉效应交叉效应cross

5、talk 显示中，部分象素的一端与电源相连，处于半选状态。显示中，部分象素的一端与电源相连，处于半选状态。 如果外加电压足够高，半选点的象素上的电压有可能超过如果外加电压足够高，半选点的象素上的电压有可能超过阈值电压，出现不希望有的干扰。阈值电压，出现不希望有的干扰。 行列数目越大，交叉效应的影响越显著。行列数目越大，交叉效应的影响越显著。 扫描电极数目过多后图像对比度下降，显示质量变差扫描电极数目过多后图像对比度下降，显示质量变差：全选点：全选点：半选点：半选点：未选点：未选点矩阵液晶显示屏的基本形式中，象素上的实际情况矩阵液晶显示屏的基本形式中，象素上的实际情况改进办法改进办法扫描电极数目

6、不扫描电极数目不再等于扫描行数再等于扫描行数每个扫描电极同每个扫描电极同时选通时选通2个扫描行，个扫描行，即同时显示即同时显示2行行需要增加一倍的需要增加一倍的信号电极信号电极多重矩阵多重矩阵二重矩阵二重矩阵有源矩阵有源矩阵LCD显示显示在每个象素上配置一个有源器件，每个象素的控制都是独在每个象素上配置一个有源器件，每个象素的控制都是独立的，去除象素间的交叉效应，实现高质量图像显示立的，去除象素间的交叉效应，实现高质量图像显示有源矩阵液晶显示器根据其中采用的有源器件的不同可以有源矩阵液晶显示器根据其中采用的有源器件的不同可以分为分为三端的晶体管驱动和二端的非线性元件驱动两大类三端的晶体管驱动和

7、二端的非线性元件驱动两大类 通常在显示矩阵中使用的晶体管均为通常在显示矩阵中使用的晶体管均为电压控制型的电压控制型的场效应管（场效应管（Field Effect Transistor , FET) ，这类，这类器件中的电流是由外加电压引起的电场控制的器件中的电流是由外加电压引起的电场控制的 利用晶体管的三端有源驱动方式主要包括使用单晶利用晶体管的三端有源驱动方式主要包括使用单晶硅硅金属金属-氧化物氧化物-半导体场效应管半导体场效应管（Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET）和）和薄膜场效应晶体管薄膜场效应晶体管（Thi

8、n Film Transistor，TFT） 薄膜晶体管（薄膜晶体管（Thin film Transistor ) 通常是指用通常是指用半导体薄膜材料制成的绝缘栅场效应晶体管半导体薄膜材料制成的绝缘栅场效应晶体管 这种器件通常有半导体薄膜和与其一侧表面相接这种器件通常有半导体薄膜和与其一侧表面相接触的绝缘层组成，具有栅电极、源电极和漏电极触的绝缘层组成，具有栅电极、源电极和漏电极 TFT根据其使用的半导体材料可分为非晶硅、多根据其使用的半导体材料可分为非晶硅、多晶硅和化合物半导体等。晶硅和化合物半导体等。 其中利用非晶硅材料制成的非晶硅薄膜晶体管其中利用非晶硅材料制成的非晶硅薄膜晶体管（a-S

9、i-TFT）由于具有制作容易，基板玻璃成本）由于具有制作容易，基板玻璃成本低，能够满足有源矩阵液晶驱动的要求，开低，能够满足有源矩阵液晶驱动的要求，开/关电关电流比大，可靠性高及容易大面积化等一系列优点流比大，可靠性高及容易大面积化等一系列优点而受到广泛应用，成为而受到广泛应用，成为TFT-LCD中的主流技术中的主流技术 薄膜晶体管液晶显示器（薄膜晶体管液晶显示器（TFT-LCD）的优点）的优点：分：分辨率高、色彩丰富、屏幕反映速度快、对比度和辨率高、色彩丰富、屏幕反映速度快、对比度和亮度较高，屏幕可视角度大、容易实现大面积显亮度较高，屏幕可视角度大、容易实现大面积显示示 TFT AM LCD

10、显示器及显示面板是整个液晶显示显示器及显示面板是整个液晶显示的核心，通常称为液晶显示模块的核心，通常称为液晶显示模块LCM，其包含用，其包含用TFT阵列基板和彩色滤色膜基板将液晶封装起来阵列基板和彩色滤色膜基板将液晶封装起来的显示屏、连接件、的显示屏、连接件、TFT显示集成电路、显示集成电路、PCB线线路板、背光源等一体化组件。路板、背光源等一体化组件。 本章主要内容：本章主要内容：TFT液晶显示的基本原理、制备液晶显示的基本原理、制备工艺、驱动电路、以及工艺、驱动电路、以及TFT AM LCD液晶模块的液晶模块的构成构成 二、二、 薄膜晶体管有源矩阵液晶显示结构与薄膜晶体管有源矩阵液晶显示结

11、构与原理原理 1. TFT AM LCD屏的结构屏的结构 TFT有源矩阵液晶显示屏是在两块玻璃中间封入有源矩阵液晶显示屏是在两块玻璃中间封入液晶材料构成的液晶材料构成的 两块玻璃分别是下基板制备有两块玻璃分别是下基板制备有TFT阵列的玻璃基阵列的玻璃基板和上基板制备有彩色滤色膜和遮光层（黑矩阵）板和上基板制备有彩色滤色膜和遮光层（黑矩阵）的玻璃基板的玻璃基板 在下基板上制备有作为像素开关的在下基板上制备有作为像素开关的TFT器件，显器件，显示用的透明像素电极、存储电容、控制示用的透明像素电极、存储电容、控制TFT栅极栅极的栅线（行扫描线）、控制的栅线（行扫描线）、控制TFT源端的信号线等。源端

12、的信号线等。 上基板上制备上基板上制备RGB三色的彩色滤色膜和遮光用的三色的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，使液晶分子在两片玻璃基板的内侧制备取向层，使液晶分子定向排列，以达到显示要求。定向排列，以达到显示要求。 两片玻璃之间灌注液晶材料，通常采用普通的扭两片玻璃之间灌注液晶材料，通常采用普通的扭曲向列型液晶。并通过封框胶粘结，同时起到密曲向列型液晶。并通过封框胶粘结，同时起到密封作用。封作用。彩色彩色TFT LCD屏的剖面结构屏的剖面结构 液晶显示盒的结构液晶显示盒的结构上、下基板结构示意图上、下基板结

13、构示意图l 为了保证间隙的均匀性，需要在基板上均匀散布为了保证间隙的均匀性，需要在基板上均匀散布一些垫衬。一些垫衬。l 另外，为了将上基板的公共电极引到下基板以便另外，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，还需要再上、下两片玻和外围的集成电路相连，还需要再上、下两片玻璃之间采用银点胶制备连接点。璃之间采用银点胶制备连接点。l 在上下两片玻璃基板的外侧分别贴有偏振片。通在上下两片玻璃基板的外侧分别贴有偏振片。通常偏振片是一些高分子聚合物材料，其特殊的材常偏振片是一些高分子聚合物材料，其特殊的材料性质决定了只允许沿某一特定方向振动的光波料性质决定了只允许沿某一特定方向振动的光波

14、通过，而其他方向振动的光被全部或部分阻拦。通过，而其他方向振动的光被全部或部分阻拦。配合液晶材料的旋光性，可以实现显示。配合液晶材料的旋光性，可以实现显示。 此外，非晶硅此外，非晶硅TFT的栅线和信号线需要与外部驱的栅线和信号线需要与外部驱动集成电路和动集成电路和PCB电路相连，为此，上下两块玻电路相连，为此，上下两块玻璃基板贴合在一起时不能完全重合，璃基板贴合在一起时不能完全重合，TFT阵列基阵列基板略大，并在板略大，并在TFT玻璃基板的边缘具备有压焊点，玻璃基板的边缘具备有压焊点，以便和集成电路和以便和集成电路和PCB板相连板相连液晶显示器的整体结构图偏光片偏光片CF基板TFT基板液晶层源

15、驱动背光源单元电源控制器栅驱动转换器 TFT 有源矩阵驱动的有源矩阵驱动的LCD的等效电路的等效电路 当与当与TFT栅极相连的行线栅极相连的行线Xi加高电平脉冲时，连加高电平脉冲时，连接在接在Xi上的上的TFT全部被选通，图像信号经缓冲器全部被选通，图像信号经缓冲器同步加在与同步加在与TFT源极相连的阴线（源极相连的阴线（Y1Ym）上，）上，经选通的经选通的TFT将信号电荷加在液晶象素上将信号电荷加在液晶象素上 Xi每帧被选通一次，每帧被选通一次， Y1Ym每行都要被选通。通每行都要被选通。通常液晶象素可等效为一个电容，其一端与常液晶象素可等效为一个电容，其一端与TFT的的漏极相连，另一端与制

16、备有彩色滤色膜的上基板漏极相连，另一端与制备有彩色滤色膜的上基板上的公共电极相连上的公共电极相连 当当TFT栅极被选通时，栅极上加一正高压脉冲栅极被选通时，栅极上加一正高压脉冲UG，TFT导通，若此时源极有信号导通，若此时源极有信号ULD输入，则导通的输入，则导通的TFT提供开态电流提供开态电流Ion，对液晶象素充电。，对液晶象素充电。 液晶象素上即刻加上电压液晶象素上即刻加上电压ULD，该电压的大小对应于显示，该电压的大小对应于显示内容。同时为了增加信号的存储时间，还对液晶象素并联内容。同时为了增加信号的存储时间，还对液晶象素并联一个存储电容。一个存储电容。 正高压脉冲正高压脉冲UG过后，过

17、后，Xi上为上为0电平或低电平，包括液晶象电平或低电平，包括液晶象素电容和存储电容在内的等效电容素电容和存储电容在内的等效电容CLD上的电荷将保持一上的电荷将保持一帧时间。直至下一帧再次被选通后新的帧时间。直至下一帧再次被选通后新的ULD到来，到来，CLD上的上的电荷才改变。电荷才改变。 由此，逐行选通由此，逐行选通TFT，使，使Xi依次加正的高电平脉冲，这样依次加正的高电平脉冲，这样逐行重复便可显示出一帧图像。逐行重复便可显示出一帧图像。 由于扫描信号互不交叠，在任一时刻，有且只有一行的由于扫描信号互不交叠，在任一时刻，有且只有一行的TFT被扫描选通而开启，其他行都处于关态，所显示的信被扫描

18、选通而开启，其他行都处于关态，所显示的信号只会影响该行的显示内容，而不会影响其它行。从而消号只会影响该行的显示内容，而不会影响其它行。从而消除了串扰除了串扰2、TFT结构与特性结构与特性 （1）TFT的结构的结构 薄膜晶体管（薄膜晶体管（Thin Film Transistor，TFT）指用半导体）指用半导体薄膜材料制成的绝缘栅场效应晶体管薄膜材料制成的绝缘栅场效应晶体管 这种器件是具有栅极电极（这种器件是具有栅极电极（G），源电极（），源电极（S）和漏电极）和漏电极（D）的三端器件。）的三端器件。 其中与半导体直接形成欧姆接触的两个电极分别称为源极其中与半导体直接形成欧姆接触的两个电极分别称

19、为源极和漏极，被限制在源极和漏极之间的导电区域称为沟道和漏极，被限制在源极和漏极之间的导电区域称为沟道 通常通常源极和漏极源极和漏极之间的长度即沟道的长度用之间的长度即沟道的长度用L表示。一般表示。一般在微米数量级，其宽度用在微米数量级，其宽度用W表示，表示， 绝缘层接触并隔着绝缘层与源电极和漏电极间的沟道正对绝缘层接触并隔着绝缘层与源电极和漏电极间的沟道正对地称为地称为栅极栅极。 工作时，在源漏电极间加偏压，称为源漏电压工作时，在源漏电极间加偏压，称为源漏电压UDS，相应的电流称为源漏电流，相应的电流称为源漏电流IDS，又称为沟道，又称为沟道电流电流，其大小由沟道中的反向载流子的密度和载，其

20、大小由沟道中的反向载流子的密度和载流子的漂移速度决定。作为一种场效应晶体管，流子的漂移速度决定。作为一种场效应晶体管，TFT的工作原理和的工作原理和MOSFET非常类似。非常类似。 靠栅电极控制金属靠栅电极控制金属-绝缘层绝缘层-半导体（半导体（MIS）结构，）结构，形成导电沟道，其沟道的产生与消失以及沟道中形成导电沟道，其沟道的产生与消失以及沟道中反型层载流子的多少都是由栅压决定的，并在源反型层载流子的多少都是由栅压决定的，并在源漏电压的调制下形成源漏电流。漏电压的调制下形成源漏电流。 从结构上看，从结构上看，TFT可以分为可以分为叠层结构型和平面结构型叠层结构型和平面结构型，其中叠层结构型

21、的栅极和源极漏极是不共面的。和其中叠层结构型的栅极和源极漏极是不共面的。和MOSFET一样，一样，TFT也可以分别按也可以分别按N沟道和沟道和P沟道模式沟道模式工作，但在工作，但在实际应用中，往往采用实际应用中，往往采用N沟道模式沟道模式根据半导体薄膜材料的不同，薄膜晶体管可以分为：非晶硅薄根据半导体薄膜材料的不同，薄膜晶体管可以分为：非晶硅薄膜晶体管（膜晶体管（a-Si TFT）多晶硅薄膜晶体管（）多晶硅薄膜晶体管（poly-Si-TFT）碳）碳化硅薄膜晶体管（化硅薄膜晶体管（SiC TFT)2.MIS结构结构MIS（）是场效应晶体管的基本组成部分，分析结）是场效应晶体管的基本组成部分，分析

22、结构在外加电场作用下的变化是理解工作原理的基础构在外加电场作用下的变化是理解工作原理的基础当一个导体靠近另一个带电体时，导体表面会产生符号相反的当一个导体靠近另一个带电体时，导体表面会产生符号相反的感生电荷，感生电荷，表面空间电荷和反型层实际上就属于半导体表面的表面空间电荷和反型层实际上就属于半导体表面的感生电荷感生电荷以在型半导体上加电压为例以在型半导体上加电压为例在栅极上加负电压，在栅极上加负电压，所产生的感生电荷是被吸引到表面的多所产生的感生电荷是被吸引到表面的多数载流子空穴，这一过程在半导体内只是使多数载流子浓度数载流子空穴，这一过程在半导体内只是使多数载流子浓度在表面附近有所增加在表

23、面附近有所增加在栅极加正电压在栅极加正电压，将在表面附近感生负电荷，电场的作用是，将在表面附近感生负电荷，电场的作用是使多数载流子被排斥而远离表面，从而在表面只剩下带负电使多数载流子被排斥而远离表面，从而在表面只剩下带负电荷的电离受主，形成表面空间电荷区，又称为荷的电离受主，形成表面空间电荷区，又称为耗尽层耗尽层如果进一步加大正栅压，由于外电场的作用，半导体中多数如果进一步加大正栅压，由于外电场的作用，半导体中多数载流子被排斥到远离表面的体内，而少数载流子则被吸引到载流子被排斥到远离表面的体内，而少数载流子则被吸引到表面，表面，少数载流子在表面附近聚集至足够数量后，将成为表少数载流子在表面附近

24、聚集至足够数量后，将成为表面附近区域的多数载流子，通常称为反型载流子面附近区域的多数载流子，通常称为反型载流子反型载流子在表面构成一个反型导电层，场效应管就是利用反型载流子在表面构成一个反型导电层，场效应管就是利用该导电层工作的。该导电层工作的。 强反型：表面反型载流子浓度正好和体内多数载流强反型：表面反型载流子浓度正好和体内多数载流子浓度相等时的情况子浓度相等时的情况 发生强反型情况相应所需要在栅极上施加的电压为发生强反型情况相应所需要在栅极上施加的电压为阈值电压阈值电压，当栅压达到阈值电压，表面发生强反，当栅压达到阈值电压，表面发生强反型型 如果继续增大栅压，半导体体内感生电荷的变化就如果

25、继续增大栅压，半导体体内感生电荷的变化就主要是反型载流子的增加，因此可以近似认为，主要是反型载流子的增加，因此可以近似认为，栅栅电压超过电压超过以后，耗尽层电荷基本不再发生变化，以后，耗尽层电荷基本不再发生变化，只有反型载流子电荷随栅压增加而增加。只有反型载流子电荷随栅压增加而增加。 对于表面反型层中的载流子来说，其一边是绝缘层，另一对于表面反型层中的载流子来说，其一边是绝缘层，另一边是由空间电荷区电场所形成的势垒，反型载流子实际上边是由空间电荷区电场所形成的势垒，反型载流子实际上被限制在表面附近能量最低的一个狭窄区域，因此被限制在表面附近能量最低的一个狭窄区域，因此反型层反型层又被称为沟道。

26、型半导体表面反型层由电子构成，称为又被称为沟道。型半导体表面反型层由电子构成，称为沟道。沟道。 的直流特性的直流特性 在正常工作条件下，源漏电压使源体和漏体两在正常工作条件下，源漏电压使源体和漏体两个结反向偏置，对于沟道，通常源接地，漏个结反向偏置，对于沟道，通常源接地，漏极接正电压极接正电压 若在栅极上加的偏压若在栅极上加的偏压，没有形成导电沟道，则，没有形成导电沟道，则源漏之间只有很小的反向结泄露电流。处于截源漏之间只有很小的反向结泄露电流。处于截止状态止状态 当当UGSUT，形成由电子构成的反型导电沟道，沟，形成由电子构成的反型导电沟道，沟道把源区和漏区连通起来，在源漏偏压的作用下，道把

27、源区和漏区连通起来，在源漏偏压的作用下，有电子自源极向漏极移动，形成自漏流向源的电有电子自源极向漏极移动，形成自漏流向源的电流，常用流，常用IDS表示，因此可以利用表示，因此可以利用TFT作为开关，作为开关，由于反型层电荷强烈依赖于栅压，便可利用栅压由于反型层电荷强烈依赖于栅压，便可利用栅压控制沟道电流的大小。控制沟道电流的大小。不同不同UDS下的下的TFT输出特性输出特性 形成反型沟道后，当形成反型沟道后，当UDS较小时，如（较小时，如（a）所示，沟道电）所示，沟道电位变化较小，整个沟道厚度变化不大，源漏电流位变化较小，整个沟道厚度变化不大，源漏电流IDS随源随源漏偏压的变化而线性变化，此区

28、域称为漏偏压的变化而线性变化，此区域称为线性区线性区 随着随着UDS的增大，源漏电流的增大，源漏电流IDS随源漏电压的变化逐渐偏离随源漏电压的变化逐渐偏离线性，如（线性，如（b）所示，）所示， UDS越大，越大， IDS UDS曲线与线性关曲线与线性关系的偏离越大系的偏离越大 当当UDS=UDSAT=UGS-UT时，漏极附近不再存在反型层，这时，漏极附近不再存在反型层，这是沟道在漏极附近被是沟道在漏极附近被夹断夹断，如图（，如图（c）所示）所示 在夹断区域由于无法形成反型层，可动载流子数目很少，在夹断区域由于无法形成反型层，可动载流子数目很少，成为一个由耗尽层构成的高阻区，但由于在夹断点与漏极

29、成为一个由耗尽层构成的高阻区，但由于在夹断点与漏极之间沿平行于沟道方向的电场很强，能够把从沟道中流过之间沿平行于沟道方向的电场很强，能够把从沟道中流过来的载流子拉向漏极来的载流子拉向漏极 沟道被夹断后，若沟道被夹断后，若UDS继续增大，所增加的电压继续增大，所增加的电压主要降在夹断点到漏端之间的高阻区，如图（主要降在夹断点到漏端之间的高阻区，如图（d）所示，所示，这时源漏电流这时源漏电流IDS基本不随源漏电压增加，基本不随源漏电压增加，因此称为饱和区。因此称为饱和区。 这时的源漏电流称为饱和电流，实际上，由于这时的源漏电流称为饱和电流，实际上，由于UDSUGS-UT 以后，由于夹断点会稍微向源

30、区方以后，由于夹断点会稍微向源区方向移动，有效沟道长度随向移动，有效沟道长度随UDS的增加略有减小，的增加略有减小，源漏电流源漏电流IDS随随UDS的增加而略有增加的增加而略有增加 通常采用器件的直流特性曲线来描述通常采用器件的直流特性曲线来描述TFT的性能参数的性能参数非晶硅非晶硅TFT的转移特性曲线的转移特性曲线非晶硅非晶硅TFT的输出特性曲线的输出特性曲线 若固定栅极电压若固定栅极电压UGS，可测量出源漏电流，可测量出源漏电流IDS随源随源漏电压漏电压UDS的变化曲线，对于不同的的变化曲线，对于不同的UGS，可得到，可得到一组这样的曲线，一组这样的曲线，该组曲线成为该组曲线成为TFT的输

31、出特性的输出特性曲线，它反映了源漏电压对源漏沟道电流的调控曲线，它反映了源漏电压对源漏沟道电流的调控能力。能力。 若固定源漏电压若固定源漏电压UDS，可测量出源漏电流，可测量出源漏电流IDS随栅随栅压压UGS变化的关系曲线，对于不同的变化的关系曲线，对于不同的UDS可得到一可得到一组这样的曲线，该组曲线成为组这样的曲线，该组曲线成为TFT 的的转移特性曲转移特性曲线线，它反应了栅对源漏沟道电流的调控能力。它反应了栅对源漏沟道电流的调控能力。 由于在非晶硅和多晶硅材料中存在着大量的缺陷，非晶硅和由于在非晶硅和多晶硅材料中存在着大量的缺陷，非晶硅和多晶硅多晶硅TFT特性的模型，经常沿用单晶硅特性的

32、模型，经常沿用单晶硅MOSFET的模型：的模型：212DSeffgGSTDSDSDSGSTWICUUUUUUUL线性区线性区饱和区饱和区22GSTDSeffgDSGSTUUWICUUUL其中，其中，IDS为源漏电流，为源漏电流，W为为TFT的沟道宽度，的沟道宽度，L为的沟为的沟道长度，道长度，为等效载流子迁移速率，为等效载流子迁移速率，为单位面积的栅绝缘层电容，为单位面积的栅绝缘层电容，为源漏偏压，为源漏偏压，为为栅压，栅压，为的阈值电压，为的阈值电压，为栅绝缘层的厚度（一为栅绝缘层的厚度（一般为般为n n），）， 为栅绝缘材料的介电常数为栅绝缘材料的介电常数 由于结构和半导体材料的差异，的特

33、性和由于结构和半导体材料的差异，的特性和的特性之间有较大差异的特性之间有较大差异 首先，结构上在绝缘衬底上制备，没有衬底电极，是首先，结构上在绝缘衬底上制备，没有衬底电极，是一种三端器件，这与有栅、源、漏和衬底电极的四端器件一种三端器件，这与有栅、源、漏和衬底电极的四端器件有区别。由于没有衬底电极，相应的在器件特性有区别。由于没有衬底电极，相应的在器件特性上存在浮体效应，导致额外的关态漏电流和输出特性曲线在上存在浮体效应，导致额外的关态漏电流和输出特性曲线在大大时出现翘曲（）效应等一系列问题时出现翘曲（）效应等一系列问题 翘曲效应是由于器件的体区处于悬浮状态，使高能载流子碰翘曲效应是由于器件的

34、体区处于悬浮状态，使高能载流子碰撞电离产生的电荷无法迅速移走，从而出现浮体效应，使得撞电离产生的电荷无法迅速移走，从而出现浮体效应，使得输出特性曲线出现畸变。输出特性曲线出现畸变。 非晶硅、多晶硅、薄膜材料的特性和单晶非晶硅、多晶硅、薄膜材料的特性和单晶硅的不同硅的不同 （）非晶硅的结构特点（）非晶硅的结构特点 非晶硅薄膜具有短程有序、长程无序的特性，通常非晶态半非晶硅薄膜具有短程有序、长程无序的特性，通常非晶态半导体和相应的晶态半导体具有类似的基本能带结构，如导带，导体和相应的晶态半导体具有类似的基本能带结构，如导带，价带和带隙。但是非晶态半导体中载流子的电导也具有与相价带和带隙。但是非晶态

35、半导体中载流子的电导也具有与相应的晶态半导体不同的一些特点：应的晶态半导体不同的一些特点： 第一，非晶态半导体存在扩展态、带尾定域态、带隙中的缺第一，非晶态半导体存在扩展态、带尾定域态、带隙中的缺陷态，这些状态中的电子都可能对电导有贡献，陷态，这些状态中的电子都可能对电导有贡献， 第二，非晶态半导体中的费米能级不随温度变化第二，非晶态半导体中的费米能级不随温度变化 第三，非晶硅的迁移率比单晶硅低个数量级，第三，非晶硅的迁移率比单晶硅低个数量级， 第四，非晶硅的光吸收边有很长的托尾，而和单晶硅的光吸第四，非晶硅的光吸收边有很长的托尾，而和单晶硅的光吸收边很陡不同，其原因在于非晶硅中含有大量的隙态

36、密度收边很陡不同，其原因在于非晶硅中含有大量的隙态密度 和单晶硅具有确定的禁带宽度不同，的和单晶硅具有确定的禁带宽度不同，的禁带宽度随着制备工艺不同变化，一般在禁带宽度随着制备工艺不同变化，一般在。由于在非晶硅薄膜中存在。由于在非晶硅薄膜中存在大量的悬挂键等缺陷态，一般密度高达大量的悬挂键等缺陷态，一般密度高达，使得费米能级发生钉孔效应，于是一般，使得费米能级发生钉孔效应，于是一般的掺杂无法改变非晶硅薄膜的导电类型。的掺杂无法改变非晶硅薄膜的导电类型。 在非晶硅薄膜中掺入氢，可以使非晶硅中大量的在非晶硅薄膜中掺入氢，可以使非晶硅中大量的悬挂键饱和，从而使缺陷态密度大幅度降低，为悬挂键饱和，从而

37、使缺陷态密度大幅度降低，为实现掺杂提供条件。实现掺杂提供条件。 利用硅烷（利用硅烷（）辉光放电法制备的非晶硅薄）辉光放电法制备的非晶硅薄膜中含有大量的氢，可以实现非晶硅的掺杂，从膜中含有大量的氢，可以实现非晶硅的掺杂，从而能在很大范围内控制非晶硅薄膜的导电特性而能在很大范围内控制非晶硅薄膜的导电特性 通常，通常，在非晶硅中掺入氢的过程称为氢化，所获在非晶硅中掺入氢的过程称为氢化，所获得的薄膜称为氢化非晶硅（：）。得的薄膜称为氢化非晶硅（：）。 目前在非晶硅有源矩阵液晶显示中所用的目前在非晶硅有源矩阵液晶显示中所用的非晶硅均是氢化非晶硅，这样可以实现掺杂，而非晶硅均是氢化非晶硅，这样可以实现掺杂

38、，而且可以使电子迁移率提高到约且可以使电子迁移率提高到约2（）（） 通常非晶硅的结构多采用叠层结构，由栅电极、栅通常非晶硅的结构多采用叠层结构，由栅电极、栅绝缘层、非晶硅沟道层和源漏欧姆接触层构成。一般分为绝缘层、非晶硅沟道层和源漏欧姆接触层构成。一般分为顶栅和倒栅两大类。顶栅和倒栅两大类。 对于非晶硅，器件特性除了和载流子迁移特性有关外，对于非晶硅，器件特性除了和载流子迁移特性有关外，还和半导体与栅绝缘层之间的界面状态密度密切相关，界面还和半导体与栅绝缘层之间的界面状态密度密切相关，界面质量越差，界面态密度也越大，器件的特性也越差质量越差，界面态密度也越大，器件的特性也越差 由于绝缘层和半导

39、体之间界面特性在不同制备工艺下造成的由于绝缘层和半导体之间界面特性在不同制备工艺下造成的差异很大，在非晶硅中栅绝缘层一般用氮化硅（差异很大，在非晶硅中栅绝缘层一般用氮化硅（），通常在先制备非晶硅薄膜后再制备氮化硅的结果是界），通常在先制备非晶硅薄膜后再制备氮化硅的结果是界面态密度很高。器件性能很差，而在氮化硅上淀积非晶硅薄面态密度很高。器件性能很差，而在氮化硅上淀积非晶硅薄膜将使界面特性改善，因此，倒栅结构的迁移率要比膜将使界面特性改善，因此，倒栅结构的迁移率要比顶栅结构高约目前，顶栅结构高约目前，非晶硅有源矩阵液晶显示非晶硅有源矩阵液晶显示中，均采用倒栅结构的非晶硅中，均采用倒栅结构的非晶硅

40、 （）低温多晶硅（）低温多晶硅 多晶硅的迁移率虽然比单晶硅的场效应管多晶硅的迁移率虽然比单晶硅的场效应管低，但比目前普遍使用的非晶硅的高将近低，但比目前普遍使用的非晶硅的高将近两个数量级，基本上能够满足制备简单逻辑电路，两个数量级，基本上能够满足制备简单逻辑电路，并在视频应用下的要求。并在视频应用下的要求。 但通常多晶硅制备工艺的温度会高于度，但通常多晶硅制备工艺的温度会高于度，不适合于普通玻璃衬底，为此，发展起了新一代不适合于普通玻璃衬底，为此，发展起了新一代薄膜晶体管液晶显示器的制造工艺薄膜晶体管液晶显示器的制造工艺低温多晶低温多晶硅（）。一般情况下低温多晶硅的工艺硅（）。一般情况下低温多

41、晶硅的工艺温度应低于度。通常采用激光等辅助退火温度应低于度。通常采用激光等辅助退火方式，使低温制备的非晶硅晶化成为多晶硅。方式，使低温制备的非晶硅晶化成为多晶硅。 低温多晶硅有助于提高有效显示面积，提高开口率。低温多晶硅有助于提高有效显示面积，提高开口率。 低温多晶硅的最大缺点在于低温多晶硅的最大缺点在于：难以抑制泄露电流或是：难以抑制泄露电流或是关态电流。一般来说，低温多晶硅的泄漏电流是非晶关态电流。一般来说，低温多晶硅的泄漏电流是非晶硅的十至百倍。由于多晶硅中存在大量晶粒间界和缺硅的十至百倍。由于多晶硅中存在大量晶粒间界和缺陷，容易产生缺陷辅助的隧穿和带间隧穿现象。使得泄漏电陷，容易产生缺

42、陷辅助的隧穿和带间隧穿现象。使得泄漏电流增加。流增加。于是用于有源矩阵液晶显示时，过大的泄漏于是用于有源矩阵液晶显示时，过大的泄漏电流会造成在关断之后，存储在像素上的电荷难以维电流会造成在关断之后，存储在像素上的电荷难以维持一帧的时间。持一帧的时间。 为此，通常在的漏端接存储电容。起到图像显示信号为此，通常在的漏端接存储电容。起到图像显示信号的辅助存储作用，提高像素单元的存储能力。但存储电容占的辅助存储作用，提高像素单元的存储能力。但存储电容占用的面积是无效的显示面积，将不利于开口率的提高。用的面积是无效的显示面积，将不利于开口率的提高。 多晶硅的结构根据栅极位置可以分为顶栅结多晶硅的结构根据

43、栅极位置可以分为顶栅结构和倒栅结构。由于采用顶栅结构的低温多晶硅构和倒栅结构。由于采用顶栅结构的低温多晶硅特性要优于倒栅结构的，所以一般采用特性要优于倒栅结构的，所以一般采用顶栅式顶栅式 3TFT有源矩阵及像素的结构有源矩阵及像素的结构TFT显显示示像像素素的的布布局局 有源矩阵液晶显示中由有源矩阵液晶显示中由TFT晶体管、存储电容、透明像素晶体管、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。电极，扫描电极与信号电极构成一个完整的像素单元。 有源矩阵液晶显示是由完全相同的像素单元重复排列构成有源矩阵液晶显示是由完全相同的像素单元重复排列构成的的 非晶硅非晶硅TFT采用了倒

44、栅结构，利用氧化铟锡（采用了倒栅结构，利用氧化铟锡（ITO）透明）透明导电薄膜作为液晶像素电极之一，另外一个电极制备在有导电薄膜作为液晶像素电极之一，另外一个电极制备在有彩色滤色膜的玻璃基板上，存储电容为平行板电容器的结彩色滤色膜的玻璃基板上，存储电容为平行板电容器的结构，通常采用栅电极的金属层作为存储电容的一个极板，构，通常采用栅电极的金属层作为存储电容的一个极板，氮化硅绝缘层作为电容层的绝缘层，透明像素电极作为存氮化硅绝缘层作为电容层的绝缘层，透明像素电极作为存储电容的另外一个电极。储电容的另外一个电极。 由于存储电容的容量和电容极板的面积呈正比，由于存储电容的容量和电容极板的面积呈正比，

45、与绝缘层厚度成反比，而存储电容的大小直接与与绝缘层厚度成反比，而存储电容的大小直接与TFT的关态电流和显示模式相关，为了提高开口的关态电流和显示模式相关，为了提高开口率，希望存储电容占的面积越小越好，但面积过率，希望存储电容占的面积越小越好，但面积过小将使电容的容量不足，失去存储电容的作用，小将使电容的容量不足，失去存储电容的作用，为此，优化设计存储电容的结构和新材料对于改为此，优化设计存储电容的结构和新材料对于改善显示特性具有重要作用善显示特性具有重要作用 如果用存储电容的结构来区别如果用存储电容的结构来区别TFT有源矩阵，可有源矩阵，可以分为公用存储电容电极型和栅电极公用的存储以分为公用存

46、储电容电极型和栅电极公用的存储电容结构电容结构 主要差别在于存储电容的公共电极是采用单独设主要差别在于存储电容的公共电极是采用单独设计的公共引线，还是利用上一行的栅信号电极计的公共引线，还是利用上一行的栅信号电极 在公用存储电容电极型结构中，存储电容的一个在公用存储电容电极型结构中，存储电容的一个电极利用了透明像素电极，直接和液晶像素及电极利用了透明像素电极，直接和液晶像素及TFT的漏端相连，而另一端采用了单独制备的额的漏端相连，而另一端采用了单独制备的额外金属电极，该金属电极通常不透光，所以存储外金属电极，该金属电极通常不透光，所以存储电容所占的面积是无效显示面积，不利于开口率电容所占的面积

47、是无效显示面积，不利于开口率的提高的提高 开口率是光线能透过的有效区域与全面积的比例开口率是光线能透过的有效区域与全面积的比例 提高开口率的方式是利用前一行提高开口率的方式是利用前一行TFT的栅电极作的栅电极作为存储电容的另外一个电极，省去了单独制备的为存储电容的另外一个电极，省去了单独制备的额外金属电极，有益于开口率提高。但是由于利额外金属电极，有益于开口率提高。但是由于利用了栅扫描线，增加了栅扫描线的电容。这种结用了栅扫描线，增加了栅扫描线的电容。这种结构对于信号的控制和栅扫描线构对于信号的控制和栅扫描线RC延迟的要求较高，延迟的要求较高，在大屏幕、高分辨率显示中，常难以满足要求，在大屏幕、高分辨率显示中，常难以满足要求，因此，在高清晰、大画面液晶显示中采用公共存因此