TFT-LCD设计及制作(2)—TFT原理

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1、TFT-LCD设计及制作（设计及制作（2） TFT工作原理工作原理 TFT基本结构基本结构 各种各种TFT技术技术2TFT-LCD设计及制作设计及制作n TFT工作原理工作原理n TFT基本结构基本结构 各种各种TFT技术技术3TFT-LCD设计及制作设计及制作MOSFETn绝缘栅型场效应管（绝缘栅型场效应管（Insulated Gate Field Effect Transistor，缩写为，缩写为IGFET）n的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用的栅极与源极、栅极与漏极之间均采用Si02绝绝缘层隔离，因此而得名。缘层隔离，因此而得名。n在在IGFET中，目前应用最为广泛的是中，目前应用最为广

2、泛的是MOS场场效应管（即金属效应管（即金属-氧化物氧化物-半导体场效应半导体场效应管管:Metal-Oxide-Semiconductor-Field-Effect-Transistor,缩写为缩写为MOSFET） 4TFT-LCD设计及制作设计及制作nMOS结构是结构是MIS（Metal-Insulator-Semiconductor）结构中的一种，当绝缘膜采）结构中的一种，当绝缘膜采用氧化膜时就是用氧化膜时就是MOS结构，在硅器件中，氧化结构，在硅器件中，氧化膜是通过硅衬底的热氧化形成的。膜是通过硅衬底的热氧化形成的。n它的栅它的栅-源间电阻比结型场效应管大得多，可源间电阻比结型场效应管

3、大得多，可达达1010以上。它比结型场效应管温度稳定性以上。它比结型场效应管温度稳定性好、集成化时工艺简单，是微处理器、半导体好、集成化时工艺简单，是微处理器、半导体存储器等超大规模集成电路中的核心器件和主存储器等超大规模集成电路中的核心器件和主流器件，也是一种重要的功率器件。流器件，也是一种重要的功率器件。 5TFT-LCD设计及制作设计及制作n根据导电方式的不同，根据导电方式的不同，MOSFET又分增强型、又分增强型、耗尽型。耗尽型。n所谓增强型是指：当所谓增强型是指：当VGS=0时漏极电流也为零，时漏极电流也为零，管子是呈截止状态；加上正确的管子是呈截止状态；加上正确的VGS后，多数后，

4、多数载流子被吸引到栅极，从而载流子被吸引到栅极，从而“增强增强”了该区域了该区域的载流子，形成导电沟道。因而增强型的载流子，形成导电沟道。因而增强型MOSFET就是指必须施加栅压才能开启的一类就是指必须施加栅压才能开启的一类MOFET。6TFT-LCD设计及制作设计及制作n耗尽型则是指：当耗尽型则是指：当VGS =0时漏极电流不为零，时漏极电流不为零，即形成沟道；加上正确即形成沟道；加上正确VGS的时，能使多数载的时，能使多数载流子流出沟道，从而流子流出沟道，从而“耗尽耗尽”了载流子，使管了载流子，使管子转向截止。因而耗尽型子转向截止。因而耗尽型MOSFET是指必须施是指必须施加栅压才能关闭的

5、一类加栅压才能关闭的一类MOSFET。7TFT-LCD设计及制作设计及制作TFT 与与MOSFET 之比较分析之比较分析nTFT 与与MO SFET 的工作原理比较的工作原理比较nTFT 与MOSFET的工作原理相似, 当栅极施加正电压时, 在栅极和半导体层间会产生一个电场,在这个电场的作用下, 形成了电子沟道, 使源极与漏极之间形成导通状态, 在栅极所加的电压越大, 吸引的电子也愈多, 所以导通电流也越大; 而当栅极施加负电压时而当栅极施加负电压时, 使得源极与漏极之使得源极与漏极之间形成关闭状态。间形成关闭状态。8TFT-LCD设计及制作设计及制作n在实际在实际LCD生产中，主要利用生产中

6、，主要利用a-Si：H TFT的的开态（大于开启电压）对像素电容快速充电，开态（大于开启电压）对像素电容快速充电，利用关态来保持像素电容的电压，从而实现快利用关态来保持像素电容的电压，从而实现快速响应和良好存储的统一。速响应和良好存储的统一。9TFT-LCD设计及制作设计及制作nTFT 与与MOSFET 的结构非常的相似。的结构非常的相似。nTFT与与MOSFET 相似也为一三端子元件相似也为一三端子元件, 在在LCD 的应用上可将其视为一开关。的应用上可将其视为一开关。10TFT-LCD设计及制作设计及制作nTFT 与与MOSFET 不同之处不同之处n1、沟道与源、漏极nMO SFET 的载

7、流子沟道所形成的界面, 与源、漏极处于同一边, 因此, 载流子沟道形成后, 会直接连接至源、漏极, nTFT 的电子沟道是形成于半导体层下方的界面, 而源漏极却是在半导体层上方的界面, 因此, TFT 的电子沟道要连接到源、漏极, 必须再经过半导体层厚度, 载流子的流动需要经过这个低导电性的区域, 因而影响TFT 的导电特性。11TFT-LCD设计及制作设计及制作n2、栅极与源、漏极的重叠、栅极与源、漏极的重叠nMO SFET 的源、漏极掺杂, 是利用栅极本身作为掩模, 利用离子注入来形成, 具有自动对准的效果, 栅极与源、漏极之间并不会重叠。n而TFT 的源、漏极, 是另外用掩模来定义的,

8、TFT 的导通特性包括了半导体层厚度本身造成的电阻, 如果栅极与源、漏极之间没有重叠, 会造成一段不会形成沟道的距离, 形成很大的阻值使其充电能力大幅降低。因此,n必须在栅极与源、漏极之间故意地形成重叠, 来避免n这样的情况。12TFT-LCD设计及制作设计及制作n3、栅极绝缘层的材料nMO SFET 的栅极绝缘层是在高温下形成的氧n化硅, 其本身和与硅半导体界面的品质都是极佳的。n而TFT 的栅极绝缘层, 由于基板耐温的限制而无法在高温下成长, 而仅能以等离子体沉积的方式形成。13TFT-LCD设计及制作设计及制作TFT等效电路等效电路 n1.右图为右图为TFT一个像素的等效电一个像素的等效

9、电路图，扫描线连接同一列所有路图，扫描线连接同一列所有TFT栅极电极，栅极电极，而信号线连接同而信号线连接同一行所有一行所有TFT源极电极。源极电极。n2.当当ON时信号线的数据写入液晶时信号线的数据写入液晶电容，此时，电容，此时，TFT组件成低阻抗组件成低阻抗(RON)，当，当OFF时时TFT组件成高阻组件成高阻抗抗(R)，可防止信号线数据的泄，可防止信号线数据的泄漏。漏。n3.一般一般RON与与ROFF电阻比至少约电阻比至少约为为105以上。以上。扫描线信号线RONROFF液晶存储电容GDS14TFT-LCD设计及制作设计及制作14G1G2G3GmGm-2Gm-1S1S2S3Sn-2 Sn

10、-1 SnArray 面板示意圖15TFT-LCD设计及制作设计及制作非晶硅非晶硅TFT源漏电流与栅极电压的关系源漏电流与栅极电压的关系n没有光照的情况下，没有光照的情况下，TFT开开态电流与关态电流之比在态电流与关态电流之比在7个数量级的水平，管子开个数量级的水平，管子开关特性很好。关特性很好。n但在但在2000lx白光的照射下，白光的照射下，如图中虚线所示，相同条如图中虚线所示，相同条件下关态电流迅速增大，件下关态电流迅速增大，使开态电流和关态电流之使开态电流和关态电流之比减小到比减小到5个数量级，导致个数量级，导致管子工作不稳定。管子工作不稳定。n这是采用窄禁带光敏半导这是采用窄禁带光敏

11、半导体硅材料的固有缺陷。体硅材料的固有缺陷。16TFT-LCD设计及制作设计及制作TFT与对比度与对比度 n在在TFT-LCD中，中，TFT的电学特性的电学特性是确定显示器是确定显示器对比度的关键。对比度的关键。n一般要求一般要求TFT开态电流与关态电流之比要达到开态电流与关态电流之比要达到107以上。如果以上。如果TFT栅极电阻太大，使栅极脉冲栅极电阻太大，使栅极脉冲延迟时间延长，则导致数据信号写入不足，会延迟时间延长，则导致数据信号写入不足，会降低显示器的对比度降低显示器的对比度17TFT-LCD设计及制作设计及制作TFT的寄生电容与交叉串扰的寄生电容与交叉串扰 n一般认为，一般认为，TF