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1、3.8 有源矩阵液晶显示器件,普通矩阵液晶显示器件存在两个严重问题：,工作电压的裕度随N的增加而迅速下降。,当N增加时，显示器件工作的占空比也随之下降，需提高驱动电压，同时要求背光源更亮。,希望设计一个非线性的有源器件，使每个像素可以独立驱动来克服交叉效应；如果该非线性有源器件还具有存储性，还可以解决由于占空比变小所带来的问题。,有源器件分类,一、二端有源器件,1、二极管寻址矩阵液晶显示,二极管寻址,MIM结构,二极管环,Lechner结构,设二极管正向导通电压为Vb，二极管正向导通，处于显示状态的像素所在的行和列间的电压为：,二极管反向截止，处于非显示状态的像素所在的行和列间的电压为：,液晶
2、显示器件的电光待性曲线的陡度可表示为：,被选择的像素充电后，当寻址信号移去，像素上电荷只有靠自身的漏电才能泄放掉，所需时间LC应小于Tf(帧周期)，否则影响器件的响应。,扫描脉冲由正的置位(即充电)脉冲和负的复位(即放电)脉冲组成。,二极管环,要充分利用存储特性需采用双阈值元件寻址，即对每个像素串联上一对反向并联的二极管组。,一个二极管的正向压降是不大的，多个二极管串联，可将阈值增为nVb，但不易实施，或使开口率下降。如果用PIN二极管代替，就可大大提高Vb数值。,开口率是指除去每一个像素的配线部、晶体管部（通常采用黑色矩阵隐藏）后的光线通过部分的面积和每一个像素整体的面积之间的比例。 开口率
3、越高，光线通过的效率越高。,放大镜下的液晶屏,lechner二极管矩阵,Lechner二极管二端有源方式,该矩阵的每像素有两条行扫描电极，一条为正向行(normal line)，另一条是反向行(reverse line)。,（1）正向帧,扫描到的行：Li加+Vs ， Ri加比+Vs 高的电压+Vk,扫描过的各行Lj上保持0，Rj保持原先的高电平直到一帧结束。,（2）反向帧,扫描到的行：Li加-Vk ， Ri加-Vs,2、金属一绝缘体一金属(MIM)寻址矩阵液晶显示,将阳极氧化制备的Ta2O5层夹在两层金属膜之间，构成MIM结构，导体膜间的电压电流呈非线性，利用这种非线性进行液晶像素的导通、断开
4、方式称为MIM有源矩阵。,MIM屏等效电路,MIM伏安特性,MIM屏剖面图,MIM元件剖面图,首先在基片玻璃上反应溅射生长一层Ta2O5；,MIM的结构与工艺,然后在掺氮的氖气氛中溅射厚度约为200nm的Ta层；,将Ta层光刻成“T”字形，作为扫描母线；,将基片放在0.1的柠檬酸溶液中对Ta进行阳极氧化，形成Ta2O5。,再沉积上一层Cr，并光刻，于是在“T”竖条处的Ta2O5形成一层较厚的桥状金属接触； 最后用反应溅射方法淀积一层ITO膜，并光刻成方形像素电极。像素电极与上一步工艺中形成的Cr电极是相连的。,等效电路如图，加在选择像素上的脉冲电压由电容分配，加在非线性元件上的电压VMIM为：
5、,若CMINCLC ，则电压几乎都加在MIM上，使MIM变成具有低电阻导通态，与显示数据对应的电荷写入液晶像素。,在扫描选通TON末尾，即选择脉冲下降的时候，加在液晶像素上的充电电压VLC由于受CLC和CMIM电容耦合的影响，而减小V，导致VLC有效值降低，希望V尽可能小。,为了使MIM液晶屏上获得高的图像质量，MIM须满足：,MIM电容比液晶电容要小得多；,MIM的电压电流特性上导通电流和断开电流之比要足够大；,MIM的电压电流特性在正压一侧和负电压一侧要对称。,MIM与液晶像素串联后，表现在电光特性曲线上是使曲线右移10余伏，使陡度从1.21.4下降到1.06，从而达到240扫描行都无交叉
6、效应。通常每一个液晶像素上制备两个MIM二极管。,3、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，例如CoO或Sb2O3混合烧结，即形成金属氧化物变阻材料，若加上外电场，它具有很强的非线性伏安特性，与背一背二极管的伏安特性类似。,缺点是整个液晶屏是制作在较厚的ZnO衬底上，ZnO不透光，所以只能工作于反射式。,二端有源器件用于有源矩阵的只有MIM这一种，主要由于工艺简单，投资最少，目前仍在应用。,二、三端有源器件,1、三端有源矩阵液晶显示器件工作原理,在下基扳上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，同一行中与各像素串联的场效应管的
7、栅极（G）是连在一起的，故行电极也称栅极母线。而信号电极Y将同一,列中各FET的漏极（D）连在一起，故列电极也称漏极母线。而TFT的源极（S）则与液晶的像素电极相连。,VGS=0V，iD0。,0 VGS VT ，在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。,VGSVT，沟道加厚，沟道电阻减少，在相同VDS的作用下，iD将进一步增加。,VGSVT，在P型衬底表面形成一层电子层，形成n型导电沟道，在VDS的作用下形成iD。,另一方面,漏源电压VDS对漏极电流ID的控制作用(UGS UT)：,场效应晶体管的开关原理：,令源（S）电极电位为0，源（S）一漏（D）间电压为VD，根据场效应晶体管理论S
8、D间的漏电流受栅电压控制。,在VGVT情况下(VT为栅阈值电压) ，VD作用下的漏电流IOFF为,在VGVT的情况下，由VG的纵向电场作用，在半导体层的表层将有感应电荷积累，形成表面层导电沟道(VG为正时，为n沟道)，此时，VD作用下的漏电流ION由渐次沟道近似得：,式中，FE为载流子的迁移率；Cr为栅绝缘膜的单位面积电容。RON是VG的函数。选择合适的功能材料可使ION/IOFF达105一107，即具有很高的开关比，场效应晶体管是AM方式中比较理想的开关元件。,设FET导通时漏源间的电阻为Ron，关断（开路）时漏源间电阻为Roff，导通时像素电容充电，充电时间TH，关断时像素电容放电，放电时
9、间TF，,即FET的通断比一般应在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。,扫描到某一行时，扫描脉冲使该行上的FET导通，同时各列将信号施加到液晶像素上，且对并联的电容器充电。,扫描过后，各FET处于开路状态，不管列信号如何变化，对未扫描行上的像素无影响，信号电压可在液晶像素上保持接近一帧时间，直到下一帧扫描到来之前，使占空比达100%，而与扫描行数N无关。,工作过程：,这种驱动方式又称为准静态驱动。,三端AMLCD方式优点：,每个像素在自身选择时间以外，不受其他行选择信号的影响，解决了行间串扰问题，实现了高清晰度显示。,具有电压保持的准静态驱动功能，可
10、实现高亮度显示。,准静态驱动对液晶响应速度的要求放宽，同时，由于电压保持特性提高了液晶驱动电压的有效值，因而也提高了液晶的响应速度。,同列上各像素就可以独立设定信号电压，因而容易实现采用电调方式的灰度显示。,a-Si是一种利用表面效应的绝缘栅场效应晶体管，它通常由不掺杂或均匀轻掺杂的高阻半导体a-Si与其一侧表面相接触的绝缘层组成，有三个电极：源极和漏极，栅极。,2、非晶半导体场效应器件（a-Si，amorphous silicon）,a-Si中电子迁移率比空穴迁移率高一个数量级，故总是工作于栅极加正电压。形成n沟道的电子导电情况下。,a-si:H的导电性与c-Si有很大差别。主要表现在两个方
11、面：载流子迁移率小；载流子浓度低。,a-siTFT的优点： 漏电流IOFF很小； 其制备温度低(3000C左右)，可用玻璃作基板，并具有大面积均匀性，易实现大面积彩色显示。 缺点：ION较小，为提高ION ，使a-siTFT尺寸加大，这将减小LCD的开口率。,将漏、源电极直接作在a-Si:H有源层上，不可能保证完好的欧姆接触。在铝电极和有源层之间夹一层重掺磷的n型a-Si:H层，就可保证电极与有源层之间的欧姆接触。,a-Si的结构和工艺,先光刻好透明电极ITO的图形；,蒸Cr ，并光刻出Cr条，作为栅电极G；,沉积绝缘层的Si3N4，厚度约为0.25m。,沉积有源层a-Si:H，厚度约为0.2
12、m ，并将不需要的a-Si:H部分刻蚀掉。,沉积na-Si:H，并将不要的部分刻蚀掉，只在FET位置上源、漏极处留下na-Si:H 。,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；,蒸镀铝层，并光刻出源、漏电极。,a-SiTFT转移特性,a-SiTFT的输出持性,a-SiTFT的转移持性,对TFT的要求：,较高的开关比，一般大于105；,a-Si的驱动电压小于15V；,TFT在帧反转驱动下其输出特性要相同；,TFT的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。a-Si:H TFT的响应时间为：,合适的导电沟道宽长比W/L。,3、p-Si TFT（
13、poly crystal silicon）方式,p-Si的电学特性取决于晶粒大小、杂质浓度和晶界局域态密度。其中晶粒尺寸是p-Si的特征因子，影响晶界特性，决定载流子迁移率。所有决定p-Si电学特性的因素都可以通过p-Si成膜工艺来控制。,与a-Si相比，p-Si的载流子迁移率大2个数量级。p-Si TFT不仅用来驱动液晶像素，还可以用作内部的周边驱动电路。,p-si TFT制造工艺可分为高温工艺（HTPS）和低温工艺(LTPS )，若在制造过程中的最高温度超过600(通常达1000以上)，为高温工艺。相反，在600以下(含600)为低温工艺。,使a-Si薄膜中的硅粒在高温下再结晶，使晶粒长大
14、到微米以上量级，可得到多晶硅p-si 。,高温多晶硅,要求特殊的基片材料以防止在约1000 处理温度下熔化，通常采用昂贵的石英晶体，所以目前只应用于小于3英寸以下的显示设备中。,其制备方法有激光退火和熔区再结晶法。,低温多晶硅,制备过程：,CMOS反相器,CMOS反相器由两种不同沟道类型的MOS管组成。两个MOS管栅级连在一起作为输入端，漏极连在一起作为输出端。,反相器等效电路,有了反相器，再与n沟道TFT、p沟道TFT组合便可构成各种门电路。在TFT LCD周边电路中，主要使用移位寄存器和缓冲存储器。,4、单晶硅液晶显示(微型硅基液晶显示器LCOS）,LCOS是硅片上的液晶(liquid c
15、rystal on silicon)的英文缩写，也称为硅基液晶显示，是一种直接将液晶显示器件做到单晶硅基片上的液晶显示器件。,优点：,提高了TFTLCD像素的开口率；,由于非晶硅、多晶硅的电子迁移率低，场效应管有源器件占用面积大，而LCOS电子迁移率高，其面积可以做得很小，所以开口率可以很高，达96%以上。,提高了光的利用率；,实现显示多样化；,彩色化方便；,一般显示器件采用空间混色，而LCOS采用时间混色法。,外引线少，连接简单，整机安装方便。,显示器件中TFT的特性对比,三、液晶电视,1、电视图像显示对液晶显示屏提出的要求,显示屏必须具有大的像素容量；,必须采用背光源；,足够的响应速度；,
16、彩色化；,必须采用有源矩阵驱动；,大视角。,2、TFT矩阵寻址的液晶电视,TFT液晶屏的结构,TFT液晶电视框图,移位寄存器,水平移位寄存器和垂直移位寄存器在工作原理上相似，但频率响应不同。,水平移位寄存器,对于我国电视体制，一帧时间为40ms，设显示器件为1024768点阵，则每行扫描时间约为52s，脉冲频率约为20kHz。,工作频率是与每一个像素时间有关。一个像素又分为3个子像素，每个子像素为显示不同灰度级，又分为4段，则垂直移位寄存器的工作频率为250MHz。,垂直移位寄存器,3.9 液晶显示器的主要材料及制造工艺,液晶显示器的四大主要材料是液晶、ITO玻璃、偏振片和彩色滤色膜，其他材料还有取向材料、封接材料、衬垫料、金属引线等。,1、液晶（见课本166页）,一、液晶显示器的主要材料,2、液晶显示用平板玻璃,液晶显示对平板玻璃的要求,液晶显示玻璃板的生产技术,熔融拉伸法,浮法生产,熔融的玻璃从两
