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1、3.83.8 有源矩阵液晶显示器件 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。 有源矩阵 三端有源 单晶硅 MOSFET TFT CdSe Te a-Si p-Si 二端有源 MIM MSM 二极管环 背对背二极管 ZnO变阻器 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 60 40 20 0.0
2、2 0.04 00.40.8 2550 iD / mA uD / V 硅管的伏安特性二极管寻址 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
3、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
4、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
5、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： 若CMIN 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SD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
6、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 。
7、 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
8、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 面：载流子迁移率小；载流子浓度低。 a-siTFT的优点： 漏电流IOFF
9、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 Si3N4 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0.2m ，并将不需要的a -Si:H部分刻蚀掉。 沉积n
10、a-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（poly crystal silico
11、n）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，使晶粒长大到 微米以上量级
12、，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： Si膜形成Si膜晶化杂质活化 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） L
13、COS是硅片上的液晶(liquid crystal 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。 非晶硅TFT低温多晶硅TFTMOSFET 晶格结构短程有序 掺氢 晶粒间界完整的晶格 阈值电压1V1.
14、2V0.7V 载流子迁 移率 0.51100250 工作电压1525V515V3.5V 设计规则5m1.5m0.25m 光刻数目45592224 栅氧化层 厚度 300nm80150nm7.8nm 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； 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 Polarizer film TFT Sealant Anisotropic conductor film TAB Connection Control IC
15、Printed circuit board Driver LSI Light diffuser Spacer Waveguide plate Prism sheet Reflector Edge light Polarizer Display electrode Capacitor Liquid crystal Alignment film Common electrode Protective film Color filter Black matrix Glass substrate 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
16、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 熔融的玻璃从两个高温管之间由于重力的作用流出， 形成一定厚度的均匀玻璃板。 玻璃料连续地从熔化炉中流到熔化的锡槽内，玻璃在 锡上慢慢冷却，取出并退火。 钠成份、尺寸、表面平整度、应力及抗蚀性。
