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1、吴为敬 博士 华南理工大学 新型显示技术研究院 Tel:13826408526,TFT LCD 简介,参考资料,戴亚翔著 TFT LCD面板的驱动与设计 清华大学出版社 2008 C.R.Kagan R.Andry 编 薄膜晶体管(TFT)及其在平板显示中的应用 电子工业出版社 2008 谷至华 薄膜晶体管(TFT)阵列制造技术 复旦大学出版社 2007,引言： 玻璃在平板显示中应用,玻璃基板作为任何显示器都是利用其透明性，用于显示屏的前板，即用于在外部读取图像等。 液晶显示器中的玻璃基板分上基板(彩色滤光片基板)和下基板(TFT阵列基板)，这两块玻璃基板之间注入液晶材料而实现液晶显示。,LC
2、D工作原理,TFT LCD 的切面结构图,各种显示器用玻璃基板的种类与特征,显示器用玻璃基板的特性比较,LCD显示器用玻璃基板的特性要求,高透光性 玻璃基板的表面、内部无缺陷 玻璃基板厚度均匀、表面平坦 具有优良的化学稳定性 热膨胀系数要小 洁净度高，严格控制微小附着物,如果玻璃的厚度不均、表面有波纹、内部有缺陷，会使透过的图像变形。,TFT-LCD用玻璃基板的特殊要求,TFT-LCD用玻璃基板的特殊要求是采用无碱玻璃。 回顾MOS(Metal-Oxide-Semiconductor)电容理论,氧化层中的碱金属离子(比如Na+离子)将在电场的作用下移动。 正电压将可动离子推向界面，负电压则将他
3、们拉向栅极方向。 离子漂移后，改变了氧化层中的电荷分布，从而引起TFT LCD的阈值电压漂移，影响显示效果。,绝缘层中的电荷,显示用玻璃基板的历史变迁,图：金属框中为第8代玻璃底板,纲要,1.1 了解显示器 1.2 了解液晶及液晶显示器 1.3 了解薄膜晶体管(TFT) 1.4 了解TFT LCD 1.5 电容再认识 1.6 半导体工艺之光刻工艺 1.7 TFT LCD 制程,1.1 了解显示器,1.1.1 像素 1.1.2 对比度 1.1.3 灰阶 1.1.4 颜色,1.1.1 像素,一个画面由像素组合而成，基本上，每个像素大小和形状是完全一样的。 像素的精致程度是显示器的第一项重要特征，它
4、与观察距离、画面尺寸、像素大小和像素数目有关。,PPI 概念,一般像素是 正方形，像素节距即为正方形的边长 PPI(Pixel per inch) :每英寸的像素数目。 边长0.264mm的像素为例 ppi=1in/0.264mm=25.4mm/0.264mm=96.2 问题： 像素节距？ 问题：ppi=100的SXGA（12801024）显示器,计算画面对角线尺寸？ 16.4吋 416mm 问题：12.4英寸XGA(1024768)的像素大小与ppi? 0.246 103PPI,开口率计算,1.1.2 对比度,一个显示画面的内容，只有由像素与像素之间的区别来表现，才能显示出来。 这个差别，可
5、以用最亮情况的亮度与最暗情况的亮度之比作为量化指标，即为对比度。,1.1.3 灰阶,为了重现我们所看到的自然影像，需要显示出不同的明暗程度，此即为灰阶。 为配合数字量化，一般灰阶的数目表示为2N(N为整数)。N=8,即为256灰阶。,Number of Colors,灰阶的分级方法,以亚像素(sub-pixel)分级灰阶(面积灰阶) 以像素发光的时间比例分级灰阶(时间灰阶) 以像素发光强度分级灰阶 在TFT LCD 中，就是采用这种方法来设定灰阶，应用的是液晶的电压投射率关系，只要精确控制写入液晶像素的电压，即可控制投射率以实现所需要的灰阶。,1.1.4 颜色,颜色是一种感知 人眼的细胞对光有
6、三种与波长有关的反应，其灵敏度较高的波长分布对于R G B 三颜色。 多波长光源颜色的非唯一性 当不同波长以不同能量组合而成时，只要对人眼细胞造成相同的反应，人脑变认为颜色相同。 颜色的加成性,色度学坐标系统(Y,x,y),色度学坐标系统(Y,x,y) Y 表示亮度 x,y 表示色度(chrominace),显然(Y,x,y)可以换算成(X Y Z)系统，问换算关系式？,答案,颜色加成（扫描）,有红绿蓝三个光源，其色度学坐标R(Yr,xr,yr)、 G(Yg,xg,yg)、和B(Yb,xb,yb)，则由其组合的新的颜色对应的XYZ值为：,问题：现有R,G,B三个 光源，其色坐标 R(Yr,xr
7、,yr)=(1,0.67,0.33) G(Yg,xg,yg)=(0,0.21,0.71) B(Yb,xb,yb)=(1,0.14,0.08) 请计算所对应的(x,y)值， 说明其对应的颜色。,以显示器表现颜色,目前的显示技术，三原色额色度(x,y)在制造时便是固定的，而是以控制三原色的亮度Y，来组合表现出各种颜色(Y,x,y)来。 在此又可区分为： a. 亚像素 空间上划分为R ,G,B三像素。 b.色序法 时间上依次划分为R ,G,B三像素。,色序法,显示规格,1.2了解液晶及液晶显示器,1.2.1 光阀的概念 1.2.2 如何利用LCD制成光阀 1.2.3 如何控制液晶光阀 1.2.4 液
8、晶电容,1.2.1 光阀的概念,液晶本身不发光。 TFT LCD属于非发光型显示 大部分TFT LCD 为穿透型显示。 TFT LCD这种光阀不仅有开、关两种状态，还可以通过控制施加电压控制光阀的开关程度实现灰阶。,1.2.2 如何利用LCD制成光阀,液晶光阀的例子,其中 A 为电场振幅。,分析,1.2.3 如何控制液晶光阀,电场控制液晶分子的排列,电场控制液晶分子的排列,当力矩不平衡时，若其净力矩可以克服液晶本身的弹性，则可使液晶分子朝力矩大的方向转动。 对于一般的液晶材料，液晶分子长轴的介电系数/比短轴的介电系数大(称为正型液晶)，使得液晶分子的长轴向电场方向扭转。,电压透射率曲线,1.2
9、.4 液晶电容,等效介电常数,等效介电系数与液晶分子长轴与平行电极的夹角的关系,等效介电系数与液晶分子长轴与平行电极的夹角的关系,液晶电容的计算,TN 型液晶的典型电容/透射率-电压关系,1.3 了解薄膜晶体管(TFT),1.3.1 TFT 结构及原理 1.3.2 TFT 电流电压特性,1.3.1 TFT 结构及原理,Inverted Staggered Structure of a-Si TFT,1.3.2 TFT 电流电压特性,1.4 了解TFT LCD,1.4.1 TFT LCD 架构 1.4.2 彩色 TFT LCD的亚像素 1.4.3 TFT LCD 的比喻,1.4.1 TFT LC
10、D 架构,TFT LCD 驱动系统概述,概述,时序控制电路(Timing Controller) 控制整个显示器动作的时序的中心，配合每个帧显示的时机，设定水平扫描启动，并将由界面输入的视频信号转换成数据驱动电路所用的数据信号形式传送到数据驱动器的寄存器中，并配合水平扫描，控制数据线驱动的适当时间。 扫描驱动电路(Scan Driver) 接受时序控制电路的控制，循序地对特定的扫描线输出适当的开电压或关电压以驱动TFT LCD的扫描线。 数据驱动电路(Data Driver) 接受时序控制电路的控制，将高频输入的数字视频信号储存在寄存器中，配合特定的扫描线开启，将数字视频信号转换成要输出至像素
11、电极的电压，以驱动TFT LCD的数据线。,共电极参考电压源 共电极电压一般而言是直流电压，有时也可能作电压调变。由于电压值的设定会与面板特性有关，因此，在系统中独立设计成一个可调整参考电压的电压源。 电压源转换电路 TFT LCD各功能区块电压范围不同，需要提供不同电压值的电压源，因此，要将系统上供给单一电压的电源利用直流/直流电压转换，产生所需的电压源。 校正参考电压 留待后续说明。,习题,SXGA(1280*1024)显示器,假设帧频为60Hz,试计算可分配的最大行扫描时间。,TFT LCD 的像素单元,1.4.2 彩色 TFT LCD的亚像素(SubPixel),TFT LCD 的比喻
12、,开口率计算,1.5 电容再认识,请大家畅所欲言对电容的认识。 请大家畅所欲言电容概念在TFT LCD 中的应用。,线性电容元件,1、定义：库伏特性为q-u平面一条过原点直线的二端元件。,2、表示：,+ q(t) -,电容特性,但电容两端施加有恒定不变的直流电压时，i=0, 电容表现为开路。,当施加的电压是随时间而变化的,i0, 电容会有电流“流过”。这不是电荷穿过电容，而是电容集聚的电荷涨落造成的，与通常在导体中的传导电流不同。,由电荷：,得电流：,电容吸收的瞬时功率：,电容存储的能量：,P(t)0,吸收功率；P(t)0,提供功率。,通常初始无储能，则：,电容的主要特性是在充电后，能够存储电
13、荷。 实际电容的模型是由电阻（ ESR） 、电容和电感(ESL)组成。由于交流电流流经电容，有功功率消耗在ESR上，从而引起电容温度升高。 有极性电容包含了一个寄生的实际存在的二极管，在电容极性接反时允许电流流过。,电容等效电路,问题：请计算t=0之后电路发生了什么？,1.6 半导体工艺之光刻工艺,光刻：用光刻蚀。 光刻是一种图形转移工艺。 光刻步骤是半导体工艺不可或缺的一步。,平面加工工艺（光刻）的发明,Si(硅)衬底上真正的集成电路,1959年，Fairchild公司的Noyce将光刻技术和SiO2巧妙的结合起来，在Si衬底上制备真正的集成电路。 由此导致平面工艺的诞生。,1957年，美国
14、DOF实验室首先将光刻技术引入到半导体技术中。,光刻流程示意,光刻胶(抗蚀剂，光阻),正胶： 光刻胶在原始状态下不会被显影剂溶解，只有被曝光后才会被溶解。 负胶：被曝光的区域不溶解于显影剂中，而未 曝光的区域会被显影剂溶解。,光学图形曝光的图案转移步骤示意,涂胶 曝光 显影 刻蚀 去胶,涂胶,掩模板(Mask),利用一块带有图形的玻璃板，透过这块玻璃板投射一束光到基板表面，就在基板的表面形成了图形的阴影，玻璃板上的这些图形对应了要在工艺加工中保护的区域。 上述的这块玻璃板就是掩模板(Mask)。 掩模板上的图形通常用铬制作，这些铬层将阻挡光线通过。 画版图时，画的每一层图形都对应了一块掩模板。
15、,光刻机,图形的转移是利用图形曝光设备完成的，该图形曝光设备就是光刻机。 光刻机有三个参数： 分辨率：能精确转移到基板表面抗蚀剂膜上图 案的最小尺寸。 套准精度：后续掩模板与先前掩模板刻在基板上的图形相互对准程度。 产率：对一给定的掩模板，每小时能曝光完成的数量。 光刻机大部分属于遮蔽式曝光，又可分为： 接触式曝光：掩模板与基板直接接触 接近式曝光：掩模板与基板紧密相邻,遮蔽式曝光技术示意,1.7 TFT LCD 制程,TFT Array 制程 CF 基板制程 LCD制程 LCM制程,TFT Array 制程,CF BM 制造流程,CF-RGB 制造流程,CF-ITO 制造流程,TFT LCD 结构图,LCD 段制造流程,LCM 制造流程,The End,
