光电显示技术3.8 有源矩阵液晶显示器件

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：①工作电压的裕度α随N的增加而迅速下降。②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MOSFETTFTCdSeTea-Sip-Si二端有源MIMMSM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604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/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γ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ιLC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(normalline)，另一条是反向行(reverseline)。（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-Vs2、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①首先在基片玻璃上反应溅射生长一层Ta2O5；MIM的结构与工艺②然后在掺氮的氖气氛中溅射厚度约为200nm的Ta层；③将Ta层光刻成“T”字形，作为扫描母线；④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。⑤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；⑥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<<CLC

，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ΔV，导致VLC有效值降低，希望ΔV尽可能小。为了使MIM液晶屏上获得高的图像质量，MIM须满足：①MIM电容比液晶电容要小得多；②MIM的电压电流特性上导通电流和断开电流之比要足够大；③MIM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1.2～1.4下降到1.06，从而达到240扫描行都无交叉效应。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。VDSiD++--++--++++----VGS反型层①VGS=0V，iD≈0。②0<VGS<VT，在P型衬底表面形成一层耗尽层，但负离子不能导电。④VGS>VT，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。③VGS＝VT，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－D间的漏电流受栅电压控制。在VG≤VT情况下(VT为栅阈值电压)，VD作用下的漏电流IOFF为在VG＞VT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，μFE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。⑴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。⑵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AM－LCD方式优点：⑴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。⑵具有电压保持的准静态驱动功能，可实现高亮度显示。⑶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。⑷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，amorphoussilicon）

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：①载流子迁移率小；②载流子浓度低。a-siTFT的优点：①漏电流IOFF很小；②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。⑴a-Si的结构和工艺Si3N4①先光刻好透明电极ITO的图形；②蒸Cr，并光刻出Cr条，作为栅电极G；③沉积绝缘层的Si3N4，厚度约为0.25μm。④沉积有源层a-Si:H，厚度约为0.2μm

，并将不需要的a-Si:H部分刻蚀掉。⑤沉积n＋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n＋a-Si:H

。⑥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；⑦蒸镀铝层，并光刻出源、漏电极。⑵a-SiTFT转移特性a-SiTFT的输出持性a-SiTFT的转移持性⑶对TFT的要求：①较高的开关比，一般大于105；②a-Si的驱动电压小于15V；③TFT在帧反转驱动下其输出特性要相同；④TFT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:HTFT的响应时间为：⑤合适的导电沟道宽长比W/L。

3、p-SiTFT（polycrystalsilicon）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-SiTFT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-siTFT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，可得到多晶硅p-si。⑴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。⑵低温多晶硅制备过程：Si膜形成Si膜晶化杂质活化⑶CMOS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TFTLCD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(liquidcrystalonsilicon)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：⑴提高了TFT－LCD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。⑵提高了光的利用率；⑶实现显示多样化；⑷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。⑸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1V1.2V0.7V载流子迁移率0.5～1＞100＞250工作电压15～25V5～15V3.5V设计规则5μm1.5μm0.25μm光刻数目4～55～922～24栅氧化层厚度300nm80～150nm7.8nm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①显示屏必须具有大的像素容量；②必须采用背光源；③足够的响应速度；④彩色化；⑤必须采用有源矩阵驱动；⑥大视角。2、TFT矩阵寻址的液晶电视⑴TFT液晶屏的结构PolarizerfilmTFTSealantAnisotropicconductorfilmTABConnectionControlICPrintedcircuitboardDriverLSILightdiffuserSpacerWaveguideplatePrismsheetReflectorEdgelightPolarizerDisplayelectrodeCapacitorLiquidcrystalAlignmentfilmCommonelectrodeProtectivefilmColorfilterBlackmatrixGlasssubstrate⑵TFT液晶电视框图⑶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。①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1024×768点阵，则每行扫描时间约为52μs，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。②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⑴液晶显示对平板玻璃的要求⑵液晶显示玻璃板的生产技术①熔融拉伸法②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。新华网西安10月20日电,记者从中国最大的显示器件制造企业——彩虹集团了解到，由彩虹集团建设的中国第一条液晶玻璃基板生产线日前全线贯通，生产出了中国第一块第五代液晶玻璃基板，实现了中国液晶玻璃基板产业零的突破。此条生产线的建成投产，打破了国外企业对这一产品的垄断局面，结束了中国液晶玻璃基板依赖进口的历史，标志着中国显示器件产业正在由传统产品向新型高端显示领域寻求突破。3、透明导电玻璃在普通玻璃的一个表面镀有透明导电膜ITO的玻璃。一般的玻璃材料为钠钙玻璃，玻璃衬底与ITO层之间要求有一层SiO2阻挡层，以阻挡玻璃中的钠离子渗透。

ITO(氧化铟锡)的成分是In2O3和SnO2，ITO膜是在In2O3的晶核中掺入高价Sn的阳离子，掺杂的