TFT-LCD結(jié)構(gòu)及工作原理

文章出處：未知人氣：發(fā)表時間：2018-05-17

TFT-LCD即薄膜場效應晶體管LCD，是有源矩陣類型液晶顯示器(AM-LCD)中的一種。

TFT的顯示采用“背透式”照射方式——假想的光源路徑不是像TN液晶那樣從上至下，而是從下向上。這樣的作法是在液晶的背部設(shè)置特殊光管，光源照射時通過下偏光板向上透出。由于上下夾層的電極改成FET電極和共通電極，在FET電極導通時，液晶分子的表現(xiàn)也會發(fā)生改變，可以通過遮光和透光來達到顯示的目的，響應時間大大提高到80ms左右。因其具有比TN-LCD更高的對比度和更豐富的色彩，熒屏更新頻率也更快，故TFT俗稱“真彩”。

TFT-LCD的主要特點是為每個像素配置一個半導體開關(guān)器件。由于每個像素都可以通過點脈沖直接控制。因而每個節(jié)點都相對獨立，并可以進行連續(xù)控制。這樣的設(shè)計方法不僅提高了顯示屏的反應速度，同時也可以精確控制顯示灰度，這就是TFT色彩較DSTN更為逼真的原因。

目前，絕大部分筆記本廠商的產(chǎn)品都采用TFT-LCD。早期的TFT-LCD主要用于筆記本的制造。盡管在當時TFT相對于DSTN具有極大的優(yōu)勢，但是由于技術(shù)上的原因，TFT-LCD在響應時間、亮度及可視角度上與傳統(tǒng)的CRT顯示器還有很大的差距。加上極低的成品率導致其高昂的價格，使得桌面型的TFT-LCD成為遙不可及的尤物。

不過，隨著技術(shù)的不斷發(fā)展，良品率不斷提高，加上一些新技術(shù)的出現(xiàn)，使得TFT-LCD在響應時間、對比度、亮度、可視角度方面有了很大的進步，拉近了與傳統(tǒng)CRT顯示器的差距。如今，大多數(shù)主流LCD顯示器的響應時間都提高到50ms以下，這些都為LCD走向主流鋪平了道路。

LCD的應用市場應該說是潛力巨大。但就液晶面板生產(chǎn)能力而言，全世界的LCD主要集中在中國臺灣、韓國和日本三個主要生產(chǎn)基地。亞洲是LCD面板研發(fā)及生產(chǎn)制造的中心，而臺、日、韓三大產(chǎn)地的發(fā)展情況各有不同。

目前主流的TFT面板有a－Si(非晶硅薄膜晶體管)、TFT技術(shù)和LTPS TFT（低溫復晶硅）TFT技術(shù)。

在a-Si方面，三個生產(chǎn)基地的技術(shù)各有千秋。日本廠商曾經(jīng)研制出分辨率高達2560×2048的LCD產(chǎn)品。因此，有些人認為，a－Si TFT技術(shù)完全可滿足高分辨率的產(chǎn)品需要，但是，由于技術(shù)的不成熟，它還不能滿足高速視頻影像或動畫等的需要。LTPS TFT相對可以節(jié)約成本，這對于TFT LCD的推廣有著重要意義。目前，日本廠商已經(jīng)有量產(chǎn)12.1英寸LTPS TFT LCD的能力。而中國臺灣已開發(fā)完成LTPS組件制造技術(shù)與LTPS SXGA面板技術(shù)。韓國在這方面缺少專門的設(shè)計人員和研發(fā)專家，但像三星等主要企業(yè)已經(jīng)推出了LTPS產(chǎn)品，顯示出韓國廠商的實力。不過，目前LTPS技術(shù)尚不成熟，產(chǎn)品集中在小屏幕，而且良品率低，成本優(yōu)勢尚無從談起。

與LTPS相比，a-Si無疑是目前TFT LCD的主流。日本公司的a－SiTFT投資策略上幾乎都以第三代LCD產(chǎn)品為主，通過制造技術(shù)及良品率的改善來提高產(chǎn)量，降低成本。日本一直走高端路線，其技術(shù)無疑是最先進的。由于研發(fā)力量有限，臺灣的a-Si TFT技術(shù)主要來自日本廠商的轉(zhuǎn)讓，但由于臺灣企業(yè)一般屬于勞動密集型，技術(shù)含量價低，以生產(chǎn)低端產(chǎn)品為主。韓國在a-Si方面有著強大的研發(fā)實力，比如三星公司就量產(chǎn)了全球第一臺24寸a-Si TFT LCD—240T，它的響應時間小于25ms，可以滿足一般應用需要；而可視角度達到了160度，使得LCD在傳統(tǒng)弱項上不輸給CRT。三星240T標志著大屏幕TFT LCD技術(shù)走向成熟，也向世人展示了韓國廠商的實力不容置疑。

TFT型液晶顯示器結(jié)構(gòu)

通常的a-Si TFT主要由玻璃基板、柵電極、柵絕緣層、半導體活性層a-Si,歐姆接觸層n+a-Si、源漏電極及保護膜等組成，其中柵絕緣層和保護膜一般采用SiN。

a-Si TFT的結(jié)構(gòu)可分為四種典型結(jié)構(gòu):源、漏、柵三電極位于半導體活性層a-Si同一側(cè)的平面結(jié)構(gòu)，其中源、漏、柵三電極位于a-Si層上側(cè)的稱正柵平面結(jié)構(gòu)，源、漏、柵三電極位于a-Si層下側(cè)的稱倒柵平面結(jié)構(gòu);源、漏、電極與柵電極位于a-Si層兩側(cè)的交錯結(jié)構(gòu)，其中柵電極在a-Si層上側(cè)，源、漏電極在a-Si層下側(cè)的稱正柵交錯結(jié)構(gòu)或頂柵結(jié)構(gòu)，柵極在a-Si下側(cè)，源、漏電極在a-Si層上側(cè)的稱倒柵交錯結(jié)構(gòu)或底柵結(jié)構(gòu)。

從制造工藝上看，交錯結(jié)構(gòu)的SiN,a-Si和n+a-Si三層(或其中二層)可以連續(xù)淀積，適合流水作業(yè)，又可減少交叉污染?，F(xiàn)在，交錯結(jié)構(gòu)已成為主流，它不僅對a-Si,SiN.,n+a-Si可連續(xù)作業(yè)，而且倒柵還可以作遮光層(不需另設(shè)遮光層)，這對a-Si TFT是重要的，因為a-Si對光敏感，一旦有光流入引起漏電流增加，將會導致像質(zhì)惡化。

TFT型液晶顯示器的運作原理

從TFT-LCD的切面結(jié)構(gòu)圖（下圖）可以看到LCD是由二層玻璃基板夾住液晶組成的，形成一個平行板電容器，通過嵌入在下玻璃基板上的TFT對這個電容器和內(nèi)置的存儲電容充電，維持每幅圖像所需要的電壓直到下一幅畫面更新。液晶的彩色都是透明的必須給LCD襯以白色的背光板上才能將五顏六色表達出來，而要使白色的背光板有反射就需要在四周加上白色燈光。因此在TFT-LCD的底部都組合了燈具，如CCFL或LED。

TFT-LCD需要背光，由于LCD面板本身并不發(fā)光，因此需要背光，液晶顯示器就必須加上一個背光板,來提供一個高亮度，而且亮度分布均勻的光源。LCD實際上是打開來自其后面光源的光來表現(xiàn)其色彩的。目前的常用背光源是CCFL或LED。

TFT-LCD的市場分析

TFT-LCD是有源矩陣液晶顯示器(AM LCD)的典型代表，其研究最活躍、發(fā)展最快、應用增長也最迅速，在筆記本、攝像機與數(shù)字照相機監(jiān)視器等方面的應用獨領(lǐng)風騷，另外，它在地理信息系統(tǒng)以及飛機座艙、便攜式DVD、臺式和多媒體顯示器等方面都得到很好的應用。彩色TFT-LCD的構(gòu)思最初由美國人(西屋公司)于1972年提出、日本東芝公司在1982年率先實現(xiàn)這一技術(shù)的規(guī)模生產(chǎn)，但那時的生產(chǎn)技術(shù)還不成熟。自1993年日本掌握了TFT-LCD生產(chǎn)技術(shù)以來，分辨率已由CGA(320*200)發(fā)展到今天的UXGA(1600*1200),基片尺寸也已有第一代的240*270-32O*400mm2發(fā)展到2001年日本夏普、韓國三星電子和LG-Philips公司分別上馬的第七代的1350*1700 mm2。目前，TFT-LCD的應用主要在小尺寸的移動電話市場、中型尺寸的掌上與筆記本市場、大型尺寸的液晶顯示監(jiān)視器和液晶電視市場等五個方面。2005年TFT-LCD將被主要應用于顯示器(39%)、筆記本(25%)、(16%),液晶電視(10%),PDA(6%)五大領(lǐng)域，市場銷售金額將超過250億美元，占LCD市場比例超過90%，成為液晶乃至整個平板顯示技術(shù)領(lǐng)域的主導技術(shù)。

TFT-LCD技術(shù)的產(chǎn)業(yè)特點

資金密集，規(guī)模經(jīng)營:建立一條生產(chǎn)線投資在10億美元左右.技術(shù)密集:涉及到半導體技術(shù)、精密機械、精密光學、自動控制、大規(guī)模集成電路設(shè)計和制造技術(shù)、光電子、微電子、精細化工、光源、材料、通訊、計算機軟件等。

發(fā)展速度快，核心技術(shù)穩(wěn)定:TFT-LCD產(chǎn)業(yè)化十年來生產(chǎn)線經(jīng)歷了7次大的發(fā)展，平均1年半生產(chǎn)線就要更新一次。但是TFT-LCD的核心技術(shù)是相對穩(wěn)定的。

帶動的產(chǎn)業(yè)面廣，對國民經(jīng)濟具有全局意義:上游原料、生產(chǎn)設(shè)備、生產(chǎn)技術(shù)涉及到現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)的幾十個領(lǐng)域。新材料的開發(fā)、大規(guī)模生產(chǎn)設(shè)備的制造、先進生產(chǎn)技術(shù)的應用，將帶動上游產(chǎn)業(yè)群。TFT-LCD模塊是信息產(chǎn)業(yè)的核心器件，涉及到通訊、交通、家電、計算機、教育、工業(yè)、醫(yī)療、國防等幾乎所有的領(lǐng)域。

a-Si TFT-LCD技術(shù)的研究現(xiàn)狀

分辨率:TFT-LCD的分辨率在近幾年中經(jīng)由CGA(320*2 00),VGA(640*4 80),SVGA(1280*1024)。XGA(1024*768).SXGA(1280*1024)發(fā)展到目前的UXGA(1600*1200)、QXGA(2560*2048)的水平。

對比度:美國P.P.Muhoray等人推出了波導基LCD技術(shù)，并利用這種技術(shù)實現(xiàn)了174:1的高對比度，而現(xiàn)在的TFT-LCD對比度最高可達到500:1。

視角:由于液晶材料是各向異性的，其分子排列的取向及在電場作用下的重新排列取得均勻影響LCD器件視角的拓寬，這就造成了LCD器件視角上的缺點，現(xiàn)已提出多種寬視角技術(shù)，如同平面切換模式、相對稱微單元模式、疇垂直模式等，視角可達到170度。

響應速度:當幀頻為60%時，幀周期約為16ms,采用TN型LCD的普通TFT-LCD器件的響應時間可低于20ms。最近推出了一種利用彈性連續(xù)聚合物穩(wěn)定化的平面開關(guān)方法，可使響應時間縮短到10ms，采用光學補償帶可將響應時間縮短到2～3ms，目前已用本技術(shù)研制出響應時間為8ms的彩色LCD電視機。

壽命:由于制造技術(shù)的發(fā)展，TFT-LCD的壽命可達到3萬小時以上。

大屏幕和反射式己出現(xiàn):已研制成功38in的TFT-LCTV,結(jié)束了大屏幕LC的拼接時代，反射式TFT-LCD彩色顯示器也開始商品化。

由于TFT制作技術(shù)的發(fā)展、液晶材料性能的改善、寬視角技術(shù)的采用、響應速度的提高和成品率的提高，TFT-LCD顯示性能已并不亞于CRT。

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