光電顯示技術(shù)3.8有源矩陣液晶顯示器件

1、普通矩陣液晶顯示器件存在兩個嚴重問題：工作電壓的裕度隨N的增加而迅速下降。當N增加時，顯示器件工作的占空比也隨之下降，需提高驅(qū)動電壓，同時要求背光源更亮。希望設計一個非線性的有源器件，使每個像素可以獨立驅(qū)動來克服交叉效應；如果該非線性有源器件還具有存儲性，還可以解決由于占空比變小所帶來的問題。有源矩陣三端有源單晶硅MOSFETTFTCdSeTea-Sip-Si二端有源MIMMSM二極管環(huán)背對背二極管ZnO變阻器有源器件分類一、二端有源器件一、二端有源器件 1、二極管尋址矩陣液晶顯示604020 0.02 0.0400.40.82550iD / mAuD / V硅管的伏安特性硅管的伏安特性二極管

2、尋址MIM結(jié)構(gòu)二極管環(huán)Lechner結(jié)構(gòu)設二極管正向?qū)妷簽閂b，二極管正向?qū)ǎ幱陲@示狀態(tài)的像素所在的行和列間的電壓為：90onbVVV二極管反向截止，處于非顯示狀態(tài)的像素所在的行和列間的電壓為：10offbVVV液晶顯示器件的電光待性曲線的陡度可表示為：9010101onboffbbVVVVVVVVV 被選擇的像素充電后，當尋址信號移去，像素上電荷只有靠自身的漏電才能泄放掉，所需時間LC應小于Tf(幀周期)，否則影響器件的響應。掃描脈沖由正的置位(即充電)脈沖和負的復位(即放電)脈沖組成。二極管環(huán)要充分利用存儲特性需采用雙閾值元件尋址，即對每個像素串聯(lián)上一對反向并聯(lián)的二極管組。一個二極

3、管的正向壓降是不大的，多個二極管串聯(lián)，可將閾值增為nVb，但不易實施，或使開口率下降。如果用PIN二極管代替，就可大大提高Vb數(shù)值。開口率是指除去每一個像素的配線部、晶體管部（通常采用黑色矩陣隱藏）后的光線通過部分的面積和每一個像素整體的面積之間的比例。 開口率越高，光線通過的效率越高。 放大鏡下的液晶屏lechner二極管矩陣Lechner二極管二端有源方式該矩陣的每像素有兩條行掃描電極，一條為正向行(normal line)，另一條是反向行(reverse line)。（1）正向幀掃描到的行：Li加+Vs ， Ri加比+Vs 高的電壓+Vk掃描過的各行Lj上保持0，Rj保持原先的高電平直到

4、一幀結(jié)束。（2）反向幀掃描到的行：Li加-Vk ， Ri加-Vs2、金屬一絕緣體一金屬金屬一絕緣體一金屬( (MIM) )尋址矩陣液晶顯示尋址矩陣液晶顯示將陽極氧化制備的Ta2O5層夾在兩層金屬膜之間，構(gòu)成MIM結(jié)構(gòu)，導體膜間的電壓電流呈非線性，利用這種非線性進行液晶像素的導通、斷開方式稱為MIM有源矩陣。MIM屏等效電路MIM伏安特性MIM屏剖面圖MIM元件剖面圖首先在基片玻璃上反應濺射生長一層Ta2O5；MIM的結(jié)構(gòu)與工藝然后在摻氮的氖氣氛中濺射厚度約為200nm的Ta層；將Ta層光刻成“T”字形，作為掃描母線；將基片放在0.1的檸檬酸溶液中對Ta進行陽極氧化，形成Ta2O5。再沉積上一層

5、Cr，并光刻，于是在“T”豎條處的Ta2O5形成一層較厚的橋狀金屬接觸；最后用反應濺射方法淀積一層ITO膜，并光刻成方形像素電極。像素電極與上一步工藝中形成的Cr電極是相連的。()LCMIMpdLCMIMCVVVCC等效電路如圖，加在選擇像素上的脈沖電壓由電容分配，加在非線性元件上的電壓VMIM為：若CMINCLC ，則電壓幾乎都加在MIM上，使MIM變成具有低電阻導通態(tài)，與顯示數(shù)據(jù)對應的電荷寫入液晶像素。在掃描選通TON末尾，即選擇脈沖下降的時候，加在液晶像素上的充電電壓VLC由于受CLC和CMIM電容耦合的影響，而減小V，導致VLC有效值降低，希望V盡可能小。()MINpdLCMIMCVV

6、VCC為了使MIM液晶屏上獲得高的圖像質(zhì)量，MIM須滿足：MIM電容比液晶電容要小得多；MIM的電壓電流特性上導通電流和斷開電流之比要足夠大；MIM的電壓電流特性在正壓一側(cè)和負電壓一側(cè)要對稱。MIM與液晶像素串聯(lián)后，表現(xiàn)在電光特性曲線上是使曲線右移10余伏，使陡度從1.21.4下降到1.06，從而達到240掃描行都無交叉效應。通常每一個液晶像素上制備兩個MIM二極管。3、ZnO變阻器尋址矩陣液晶顯示將ZnO粉末與少量其他金屬氧化物，例如CoO或Sb2O3混合燒結(jié)，即形成金屬氧化物變阻材料，若加上外電場，它具有很強的非線性伏安特性，與背一背二極管的伏安特性類似。缺點是整個液晶屏是制作在較厚的Zn

7、O襯底上，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陣的只有MIM這一種，主要由于工藝簡單，投資最少，目前仍在應用。二、三端有源器件1、三端有源矩陣液晶顯示器件工作原理在下基扳上光刻出行掃描線和列尋址線，構(gòu)成一個矩陣，在其交點上制作出TFT有源器件和像素電極，同一行中與各像素串聯(lián)的場效應管的柵極（G）是連在一起的，故行電極也稱柵極母線。而信號電極Y將同一列中各FET的漏極（D）連在一起，故列電極也稱漏極母線。而TFT的源極（S）則與液晶的像素電極相連。VDSiD+ +- -+-+- - -VGS反型層反型層VGS=0V，iD0。0 VGS VT，溝道加厚，溝道電阻減少，在相同V

8、DS的作用下，iD將進一步增加。VGSVT，在P型襯底表面形成一層電子層，形成n型導電溝道，在VDS的作用下形成iD。另一方面,漏源電壓VDS對漏極電流ID的控制作用(UGS UT)：場效應晶體管的開關(guān)原理：令源（S）電極電位為0，源（S）一漏（D）間電壓為VD，根據(jù)場效應晶體管理論SD間的漏電流受柵電壓控制。在VGVT情況下(VT為柵閾值電壓) ，VD作用下的漏電流IOFF為siOFFBmiDWIdVLsiBmiWLd， ，分別為半導體層的寬度、長度、體電導率和厚度。1si()OFFBmiLRdW在VGVT的情況下，由VG的縱向電場作用，在半導體層的表層將有感應電荷積累，形成表面層導電溝道(

9、VG為正時，為n溝道)，此時，VD作用下的漏電流ION由漸次溝道近似得：()2DONFErDGTVWIC V VVL1()2DONFErGTVLRC VVW式中，F(xiàn)E為載流子的遷移率；Cr為柵絕緣膜的單位面積電容。RON是VG的函數(shù)。選擇合適的功能材料可使ION/IOFF達105一107，即具有很高的開關(guān)比，場效應晶體管是AM方式中比較理想的開關(guān)元件。設FET導通時漏源間的電阻為Ron，關(guān)斷（開路）時漏源間電阻為Roff，導通時像素電容充電，充電時間TH，關(guān)斷時像素電容放電，放電時間TF，4.6HonLCTR C0.051FoffLCTR C611PAL64201,1.6 104 10HFLC

10、onoffTsTmsCpFRR 對于制式，設則：，即FET的通斷比一般應在5個數(shù)量級以上。考慮到溫度增加時Roff會下降，這個比值應擴大到7個數(shù)量級以上。掃描到某一行時，掃描脈沖使該行上的FET導通，同時各列將信號施加到液晶像素上，且對并聯(lián)的電容器充電。掃描過后，各FET處于開路狀態(tài)，不管列信號如何變化，對未掃描行上的像素無影響，信號電壓可在液晶像素上保持接近一幀時間，直到下一幀掃描到來之前，使占空比達100%，而與掃描行數(shù)N無關(guān)。工作過程：這種驅(qū)動方式又稱為準靜態(tài)驅(qū)動。三端AMLCD方式優(yōu)點：每個像素在自身選擇時間以外，不受其他行選擇信號的影響，解決了行間串擾問題，實現(xiàn)了高清晰度顯示。具有電

11、壓保持的準靜態(tài)驅(qū)動功能，可實現(xiàn)高亮度顯示。準靜態(tài)驅(qū)動對液晶響應速度的要求放寬，同時，由于電壓保持特性提高了液晶驅(qū)動電壓的有效值，因而也提高了液晶的響應速度。同列上各像素就可以獨立設定信號電壓，因而容易實現(xiàn)采用電調(diào)方式的灰度顯示。a-Si是一種利用表面效應的絕緣柵場效應晶體管，它通常由不摻雜或均勻輕摻雜的高阻半導體a-Si與其一側(cè)表面相接觸的絕緣層組成，有三個電極：源極和漏極，柵極。2、非晶半導體場效應器件（a-Si，amorphous silicon）a-Si中電子遷移率比空穴遷移率高一個數(shù)量級，故總是工作于柵極加正電壓。形成n溝道的電子導電情況下。a-si:H的導電性與c-Si有很大差別。主

12、要表現(xiàn)在兩個方面：載流子遷移率??；載流子濃度低。a-siTFT的優(yōu)點：漏電流IOFF很??；其制備溫度低(3000C左右)，可用玻璃作基板，并具有大面積均勻性，易實現(xiàn)大面積彩色顯示。缺點：ION較小，為提高ION ，使a-siTFT尺寸加大，這將減小LCD的開口率。將漏、源電極直接作在a-Si:H有源層上，不可能保證完好的歐姆接觸。在鋁電極和有源層之間夾一層重摻磷的n型a-Si:H層，就可保證電極與有源層之間的歐姆接觸。a-Si的結(jié)構(gòu)和工藝Si3N4先光刻好透明電極ITO的圖形；蒸Cr ，并光刻出Cr條，作為柵電極G；沉積絕緣層的Si3N4，厚度約為0.25m。沉積有源層a-Si:H，厚度約為0

13、.2m ，并將不需要的a-Si:H部分刻蝕掉。沉積na-Si:H，并將不要的部分刻蝕掉，只在FET位置上源、漏極處留下na-Si:H 。在Si3N4層上刻出接觸窗口A，在下一工序中使ITO層與漏極電極D相連；蒸鍍鋁層，并光刻出源、漏電極。a-SiTFT轉(zhuǎn)移特性a-SiTFT的輸出持性a-SiTFT的轉(zhuǎn)移持性對TFT的要求：較高的開關(guān)比，一般大于105；a-Si的驅(qū)動電壓小于15V；TFT在幀反轉(zhuǎn)驅(qū)動下其輸出特性要相同；TFT的開關(guān)速度必須能滿足圖像顯示的要求，即從斷態(tài)到通態(tài)的電流上升要陡。a-Si:H TFT的響應時間為：2nGLtV（飽和區(qū)）2()nGDLtVV（線性區(qū)）合適的導電溝道寬長比

14、W/L。 3、p-Si TFT（poly crystal silicon）方式p-Si的電學特性取決于晶粒大小、雜質(zhì)濃度和晶界局域態(tài)密度。其中晶粒尺寸是p-Si的特征因子，影響晶界特性，決定載流子遷移率。所有決定p-Si電學特性的因素都可以通過p-Si成膜工藝來控制。與a-Si相比，p-Si的載流子遷移率大2個數(shù)量級。p-Si TFT不僅用來驅(qū)動液晶像素，還可以用作內(nèi)部的周邊驅(qū)動電路。p-si TFT制造工藝可分為高溫工藝（HTPS）和低溫工藝(LTPS )，若在制造過程中的最高溫度超過600(通常達1000以上)，為高溫工藝。相反，在600以下(含600)為低溫工藝。使a-Si薄膜中的硅粒在

15、高溫下再結(jié)晶，使晶粒長大到微米以上量級，可得到多晶硅p-si 。高溫多晶硅要求特殊的基片材料以防止在約1000 處理溫度下熔化，通常采用昂貴的石英晶體，所以目前只應用于小于3英寸以下的顯示設備中。其制備方法有激光退火和熔區(qū)再結(jié)晶法。低溫多晶硅制備過程：Si膜形成Si膜晶化雜質(zhì)活化CMOS反相器CMOS反相器由兩種不同溝道類型的MOS管組成。兩個MOS管柵級連在一起作為輸入端，漏極連在一起作為輸出端。反相器等效電路有了反相器，再與n溝道TFT、p溝道TFT組合便可構(gòu)成各種門電路。在TFT LCD周邊電路中，主要使用移位寄存器和緩沖存儲器。4、單晶硅液晶顯示(微型硅基液晶顯示器LCOS）LCOS是

16、硅片上的液晶(liquid crystal on silicon)的英文縮寫，也稱為硅基液晶顯示，是一種直接將液晶顯示器件做到單晶硅基片上的液晶顯示器件。優(yōu)點：提高了TFTLCD像素的開口率；由于非晶硅、多晶硅的電子遷移率低，場效應管有源器件占用面積大，而LCOS電子遷移率高，其面積可以做得很小，所以開口率可以很高，達96%以上。提高了光的利用率；實現(xiàn)顯示多樣化；彩色化方便；一般顯示器件采用空間混色，而LCOS采用時間混色法。外引線少，連接簡單，整機安裝方便。非晶硅TFT低溫多晶硅TFTMOSFET晶格結(jié)構(gòu)短程有序摻氫晶粒間界完整的晶格閾值電壓1V1.2V0.7V載流子遷移率0.5110025

17、0工作電壓1525V515V3.5V設計規(guī)則5m1.5m0.25m光刻數(shù)目45592224柵氧化層厚度300nm80150nm7.8nm顯示器件中TFT的特性對比三、液晶電視三、液晶電視1、電視圖像顯示對液晶顯示屏提出的要求顯示屏必須具有大的像素容量；必須采用背光源；足夠的響應速度；彩色化；必須采用有源矩陣驅(qū)動；大視角。2、TFT矩陣尋址的液晶電視TFT液晶屏的結(jié)構(gòu)Polarizer filmTFTSealantAnisotropicconductorfilmTABConnectionControl ICPrintedcircuit boardDriver LSILight diffuser

18、SpacerWaveguideplatePrismsheetReflectorEdge lightPolarizerDisplayelectrodeCapacitorLiquid crystalAlignment filmCommonelectrodeProtective filmColor filterBlack matrixGlass substrateTFT液晶電視框圖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，但頻率響應不同。水平移位寄存器對于我國電視體制，一幀時間為40ms，設顯示器件為1024768點陣，則每行掃描時間約為52s，脈沖頻率約為20kHz。工作頻率是與每

19、一個像素時間有關(guān)。一個像素又分為3個子像素，每個子像素為顯示不同灰度級，又分為4段，則垂直移位寄存器的工作頻率為250MHz。垂直移位寄存器3.9液晶顯示器的主要材料及制造工藝液晶顯示器的主要材料及制造工藝液晶顯示器的四大主要材料是液晶、ITO玻璃、偏振片和彩色濾色膜，其他材料還有取向材料、封接材料、襯墊料、金屬引線等。1、液晶（見課本166頁）一、液晶顯示器的主要材料一、液晶顯示器的主要材料2、液晶顯示用平板玻璃液晶顯示對平板玻璃的要求液晶顯示玻璃板的生產(chǎn)技術(shù)熔融拉伸法浮法生產(chǎn)熔融的玻璃從兩個高溫管之間由于重力的作用流出，形成一定厚度的均勻玻璃板。玻璃料連續(xù)地從熔化爐中流到熔化的錫槽內(nèi)，玻璃

20、在錫上慢慢冷卻，取出并退火。鈉成份、尺寸、表面平整度、應力及抗蝕性。 新華網(wǎng)西安10月20日電,記者從中國最大的顯示器件制造企業(yè)彩虹集團了解到，由彩虹集團建設的中國第一條液晶玻璃基板生產(chǎn)線日前全線貫通，生產(chǎn)出了中國第一塊第五代液晶玻璃基板，實現(xiàn)了中國液晶玻璃基板產(chǎn)業(yè)零的突破。此條生產(chǎn)線的建成投產(chǎn)，打破了國外企業(yè)對這一產(chǎn)品的壟斷局面，結(jié)束了中國液晶玻璃基板依賴進口的歷史，標志著中國顯示器件產(chǎn)業(yè)正在由傳統(tǒng)產(chǎn)品向新型高端顯示領(lǐng)域?qū)で笸黄啤?3、透明導電玻璃在普通玻璃的一個表面鍍有透明導電膜ITO的玻璃。一般的玻璃材料為鈉鈣玻璃，玻璃襯底與ITO層之間要求有一層SiO2阻擋層，以阻擋玻璃中的鈉離子滲透

21、。ITO(氧化銦錫)的成分是In2O3和SnO2，ITO膜是在In2O3的晶核中摻入高價Sn的陽離子，摻雜的量以Sn的含量為10重量比最佳。用于液晶顯示器的導電玻璃須符合：透光率好；平整度好。方塊電阻??；4、偏光片偏光片的主要光學技術(shù)指標有：制膜浸液拉伸膠合保護膜粘附外保護膜偏光度；顏色；偏光片的偏光度也稱偏光片的偏振效率，其定義為：/IIPII透光率和透射光譜。5、顯示器其他常用材料取向材料在玻璃表面涂覆一層有機高分子薄膜，再用絨布類材料高速摩擦來實現(xiàn)取向。這種有機高分子薄膜最常用的材料是聚酰亞胺，簡稱PI。環(huán)氧樹脂在液晶顯示器中作為膠粘劑將兩片玻璃粘接起來，同時保持一定的間隙稱為封框膠。用

22、于將上下玻璃電極導通時，稱為銀點膠。紫外光固化膠用作封口膠，即將已灌好液晶后的注入口封死。襯墊料二、液晶顯示器一般制造工序主要以直接矩陣方式驅(qū)動的TN顯示器為主介紹液晶顯示器的一般制造工序。該工藝流程可分為電極圖形蝕刻、取向排列、空盒制作、灌注液晶和封口等4個主要階段。1、電極圖形蝕刻ITO玻璃涂光刻膠前烘、曝光、顯影、堅膜、酸刻、脫膜清洗2、取向排列涂取向?qū)庸袒Σ撂幚砬逑?、灌注液晶和封口3、空盒制作密封膠印刷、導電膠印刷噴襯墊料基板貼合加熱、加壓、固化真空抽氣注入液晶封口液晶盒截斷清洗檢測貼偏振片、反射片外觀檢查L.CL.CLC removeUV Adhesive LeakingUV L

23、ight CuringL.CUV AdhesiveL.C封口工藝貼濾色膜和偏振片L.C三、 液晶顯示器的連接1、導電橡膠連接2、金屬插腳連接3、熱壓膠片軟連接4、各向異性導電膠連接 (TAB)5、直接集成化連接目前采用的背照光源主要有：發(fā)光二極管（LED），多用于小型設備中。電致發(fā)光板（EL），便攜式及面積稍大時適用。冷陰極熒光燈（CCFL），彩色顯示及大面積顯示時適用。平板熒光燈（VFD）四、背光照明系統(tǒng)照明方式又分為邊光式與背光式兩種。對背光源的要求：1、必須為面發(fā)光；2、發(fā)光效率要高；3、亮度要高，而且可調(diào)。側(cè)導光式CCFL背光照明系統(tǒng)CCFL與LED對比五、彩色濾色膜（CF，color

24、 filter）三基色（R、G、B）彩膜在各自特定的光譜范圍內(nèi)具有比較理想的光譜透過率曲線，可獲得相當高的色純度和比較寬闊的彩色再現(xiàn)范圍，這種方式已成為液晶顯示多色化或全色化的主要方式。1、對彩色濾色膜的要求R、G、B三基色有高飽和度和高透明度、白平衡好。高對比度。高對比度要求CF具有低反射率，因此對黑底提出了嚴格要求。平整度好，起伏要求小于0.1m；空間精度好； 高熱學穩(wěn)定性、光學穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性。2、彩色濾色膜的制造工藝彩色濾色片的結(jié)構(gòu)如圖：GLASS SUBSTRATEBlack MatrixColor LayerOver CoatITO 主要通過微細加工技術(shù)來制造彩膜。具體的方法有染

25、色法、顏料分散法、電沉積法和印刷法。3、黑矩陣的制造工藝黑矩陣的主要作用是防止背景光泄漏、提高顯示對比度、防止混色和增加顏色的純度。方法是利用含有黑色顏料的光刻膠，用光刻法制備黑矩陣。黑色顏料多采用碳黑。由于碳黑對可見光與紫外光的吸收，曝光時要采用數(shù)千瓦功率的汞燈，這就是所謂樹脂化黑矩。液晶顯示器件各主要成份的成本3.10 液晶技術(shù)的新進展液晶技術(shù)的新進展一、 LCD寬視角化技術(shù)的進展由于液晶的光學各向異性，造成不同視角下，有效光程差nd不同。而液晶盒的最佳光程差是按垂直入射光線設計的，這樣視角增大時，最小透過率增加，對比度下降。1、液晶盒外光學補償法相差膜補償法在液晶盒的觀察面上加貼一片一定數(shù)值的光學各向異性薄膜以改善視角特性。準直背光源加漫散射觀察屏法用準直光作為LCD的背光源，在LCD觀察面上放置一塊漫射屏。2、低扭曲角和低nd設計減小LCD盒的nd可以減少nd的變化，從而改善視角特性。但nd的減小將使最大透過率下降，可以將液晶盒的扭曲角