光電顯示技術(shù)3.8 有源矩陣液晶顯示器件課件

1、3.8有源矩陣液晶顯示器件普通矩陣液晶顯示器件存在兩個(gè)嚴(yán)重問題：工作電壓的裕度隨N的增加而迅速下降。當(dāng)N增加時(shí)，顯示器件工作的占空比也隨之下降，需提高驅(qū)動(dòng)電壓，同時(shí)要求背光源更亮。希望設(shè)計(jì)一個(gè)非線性的有源器件，使每個(gè)像素可以獨(dú)立驅(qū)動(dòng)來克服交叉效應(yīng)；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 1、二極管尋址矩陣液晶顯示604020 0.02 0.0400.40.82550iD / mAuD / V硅管的伏安特性二極管尋址

2、設(shè)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：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：液晶顯示器件的電光待性曲線的陡度可表示為：被選擇的像素充電后，當(dāng)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(shí)間LC應(yīng)小于Tf(幀周期)，否則影響器件的響應(yīng)。掃描脈沖由正的置位(即充電)脈沖和負(fù)的復(fù)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(gè)像素串聯(lián)上一對反向并聯(lián)的二極管組。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

3、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一幀結(jié)束。（2）反向幀掃描到的行：Li加-Vk ， Ri加-VsMIM屏剖面圖MIM元件剖面圖再沉積上一層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(yīng)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。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(dǎo)通

4、態(tài)，與顯示數(shù)據(jù)對應(yīng)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(shí)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(dǎo)致VLC有效值降低，希望V盡可能小。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(dǎo)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(fù)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(dá)到240掃描行都無交叉效應(yīng)。通常每一個(gè)液晶像素上制備兩個(gè)MIM二極管。二、三端有源器件1、三端有源矩陣液晶顯

5、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(gè)矩陣，在其交點(diǎn)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(yīng)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VGS=0V，iD0。0 VGS VT，溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，iD將進(jìn)一步增加。VGSVT，在P型襯底表面形成一層電子層，形成n型導(dǎo)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)：在VGV

6、T的情況下，由VG的縱向電場作用，在半導(dǎo)體層的表層將有感應(yīng)電荷積累，形成表面層導(dǎo)電溝道(VG為正時(shí)，為n溝道)，此時(shí)，VD作用下的漏電流ION由漸次溝道近似得：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(dá)105一107，即具有很高的開關(guān)比，場效應(yīng)晶體管是AM方式中比較理想的開關(guān)元件。設(shè)FET導(dǎo)通時(shí)漏源間的電阻為Ron，關(guān)斷（開路）時(shí)漏源間電阻為Roff，導(dǎo)通時(shí)像素電容充電，充電時(shí)間TH，關(guān)斷時(shí)像素電容放電，放電時(shí)間TF，即FET的通斷比一般應(yīng)在5個(gè)數(shù)量級以上。考慮到溫度增加時(shí)Roff會下降，這個(gè)比值應(yīng)擴(kuò)大到7個(gè)數(shù)量級以上

7、。掃描到某一行時(shí)，掃描脈沖使該行上的FET導(dǎo)通，同時(shí)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?zé)o影響，信號電壓可在液晶像素上保持接近一幀時(shí)間，直到下一幀掃描到來之前，使占空比達(dá)100%，而與掃描行數(shù)N無關(guān)。工作過程：這種驅(qū)動(dòng)方式又稱為準(zhǔn)靜態(tài)驅(qū)動(dòng)。a-Si是一種利用表面效應(yīng)的絕緣柵場效應(yīng)晶體管，它通常由不摻雜或均勻輕摻雜的高阻半導(dǎo)體a-Si與其一側(cè)表面相接觸的絕緣層組成，有三個(gè)電極：源極和漏極，柵極。2、非晶半導(dǎo)體場效應(yīng)器件（a-Si，amorphous silicon）a-Si中電子遷移率比空穴遷移率高一個(gè)數(shù)量級，故

8、總是工作于柵極加正電壓。形成n溝道的電子導(dǎo)電情況下。a-si:H的導(dǎo)電性與c-Si有很大差別。主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面：載流子遷移率??；載流子濃度低。a-siTFT的優(yōu)點(diǎn)：漏電流IOFF很小；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(shí)現(xiàn)大面積彩色顯示。缺點(diǎn)：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?fù)搅椎膎型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

9、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0.2m ，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(dòng)電壓小于15V；TFT在幀反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)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:

10、H TFT的響應(yīng)時(shí)間為：合適的導(dǎo)電溝道寬長比W/L。 3、p-Si TFT（poly crystal silicon）方式p-Si的電學(xué)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(xué)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(gè)數(shù)量級。p-Si TFT不僅用來驅(qū)動(dòng)液晶像素，還可以用作內(nèi)部的周邊驅(qū)動(dòng)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(dá)1000以上)，為高溫工藝。相反，在600以下(含

11、600)為低溫工藝。使a-Si薄膜中的硅粒在高溫下再結(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(yīng)用于小于3英寸以下的顯示設(shè)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(gè)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

12、顯示(微型硅基液晶顯示器LCOS）LCOS是硅片上的液晶(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(diǎn)：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(yīng)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(dá)96%以上。提高了光的利用率；實(shí)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(shí)間混色法。外引線少，連接簡單，整機(jī)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

13、.2V0.7V載流子遷移率0.51100250工作電壓1525V515V3.5V設(shè)計(jì)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(yīng)速度；彩色化；必須采用有源矩陣驅(qū)動(dòng)；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 LS

14、ILight diffuserSpacerWaveguideplatePrismsheetReflectorEdge 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(yīng)不同。水平移位寄存器對于我國電視體制，一幀時(shí)間為40ms，設(shè)顯示器件為1024768點(diǎn)陣，則每行掃描時(shí)間約為52s，脈沖頻率

15、約為20kHz。工作頻率是與每一個(gè)像素時(shí)間有關(guān)。一個(gè)像素又分為3個(gè)子像素，每個(gè)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(gè)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)，玻璃在錫上慢慢冷卻，取出并退

16、火。鈉成份、尺寸、表面平整度、應(yīng)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(tuán)了解到，由彩虹集團(tuán)建設(shè)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(shí)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(jìn)口的歷史，標(biāo)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(dǎo)電玻璃在普通玻璃的一個(gè)表面鍍有透明導(dǎo)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。ITO(氧化銦錫)的成

17、分是In2O3和SnO2，ITO膜是在In2O3的晶核中摻入高價(jià)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(dǎo)電玻璃須符合：透光率好；平整度好。方塊電阻小；4、偏光片偏光片的主要光學(xué)技術(shù)指標(biāo)有：制膜浸液拉伸膠合保護(hù)膜粘附外保護(hù)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：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(jī)高分子薄膜，再用絨布類材料高速摩擦來實(shí)現(xiàn)取向。這種有機(jī)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(shí)保持一定的間隙稱為封框膠。用于將上下玻璃電極導(dǎo)通時(shí)，稱為銀點(diǎn)膠。

18、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(dòng)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(gè)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(jiān)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(dǎo)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?cái)嗲逑礄z測貼偏振片、反射片外觀檢查L.CL.CLC removeUV Adhesive LeakingUV Light CuringL.CUV A

19、dhesiveL.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(dǎo)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(dǎo)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(shè)備中。電致發(fā)光板（EL），便攜式及面積稍大時(shí)適用。冷陰極熒光燈（CCFL），彩色顯示及大面積顯示時(shí)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(dǎo)光式CCFL背光照明系統(tǒng)CCFL與LED對比五、彩色濾色膜（CF，color filter）三基色（R、G、B）

20、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(dāng)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(yán)格要求。平整度好，起伏要求小于0.1m；空間精度好； 高熱學(xué)穩(wěn)定性、光學(xué)穩(wěn)定性和化學(xué)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(xì)加工技術(shù)來制造彩膜。具體的方法有染色法、顏料分散法、電沉積法和印刷法。

21、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(shí)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(jìn)展一、 LCD寬視角化技術(shù)的進(jìn)展由于液晶的光學(xué)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(shè)計(jì)的，這樣視角增大時(shí)，最小透過率增加，對比度下降。1、液晶盒外光學(xué)補(bǔ)償法相差膜補(bǔ)償法在液晶盒的觀察面上加貼一片一定數(shù)值的光學(xué)各向異性薄膜以改善視角特性。準(zhǔn)直背光源加漫散射觀察屏法用準(zhǔn)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(shè)計(jì)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變小，加一層PVA薄膜進(jìn)行補(bǔ)償。3、改變液晶分子排列方式光學(xué)補(bǔ)償彎曲排列模式OCB液晶分子彎曲排列，利用液晶分子排列來實(shí)現(xiàn)自我補(bǔ)償，又稱為自補(bǔ)償模式。在彎曲排列的LC分子中，中間的LC分子始終跟基板垂直，施加電壓時(shí)中間的LC分子無需重新排列，其它