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嚴重問題：①工作電壓的裕度α隨N的增加而迅速下降。②當N增加時，顯示器件工作的占空比也隨之下降，需提高驅動電壓，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604020–0.02–0.0400.40.8–25–50iD

/mAuD/V硅管的伏安特性二極管尋址MIM結構二極管環Lechner結構設二極管正向導通電壓為Vb，二極管正向導通，處于顯示狀態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γ可表示為：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ιLC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，即對每個像素串聯上一對反向并聯的二極管組。一個二極管的正向壓降是不大的，多個二極管串聯，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(normalline)，另一條是反向行(reverseline)。（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(MIM)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，構成MIM結構，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①首先在基片玻璃上反應濺射生長一層Ta2O5；MIM的結構與工藝②然后在摻氮的氖氣氛中濺射厚度約為200nm的Ta層；③將Ta層光刻成“T”字形，作為掃描母線；④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。⑤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；⑥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。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CMIN<<CLC

，則電壓幾乎都加在MIM上，使MIM變成具有低電阻導通態，與顯示數據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ΔV，導致VLC有效值降低，希望ΔV盡可能小。為了使MIM液晶屏上獲得高的圖像質量，MIM須滿足：①MIM電容比液晶電容要小得多；②MIM的電壓電流特性上導通電流和斷開電流之比要足夠大；③MIM的電壓電流特性在正壓一側和負電壓一側要對稱。

MIM與液晶像素串聯后，表現在電光特性曲線上是使曲線右移10余伏，使陡度從1.2～1.4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，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ZnO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①VGS=0V，iD≈0。②0<VGS<VT，在P型襯底表面形成一層耗盡層，但負離子不能導電。④VGS>VT，溝道加厚，溝道電阻減少，在相同VDS的作用下，iD將進一步增加。③VGS＝VT，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原理：令源（S）電極電位為0，源（S）一漏（D）間電壓為VD，根據場效應晶體管理論S－D間的漏電流受柵電壓控制。在VG≤VT情況下(VT為柵閾值電壓)，VD作用下的漏電流IOFF為在VG＞VT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(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：式中，μFE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。選擇合適的功能材料可使ION/IOFF達105一107，即具有很高的開關比，場效應晶體管是AM方式中比較理想的開關元件。設FET導通時漏源間的電阻為Ron，關斷（開路）時漏源間電阻為Roff，導通時像素電容充電，充電時間TH，關斷時像素電容放電，放電時間TF，即FET的通斷比一般應在5個數量級以上。考慮到溫度增加時Roff會下降，這個比值應擴大到7個數量級以上。⑴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，且對并聯的電容器充電。⑵掃描過后，各FET處于開路狀態，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N無關。工作過程：這種驅動方式又稱為準靜態驅動。三端AM－LCD方式優點：⑴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，實現了高清晰度顯示。⑵具有電壓保持的準靜態驅動功能，可實現高亮度顯示。⑶準靜態驅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動電壓的有效值，因而也提高了液晶的響應速度。⑷同列上各像素就可以獨立設定信號電壓，因而容易實現采用電調方式的灰度顯示。

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，amorphoussilicon）

a-Si中電子遷移率比空穴遷移率高一個數量級，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。主要表現在兩個方面：①載流子遷移率小；②載流子濃度低。a-siTFT的優點：①漏電流IOFF很小；②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。⑴a-Si的結構和工藝Si3N4①先光刻好透明電極ITO的圖形；②蒸Cr，并光刻出Cr條，作為柵電極G；③沉積絕緣層的Si3N4，厚度約為0.25μm。④沉積有源層a-Si:H，厚度約為0.2μm

，并將不需要的a-Si:H部分刻蝕掉。⑤沉積n＋a-Si:H，并將不要的部分刻蝕掉，只在FET位置上源、漏極處留下n＋a-Si:H

。⑥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；⑦蒸鍍鋁層，并光刻出源、漏電極。⑵a-SiTFT轉移特性a-SiTFT的輸出持性a-SiTFT的轉移持性⑶對TFT的要求：①較高的開關比，一般大于105；②a-Si的驅動電壓小于15V；③TFT在幀反轉驅動下其輸出特性要相同；④TFT的開關速度必須能滿足圖像顯示的要求，即從斷態到通態的電流上升要陡。a-Si:HTFT的響應時間為：⑤合適的導電溝道寬長比W/L。

3、p-SiTFT（polycrystalsilicon）方式

p-Si的電學特性取決于晶粒大小、雜質濃度和晶界局域態密度。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個數量級。p-SiTFT不僅用來驅動液晶像素，還可以用作內部的周邊驅動電路。

p-siTFT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薄膜中的硅粒在高溫下再結晶，使晶粒長大到微米以上量級，可得到多晶硅p-si。⑴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再結晶法。⑵低溫多晶硅制備過程：Si膜形成Si膜晶化雜質活化⑶CMOS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組合便可構成各種門電路。在TFTLCD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是硅片上的液晶(liquidcrystalonsilicon)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。優點：⑴提高了TFT－LCD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。⑵提高了光的利用率；⑶實現顯示多樣化；⑷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。⑸外引線少，連接簡單，整機安裝方便。非晶硅TFT低溫多晶硅TFTMOSFET晶格結構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0.5～1＞100＞250工作電壓15～25V5～15V3.5V設計規則5μm1.5μm0.25μm光刻數目4～55～922～24柵氧化層厚度300nm80～150nm7.8nm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①顯示屏必須具有大的像素容量；②必須采用背光源；③足夠的響應速度；④彩色化；⑤必須采用有源矩陣驅動；⑥大視角。2、TFT矩陣尋址的液晶電視⑴TFT液晶屏的結構PolarizerfilmTFTSealantAnisotropicconductorfilmTABConnectionControlICPrintedcircuitboardDriverLSILightdiffuserSpacerWaveguideplatePrismsheetReflectorEdgelightPolarizerDisplayelectrodeCapacitorLiquidcrystalAlignmentfilmCommonelectrodeProtectivefilmColorfilterBlackmatrixGlasssubstrate⑵TFT液晶電視框圖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，但頻率響應不同。①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1024×768點陣，則每行掃描時間約為52μs，脈沖頻率約為20kHz。工作頻率是與每一個像素時間有關。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。②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⑴液晶顯示對平板玻璃的要求⑵液晶顯示玻璃板的生產技術①熔融拉伸法②浮法生產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。玻璃料連續地從熔化爐中流到熔化的錫槽內，玻璃在錫上慢慢冷卻，取出并退火。鈉成份、尺寸、表面平整度、應力及抗蝕性。新華網西安10月20日電,記者從中國最大的顯示器件制造企業——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線日前全線貫通，生產出了中國第一塊第五代液晶玻璃基板，實現了中國液晶玻璃基板產業零的突破。此條生產線的建成投產，打破了國外企業對這一產品的壟斷局面，結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業正在由傳統產品向新型高端顯示領域尋求突破。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。

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