TFT LCD 簡介完整版

1、吳為敬 博士華南理工大學(xué)新型顯示技術(shù)研究院TelFT LCD 簡介簡介參考資料參考資料l戴亞翔 著 TFT LCD面板的驅(qū)動(dòng)與設(shè)計(jì) 清華大學(xué)出版社 2008lC.R.Kagan R.Andry 編 薄膜晶體管(TFT)及其在平板顯示中的應(yīng)用 電子工業(yè)出版社 2008l谷至華 薄膜晶體管(TFT)陣列制造技術(shù) 復(fù)旦大學(xué)出版社 2007引言：引言： 玻璃在平板顯示中應(yīng)用玻璃在平板顯示中應(yīng)用l玻璃基板作為任何顯示器都是利用其透明性，用于顯示屏的前板，即用于在外部讀取圖像等。l液晶顯示器中的玻璃基板分上基板(彩色濾光片基板)和下基板(TFT陣列基板)，這兩塊玻璃基板之間注入液

2、晶材料而實(shí)現(xiàn)液晶顯示。 LCD工作原理工作原理TFT LCD 的切面結(jié)構(gòu)圖的切面結(jié)構(gòu)圖各種顯示器用玻璃基板的種類與特征各種顯示器用玻璃基板的種類與特征顯示器用玻璃基板的特性比較顯示器用玻璃基板的特性比較LCD顯示器用玻璃基板的特性要求顯示器用玻璃基板的特性要求l高透光性l玻璃基板的表面、內(nèi)部無缺陷l玻璃基板厚度均勻、表面平坦l具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定性l熱膨脹系數(shù)要小l潔凈度高，嚴(yán)格控制微小附著物 如果玻璃的厚度不均、表面有波紋、內(nèi)部有缺陷，會(huì)使透過的圖像變形。 TFT-LCD用玻璃基板的特殊要求用玻璃基板的特殊要求lTFT-LCD用玻璃基板的特殊要求是采用無堿玻璃。 l回顧MOS(Metal-Ox

3、ide-Semiconductor)電容理論,氧化層中的堿金屬離子(比如Na+離子)將在電場的作用下移動(dòng)。l正電壓將可動(dòng)離子推向界面，負(fù)電壓則將他們拉向柵極方向。l離子漂移后，改變了氧化層中的電荷分布，從而引起TFT LCD的閾值電壓漂移，影響顯示效果。 絕緣層中的電荷絕緣層中的電荷顯示用玻璃基板的歷史變遷顯示用玻璃基板的歷史變遷圖：金屬框中為第8代玻璃底板綱要綱要l1.1 了解顯示器l1.2 了解液晶及液晶顯示器l1.3 了解薄膜晶體管(TFT)l1.4 了解TFT LCD l1.5 電容再認(rèn)識l1.6 半導(dǎo)體工藝之光刻工藝l1.7 TFT LCD 制程1.1 了解顯示器了解顯示器l1.1.

4、1 像素l1.1.2 對比度l1.1.3 灰階l1.1.4 顏色1.1.1 像素像素l一個(gè)畫面由像素組合而成，基本上，每個(gè)像素大小和形狀是完全一樣的。l像素的精致程度是顯示器的第一項(xiàng)重要特征，它與觀察距離、畫面尺寸、像素大小和像素?cái)?shù)目有關(guān)。PPI 概念概念l一般像素是 正方形，像素節(jié)距即為正方形的邊長 lPPI(Pixel per inch) :每英寸的像素?cái)?shù)目。l邊長0.264mm的像素為例 ppi=1in/0.264mm=25.4mm/0.264mm=96.2l問題： 像素節(jié)距？l問題：ppi=100的SXGA（12801024）顯示器,計(jì)算畫面對角線尺寸？l問題：12.4英寸XGA(10

5、24768)的像素大小與ppi?開口率計(jì)算開口率計(jì)算1.1.2 對比度對比度l一個(gè)顯示畫面的內(nèi)容，只有由像素與像素之間的區(qū)別來表現(xiàn)，才能顯示出來。l這個(gè)差別，可以用最亮情況的亮度與最暗情況的亮度之比作為量化指標(biāo)，即為對比度。1.1.3 灰階灰階l為了重現(xiàn)我們所看到的自然影像，需要顯示出不同的明暗程度，此即為灰階。l為配合數(shù)字量化，一般灰階的數(shù)目表示為2N(N為整數(shù))。N=8,即為256灰階。Number of Colors 灰階的分級方法灰階的分級方法l 以亞像素(sub-pixel)分級灰階(面積灰階)l以像素發(fā)光的時(shí)間比例分級灰階(時(shí)間灰階)l以像素發(fā)光強(qiáng)度分級灰階 在TFT LCD 中，

6、就是采用這種方法來設(shè)定灰階，應(yīng)用的是液晶的電壓投射率關(guān)系，只要精確控制寫入液晶像素的電壓，即可控制投射率以實(shí)現(xiàn)所需要的灰階。 1.1.4 顏色顏色l顏色是一種感知 人眼的細(xì)胞對光有三種與波長有關(guān)的反應(yīng)，其靈敏度較高的波長分布對于R G B 三顏色。l多波長光源顏色的非唯一性 當(dāng)不同波長以不同能量組合而成時(shí)，只要對人眼細(xì)胞造成相同的反應(yīng)，人腦變認(rèn)為顏色相同。l顏色的加成性色度學(xué)坐標(biāo)系統(tǒng)色度學(xué)坐標(biāo)系統(tǒng)(Y,x,y)l色度學(xué)坐標(biāo)系統(tǒng)(Y,x,y) Y 表示亮度 x,y 表示色度(chrominace) 1zyxZYXZzZYXYyZYXXx顯然(Y,x,y)可以換算成(X Y Z)系統(tǒng)，問換算關(guān)系式

7、？ 答案答案顏色加成（掃描）顏色加成（掃描）l有紅綠藍(lán)三個(gè)光源，其色度學(xué)坐標(biāo)R(Yr,xr,yr)、 G(Yg,xg,yg)、和B(Yb,xb,yb)，則由其組合的新的顏色對應(yīng)的XYZ值為：問題：現(xiàn)有R,G,B三個(gè)光源，其色坐標(biāo)R(Yr,xr,yr)=(1,0.67,0.33)G(Yg,xg,yg)=(0,0.21,0.71)B(Yb,xb,yb)=(1,0.14,0.08)請計(jì)算所對應(yīng)的(x,y)值，說明其對應(yīng)的顏色。以顯示器表現(xiàn)顏色以顯示器表現(xiàn)顏色l目前的顯示技術(shù)，三原色額色度(x,y)在制造時(shí)便是固定的，而是以控制三原色的亮度Y，來組合表現(xiàn)出各種顏色(Y,x,y)來。 在此又可區(qū)分為：

8、a. 亞像素 空間上劃分為R ,G,B三像素。 b.色序法 時(shí)間上依次劃分為R ,G,B三像素。色序法色序法顯示規(guī)格顯示規(guī)格1.2了解液晶及液晶顯示器了解液晶及液晶顯示器l1.2.1 光閥的概念l1.2.2 如何利用LCD制成光閥l1.2.3 如何控制液晶光閥l1.2.4 液晶電容1.2.1 光閥的概念光閥的概念l液晶本身不發(fā)光。lTFT LCD屬于非發(fā)光型顯示l大部分TFT LCD 為穿透型顯示。lTFT LCD這種光閥不僅有開、關(guān)兩種狀態(tài)，還可以通過控制施加電壓控制光閥的開關(guān)程度實(shí)現(xiàn)灰階。 1.2.2 如何利用如何利用LCD制成光閥制成光閥液晶光閥的例子液晶光閥的例子其中 A 為電場振幅。

9、分析分析1.2.3 如何控制液晶光閥如何控制液晶光閥電場控制液晶分子的排列電場控制液晶分子的排列電場控制液晶分子的排列當(dāng)力矩不平衡時(shí)，若其凈力矩可以克服液晶本身的彈性，則可使液晶分子朝力矩大的方向轉(zhuǎn)動(dòng)。對于一般的液晶材料，液晶分子長軸的介電系數(shù)/比短軸的介電系數(shù)大(稱為正型液晶)，使得液晶分子的長軸向電場方向扭轉(zhuǎn)。電壓透射率曲線電壓透射率曲線1.2.4 液晶電容液晶電容等效介電常數(shù)等效介電常數(shù)等效介電系數(shù)與液晶分子長軸與平行電極等效介電系數(shù)與液晶分子長軸與平行電極的夾角的關(guān)系的夾角的關(guān)系等效介電系數(shù)與液晶分子長軸與平行電極的夾角的關(guān)系液晶電容的計(jì)算液晶電容的計(jì)算 TN 型液晶的典型電容型液晶的

10、典型電容/透射率透射率-電壓關(guān)系電壓關(guān)系1.3 了解薄膜晶體管了解薄膜晶體管(TFT)l1.3.1 TFT 結(jié)構(gòu)及原理l1.3.2 TFT 電流電壓特性1.3.1 TFT 結(jié)構(gòu)及原理結(jié)構(gòu)及原理Inverted Staggered Structure of a-Si TFT 1.3.2 TFT 電流電壓特性電流電壓特性1.4 了解了解TFT LCD l1.4.1 TFT LCD 架構(gòu)l1.4.2 彩色 TFT LCD的亞像素l1.4.3 TFT LCD 的比喻1.4.1 TFT LCD 架構(gòu)架構(gòu)TFT LCD 驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)概述概述概述l時(shí)序控制電路(Timing Controller)

11、控制整個(gè)顯示器動(dòng)作的時(shí)序的中心，配合每個(gè)幀顯示的時(shí)機(jī)，設(shè)定水平掃描啟動(dòng)，并將由界面輸入的視頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路所用的數(shù)據(jù)信號形式傳送到數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)器的寄存器中，并配合水平掃描，控制數(shù)據(jù)線驅(qū)動(dòng)的適當(dāng)時(shí)間。l掃描驅(qū)動(dòng)電路(Scan Driver) 接受時(shí)序控制電路的控制，循序地對特定的掃描線輸出適當(dāng)?shù)拈_電壓或關(guān)電壓以驅(qū)動(dòng)TFT LCD的掃描線。l數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)電路(Data Driver) 接受時(shí)序控制電路的控制，將高頻輸入的數(shù)字視頻信號儲(chǔ)存在寄存器中，配合特定的掃描線開啟，將數(shù)字視頻信號轉(zhuǎn)換成要輸出至像素電極的電壓，以驅(qū)動(dòng)TFT LCD的數(shù)據(jù)線。l共電極參考電壓源 共電極電壓一般而言是直流電壓，有時(shí)也

12、可能作電壓調(diào)變。由于電壓值的設(shè)定會(huì)與面板特性有關(guān)，因此，在系統(tǒng)中獨(dú)立設(shè)計(jì)成一個(gè)可調(diào)整參考電壓的電壓源。l電壓源轉(zhuǎn)換電路 TFT LCD各功能區(qū)塊電壓范圍不同，需要提供不同電壓值的電壓源，因此，要將系統(tǒng)上供給單一電壓的電源利用直流/直流電壓轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生所需的電壓源。l校正參考電壓 留待后續(xù)說明。 習(xí)題習(xí)題lSXGA(1280*1024)顯示器,假設(shè)幀頻為60Hz,試計(jì)算可分配的最大行掃描時(shí)間。TFT LCD 的像素單元的像素單元1.4.2 彩色彩色 TFT LCD的亞像素的亞像素(SubPixel)TFT LCD 的比喻的比喻開口率計(jì)算開口率計(jì)算1.5 電容再認(rèn)識電容再認(rèn)識l請大家暢所欲言對電容的

13、認(rèn)識。l請大家暢所欲言電容概念在TFT LCD 中的應(yīng)用。線性電容元件線性電容元件1 1、定義：、定義：庫伏特性為庫伏特性為q q-u-u平面一條過原點(diǎn)直線的平面一條過原點(diǎn)直線的二端元件。二端元件。2、表示：、表示： + +q(t)q(t) - -dttduCti)()(電容特性電容特性但電容兩端施加有恒定不變的直流電壓時(shí)，i=0, 電容表現(xiàn)為開路。當(dāng)施加的電壓是隨時(shí)間而變化的,i0, 電容會(huì)有電流“流過”。這不是電荷穿過電容，而是電容集聚的電荷漲落造成的，與通常在導(dǎo)體中的傳導(dǎo)電流不同。 tCutq dttduCdttdqi由電荷：得電流： titutP電容吸收的瞬時(shí)功率：電容存儲(chǔ)的能量： 2

14、22121)(CutCuCuduuidttWtuutCP(t)0,吸收功率；P(t)0,提供功率。 tCutWC221)(通常初始無儲(chǔ)能，則：l電容的主要特性是在充電后，能夠存儲(chǔ)電荷。l實(shí)際電容的模型是由電阻（ ESR） 、電容和電感(ESL)組成。由于交流電流流經(jīng)電容，有功功率消耗在ESR上，從而引起電容溫度升高。l有極性電容包含了一個(gè)寄生的實(shí)際存在的二極管，在電容極性接反時(shí)允許電流流過。電容等效電路電容等效電路問題：請計(jì)算問題：請計(jì)算t=0之后電路發(fā)生了什么？之后電路發(fā)生了什么？1.6 半導(dǎo)體工藝之光刻工藝半導(dǎo)體工藝之光刻工藝 l光刻：用光刻蝕。l光刻是一種圖形轉(zhuǎn)移工藝。l光刻步驟是半導(dǎo)體

15、工藝不可或缺的一步。平面加工工藝（光刻）的發(fā)明平面加工工藝（光刻）的發(fā)明Si(硅)襯底上真正的集成電路1959年，F(xiàn)airchild公司的Noyce將光刻技術(shù)和SiO2巧妙的結(jié)合起來，在Si襯底上制備真正的集成電路。 由此導(dǎo)致平面工藝的誕生。 1957年，美國DOF實(shí)驗(yàn)室首先將光刻技術(shù)引入到半導(dǎo)體技術(shù)中。 光刻流程示意光刻流程示意光刻膠光刻膠(抗蝕劑，光阻抗蝕劑，光阻)l正膠： 光刻膠在原始狀態(tài)下不會(huì)被顯影劑溶解，只有被曝光后才會(huì)被溶解。l負(fù)膠：被曝光的區(qū)域不溶解于顯影劑中，而未 曝光的區(qū)域會(huì)被顯影劑溶解。光學(xué)圖形曝光的圖光學(xué)圖形曝光的圖案轉(zhuǎn)移步驟示意案轉(zhuǎn)移步驟示意(a)涂膠(b)曝光(c)顯影(d)刻蝕(e)去膠涂膠涂膠掩模板掩模板(Mask)l利用一塊帶有圖形的玻璃板，透過這塊玻璃板投射一束光到基板表面，就在基板的表面形成了圖形的陰影，玻璃板上的這些圖形對應(yīng)了要在工藝加工中保護(hù)的區(qū)域。l上述的這塊玻璃板就是掩模板(Mask)。l掩模板上的圖形通常用鉻制作，這些鉻層將阻擋光線通過。l畫版圖時(shí)，畫的每一層圖形都對應(yīng)了一塊掩模板。光刻機(jī)光刻機(jī)l圖形的轉(zhuǎn)移是利用圖形曝光設(shè)備完成的，該圖形曝光設(shè)備就是光刻機(jī)。l光刻機(jī)有三個(gè)參數(shù)： 分辨率：能精確轉(zhuǎn)移到基板表面抗蝕劑膜上圖 案的最小尺寸。 套準(zhǔn)精度：后續(xù)掩模板與先前掩模板刻在基板上的圖形相互對準(zhǔn)程度。