Introducere în substratul TFT în LCD
Un panou complet de afișare LCD TFT-LCD este împărțit în funcție de procesul de producție și poate fi împărțit aproximativ în trei segmente de proces, și anume: segment de proces cu matrice de matrice, segment de proces cu filtru de culoare CF și segment de proces în casetă. Secțiunea de proces de matrice Array este ceea ce numim adesea producție de substrat de sticlă TFT.
Substratul TFT este o componentă de bază a panoului TFT-LCD și îndeplinește funcțiile importante de control al comutatoarelor de pixeli și a curenților de conducere. Acest articol se va concentra pe structura și compoziția substratului TFT-LCD Array, caracteristicile unui-Si TFT și impactul substratului TFT asupra performanței LCD.
1. Structura și compoziția substratului TFT
Unitatea centrală de comandă a LCD-ului TFT- este o matrice de tranzistori cu film subțire (TFT Array), iar fiecare pixel este controlat de un comutator TFT independent. Pentru a realiza această funcție, substratul TFT adoptă o structură cu mai multe-strat, fiecare strat de material și electrozi jucând roluri diferite.
În general, TFT-urile pot fi împărțite în două categorii: structura porții de sus și structura porții de jos. În prezent, soluția principală pentru panourile LCD este TFT cu structură de poartă inferioară, care are procese mature și stabilitate ridicată și este potrivit pentru producția de masă la scară largă-.
Într-un proces tipic cu 6 măști, un substrat TFT cu structură de poartă inferioară conține în principal următoarele părți:
1. Substrat de sticlă
Ca platformă de suport fizic pentru întreaga matrice, oferă o bază plată și transparentă.
Este necesar să aibă o dimensionalitate stabilă și un coeficient mic de dilatare termică pentru a asigura acuratețea proceselor ulterioare de depunere a filmului subțire și de fotolitografie.
2. Electrod de poartă (electrodul de poartă)
De obicei, sunt utilizate materiale metalice (cum ar fi Mo, Al sau aliaje ale acestora).
Prin controlul tensiunii aplicate porții, se determină starea de pornire- sau oprită a TFT, ceea ce este echivalent cu „borna de control a comutatorului”.
3. Izolator de poartă
Acoperirea peste poartă, materialul utilizat în mod obișnuit este SiNx sau SiO₂.
Funcția sa este de a izola electric, de a împiedica poarta să intre direct în contact cu stratul semiconductor de mai sus și, în același timp, de a asigura că câmpul electric al porții poate controla eficient mișcarea electronică a regiunii canalului semiconductorului.
4. Strat activ (Strat activ)
Acesta este nucleul performanței TFT, constând de obicei dintr-un strat semiconductor și un strat de contact ohmic:
Stratul semiconductor este responsabil pentru transmisia purtătorului și este corpul principal al regiunii canalului;
Stratul de contact ohmic este utilizat pentru a reduce rezistența de contact dintre electrozii sursă și de scurgere și semiconductor.
În industria actuală TFT-LCD, a-Si (siliciul amorf) este cel mai utilizat material semiconductor.
Procesul a-Si TFT este matur și are un cost scăzut. Este folosit cel mai frecvent în panourile de afișare LCD TFT-de gamă medie- și joasă-.
Deși mobilitatea electronilor a-Si este relativ scăzută, randamentul ridicat al procesului și versatilitatea puternică în echipamentele de producție îl fac în continuare alegerea principală pentru TFT-LCD.
Diagrama semiconductoare a-si cu siliciu amorf
Pe lângă un-Si, există materiale noi, cum ar fi poli-Si și semiconductori de oxid, dar sunt mai folosiți în panourile de afișare cu-rezoluție înaltă sau cu scop-special.
5. Sursă și scurgere
Distribuit pe ambele părți ale stratului activ și este format din material metalic.
Sursa este conectată la linia de date și transmite tensiunea semnalului de intrare în zona canalului;
Electrodul de scurgere este conectat la electrodul pixelului și transmite tensiunea semnalului către unitatea de pixel cu cristale lichide.
6. Strat izolator intermediar (Strat de pasivare, PVX)
Acoperind deasupra structurii TFT, acesta joacă un rol de protecție și izolare.
Preveniți umiditatea, oxigenul sau stresul mecanic să cauzeze deteriorarea dispozitivului TFT, evitând în același timp scurtcircuite de la electrozii sursă și de scurgere la electrozii pixeli superiori.
7. Electrod pixel (primul ITO)
Fabricat din material conductor transparent (de obicei ITO, oxid de indiu staniu).
Conectat la canalizare, aplicați tensiunea semnalului de date la stratul de cristale lichide și controlează direct starea optică a punctului pixelului.
8. Electrod comun (al doilea ITO, electrod COM)
Opus electrodului pixelului, acesta este de obicei situat pe substratul superior de sticlă.
Se formează un câmp electric între electrodul comun și electrodul pixelului, iar moleculelor de cristal lichid se aplică o forță de acțiune pentru a le schimba aranjamentul, realizând astfel modularea luminii.
Principiul afișajului TFT-LCD
În întregul substrat TFT, milioane de astfel de unități TFT sunt aranjate într-o matrice de rând-coloană. Linia de poartă în direcția rândului este responsabilă pentru scanarea progresivă, iar linia de date în direcția coloanei este responsabilă pentru transmiterea tensiunii semnalului. La intersecția celor două, se află un TFT și pixelul său de cristal lichid corespunzător. Când toate tensiunile pixelilor sunt scrise și menținute linie cu linie, întregul panou LCD poate afișa o imagine completă.
2. Principiul de funcționare al substratului TFT în LCD
1. Funcția TFT ca comutator
Fiecare pixel este echipat cu un TFT, care este echivalent cu un comutator electronic.
Când semnalul de scanare acționează asupra porții, TFT-ul este pornit, iar tensiunea de la sursă este transferată la dren și apoi aplicată electrodului pixelului.
Când semnalul de poartă este eliminat, TFT-ul este oprit și tensiunea de pe electrodul pixelului este menținută pentru o perioadă de timp, menținând astfel starea de orientare a moleculelor de cristal lichid.
2. Modificări în orientarea moleculelor de cristale lichide
Materialele cu cristale lichide au un efect electro-optic, iar moleculele lor vor fi rearanjate sub acțiunea unui câmp electric.
Tensiuni diferite corespund diferitelor unghiuri de înclinare moleculară, care la rândul lor schimbă capacitatea de modulare a stratului de cristale lichide în lumină.
3. Transmiterea și controlul luminii
Stratul de cristale lichide este intercalat între substraturile de sticlă superioare și inferioare și un polarizator este de asemenea aranjat pe părțile superioare și inferioare.
Când se schimbă orientarea moleculelor de cristal lichid, starea de polarizare a luminii se schimbă în consecință, iar transmisia se schimbă și după trecerea prin polarizator.
În acest fel, reglarea pixelului la lumină și întuneric poate fi realizată prin controlul mărimii tensiunii.
4. Combinație cu iluminare de fundal și afișaj color
LCD-ul în sine nu emite lumină, iar sursa de lumină necesară pentru afișaj provine de la modulul de iluminare de fundal.
Substratul TFT determină cât de mult este transmisă lumina de fundal prin controlul transmisiei pixelului cu cristale lichide.
În același timp, fiecare pixel este acoperit cu filtre de culoare roșu, verde și albastru (RGB). Prin ajustarea transmisiei luminii a celor trei sub-pixeli, aceasta poate fi amestecată pentru a genera o imagine complet-color.
5. Metoda generală de conducere
Liniile de poartă sunt scanate progresiv, iar liniile de semnal sunt încărcate cu tensiuni coloană cu coloană.
Când scanați către o anumită linie, toate TFT-urile din acea linie sunt pornite în același timp, iar tensiunea liniei de semnal este scrisă pe pixelul corespunzător.
După ce această linie este terminată, linia de scanare trece la următoarea linie până când întregul ecran este reîmprospătat.
Acest proces de-ciclu de mare viteză poate forma o afișare dinamică continuă a imaginii.
3. Influența substratului TFT asupra performanței LCD
Fiind stratul central de conducere al panourilor LCD, substratul TFT este materialul, structura și caracteristicile electrice care determină în mod direct performanța cheie a dispozitivului de afișare, cum ar fi rezoluția, luminozitatea, contrastul, consumul de energie și durata de viață. În cele ce urmează o explică din mai multe aspecte principale.
1. Rezoluție
Substrat de sticlă: cu cât planeitatea suprafeței este mai mare, cu atât este mai bună acuratețea grafică a electrozilor de pixeli și a matricelor TFT, ceea ce este favorabil obținerii de unități de pixeli mai mici și, astfel, susținând o rezoluție mai mare.
Stratul activ (a-Si): mobilitatea electronilor a-Si este scăzută (0,3–1 cm²/V·s), limitând capacitatea de acționare a TFT. Când densitatea pixelilor crește, a-Si este dificil de încărcat rapid, iar îmbunătățirea rezoluției este limitată. Dacă se utilizează LTPS sau Oxide TFT, mobilitatea stratului activ este mai mare și se poate obține afișarea unui PPI mai mare.
Urme metalice (poartă, sursă și electrod de scurgere): lățimea urmei și rezistivitatea afectează direct rata de deschidere a pixelilor. Metalul cu rezistență ridicată forțează urma să se lărgească, ocupând astfel suprafața pixelilor și reducând rezoluția; Cu rezistență scăzută poate transmite semnale la o lățime de linie mai mică și poate îmbunătăți utilizarea pixelilor.
2. Luminozitate și transmitanță
Pixel Electrode (ITO): Transmisanța luminii și rezistivitatea ITO determină rata de utilizare a luminii de fundal. Transmitența ridicată a luminii poate crește eficiența luminii care trece prin pixeli, în timp ce conductivitatea ridicată asigură distribuția uniformă a semnalelor pe pixeli cu suprafață mare-.
Sursă și scurgere urme de metal: dacă urma este prea largă, va bloca zona pixelilor, va reduce zona de transmisie a luminii (rată de deschidere redusă) și va reduce luminozitatea. Cu este folosit în loc de Al, care poate reduce lățimea urmei, reducând în același timp rezistența, crescând astfel rata de deschidere.
Stratul izolator (SiNx, SiO₂): planeitatea suprafeței și caracteristicile de stres ale stratului izolator afectează orientarea moleculelor de cristale lichide. Dacă suprafața este neuniformă, va duce la aranjarea anormală a cristalelor lichide, reducând astfel transmisia optică.
3. Performanță de contrast și tonuri de gri
Strat activ (a-Si): raportul de comutare al TFT este afectat de material. Raportul de comutare al unui-Si este relativ scăzut, care este predispus să genereze un curent de scurgere mare, determinând scurgerea unei cantități mici de lumină în starea câmpului negru, reducând contrastul.
Strat izolator (SiNx, SiO₂): stratul izolator de{0}}înaltă calitate poate reduce căile de scurgere și poate îmbunătăți reținerea tensiunii pixelilor, menținând astfel un afișaj stabil în tonuri de gri.
Pixel Electrode (ITO): Uniformitatea rezistenței stratului de film ITO va afecta consistența tensiunii a diferiților pixeli. Dacă valoarea rezistenței este neuniformă, va duce la performanțe diferite ale tonurilor de gri locale, reducând uniformitatea afișajului și contrastul general.
4. Efectul vitezei de răspuns
Stratul activ (a-Si): mobilitatea a-Si este scăzută, iar viteza de mișcare a electronilor este lentă, ceea ce duce la un timp lung de încărcare și descărcare pentru pixeli și, în general, la nivel de milisecunde, ceea ce nu este potrivit pentru aplicații cu rată de reîmprospătare ridicată. Mobilitatea ridicată a LTPS sau Oxide TFT poate scurta semnificativ timpul de răspuns.
Urme metalice: rezistența la urme prea mare va cauza întârziere de transmisie a semnalului și va afecta răspunsul pixelilor. Utilizarea materialelor cu -rezistență scăzută poate reduce întârzierea semnalului și poate îmbunătăți viteza de răspuns.
Condensatori paraziți (determinați de aspectul metalic și izolarea porții): Când condensatorul parazit este prea mare, este nevoie de mai mult timp pentru a încărca pixelul, reducând eficiența răspunsului în tonuri de gri. Designul structural rezonabil și optimizarea grosimii stratului de izolație ajută la reducerea capacității parazitare.
5. Impactul consumului de energie
Sursă și metal de scurgere (Al, Mo, Cu): Materialele cu rezistență scăzută pot reduce pierderile de transmisie a semnalului și pot conduce consumul de energie. Datorită rezistivității sale scăzute, Cu are avantaje evidente în reducerea consumului de energie.
Strat activ (a-Si): curentul de scurgere este mare, tensiunea pixelilor este ușor atenuată și este necesară o frecvență de reîmprospătare mai mare pentru a menține o imagine stabilă, crescând astfel consumul total de energie.
Electrod pixel (ITO): electrozii cu transmisie ridicată a luminii pot îmbunătăți eficiența utilizării luminii. Cu aceleași cerințe de luminozitate, puterea luminii de fundal poate fi mai mică, reducând astfel consumul de energie.
6. Impactul fiabilității și al duratei de viață
Poarta metalică (Al): Hilllock (proeminențe mici) se formează cu ușurință la temperaturi ridicate, ducând la scurtcircuite sau defecțiuni ale circuitului deschis, afectând-stabilitatea pe termen lung.
Cu Metal: Deși rezistența este scăzută, are difuzie puternică. Dacă nu există un strat de barieră, este ușor să contaminați stratul semiconductor și să duceți la degradarea performanței.
Strat izolator (SiNx): poate bloca eficient pătrunderea ionilor de Na⁺, vaporii de apă și oxigenul. Dacă masa este insuficientă, performanța dispozitivului va scădea rapid.
Strat activ (a-Si): deviația de tensiune de prag are loc în timpul orelor lungi de lucru, ceea ce duce la creșterea cererii de tensiune de conducere, scăderea luminozității și contrastului afișajului și scurtarea duratei de viață.
În activitatea LCD, substratul TFT nu numai că determină efectul de afișare al imaginii, ci afectează direct rezoluția, luminozitatea, contrastul, consumul de energie și fiabilitatea. În general, substraturile TFT nu sunt doar baza tehnologiei LCD, ci și cheia îmbunătățirii performanței panoului și a evoluției procesului.
