第一章了解 TFT LCD (3/3) 大綱 1.1 了解顯示器 1.2 液晶顯示器 (Liquid Crystal Display, LCD) (Thin-Film Transistor, TFT) 1.5 名詞解釋 現今絕大部分的 TFT LCD 中所使用的薄膜電晶體 (Thin-Film Transistor, TFT), 均是採用非晶矽所製成 若無特別聲明, 均是針對非晶矽 (Amorphous silicon, a-si:h) 所製成的薄膜電晶體 其他的 TFT 技術, 將於第六章再稍作介紹 1
TFT 結構與操作原理 非晶矽型 TFT 構造 : 閘極 (Gate) 源極 (Source) 與汲極 (Drain) 主要結構是一層非晶矽半導體薄膜 其與閘極電極之間隔著一層閘極絕緣層, 兩端連接源極與汲極, 源極與汲極之上又覆蓋一層 n + 摻雜的非晶矽層 與金氧半場效電晶體 (MOSFET) 相類似 TFT 結構與操作原理 操作原理 : 與 MOSFET 相近 正電壓施於閘極時, 在半導體層吸引電子而成電子通道, 而使源極與汲極之間形成導通狀態 閘極電壓愈大, 吸引的電子愈多, 可以導通的電流亦愈大 負電壓施於閘極時, 在半導體層將電子排除, 且因有型非晶矽層的阻絕而無法吸引電洞, 而使源極與汲極之間形成斷路狀態 2
TFT 結構與操作原理 利用 TFT 的閘極電壓, 可以控制源極與汲極間的電流, 而將 TFT 打開或關閉, 而得以在適當的時機, 與驅動信號的來源連接或斷絕 每一個顯示畫素均由其個別的 TFT 所獨立控制, 因此較不易受其他顯示畫素的影響 由於 TFT 屬於主動元件, 在顯示畫面中呈現矩陣式的排列, 因此稱作主動矩陣式 (Active Matrix) 液晶顯示器 (AMLCD) TFT 的電流 - 電壓特性 右圖是 TFT 典型的電流 - 電壓特性曲線 ( 汲極與源極間的電壓為 10V) 閘極電壓 V 為 20V 時, 汲極與源極間的電流可超過 10-6 安培 ; 閘極電壓 V 為 (-5V) ~ (-15V) 時, 汲極與源極間的漏電流小於 10-12 安培 因此藉由設定閘極電壓, 即可達到控制電晶體作為開關的目的 3
TFT 的電流 - 電壓特性 TFT 電壓 - 電流公式, 可依循 MOSFET 的基本公式 : V V V V V < V I I = μ C eff ins 1 = μeff C 2 W V ( )( L V ins W V ( )( L V ) V ) 2 ε insε o W V = μeff ( )( )( t L V 1 = μ 2 eff ins ε insε o W V ( )( )( t L V ins ) V ) 2 其中,C ins 為閘極絕緣層單位面積的電容值, W 為通道寬度,L 為通道長度,V 為截止電壓,μ eff 為等效載子移動率 TFT 的電流 - 電壓特性 等效載子移動率 μ eff 為包括了載子實際移動率 μ o 與缺陷數目 N defect 及載子數目 N free 的修正項 : μ eff = μ o N free defect 一般而言, 非晶矽 TFT 的載子實際移動率約為 10 cm 2 /V sec 左右 若是缺陷數目太多, 則等效載子移動率不足 1 cm 2 /V sec, 這是由於大部分閘極所吸引的電荷被缺陷捕捉而無法提供導電能力 N free + N 4
TFT 與 MOSFET 的比較 TFT 與 MOSFET 有許多相似之處, 但是仍有部分不同, 而導致 TFT LCD 中有許多效應的產生 通道與源 / 汲極 : MOSFET 的載子通道與源 / 汲極在同一側, 故為直接導通 TFT 的載子通道與源 / 汲極之間有半導體層, 為低導電性區域, 因而影響其導電特性 TFT 與 MOSFET 的比較 閘極與源 / 汲極的重疊 : MOSFET 的源 / 汲極摻雜, 是利用閘極為遮罩而離子佈植來形成, 有自動對準 (Self-align) 的效果, 閘極與源 / 汲極之間不會重疊 TFT 的源 / 汲極是另外利用光罩來定義, 且與閘極之間有半導體層 : 若閘極與源 / 汲極沒有重疊, 則會有一段不會形成載子通道的距離, 產生很大的電阻而影響充電能力 閘極與源 / 汲極必須故意形成重疊, 但是因此而產生寄生電容的情形, 所以在 TFT LCD 驅動與設計上須有一些特殊考量 5
TFT 與 MOSFET 的比較 閘極絕緣層的材料 : MOSFET 的閘極絕緣層是在高溫下形成的二氧化矽, 本身與介面的品質均優 TFT 的閘極絕緣層是以電漿沉積方式產生的氮化矽 ( 玻璃基板不耐高溫 ), 極易有缺陷產生 缺陷本是不好的, 但是正好搭配有大量缺陷的非晶矽層 利用氮化矽中的正電荷缺陷而吸引電子填滿非晶矽的缺陷, 使其易於導通 所以在實際上應用的 TFT 為 n 型, 而沒有 p 型 右圖為 TFT LCD 架構示意圖 - 畫面由畫素所組成, 而每個畫素均可獨立的改變灰階 畫素即為液晶光閥, 可視為具有兩個平行電極的電容 : 一側電極是個別 獨立 的, 稱作畫素電極 (pixel electrode), 再以二維的方式展開成陣列 另一側電極是所有畫素 共用 的, 稱作共電極 (common electrode) 6
共電極的電壓是所有液晶光閥共用的參考電壓, 畫素電極與共電極間的電壓差, 即對應於施於液晶光閥上的電場大小 在被動式 LCD 的畫素中, 其兩個平行電極 : 一個電極是與水平方向上其他畫素所共用 另一個電極是與垂直方向上其他畫素所共用 在被動式 LCD 中, 開關某畫素時會影響到鄰近的畫素, 使得驅動電壓的施予須特別注意, 也因此而無法達成較高的解析度 在 TFT LCD 中, 是利用 TFT 作為電壓開關, 將畫素電極與其他的畫素分開, 因此不影響其他畫素 7
彩色 TFT LCD 的次畫素 : 彩色濾光片 (Color Filter, CF) : 彩色畫面的畫素需要由 R G B 三原色來組成, 目前的 TFT LCD 皆是以次畫素的方式來實現彩色 將之前所述的每個畫素再分割成 R G B 三個次畫素, 各個次畫素的灰階均可獨立改變, 而由對應的 TFT 所控制, 因此 TFT LCD 的架構會更複雜一些 彩色濾光片是從白色光源中濾出 R G B 三原色, 並不會影響施加於液晶光閥的電壓 所以就 TFT 畫素層級的驅動原理而言, 是與單色的情況相同 次畫素顏色的排列會影響顯示系統層級的驅動, 所以資料傳送的格式需要配合改變 8
黑色矩陣 (Black Matrix, BM) : 於彩色濾光片的不同顏色交界處, 形成不透光層, 即為黑色矩陣 1) 減少畫素間混色所產生的干擾 2) 減少漏光而增加對比 3) 遮蔽 TFT 以降低漏電流 為了方便說明驅動的原理, 可用水利系統為例來說明 : 1) 電流 = 電荷對時間微分 ( 水流速 = 水量對時間微分 ) d Q( t) I( t) = d t 2) 電量變化 = 電容與電位差的乘積 ( 水量變化 = 容器面積與水位差的乘積 ) dq = C dv TFT LCD 的譬喻 9
TFT LCD 的譬喻 1.5 名詞解釋 (1) 有效顯示區域 (Active Area): 顯示面板上的可顯示文字圖形的總面積 開口率 (Aperture Ratio, AR): 次畫素可透光的有效區域除以次畫素的總面積 相同背光下, 開口率愈高則整體畫面愈亮 畫面比率 (Aspect Ratio): 畫面寬與高的比率 一般為 4:3, 高畫質電視 (HDTV) 為 16:9 10
1.5 名詞解釋 (2) 反應時間 (Response Time): 畫素接收信號後, 自亮轉暗與自暗轉亮的時間加總 較短的反應時間使畫面轉換更為順暢 顯示解析度 (Resolution of Display): 畫素組合成顯示陣列的數目 一般常用的顯示解析度有特定的名稱 11