TFT技术解析

TFT技术解析

TFT(Thin Film Transistor)LCD即薄膜场效应晶体管LCD，是有源矩阵类型液晶显示器(AM-LCD)中的一种。

和TN技术不同的是，TFT的显示采用“背透式”照射方式——假想的光源路径不是像TN液晶那样从上至下，而是从下向上。这样的作法是在液晶的背部设置特殊光管，光源照射时通过下偏光板向上透出。由于上下夹层的电极改成FET电极和共通电极，在FET电极导通时，液晶分子的表现也会发生改变，可以通过遮光和透光来达到显示的目的，响应时间大大提高到80ms左右。因其具有比TN-LCD更高的对比度和更丰富的色彩，荧屏更新频率也更快，故TFT俗称“真彩”。

相对于DSTN而言，TFT-LCD的主要特点是为每个像素配置一个半导体开关器件。由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制。因而每个节点都相对独立，并可以进行连续控制。这样的设计方法不仅提高了显示屏的反应速度，同时也可以精确控制显示灰度，这就是TFT色彩较DSTN更为逼真的原因。

目前，绝大部分笔记本电脑厂商的产品都采用TFT-LCD。早期的TFT-LCD主要用于笔记本电脑的制造。尽管在当时TFT相对于DSTN具有极大的优势，但是由于技术上的原因，TFT-LCD在响应时间、亮度及可视角度上与传统的CRT显示器还有很大的差距。加上极低的成品率导致其高昂的价格，使得桌面型的TFT-LCD成为遥不可及的尤物。

不过，随着技术的不断发展，良品率不断提高，加上一些新技术的出现，使得TFT-LCD在响应时间、对比度、亮度、可视角度方面有了很大的进步，拉近了与传统CRT显示器的差距。如今，大多数主流LCD显示器的响应时间都提高到50ms以下，这些都为LCD走向主流铺平了道路。

LCD的应用市场应该说是潜力巨大。但就液晶面板生产能力而言，全世界的LCD主要集中在中国台湾、韩国和日本三个主要生产基地。亚洲是LCD面板研发及生产制造的中心，而台、日、韩三大产地的发展情况各有不同。 目前主流的TFT面板有a－Si(非晶硅薄膜晶体管) TFT和LTPS TFT技术

在a-Si方面，三个生产基地的技术各有千秋。日本厂商曾经研制出分辨率高达2560×2048的LCD产品。因此，有些人认为，a－Si TFT技术完全可满足高分辨率的产品需要，但是，由于技术的不成熟，它还不能满足高速视频影像或动画等的需要。LTPS TFT相对可以节约成本，这对于TFT LCD的推广有着重要意义。目前，日本厂商已经有量产12.1英寸LTPS

TFT LCD的能力。而中国台湾已开发完成LTPS组件制造技术与LTPS SXGA

面板技术。韩国在这方面缺少专门的设计人员和研发专家，但像三星等主要企业已经推出了LTPS产品，显示出韩国厂商的实力。不过，目前LTPS技术尚不成熟，产品集中在小屏幕，而且良品率低，成本优势尚无从谈起。

与LTPS相比，a-Si无疑是目前TFT LCD的主流。日本公司的a－Si TFT投资策略上几乎都以第三代LCD产品为主，通过制造技术及良品率的改善来提高产量，降低成本。日本一直走高端路线，其技术无疑是最先进的。由于研发力量有限，台湾的a-Si TFT技术主要来自日本厂商的转让，但由于台湾企业一般属于劳动密集型，技术含量价低，以生产低端产品为主。韩国在a-Si方面有着强大的研发实力，比如三星公司就量产了全球第一台24寸a-Si TFT LCD—240T，它的响应时间小于25ms，可以满足一般应用需要；而可视角度达到了160度，使得LCD在传统弱项上不输给CRT。三星240T标志着大屏幕TFT LCD技术走向成熟，也向世人展示了韩国厂商的实力不容置疑。

除了以上两种TFT技术之间的竞争，SED将会成为TFT LCD的强大敌人。然而，SED目前仍属于概念型产品，短时间内难以进入主流市场。

虽然目前LCD已经大幅降价，但是相对于CRT仍然价格较高。因此成本问题是大家关注的焦点。实际上，TFT的生产成本与CRT不相上下，但良品率极低造成了TFT面板成本居高不下的情况。TFT面板是由一块较大的基板切割而成。而LCD产品还要有大量的晶体管阵列来控制三原色，现在的制造技术很难保证在一大块基板上数千万甚至上亿的晶体管不出一个问题。如果有一个晶体管出现问题，那么那个晶体管对应的点的对应色彩就会出问题（只能显示某种固定色彩），那么这个点就是通常称的“坏点”。坏点出现的几率于位置是不固定的，所以一块基板很有可能会被浪费很多。目前一般LCD要求坏点在5个以下，而一些大厂把这个标准缩小到了3个，甚至为0，这就会使良品率降低。而一些小厂则将坏点数扩大，这样一来，成本自然大幅下降，而产品品质随之下降，这也是某些厂商为何可以大幅降低LCD售价的原因之一。

虽然目前有能力生产液晶显示器的厂家不少，但真正有制造TFT面板能力的厂家屈指可数。ACER作为IT业内知名企业，实力相当雄厚，虽没有自己生产TFT面板的能力，但与台湾达基关系密切，在技术配合上有一定优势。不过，限于台湾企业的技术实力，ACER LCD产品主要集中在中低端。PHILIPS作为世界知名的显示设备制造厂，其显示器销量在国内一直名列前茅，而且于韩国LG达成同盟，共同研发、制造TFT面板。同样由于技术原因，以及市场定位问题，PHILIPS目前的产品主要集中在中端，而且在零售市场PHILIPS动作一直不很明显。三星作为另一实力强劲的显示设备研发、制造厂商，在LCD方面投入了较大精力，致力于不断丰富产品线，目前三星产品涵盖了高中低端市场。

LCD技术仍处在不断发展、完善的阶段，三大产地的发展方向各有不同，它们之间既存在竞争，又有着合作。正是这些因素促使了LCD向前发展。 TFT-LCD技术

一、前言

进入新千年，作为信息产业的重要构成部分—显示器件正在加速推进其平板化的进程。目前，世界已进入“信息革命”时代，显示技术及显示器件在信息技术的发展过程中占据了十分重要的地位，电视、电脑、移动电话、BP机、PDA等可携式设备以及各类仪器仪表上的显示屏为人们的日常生活和工作提供着大量的信息。没有显示器，就不会有当今迅猛发展的信息技术。显示器集电子、通信和信息处理技术于一体,被认为是电子工业在20世纪微电子、计算机之后的又一重大发展机会。

科学技术的发展日新月异，显示技术也在发生一场革命，特别是自90年代以来，随着技术的突破及市场需求的急剧增长，使得以液晶显示（LCD）为代表的平板显示（FPD）技术迅速崛起。据Stanford公司预测，FPD市场规模正在以年增长率16.2%的速度发展着，到2000年FPD和CRT的产业都达到300亿美元，CRT平均年增长率不足6.3%，远低于FED的平均增长率，且FPD增长率仍在继续提高，CRT在继续下降，替代趋势十分明朗，可以说平板显示将成为21世纪显示技术的主流，其产业和市场在不断扩增之中。

经过二十多年的研究、竞争、发展，平板显示器已进入角色，成为新世纪显示器的主流产品，目前竞争最激烈的平板显示器有四个品种： 1、场致发射平板显示器（FED）； 2、等离子体平板显示器（PDP）； 3、有机薄膜电致发光器（OEL）；

4、薄膜晶体管液晶平板显示器（TFT-LCD） 。

场发射平板显示器原理类似于CRT，CRT只有一支到三支电子枪，最多六支，而场发射显示器是采用电子枪阵列（电子发射微尖阵列，如金刚石膜尖锥），分辨率为VGA（640×480×3）的显示器需要92.16万个性能均匀一致的电子发射微尖，材料工艺都需要突破。目前美国和法国有小批量的小尺寸的显示屏生产，用于国防军工，离工业化、商业化还很远。

等离子体发光显示是通过微小的真空放电腔内的等离子放电激发腔内的发光材料形成的，发光效应低和功耗大是它的缺点（仅1.2lm/W，而灯用发光效率达80lm/W以上，6瓦/每平方英寸显示面积），但在102～152cm对角线的大屏幕显示领域有很强的竞争优势。业内专家分析认为，CRT、LCD和数字微镜(DMD)3种投影显示器可以与PDP竞争，从目前大屏幕电视机市场来看，CRT投影电视价格比PDP便宜，是PDP最有力的竞争对手，但亮度和清晰度不如PDP，LCD和DMD投影的象素和价格目前还缺乏竞争优势。尽管彩色PDP在像质、显示面积和容量等方面有了明显提高，但其发光效率、发光亮度、对比度还达不到直观式彩色电视机的要求，最重要的是其价格还不能被广大家用消费者所接受，这在一定程度上制约了彩色PDP市场拓展。目前主要在公众媒体展示场合应用开始普遍起来。

半导体发光二极管（LED）的显示方案由于GaN蓝色发光二极管的研制成功，从而一举获得了超大屏幕视频显示器市场的绝对控制权，但是这种显示器只

适合做户外大型显示，在中小屏幕的视频显示器也没有它的市场。

显示器产业的专家一直期望有机薄膜电致发光材料能提供真正的象纸一样薄的显示器。有机薄膜电致发光真正的又轻又薄，低功耗广视角，高响应速度（亚微妙）的固体平板显示器。大规模工业生产的成本很低，使用寿命目前只有几千小时。OLED在可以预见的将来将首先应用作为TFT-LCD的主要竞争对手，但目前还处于研究试制阶段。

液晶平板显示器，特别TFT-LCD，是目前唯一在亮度、对比度、功耗、寿命、体积和重量等综合性能上全面赶上和超过CRT的显示器件，它的性能优良、大规模生产特性好，自动化程度高，原材料成本低廉，发展空间广阔，将迅速成为新世纪的主流产品，是21世纪全球经济增长的一个亮点。

二、TFT-LCD

在众多的平板显示器激烈竞争中，何以TFT-LCD能够脱颖而出，成为新一代的主流显示器决不是偶然的，是人类科技发展和思维模式发展的必然。液晶先后避开了困难的发光问题，利用液晶作为光阀的优良特性把发光显示器件分解成两部分，即光源和对光源的控制。作为光源，无论从发光效率、全彩色，还是寿命，都已取得了辉煌的成果，而且还在不断深化之中。LCD发明以来，背光源在不断地进步，由单色到彩色，由厚到薄，由侧置荧光灯式到平板荧光灯式。在发光光源方面取得的最新成果都会为LCD提供新的背光源。随着光源科技的进步，会有更新的更好的光源出现并为LCD所应用。余下的就是对光源的控制，把半导体大规模集成电路的技术和工艺移植过来，研制成功了薄膜晶体管（TFT）生产工艺，实现了对液晶光阀的矩阵寻址控制，解决了液晶显示器的光阀和控制器的配合，从而使液晶显示的优势得以实现。

1、TFT工作原理

（1）TFT是如何工作的 TFT就是“Thin Film Transistor”的简称，一般代指薄膜液晶显示器，而实际上指的是薄膜晶体管（矩阵）—— 可以“主动的”对屏幕上的各个独立的象素进行控制，这也就是所谓的主动矩阵TFT（active matrix TFT）的来历。那么图象究竟是怎么产生的呢？基本原理很简单：显示屏由许多可以发出任意颜色的光线的象素组成，只要控制各个象素显示相应的颜色就能达到目的了。在TFT LCD中一般采用背光技术，为了能精确地控制每一个象素的颜色和亮度就需要在每一个象素之后安装一个类似百叶窗的开关，当“百叶窗”打开时光线可以透过来，而“百叶窗”关上后光线就无法透过来。当然，在技术上实际上实现起来就不像刚才说的那么简单。LCD（Liquid Crystal Display）就是利用了液晶的特性（当加热时为液态，冷却时就结晶为固态），一般液晶有三种形态：

类似粘土的层列（Smectic）液晶

类似细火柴棒的丝状（Nematic）液晶 类似胆固醇状的（Cholestic）液晶

液晶显示器使用的是丝状，当外界环境变化它的分子结构也会变化，从而具

有不同的物理特性——就能够达到让光线通过或者阻挡光线的目的——也就是刚才比方的百叶窗。

大家知道三原色，所以构成显示屏上的每个象素需上面介绍的三个类似的基本组件来构成，分别控制红、绿、蓝三种颜色。

目前使用的最普遍的是扭曲向列TFT液晶显示器（Twisted Nematic TFT LCD），下图就是解释的此类TFT显示器的工作原理。现存的技术差别很大，我们将会在本文的第二部分中详细介绍。

在上、下两层上都有沟槽，其中上层的沟槽是纵向排列，而下层是横向排列的。而下层是横向排列的。当不加电压液晶处于自然状态，从发光图2a扭曲向列TFT显示器工作原理图示意图层发散过来的光线通过夹层之后，会发生90度的扭曲，从而能在下层顺利透过。

当两层之间加上电压之后，就会生成一个电场，这时液晶都会垂直排列，所以光线不会发生扭转——结果就是光线无法通过下层。 （2）TF

T象素架构如图4示，彩色滤光镜依据颜色分为红、绿、蓝三种，依次排列在玻璃基板上组成一组（dot pitch）对应一个象素每一个单色滤光镜称之为子象素（sub-pixel）。也就是说，如果一个TFT显示器最大支持1280×1024分辨率的话，那么至少需要1280×3×1024个子象素和晶体管。对于一个15英寸的TFT显示器（1024×768）那么一个象素大约是0.0188英寸（相当于0.30mm），对于18.1英寸的TFT显示器而言（1280×1024），就是0.011英寸（相当于0.28mm）

大家知道，象素对于显示器是有决定意义的，每个象素越小显示器可能达到的最大分辨率就会越大。不过由于晶体管物理特性的限制，目前TFT每个象素的大小基本就是0.0117英寸（0.297mm），所以对于15英寸的显示器来说，分辨率最大只有1280×1024。

2 、 TFT的技术特点

TFT技术是二十世纪九十年代发展起来的，采用新材料和新工艺的大规模半导体全集成电路制造技术，是液晶（LC）、无机和有机薄膜电致发光（EL和OEL）平板显示器的基础。TFT是在玻璃或塑料基板等非单晶片上（当然也可以在晶片上）通过溅射、化学沉积工艺形成制造电路必需的各种膜，通过对膜的加工制作大规模半导体集成电路（LSIC）。采用非单晶基板可以大幅度地降低成本，是传统大规模集成电路向大面积、多功能、低成本方向的延伸。在大面积玻璃或塑料基板上制造控制像元（LC或OLED）开关性能的TFT比在硅片上制造大规模IC的技术难度更大。对生产环境的要求（净化度为100级），对原材料纯度的要求（电子特气的纯度为99.999985％），对生产设备和生产技术的要求都超过半导体大规模集成，是现代大生产的顶尖技术。其主要特点有： （1）大面积：九十年代初第一代大面积玻璃基板（300mm×400mm）TFT-LCD生产线投产，到2000年上半年玻璃基板的面积已经扩大到了680mm×

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