TFT_LCD薄膜晶体管寻址的液晶显示器.pdf

TFT/LCD 薄膜晶体管寻址的液晶显示器（日）Toshihisa Tsukada 著薛建设 董友梅 周伟峰 译机 械 工 业 出 版 社本书是 20 世纪 90 年代由日本专家 Toshihisa Tsukada 编写的一本 TFT/LCD（薄膜晶体管寻址/液晶显示器）基础书籍，内容言简意赅、深入浅出，被日本和韩国许多业内人士作为液晶显示领域的启蒙类基础书籍。书中内容对于目前国内蓬勃发展的显示产业有很高的参考价值，特别是对高校师生有学习参考价值。本书是有关 TFT/LCD 技术的参考书，介绍了 TFT/LCD 的基本知识、操作原理和设计方法，薄膜晶体管原理，氢化非晶硅基础知识和液晶显示的基本知识。本书可以作为相关专业高等院校师生的教学参考书，也可供相关领域的工程技术人员参考。TFT/LCD Liquid-Crystal Displays Addressed by Thin-Film Transistor.Copyright 1996 by OPA（Overseas Publishers Association）Amsterdam B.V.Authorized translation from English language edition published byRoutledge，a member of the Taylor&Francis Group LLC.All rightsreserved.本书原版由 Taylor&Francis 出版集团旗下 Routledge 出版公司出版，并经其授权翻译出版。版权所有，侵权必究。本书中文简体翻译版授权机械工业出版社独家出版并限在中国大陆地区销售，未经出版者书面许可，不得以任何方式复制或发行本书的任何部分。Copies of this book sold without a Taylor&Francis sticker on thecover are unauthorized and illegal.本书封面贴有 Taylor&Francis公司防伪标签，无标签者不得销售。本书版权登记号：图字 01-2012-1674 号译 者 的 话液晶显示器（LCD）技术在近十年有了飞速的发展，从屏幕的尺寸到显示的质量都取得了很大进步。经过不断的努力，LCD很多方面的性能都已经达到了传统 CRT（阴极射线管）显示器的水平，取代 CRT 显示器势不可挡。随着 LCD 生产的不断扩大，各个生产厂商之间的竞争也日趋激烈。各厂商在不断提高产品性能的同时，也在不断努力降低产品的生产成本，从而提高市场的竞争力。国内一些杂志也将“寻址”译为“驱动”。我国的 TFT（薄膜晶体管寻址）/LCD 产业起步较晚，技术水平与日本、韩国的很多业内同行还有一定差距。尽管如此，随着京东方等国内厂商的相继崛起和政府的大力扶持，国内“缺屏少芯”的局面正在慢慢改善。但由于在国内 TFT/LCD 产业还属于新兴产业，因此国内科研机构和高等院校对这个产业的技术相比我们东亚的近邻来说，还是比较陌生的。这就造成了产业界与学术界的脱节，缺少高校的支撑，我们蓬勃发展的国内企业很难得到足够的人才支持。从长远来看，仅仅依赖引进，如果不能通过持续自主创新，很难在科技进步日新月异的时代立足。其中很重要的一个原因就是液晶技术是一项综合交叉学科，由于我们采用引进来的战略方针，国内这个行业的起点比较高，很多业内人士对这项技术的基础知识不能有一个完整、全面的认识。本书是一本很好的入门教材，讲解深入浅出、入木三分，非常适合作为刚入行的新人作为启蒙教材，也可助从业数年的业内同仁夯实基础、温故知新，从而开阔视野、推陈出新。在这里将这本经典著作推荐给大家，希望能够给广大业内同仁带来帮助。本书也很适合作为从事 TFT/LCD 相关科研和教学的高校和科研院所的教材，如本书能够使我国在平板显示产业迅速壮大的同时，为建立充足的人才储备贡献出一些绵薄之力，吾心足矣。本书力求忠于原著，但许多专业名词的中译方法在国内不尽相同，本人采用业内流传较广且读者更易理解的方式翻译此类名词，如有不妥之处敬请批评指正。本书能够出版，非常感谢京东方技术中心的周伟峰同志的细心校译，也很感谢机械工业出版社的各位领导和编辑的大力协助，最后还要感谢京东方公司的各位领导和同仁一直以来的关怀和鼓励。译 者2011 年 12 月 24 日夜于京东方技术中心TFT/LCD 薄膜晶体管寻址的液晶显示器前言这是第一本全面描述薄膜晶体管寻址/液晶显示器（TFT/LCD）的书，包括设计、制造、特性、材料和基本操作。由于涉及 TFT/LCD 的领域非常广泛，因此本书所覆盖的内容也是在各学科间交叉的。两种所讨论的最重要材料是非晶硅半导体和液晶材料。TFT/LCD 独特的性质取决于这两种材料的结合。在本书中，器件特性和材料问题是根据它们和显示技术的关系来描述的，因此与 TFT/LCD 不直接有关，但是在应用方面非常重要的主体内容就留给其他极好的书去讲述。在传统的书本里，开头章节论述基本研究，后面的章节强调应用。但是本书开始给出了TFT/LCD 总揽，包括它的设计、制造和特性，接着随后描述了器件、材料和它们的基本原理。这样一种一开始就对所有主题做全面阐述的安排更便于读者对本书内容有全面的理解。本书也有益于那些从事 TFT/LCD 研究和开发的读者。由于人机对话界面的显示质量对于消费类电子、计算机和通信工程领域特别重要，因此本书也对于从事这方面工作的人特别有益。那些研究凝聚态物理、中间相化学和电子器件与系统的人也会从中发现对自己有用的有趣信息。我在此感激那些来自日立公司的支持，以及来自于中心实验室、日立研究实验室和日立公司茂原工作室的同事们的支持。特别感谢帮助我们准备手稿的 E.Kawamata。T.TsukadaKokubunji 1994目录译者的话前言第 1 章 引言1 第 1 章参考文献3第 2 章 TFT/LCD4 2.1 TFT/LCD 的结构5 2.2 像素设计11 2.3 设计分析16 2.3.1 像素电容的充电16 2.3.2 电压的偏移21 2.3.3 栅线延迟24 2.3.4 色度设计28 2.4 TFT 屏的制造35 第 2 章参考文献44第 3 章 TFT46 3.1 氢化非晶硅薄膜晶体管48 3.2 TFT 的特点52 3.2.1 电流电压特征52 3.2.2 寄生效应56 3.3 阈值电压漂移60 3.4 有关工艺问题67 3.4.1 铝栅极 TFT70 3.4.2 自对位工艺72 3.5 a-Si：H TFT 的计算机模拟74 第 3 章参考文献84第 4 章 氢化非晶硅88 4.1 非晶半导体88 4.2 a-Si：H 的态密度94 4.3 电导率和载流子迁移率97 4.4 a-Si：H 的吸收光谱105 4.4.1 光学吸收105 4.4.2 红外吸收109 第 4 章参考文献113第 5 章 扭曲向列液晶盒116 5.1 TN 液晶盒的阈值电压119 5.2 TN 液晶盒的 CV 特性126 5.3 TN 液晶盒的光学性能127 5.4 超扭曲向列（STN）液晶盒139 第 5 章参考文献141第 6 章 液晶144 6.1 介电常数和折射率151 6.2 弹性常数157 6.3 黏性164 第 6 章参考文献169参考文献170目 录第 1 章引言TFT/LCD（薄膜晶体管寻址/液晶显示器）是一种平面显示器，其显示介质是液晶，并且每一个像素受薄膜晶体管的控制。TFT/LCD 在消费电子、计算机和通信系统方面开创了一个崭新的技术领域。TFT/LCD 市场的增长比预想快得多，不仅冲击了新的应用领域也侵占了传统的领域。TFT/LCD 概念不是新的，而且还是相当古老的。早在1966 年，Weimer1就提出了 TFT 作为显示开关的可能性。更详细的概念在 1971 年由 Lechner 等人2提出将二极管或者晶体管用作有源矩阵液晶显示器的开关。同液晶电容平行设置的存储电容也有提及。在这个讨论之前，Heilmeier 等人3提出了向列液晶可以作为平面显示材料。制备了包括透明前电极、反射后电极和中间向列液晶的“三明治”器件（反射式）。如果没有施加电场，这个器件呈现黑色，如果施加直流电压，液晶材料变成紊流态和散光态，这个器件呈现白色。这种现象称为动态散射，并用第一个反射模式和透射模式液晶显示装置来验证。同时制造出了一个 3.5in 4in 的字母数字式液晶显示装置，其对比度为 20 1。1in=0.0254m。译者注Brody 等人4把 CdSeTFT 应用到有源矩阵液晶显示屏上。这种显示屏由 14000 个晶体管、存储电容和扭曲向列液晶（TN）显示元组成。虽然 TFT 是由 CdSe 而不是由 a-Si：H 制备的，但是其结构基本同于今天的 TFT/LCD 屏。TN 液晶元由 Schadt 和 Hel-frich5第一次提出，具有低电压、低能耗和快速反应时间的特点。在 TN 液晶元中，当液晶由后基板旋转到前基板，其分子平均指向扭曲 90。当光透过液晶元，光的偏振方向发生 90偏转。当前后偏振片平行时，无施加电压时光不能通过。当给液晶施加交流电压时，液晶分子的指向变得平行于基板。在这种状态，TN模式变成光学惰性，线性偏振光通过此液晶元时偏振方向无任何改变。因此，光通过了前偏振片。TN 液晶元作为 TFT/LCD 显示介质在其发展中起着非常重要的作用。氢化非晶硅（a-Si：H）在液晶技术中虽然发展较晚，但是对于 TFT/LCD 走向实用化过程产生了重大影响。自从第一次由Dundee 研究组6报道，a-Si：H TFT 被认为是最适合 TFT/LCD 的器件。a-Si：H 的迁移率足够大，足以用来保证对液晶电容和存储电容充电。a-Si：H 放电电流结果达到足够低水平的规模，在一帧时间内，不会使像素电容放电，这是由于无掺杂 a-Si：H 高电阻率所致。a-Si：H 另一个很重要的特点就是能够大面积制备。大面积的均匀性和循环再生性能够相对容易得到。能够低温下制备也是很重要的，这样就能应用玻璃基板。而且能够获得 a-Si：H 和其他薄膜如金属、绝缘体和半导体之间良好的界面特性。正是由于这些特点，氢化非晶硅 TFT 比其他为数众多的制备 TFT/LCD 材料，获得了广泛的认同。至于液晶，自从发现它以来，已有 100 多年的历史。在1888 年奥地利植物学家 F.Reinitzer 就报告了他先前提纯的胆甾苯蓖化合物（安息香酸盐）在温度范围 145.5 178.5 表现很强的双折射性质。他当时给德国物理学家 O.Lehmann 送来了这个 样 品，此 样 品 在 这 个 温 度 范 围 呈 现 出 紊 流 特 性。O.Lehmann 发现这种材料在 crossed Nikol 下观察时表现出光学各向异性，第一次创造出液晶这个名词。这次发现直到作为显示介质花费了很长时间（大概 80 年）。甚至此后大约过了 20年的时间才开发出了实用的 TFT/LCD。但是，以前花费如此长时间研究和开发，我们目前正处于受益于这些结果的阶段，这些将在后面描述。2TFT/LCD 薄膜晶体管寻址的液晶显示器第 1 章参考文献3第 1 章 引 言第 2 章TFT/LCDTFT/LCD 是一种应用广泛的平面显示屏。它主要的应用领域包括消费电子、计算机和通信终端，但是 TFT/LCD 应用到这些产品上也是最近才发生的事。大约 40 年来，阴极射线管（CRT）占据显示世界的统治地位。CRT 最大的成功应用就是黑白和彩色电视机。随着计算机行业的发展，计算机终端显示系统也为 CRT 提供了一个巨大的市场。结果，“显示”一词等同于CRT。但是现在形势变化很快，晶体管和集成电路的发展使得计算机的体积大大减小。这是由于微处理器、半导体存储器以及其他器件性能的提高，结果大型计算机就让步于微机、工作站和个人计算机。这种发展促进了平面显示时代的到来，包括 TFT/LCD。这些显示模式不仅避免了 CRT 显示屏的曲面问题，而且还具有重量轻、耗