第三讲 a-SiH TFT 的结构和工作原理

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a-Si TFT的结构
3.a-Si:HTFT的基本结构
注:5PEP过孔在a-Si TFT的结构中没有体现
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a-Si TFT的结构
3.TFT-LCD的基本结构
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a-Si TFT的结构
3.a-Si:HTFT的基本结构
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a-Si TFT的结构
3.TFT-LCD的基本结构
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a-Si TFT的结构
x
n+ 反型层 VGS≧VTH,VDS≧VGS-VTH
1. a-Si:H TFT的工作原理
y
x n+
VG
IDS
VD=小
IDsat n+ 反型层 VGS≧VTH,VDS<VGS-VTH VDsat （a）线性区域特性 VDS
y
VG
VD=大
IDS
IDsat n+ VDS
当VDS继续增大，增加 的电压将降落到夹断区上， 夹断区是已耗尽空穴的空 间电荷区，对沟道电流没 有贡献。
1. a-Si:H TFT的工作原理
用C-V特性曲线来说明a-Si:H TFT的三种情况，累积、耗尽等。
金属
1.50E-10
C(F/mm 2 )
绝缘层 t 空间 电荷区 半导体
欧姆接触
-20 -10 0 VGS (V) 10 20 30
1.45E-10 1.40E-10 1.35E-10 1.30E-10 -30
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a-Si:H TFT 的截止区
△LD
绝缘层 i/s SiNx a-Si:H
1. a-Si:H TFT的工作原理
当VGS≤VTR时，泄漏电流是由于Poole- Fenkel效应引起的载流子发散造成的， 所以该区又叫Poole-Fenkel发散区。在漏源之间的泄漏电流随栅压往负方向 增加，呈指数增加，主要是由场增强使得深缺陷态中的载流子发散造成的。
3.TFT-LCD的基本结构
•倒栅型（底栅型）：背沟道刻蚀型和背沟道阻挡型。
•背沟道刻蚀型的半导体层a-Si层的厚度是2000~3000A；刻蚀 n+a-Si层时a-Si层也被刻蚀，由于刻蚀的选择比小，所以a-Si 层相应要厚，工艺难度大；a-Si层厚，所以生产性不好。 •背沟道阻挡型的半导层a-Si层的厚度是300~500A；刻蚀n+aSi层时SiN也被刻蚀，由于刻蚀选择比大a-Si层可以做得薄， 工艺简单；a-Si层薄P-CVD的生产性好。
100KHz 1MHz QC 与100KHz同时 QC 与1MHz同时
C
0
d t
MIS结构
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a-Si:H TFT 的工作区
转移特性曲线，被分为四个区域：截止区VGS≤VTR、
1. a-Si:H TFT的工作原理
亚阈值区VTR<VGS<VON、亚阈值区又分为亚阈值后区VTR<VGS<0和亚阈 值前区0≤VGS<VON。
•正栅型（顶栅型）：通过改进光刻有大幅度改善的可能性，
即可能降低成本
彩晶的10.4寸和16.1寸采用的是背沟道阻挡 型结构；6.5采用的是背沟道刻蚀型结构
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a-Si TFT驱动原理
•a-Si TFT有源矩阵液晶显示器：a-Si是指有源层采用的是半导体材料a-Si的LCD； TFT是指 薄膜晶体管；有源矩阵是指有TFT等有源元件的矩阵形结构的LCD；液晶 显示器英文缩写是LCD。 •有源矩阵与无源矩阵LCD的区别：单纯在2枚玻璃基板间注入液晶材料的LCD为无 源矩阵LCD；在内部引入薄膜晶体管或二级管等有源元件和液晶材料的LCD为有源 矩阵LCD。无源矩阵采用的是静态驱动即采用的是小规模固定图形的驱动法；有源 矩阵采用的是动态驱动。 •有源矩阵的驱动原理：a-Si TFT-LCD有源矩阵采用的是逐行扫描。CRT和P-Si TFT-LCD采用的是逐点扫描。在驱动a-Si TFT-LCD时，将扫描电路的顺序扫描信号 （也叫寻址信号）供给栅线，将同步电路的数据信号（也叫显示数据信号）供给数 据线（也叫信号线）。a-Si TFT元件配置在TFT基板上的栅线和数据线的交叉点上， 以栅线选通某行像素，在数据线上输入数据信号。当栅线从第一行像素到依次选通 到最后一行，即整个画面选通完成后构成一个画面，为1帧。当第一行栅线加上扫 描信号时，第一行上的所有TFT成为导电状态（有源层的电子由价带跃迁到导带， 形成可以自由移动的电子），所以的数据线加上数据信号（自由移动的电子可以沿 着电场方向移动形成电流），通过TFT加到像素电容和存储电容上，并由各自的数 据信号电压充电。扫描下一个栅线时，第一行栅线所选择的所有的像素，从数据线 上断电。由像素电容和存储电容来保持，保持的电荷可以储存到最后一行扫描结束。 反复进行同样的动作，完成1帧的驱动。
MIS结构
简化的底栅型a-Si TFT的结构
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a-Si:H TFT的能带图

1. a-Si:H TFT的工作原理
随栅极电压VGS而变化，基本上可分为积累、耗尽、反型 三种情况
表面出现电子的积累而带负电
Ec qvB Ef Ei Ev (a) (b) Ec Ef Ei Ev
qVGS
qvs
（a）平带状态VGS=0；（b）电子积累VGS>0
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a-Si TFT驱动原理
•有源矩阵的驱动原理： 象这样所供给的数据信号，由扫描信号通过开关控 制的TFT，写入像素电容和存储电容成为像素电压。以这个像素电压和对面 电极上的电压之差，使之显示图象。被写入的数据信号，保持到下一个扫 描信号供给时为止。也就是，由下一个扫描信号到数据被再写入为止，保 持前一个数据信号，以再写入数据信号更新画面。为此，从液晶角度，因 保持着数据信号施加的电压，实质上，液晶再做静态的动作。由于用直流 电压来驱动液晶，其寿命会变短，所以，需要交流电压的驱动。 •所谓帧，即是将整个栅线依次从上到下进行扫描，表示1个画面的显示完成 1回的期间。一个帧周期一般是肉眼的反应到60Hz（大约16.7ms）以上的重 复频率。也就是在1秒钟画面变化60次以上的意思。
(a) (b) 晶态和非晶态硅中缺陷示意图 (a)为晶体；(b)非晶体
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a-Si:H TFT的工作原理
1. a-Si:H TFT的工作原理
有源层是a-Si:H，属弱n型非晶半导体材料 。 当栅极加正电压，表面形成电子的累积，源漏加电压后，形 成导电沟道。 类似于MOS的电容。
金属 绝缘层 半导体 欧姆接触
饱和区VON≤VGS≤VDS+VTH、 线性区VGS>VDS+VTH。
1.00E-05 1.00E-07 1.00E-09 1.00E-11 1.00E-13 1.00E-15 -25 -20 -15 -10
截止区
亚 阈 值 后 区
亚 阈 饱 值 和 前 区 区
线性区
转移特性曲线 饱和区界限 亚阈值前界限 亚阈值后界限 截止区界限
VDsat （b）饱和区域特性
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a-Si:H TFT 的亚阈值区
△LD
绝缘层 前界面 i/s SiNx a-Si:H 后界面
1. a-Si:H TFT的工作原理
亚阈值前区：栅压加正压时，0≤VGS<VON时，漏极电流受界面态中陷阱数量和a-Si:H 禁带中深的类受主局域态的影响，感应出得大部分电子都被局域态和a-Si:H/绝缘层界 面所俘获，只有一小部分电子参与导电，因此有很小的亚阈值电流在漏源沟道之间流 动，大约为10-12~10-8A。当栅极的正压增加时，电子的密度也增加，电流呈指数形 式增加。 亚阈值后区：当VTR<VGS<0时，负的栅压使表面积累的电子大部分都耗尽由于表面 高的界面态密度，在a-Si:H/钝化层界面（相对a-Si:H/绝缘层界面为反界面）有一个弱 的反电子沟道存在，形成了亚阈值后区的导电沟道。栅压往负方向增加，亚阈值电流 减小，最后过渡到截止区。
彩晶的LCD的驱动使用的 是逐行扫描
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a-Si:H TFT的能带图
1. a-Si:H TFT的工作原理
表面处电子浓度将较体内电子浓度低
Ec qVGS qvs Ev (c) (d) Ev Ef Ei Ec qvs Ef Ei
qVG
S
表面空穴浓度将超过体内电子的浓度 （c）电子耗尽VGS<0；（d）反型状态VGS<<0
5
理想的MOS器件的C-V特性曲线
IDS(A)
VTR -5
00
VON VDS+VTH20 VGS(V) 5 10 15 25
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a-Si:H TFT 的线性区和饱和区
当VDS很小时，漏源之 间存在贯穿全沟道的导电 的N型沟道。 当VDS增加时，栅极与 反型层的电位差减少，使 得Qn减少，沟道电阻增 加。在接近漏极处，沟道 电荷逐渐减少； 当VDS=Vsat时，在漏极 处沟道电荷为零，这时沟 道开始夹断；
用C-V特性曲线来说明三种情况的变化，累积、耗尽等。
1. a-Si:H TFT的工作原理
金属
Dx CGDO RD Drain Gate CGDI CGSO Source CGSI RS (a) Sx
绝缘层
tቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ空间 电荷区
半导体
欧姆接触
VG
MIS结构
Cfm T1+T2
C
0
d t
Cs
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a-Si:H TFT 的C-V特性曲线
第三讲a-Si:H TFT 的结构和工作原理
1. a-Si:H TFT的工作原理 3.TFT-LCD的基本结构
柏拉图 王丽娟 2006年8月29日
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a-Si:H 的性质
1. a-Si:H TFT的工作原理
a-Si:H TFT的有源层材料是a-Si:H，它是一种典型的非晶态半导体材料，从 而决定了TFT的某些性质不同于MOSFET。