薄膜晶体管液晶显示器显示原理与设计

作 译 者:廖燕平等

出版时间:2016-06 千 字 数:450

版 次:01-01 页 数:400

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第1章 液晶显示的基本概念 1

1.1 液晶简介 1

1.2 液晶的特性 2

1.2.1 电学各向异性 2

1.2.2 光学各向异性 3

1.2.3 力学特性 4

1.2.4 其他特性 4

1.3 偏光片 5

1.3.1 偏光片的基本原理 5

1.3.2 偏光片的基本构成 6

1.3.3 偏光片的参数 9

1.3.4 偏光片的表面处理 11

1.4 玻璃基板 12

1.5 液晶显示的基本原理 12

1.5.1 液晶显示器的基本结构 12

1.5.2 液晶显示原理 13

1.6 显示器的光电特性 14

1.6.1 透过率 14

1.6.2 对比度 15

1.6.3 响应时间 15

1.6.4 视角 16

1.6.5 色域 16

1.6.6 色温 17

1.7 画质改善技术 17

1.7.1 量子点技术 17

1.7.2 高动态范围图像技术 18

1.7.3 局域调光技术 18

1.7.4 姆拉擦除技术 19

1.7.5 运动图像补偿技术 19

1.7.6 帧频转换技术 20

1.8 立体显示技术原理 21

1.8.1 双眼视差 21

1.8.2 立体显示技术分类 23

1.8.3 眼镜式3D显示技术 24

1.8.4 裸眼3D显示技术 28

1.8.5 3D显示的主要问题 33

第2章 氢化非晶硅薄膜晶体管材料与器件特性 34

2.1 氢化非晶硅薄膜的特点 34

2.1.1 原子排列和电子的态密度 34

2.1.2 氢化非晶硅的导电机理 37

2.1.3 氢化非晶硅的亚稳定性 39

2.2 绝缘层材料的特点 40

2.2.1 氮化硅 41

2.2.2 氧化硅 41

2.2.3 绝缘层的导电机理 42

2.3 薄膜沉积 45

2.3.1 概述 46

2.3.2 a-Si:H薄膜的沉积 46

2.3.3 a-Si:H薄膜的影响因素 47

2.3.4 n+ a-Si:H薄膜的沉积 52

2.3.5 绝缘层薄膜的沉积 52

2.3.6 薄膜的界面效应 55

2.4 薄膜刻蚀 57

2.4.1 导电薄膜的刻蚀 57

2.4.2 功能薄膜的刻蚀 58

2.5 TFT器件结构与特点 59

2.5.1 底栅结构 60

2.5.2 顶栅结构 62

2.5.3 器件基本特性 62

2.6 器件电学性能的不稳定性 65

2.7 薄膜评价方法 66

2.7.1 傅里叶变换红外光谱 66

2.7.2 紫外线-可见光谱 67

2.7.3 恒定光电流方法 68

2.7.4 拉曼光谱 69

2.7.5 椭偏仪 69

第3章 液晶面板设计与驱动 70

3.1 显示屏的构成 70

3.1.1 显示区 70

3.1.2 密封区 76

3.1.3 衬垫区 77

3.1.4 特征标记 78

3.2 玻璃基板上薄膜的边界条件 79

3.2.1 彩膜基板上的边界条件 79

3.2.2 阵列基板上的边界条件 80

3.3 液晶显示模式与原理 80

3.3.1 液晶显示模式 80

3.3.2 液晶显示光阀原理 82

3.4 曝光工艺技术 85

3.4.1 掩模版 85

3.4.2 曝光机类型 86

3.4.3 光刻工艺 87

3.4.4 五次/四次光刻工艺过程 88

3.4.5 光透过率调制掩模版技术 89

3.5 像素设计原理 91

3.5.1 电容 91

3.5.2 像素中电阻计算 100

3.5.3 TFT性能要求 101

3.5.4 像素充电率模拟 105

3.6 面板的驱动 107

3.6.1 面板的电路驱动原理图 107

3.6.2 极性反转驱动 108

3.7 GOA驱动原理 113

3.7.1 GOA基本概念 113

3.7.2 GOA工作原理 114

3.7.3 GOA设计 120

3.7.4 GOA的模拟仿真 126

3.7.5 GOA设计的其他考虑 131

第4章 液晶显示颜色基础 132

4.1 色度基础 132

4.1.1 可见光谱 132

4.1.2 辐射度与光度 133

4.1.3 颜色的辨认 135

4.1.4 颜色三要素 136

4.2 颜色的表征 138

4.2.1 格拉斯曼混合定律 138

4.2.2 光谱三刺激值 139

4.2.3 色坐标计算 144

4.2.4 均匀色度系统及色差 146

4.3 液晶显示的颜色参数及计算 148

4.3.1 颜色再现原理 148

4.3.2 色坐标和亮度计算 148

4.3.3 灰阶与色深 150

4.3.4 色域计算 150

4.3.5 色温计算 152

第5章 液晶光学设计基础 154

5.1 概述 154

5.1.1 液晶盒的主要参数 154

5.1.2 常见的液晶显示模式 155

5.2 透过率 156

5.2.1 液晶光学偏振原理 156

5.2.2 不同显示模式的透过率 168

5.3 对比度和视角 176

5.3.1 对比度和视角的影响因素 176

5.3.2 不同模式下的对比度和视角 178

5.4 阈值电压和响应时间 183

5.4.1 液晶电学和力学原理 183

5.4.2 不同显示模式的阈值电压和响应时间 186

5.5 工作温度对液晶的影响 189

5.6 液晶参数对显示影响概述 190

第6章 驱动电路系统设计基础 191

6.1 模组驱动电路系统 191

6.1.1 OC的驱动电路 191

6.1.2 LED背光源的驱动电路 193

6.2 电源管理集成电路 196

6.2.1 Buck电路 197

6.2.2 Boost电路 198

6.2.3 Buck-Boost电路 200

6.2.4 LDO电路 201

6.2.5 电荷泵电路 202

6.2.6 VCOM电路 204

6.2.7 多阶栅驱动电路 204

6.3 时序控制器 205

6.3.1 时序控制器概述 205

6.3.2 接口信号特点 207

6.3.3 LVDS接口 210

6.3.4 eDP接口 213

6.3.5 mini-LVDS接口 213

6.3.6 Point to Point接口 215

6.3.7 V-by-One接口 215

6.4 数据驱动集成电路 216

6.4.1 数据驱动集成电路概述 216

6.4.2 双向移位寄存器 218

6.4.3 数据缓冲器 219

6.4.4 电平转换器 220

6.4.5 数模转换器 221

6.4.6 缓冲器和输出多路转换器 222

6.4.7 预充电电路 223

6.4.8 电荷分享电路 224

6.5 扫描驱动集成电路 225

6.5.1 扫描驱动集成电路概述 225

6.5.2 扫描驱动集成电路时序 226

6.5.3 XAO电路 226

6.6 Gamma电路与调试 227

6.6.1 Gamma电路 228

6.6.2 Gamma数值计算 229

6.6.3 Gamma电压调试 229

6.7 ACC调试 232

6.8 ODC调试 233

6.9 电视整机电路驱动系统概述 235

第7章 机构光学设计基础 240

7.1 荧光灯光源 241

7.2 发光二极管光源 243

7.2.1 LED的基本特点 243

7.2.2 LED的分类与光谱 245

7.2.3 LED的I-V特性 247

7.2.4 LED的辐射参数 248

7.2.5 LED的光电特性 250

7.3 光学膜材 253

7.3.1 反射片 254

7.3.2 导光板 254

7.3.3 扩散板 257

7.3.4 扩散片 257

7.3.5 棱镜片 258

7.3.6 反射型偏光增亮膜 260

7.4 背光模组结构 261

7.4.1 直下式背光结构 262

7.4.2 侧光式背光结构 262

7.5 机构部品材料特点 264

7.5.1 金属部品的特点 264

7.5.2 非金属部品的特点 265

7.5.3 机构设计对散热的影响 265

7.5.4 包装材料的特点 265

7.6 能耗标准 266

第8章 液晶显示器性能测试 268

8.1 TFT电学性能测试 268

8.1.1 TFT特性参数测试仪 268

8.1.2 被测样品准备 269

8.1.3 参数定义 269

8.1.4 TFT转移特性曲线测试 270

8.1.5 TFT输出特性曲线测试 273

8.1.6 TFT的光偏压应力测试 274

8.1.7 TFT的热偏压应力测试 275

8.1.8 TFT的电偏压应力测试 276

8.2 显示器光学特性测试 278

8.2.1 亮度及亮度均匀性测试 279

8.2.2 对比度测试 279

8.2.3 视角测试 280

8.2.4 色度学测试 281

8.3 响应时间测试 284

8.3.1 灰阶响应时间测试 284

8.3.2 动态响应时间测试 285

8.4 闪烁测试 285

8.4.1 JEITA测试法 285

8.4.2 FMA测试法 286

8.5 泛绿测试 286

8.6 串扰测试 287

8.7 残像测试 288

8.8 VT曲线测试 289

8.9 Gamma曲线测试 290

第9章 阵列制造工程 292

9.1 阵列制造工程概述 292

9.2 溅射 294

9.3 磁控溅射 296

9.3.1 磁控溅射的特点 296

9.3.2 工艺条件对沉积薄膜的影响 297

9.4 等离子体增强化学气相沉积 299

9.4.1 薄膜沉积基本过程 299

9.4.2 沉积SiNx薄膜 300

9.4.3 沉积a-Si:H薄膜 301

9.4.4 沉积n+ a-Si:H薄膜 303

9.5 光刻胶的涂布与显影工艺 303

9.5.1 光刻胶材料特性 303

9.5.2 光刻胶涂布工艺 304

9.5.3 光刻胶显影工艺 304

9.5.4 光刻胶剥离工艺 305

9.6 干法刻蚀工艺 306

9.6.1 干法刻蚀基本原理 306

9.6.2 干法刻蚀种类 306

9.7 湿法刻蚀 310

9.8 阵列不良的检测与修复 312

9.8.1 检测与修复概述 312

9.8.2 自动光学检查 313

9.8.3 断路/短路检查 316

9.8.4 阵列综合检测 318

9.8.5 阵列不良修复 320

第10章 彩膜制造工程 322

10.1 彩膜制造工程概述 322

10.2 光刻胶的主要组分与作用 323

10.2.1 颜料 323

10.2.2 分散剂 325

10.2.3 碱可溶性树脂 326

10.2.4 感光树脂 327

10.2.5 光引发剂 328

10.2.6 有机溶剂 328

10.2.7 其他添加剂 328

10.3 彩膜制作工艺流程 328

10.4 彩膜中各层薄膜的特性 330

10.4.1 黑矩阵 330

10.4.2 色阻 331

10.4.3 平坦化层 332

10.4.4 透明导电薄膜 332

10.4.5 柱状隔垫物 333

10.5 彩膜制程各工艺特点 335

10.5.1 清洗 335

10.5.2 涂布工艺 336

10.5.3 前烘工艺 338

10.5.4 曝光工艺 338

10.5.5 显影工艺 339

10.5.6 后烘工艺 339

10.6 不良的检测与修复 340

10.6.1 不良的检测 340

10.6.2 不良的修复 341

10.7 再工工程 341

10.8 材料测试与评价 342

10.8.1 色度和光学密度 342

10.8.2 对比度 342

10.8.3 色阻的位相差 343

10.8.4 黏度 343

10.8.5 固含量 343

10.8.6 溶剂再溶解性 343

10.8.7 制版性 344

10.8.8 电学特性 345

10.8.9 表面特性测试 346

第11章 液晶盒制造工程 348

11.1 液晶盒制造工程概述 348

11.2 取向层涂布工艺 349

11.2.1 取向层材料特点 349

11.2.2 凸版印刷方式 352

11.2.3 喷墨印刷方式 354

11.2.4 热固化 356

11.3 取向技术 357

11.3.1 取向机理 357

11.3.2 摩擦取向 358

11.3.3 光控取向 362

11.4 液晶滴注 364

11.5 边框胶涂布 365

11.6 真空对盒 367

11.7 紫外固化和热固化 367

11.8 切割和研磨 368

11.9 液晶盒检测和修复 370

11.10 清洗 372

第12章 模组制造工程 374

12.1 模组制造工程概述 374

12.2 偏光片贴附工艺 375

12.2.1 偏光片贴附 375

12.2.2 加压脱泡 376

12.3 OLB工艺 376

12.3.1 ACF材料特点 377

12.3.2 COF邦定 378

12.3.3 UV胶涂布 379

12.4 回路调整 379

12.5 模组组立 380

附录A 薄膜晶体管的SPICE模型与参数提取 381

A.1 概述 381

A.2 数据获取 382

A.2.1 工艺参数的确定 383

A.2.2 阈值电压的确定 383

A.2.3 场效应迁移率的确定 383

A.2.4 器件开关比的确定 384

A.2.5 亚阈值斜率的确定 384

A.3 模型参数的优化 384

A.3.1 薄膜晶体管等效电路 385

A.3.2 氢化非晶硅器件模型 385

A.3.3 低温多晶硅器件模型 386

A.4 模型参数提取 389

A.4.1 提取工具简介 389

A.4.2 模型参数提取实例 393

附录B 面板设计流程与验证工具 403

B.1 设计流程概述 403

B.1.1 设计数据管理工具 404

B.1.2 电路原理图设计 404

B.1.3 电路仿真 406

B.1.4 版图设计 409

B.2 版图验证 411

B.2.1 DRC验证 412

B.2.2 ERC验证 415

B.2.3 LVS验证 417

B.2.4 LVL验证 420

参考文献 421

本书基于薄膜晶体管液晶显示器的生产和设计实践，首先介绍了薄膜晶体管液晶显示器的基本概念和器件原理，然后以产品开发的角度从面板设计与驱动、液晶盒颜色设计、液晶光学设计、电路设计和机构光学设计方面的基础内容进行了详细介绍，接着介绍了显示器的性能测试方法，最后再介绍了阵列、彩膜、液晶盒和模组四大工艺制程。

因建造TFT工厂的巨大花费，因此主要的皮肤代工厂商或许不会超出四或五家。几个为大家所知的是夏普、友达、奇美、三星、乐金飞利浦等。

未进行系统及ID组装前皮肤模块通常会在厂内分成三个类，这三种分别是亮暗点数目、皮肤显示出的灰阶及色彩的均匀性及一般性的产品品质。此外地，同批号的不同片皮肤仍会有+/-2ms反应时间上的差别。品质上判定最差的皮肤后来会卖予白牌的厂商。

品质上较差的皮肤或是15英吋以下尺寸通常不会含有数字信号兼容接口DVI，因此它们的未来适用性或许会受限。较高的17英吋或19英吋机种,用于玩家及办公室所使用的屏幕或许会有双重显示插槽:模拟的D-sub及数字的DVI;几乎所有专业的屏幕都会有DVI及为了书信模式而转90度的设计。无论如何，即始使用了DVI的影象信号,也不保证会有较佳的影象品质:一个好的图像卡RAMDAC及合适且俱保护的模拟VGA线亦能提供相同的显示品质。

薄膜晶体管液晶显示器技术是由欧美国家率先提出的，但由于技术和制作过程不够成熟，直到上世纪80年代末期，日本厂商完全掌握了主要生产技术，并开始进行大规模的生产，形成了目前的巨大产业 年，1992年，随着笔记本电脑对液晶显示器件产品的需求，薄膜晶体管液晶显示器确立了作为液晶显示的主流地位，并随着技术的进一步发展，薄膜晶体管液晶显示器的生产成本大幅度下降，促使人们对显示器件的需求从笨重的阴极射线管转向轻薄的薄膜晶体管，且最终超过阴极射线管的市场份额，到2000年前后，开启了液晶电视新行业, 据中国电子报报道，目前薄膜晶体管液晶显示器制造技术已经发展到8 代线， 10代线、11 代线、12 代线的建设也已经在规划中, 我国薄膜晶体管液晶显示器在显示领域已经落后，但专家建议我们不能绕过薄膜晶体管液晶显示器，寻找别的突破口发展我国的平板显示产业，而应迅速开展TFC: LCD 生产线和相关技术创新能力的建设，提高我国薄膜晶体管液晶显示器件产业在国际上的竞争力。

在当前迅速发展的液晶显示技术中，薄膜晶体管液晶显示器以其大容量、高清晰度和高品质全真彩色受到人们的广泛青睐。薄膜晶体管液晶显示器的显示质量和整体性能在很大程度上取决于薄膜晶体管性能，薄膜晶体管(787)是众多场效应晶体管(897)中的一种非晶硅用于制作薄膜晶体管液晶显示器技术的成熟，使非晶体薄膜晶体管液晶显示器在薄膜晶体管液晶显示器的市场中占据了主导地位，而非晶硅薄膜晶体管由于其低迁移率、电导率等性能，严重制约了薄膜晶体管液晶显示器的发展，寻找合适的替代品，追求高迁移率和高电导率一直是研究人员关注的焦点，在此基础上，多晶硅、微晶硅相继发展，虽然在一定程度上暂时解决了迁移率、电导率低的问题，但因多晶硅、微晶硅的价格昂贵、材料短缺，因而未能动摇非晶硅的主导地位。 随后的纳米硅薄膜晶体管液晶显示器依靠其本身具有高电导率、高迁移率的优越性以及当前纳米技术的进展而成为一个引人注目的新亮点。

前段-Array

前段的Array 制程与半导体制程相似，但不同的是将薄膜晶体管制作于玻璃上，而非硅晶圆上。

中段-Cell

中段的Cell 制程，是以前段Array的玻璃为基板，与彩色滤光片的玻璃基板结合，并在两片玻璃基板间灌入液晶(LC)。

后段-Module Assembly (模块组装)

后段模块组装制程是将Cell制程后的玻璃与其他如背光板、电路、外帧等多种零组件组装的生产作业

薄膜晶体管液晶显示器的显示质量和性能在很大程度上都取决于薄膜晶体管的性能，而质量良好的薄膜又是保证薄膜晶体管的性能的关键所在。薄膜晶体管的结构一般分为:正交叠结构和反交叠结构和反交叠结构包括背沟道刻蚀型和背沟道保护型。由于正交叠结构形成的薄膜晶体管的源极和漏极与有源层构成的欧姆接触很不理想，所以大多在制造薄膜晶体管时选用反交叠结构。 正交叠结构薄膜晶体管、背沟道保护型结构薄膜晶体管也称为顶栅式薄膜晶体管、背沟道阻挡型薄膜晶体管。但不论是正交叠结构，还是反交叠结构，其结构的组成基本都是一样的，一般包括:栅金属电极、栅绝缘层、有源层、欧姆接触层、源电极、漏电极。 栅电极金属可选用金、铬、铝、钼、铜以及某些合金材料等，但就其成本而言，铝被最广泛采用的。 栅绝缘层可采用由不同方法制备的二氧化硅薄膜和氮化硅薄膜，这两种薄膜各有利弊，初期的薄膜晶体管是用二氧化硅薄膜作为栅绝缘层的，二氧化硅可以填补有源层的晶粒缺陷，增大晶粒密度。而现在越来越青睐于应用氮化硅薄膜作栅绝缘层，但氮化硅薄膜的厚度对薄膜晶体管的影响很大，太厚导致充电电流I较小，像素电容电压较低，液晶不能被充分驱动，降低了薄膜晶体管的开关性能和器件的对比度，甚至无法显示图像;太薄时抗击穿的能力变差，容易出现栅电极与源极短路现象。 针对这一问题，有关研究人员提出了双层栅绝缘层结构。有源层采用硅薄膜，硅薄膜按其平均晶粒大小、晶态百分比、氢原子数含量等不同，依次分为非晶硅、微晶硅、纳米硅、多晶硅、单晶硅。

寻常的液晶显示器好比计算器(calculator)的显示面版，其图像元素是由电压直接驱动;当控制一个单元时不会影响到其他单元。当像素数量增加到极大如以百万计时，这种方式就变得不实际，注意到每个像素的红、绿、蓝三色都要有个别的连接线。 为了避免这种困境，将像素排成行与列则可将连接线数量减至数以千计。如果一列中的所有像素都由一个正电位驱动，而一行中的所有像素都由一个负电位驱动，则行与列的交叉点像素会有最大的电压而被切换状态。然而此法仍有些问题，即是同一行或同一列的其他像素虽然受到的电压仅为部分值，但这种部份切换仍可使像素变暗(以不切换为亮的液晶显示器而言。)解决方法是每个像素都添加一个配属于它的晶体管开关，使得每个像素都可被独立控制。晶体管所拥有的低漏电流特征所代表的意义乃是当画面更新之前，施加在像素的电压不会任意丧失掉。每个像素是个小的电容器，前方有着透明的铟锡氧化物(ITO)层，后方也有透明层，并有绝缘性的液晶处在其中。

此种电路布置方式很类似于动态访问存储器，只不过整个架构不是建在硅晶圆上，而是建构在玻璃上。许多硅晶圆制程技术所需的温度会超过玻璃的熔点。寻常半导体的硅基质是利用液态硅长出很大的单晶，具有晶体管的良好特质。而薄膜晶体管液晶显示器所用到的硅层是利用硅化物气体制造出非晶硅层或多晶硅层，这种制造方法较不适合做出高等级的晶体管。

TN

TN+film(Twisted Nematic +film)是最常见的类型，主因于产品低价及多样性。在现代的TN型皮肤上，像素的反应时间已快到足以大幅减少残影问题，甚至在规格上反应时间已经很快，但这个传统反应时间是由ISO制定的标准，只定义了由全黑至全白的转换时间，但并不表示是灰阶间的转换时间。在灰阶之间的转换时间(这是平常液晶实际上较频繁的转换)比由ISO所定义的要来得久。现在使用的RTC-OD(Response TimeCompensation-Overdrive)技术，让制造商得以有效的降低不同灰阶间(G2G)的转换时间，然而，ISO所定义的反应时间实际上并未改变。反应时间现在被用G2G的数字来表示，例如4ms及2ms，在TN+Film的产品上已司空见惯。这个市场策略，拥有相对于VA型较低成本的TN型皮肤，已在主导TN于消费性市场的走向。TN型显示器苦于视角上的限制，特别是在垂直方向上，而且大部份无法显示由现行绘图卡输出的16.7百万色(24位的真实色彩)。经由特殊的方式，RGB三色使用6 bits来当作8bits用，它使用结合邻近像素的降阶法去趋近24-bits色彩,以此来模拟出所需的灰阶。也有人使用FRC(Frame Rate Control)

对液晶显示器来说，像素实际的穿透率一般不会与施予的电压成线性变化。

B-TN(Best TN)由三星发展。改善TN色彩与反应时间。

VA CPA(Continuous Pinwheel Alignment)由夏普开发 。色彩再现高，产量少价格贵。MVA(Multi-domain Vertical Alignment)由富士通于1998年开发，目的是作为TN与IPS的折衷方案。在当时，它拥有快速的像素反应、广视角及高对比，但相对的犠牲了亮度与色彩再现性。分析家预测MVA技术将主导整个主流市场，但TN却拥有此优势。主因为MVA的成本较高，及较慢的像素反应(它会在小变化亮度时戏剧性的增加)。

P-MVA(Premium MVA)改善MVA可视角度与反应时间。A-MVA(Advanced MVA)由友达发展。S-MVA(Super MVA)由奇美发展。VAextreme由奇美发展。PVA(Patterned Vertical Alignment)由三星发展，虽然三星称其为目前具有最好对比的技术，不过却也存在着与MVA相同的问题。S-PVA(Super PVA)由三星发展，改善PVA可视角度与反应时间。C-PVA由三星发展。

IPS IPS(In-Plane Switching)由日立在1996为改TN型皮肤的不良视角及色再现性而发展出来的。这种改善却增加了反应时间，它的初始就是50ms的等级,IPS型的皮肤成本也是极昂贵的。

S-IPS(Super IPS)拥有IPS技术的优点之外,又改善了像素的更新时间。色再现性更接近CRTs，价格也降低，然而对比仍然十分不佳。目前S-IPS仅应用于专业目的的较大型显示器上。