第三讲-a-SiH-TFT-的结构与工作原理

1王丽娟2006年8月29日第三讲a-Si:HTFT的结构和工作原理柏拉图1.a-Si:HTFT的工作原理3.TFT-LCD的基本结构2a-Si:H的性质1.a-Si:HTFT的工作原理a-Si:HTFT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。(a)(b)晶态和非晶态硅中缺陷示意图(a)为晶体；(b)非晶体3a-Si:HTFT的工作原理1.a-Si:HTFT的工作原理半导体金属绝缘层欧姆接触MIS结构简化的底栅型a-SiTFT的结构有源层是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。4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a-Si:HTFT的能带图1.a-Si:HTFT的工作原理EcEfEiEvqvB(a)EcqVGSqvsEfEiEv(b)（a）平带状态VGS=0；（b）电子积累VGS0表面出现电子的积累而带负电5qVGSEcqVGSqvsEfEiEv(c)EcqvsEfEiEv(d)（c）电子耗尽VGS0；（d）反型状态VGS0a-Si:HTFT的能带图1.a-Si:HTFT的工作原理表面处电子浓度将较体内电子浓度低表面空穴浓度将超过体内电子的浓度6理想的MOS器件的C-V特性曲线用C-V特性曲线来说明三种情况的变化，累积、耗尽等。半导体金属绝缘层欧姆接触MIS结构t空间电荷区tdC0VGCfmCsT1+T21.a-Si:HTFT的工作原理GateCGDOCGDICGSOCGSIDxRDRSSxDrainSource(a)7a-Si:HTFT的C-V特性曲线1.30E-101.35E-101.40E-101.45E-101.50E-10-30-20-100102030VGS(V)C(F/mm2)100KHz1MHzQC与100KHz同时QC与1MHz同时用C-V特性曲线来说明a-Si:HTFT的三种情况，累积、耗尽等。半导体金属绝缘层欧姆接触MIS结构t空间电荷区tdC01.a-Si:HTFT的工作原理8a-Si:HTFT的工作区1.00E-151.00E-131.00E-111.00E-091.00E-071.00E-05-25-20-15-10-50510152025VGS(V)IDS(A)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线性区截止区亚阈值后区亚阈值前区饱和区VTR0VONVDS+VTH转移特性曲线，被分为四个区域：截止区VGS≤VTR、亚阈值区VTRVGSVON、亚阈值区又分为亚阈值后区VTRVGS0和亚阈值前区0≤VGSVON。饱和区VON≤VGS≤VDS+VTH、线性区VGSVDS+VTH。1.a-Si:HTFT的工作原理9a-Si:HTFT的线性区和饱和区IDsatVDsatVDSIDSxyn+VG反型层n+VD=小反型层n+yVGxn+VD=大IDsatVDsatVDSIDSVGS≧VTH,VDS≧VGS-VTHVGS≧VTH,VDSVGS-VTH（a）线性区域特性（b）饱和区域特性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；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:HTFT的工作原理10a-Si:HTFT的亚阈值区前界面后界面a-Si:Hi/sSiNx绝缘层△LD亚阈值前区：栅压加正压时，0≤VGSVON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VTRVGS0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。1.a-Si:HTFT的工作原理11a-Si:HTFT的截止区当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。a-Si:Hi/sSiNx绝缘层△LD1.a-Si:HTFT的工作原理12a-SiTFT的结构注:5PEP过孔在a-SiTFT的结构中没有体现3.a-Si:HTFT的基本结构13a-SiTFT的结构3.TFT-LCD的基本结构14a-SiTFT的结构3.a-Si:HTFT的基本结构15a-SiTFT的结构3.TFT-LCD的基本结构16a-SiTFT的结构•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+a-Si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。•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3.TFT-LCD的基本结构17a-SiTFT驱动原理•a-SiTFT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-SiTFT-LCD有源矩阵采用的是逐行扫描。CRT和P-SiTFT-LCD采用的是逐点扫描。在驱动a-SiTFT-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-SiTFT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。18a-SiTFT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。彩晶的LCD的驱动使用的是逐行扫描