היכרות עם מצע TFT ב-LCD
לוח תצוגת TFT-LCD LCD שלם מחולק בהתאם לתהליך הייצור וניתן לחלק אותו באופן גס לשלושה מקטעי תהליך, כלומר: מקטע תהליך מערך מערך, מקטע תהליך מסנן צבע CF ומקטע תהליך עם קופסא. סעיף תהליך המערך של מערך הוא מה שאנו מכנים לעתים קרובות ייצור מצע זכוכית TFT.
מצע ה-TFT הוא מרכיב ליבה של לוח ה-TFT-LCD ולוקח על עצמו את הפונקציות החשובות של שליטה במתגי פיקסלים והנעת זרמים. מאמר זה יתמקד במבנה ובהרכב של מצע ה-TFT-LCD Array, המאפיינים של-Si TFT והשפעת מצע ה-TFT על ביצועי ה-LCD.
1. מבנה והרכב של מצע TFT
יחידת ההנעה הליבה של ה-TFT-LCD היא מערך טרנזיסטור סרט דק (TFT Array), וכל פיקסל נשלט על ידי מתג TFT עצמאי. כדי להשיג פונקציה זו, מצע ה-TFT מאמץ מבנה רב-שכבתי, כאשר כל שכבת חומר ואלקטרודות ממלאת תפקידים שונים.
בסך הכל, TFTs ניתן לחלק לשתי קטגוריות: מבנה שער עליון ומבנה שער תחתון. נכון לעכשיו, הפתרון המרכזי עבור לוחות LCD הוא TFT מבנה שער תחתון, בעל תהליכים בוגרים ויציבות גבוהה, והוא מתאים לייצור המוני-בקנה מידה גדול.
בתהליך טיפוסי של 6 מסכות, מצע TFT במבנה שער תחתון מכיל בעיקר את החלקים הבאים:
1. מצע זכוכית
כפלטפורמת התמיכה הפיזית לכל המערך, היא מספקת בסיס שטוח ושקוף.
זה נדרש להיות בעל מימד יציב ומקדם התפשטות תרמית קטן כדי להבטיח את הדיוק של תהליכי שקיעת סרט דק ופוטוליתוגרפיה הבאים.
2. אלקטרודת שער (אלקטרודת שער)
בדרך כלל, נעשה שימוש בחומרי מתכת (כגון Mo, Al, או סגסוגות שלהם).
על ידי שליטה במתח המופעל על השער, נקבע מצב ההפעלה- או הכיבוי של ה-TFT, שהוא שווה ערך ל"מסוף הבקרה של המתג".
3. מבודד שערים
המכסה מעל השער, החומר הנפוץ הוא SiNx או SiO₂.
תפקידו לבודד חשמלית, למנוע מהשער ליצור קשר ישיר עם שכבת המוליכים למחצה מעל, ובו זמנית להבטיח שהשדה החשמלי של השער יכול לשלוט ביעילות על התנועה האלקטרונית של אזור ערוץ המוליכים למחצה.
4. שכבה פעילה (שכבה פעילה)
זוהי הליבה של ביצועי TFT, בדרך כלל מורכבת משכבת מוליכים למחצה ושכבת מגע אומהית:
שכבת המוליכים למחצה אחראית לשידור הנשא והיא הגוף העיקרי של אזור הערוץ;
שכבת המגע האוהמית משמשת להפחתת התנגדות המגע בין אלקטרודות המקור והניקוז לבין המוליך למחצה.
בתעשיית ה-TFT-LCD הנוכחית,-Si (סיליקון אמורפי) הוא החומר המוליך למחצה הנפוץ ביותר.
תהליך a-Si TFT הוא מבוגר ועלותו נמוכה. הוא נמצא בשימוש הנפוץ ביותר בפאנלים של תצוגת TFT- באמצע- ובקצה-נמוך.
למרות שניידות האלקטרונים של-Si נמוכה יחסית, תפוקת התהליך הגבוהה שלו והגמישות החזקה בציוד הייצור הופכים אותו עדיין לבחירה המרכזית עבור TFT-LCD.
סיליקון אמורפי a-si דיאגרמת מוליכים למחצה
בנוסף ל--Si, ישנם חומרים חדשים כגון poly-Si ותחמוצת מוליכים למחצה, אך הם משמשים יותר בלוחות תצוגה ברזולוציה גבוהה-או-מיוחדים.
5. מקור וניקוז
מופץ משני צידי השכבה הפעילה ומורכב מחומר מתכת.
המקור מחובר לקו הנתונים ומעביר את מתח אות הכניסה לאזור הערוץ;
אלקטרודת הניקוז מחוברת לאלקטרודת הפיקסלים ומעבירה את מתח האות ליחידת הפיקסלים של גביש נוזלי.
6. שכבת בידוד ביניים (שכבת פסיבציה, PVX)
מכסה מעל מבנה ה-TFT, הוא ממלא תפקיד של הגנה ובידוד.
מנע מלחות, חמצן או מתח מכני לגרום נזק למכשיר ה-TFT, תוך הימנעות מקצרים מאלקטרודות המקור והניקוז לאלקטרודות הפיקסלים העליונות.
7. אלקטרודת פיקסל (ITO 1)
עשוי מחומר מוליך שקוף (בדרך כלל ITO, אינדיום פח אוקסיד).
מחובר לניקוז, הפעל את מתח אות הנתונים על שכבת הגביש הנוזלי, ושולט ישירות במצב האופטי של נקודת הפיקסל.
8. אלקטרודה משותפת (2nd ITO, COM אלקטרודה)
מול אלקטרודת הפיקסלים, היא ממוקמת בדרך כלל על מצע הזכוכית העליון.
שדה חשמלי נוצר בין האלקטרודה המשותפת לאלקטרודת הפיקסלים, וכוח פעולה מופעל על מולקולות הגביש הנוזלי כדי לשנות את סידורן, ובכך להשיג אפנון של האור.
עקרון התצוגה של TFT-LCD
במצע ה-TFT כולו, מיליוני יחידות TFT כאלה מסודרות במטריצת שורות-. קו השער בכיוון השורה אחראי על סריקה פרוגרסיבית, וקו הנתונים בכיוון העמודה אחראי על העברת מתח האות. במפגש בין השניים, ממוקמים TFT ופיקסל הגביש הנוזלי המתאים לו. כאשר כל מתחי הפיקסלים נכתבים ומתוחזקים שורה אחר שורה, כל פאנל ה-LCD יכול להציג תמונה שלמה.
2. עקרון עבודה של מצע TFT ב-LCD
1. הפונקציה של TFT כמתג
כל פיקסל מצויד ב-TFT, המקביל למתג אלקטרוני.
כאשר אות הסריקה פועל על השער, ה-TFT מופעל, והמתח במקור מועבר לניקוז, ולאחר מכן מופעל על אלקטרודת הפיקסלים.
כאשר אות השער מוסר, ה-TFT כבוי והמתח על אלקטרודת הפיקסלים נשמר למשך פרק זמן, ובכך שומר על מצב ההתמצאות של מולקולות הגביש הנוזלי.
2. שינויים בכיוון של מולקולות גביש נוזלי
לחומרי גביש נוזליים יש אפקט אלקטרו-אופטי, והמולקולות שלהם יסדרו מחדש תחת פעולת שדה חשמלי.
מתחים שונים מתאימים לזוויות נטייה מולקולרית שונות, אשר בתורו משנה את יכולת האפנון של שכבת הגביש הנוזלי לאור.
3. שידור ושליטה באור
שכבת הגביש הנוזלי דחוסה בין מצע הזכוכית העליון והתחתון, ומקטב מסודר גם בצד העליון והתחתון.
כאשר הכיוון של מולקולות הגביש הנוזלי משתנה, מצב הקיטוב של האור משתנה בהתאם, והשידור משתנה גם לאחר מעבר המקטב.
בדרך זו, ניתן להשיג את כוונון האור והחושך של הפיקסל על ידי שליטה בגודל המתח.
4. שילוב עם תאורה אחורית ותצוגה צבעונית
ה-LCD עצמו אינו פולט אור, ומקור האור הנדרש לתצוגה מגיע ממודול התאורה האחורית.
מצע ה-TFT קובע כמה מועבר התאורה האחורית על ידי שליטה בהעברת פיקסל הגביש הנוזלי.
במקביל, כל פיקסל מכוסה במסנני צבע אדום, ירוק וכחול (RGB). על ידי התאמת העברת האור של שלושת תת הפיקסלים-, ניתן לערבב אותו כדי ליצור תמונה צבעונית מלאה-.
5. שיטת הנעה כוללת
קווי השער נסרקים בהדרגה, וקווי האות נטענים במתחים טור אחר טור.
בעת סריקה לקו מסוים, כל ה-TFTs בקו זה מופעלים בו-זמנית, והמתח של קו האות נכתב לפיקסל המתאים.
לאחר סיום השורה הזו, שורת הסריקה עוברת לשורה הבאה עד שהמסך כולו מתרענן.
תהליך זה של-מחזור מהיר יכול ליצור תצוגת תמונה דינמית רציפה.
3. השפעת מצע TFT על ביצועי LCD
כשכבת הליבה המניעה של לוחות LCD, מצע ה-TFT הוא החומר, המבנה והמאפיינים החשמליים שקובעים ישירות את ביצועי המפתח של התקן התצוגה כגון רזולוציה, בהירות, ניגודיות, צריכת חשמל וחיים. להלן מסבירים זאת מכמה היבטים עיקריים.
1. רזולוציה
מצע זכוכית: ככל שהשטוחות פני השטח גבוהה יותר, כך הדיוק הגרפי של אלקטרודות הפיקסלים ומערכי ה-TFT טוב יותר, דבר המסייע להשגת יחידות פיקסלים קטנות יותר ובכך לתמוך ברזולוציה גבוהה יותר.
שכבה פעילה (a-Si): ניידות האלקטרונים של a-Si נמוכה (0.3-1 cm²/V·s), מה שמגביל את יכולת ההנעה של ה-TFT. כאשר צפיפות הפיקסלים עולה, קשה לטעון במהירות a-Si, ושיפור הרזולוציה מוגבל. אם נעשה שימוש ב-LTPS או Oxide TFT, ניידות השכבה הפעילה גבוהה יותר וניתן להגיע לתצוגה של PPI גבוה יותר.
עקבות מתכת (שער, מקור ואלקטרודת ניקוז): רוחב העקבות וההתנגדות משפיעים ישירות על קצב פתיחת הפיקסלים. מתכת בעלת התנגדות גבוהה מאלצת את העקבות להתרחב, ובכך תופסת שטח פיקסל ומפחיתה את הרזולוציה; התנגדות נמוכה Cu יכולה לשדר אותות ברוחב קו קטן יותר ולשפר את ניצול הפיקסלים.
2. בהירות ושידור
אלקטרודת פיקסל (ITO): העברת האור וההתנגדות של ה-ITO קובעות את קצב הניצול של התאורה האחורית. העברת אור גבוהה יכולה להגביר את היעילות של האור העובר דרך פיקסלים, בעוד מוליכות גבוהה מבטיחה חלוקה אחידה של אותות בפיקסלים בשטח- גדול.
עקבות מתכת מקור וניקוז: אם העקבות רחב מדי, הוא יחסום את אזור הפיקסלים, יקטין את אזור העברת האור (קצב פתיחה מופחת) ויקטין את הבהירות. Cu משמש במקום Al, אשר יכול להפחית את רוחב העקבות תוך הפחתת ההתנגדות, ובכך להגדיל את קצב הפתיחה.
שכבת בידוד (SiNx, SiO₂): שטוחות פני השטח ומאפייני הלחץ של שכבת הבידוד משפיעים על הכיוון של מולקולות גביש נוזלי. אם פני השטח לא אחידים, זה יוביל לסידור חריג של גבישים נוזליים, ובכך להפחית את השידור האופטי.
3. ביצועי ניגודיות וגווני אפור
שכבה פעילה (a-Si): יחס המיתוג של ה-TFT מושפע מהחומר. יחס המיתוג של a-Si נמוך יחסית, אשר נוטה ליצור זרם דליפה גדול, הגורם לדליפה של כמות קטנה של אור במצב השדה השחור, מה שמפחית את הניגודיות.
שכבת בידוד (SiNx, SiO₂): שכבת הבידוד האיכותית-יכולה להפחית נתיבי דליפה ולשפר את שמירת מתח הפיקסלים, ובכך לשמור על תצוגה יציבה בגווני אפור.
אלקטרודת פיקסלים (ITO): אחידות ההתנגדות של שכבת הסרט ITO תשפיע על עקביות המתח של פיקסלים שונים. אם ערך ההתנגדות אינו אחיד, זה יוביל לביצועים שונים של גווני אפור מקומיים, ויפחית את אחידות התצוגה והניגודיות הכוללת.
4. השפעת מהירות התגובה
שכבה פעילה (a-Si): הניידות של a-Si נמוכה ומהירות תנועת האלקטרונים איטית, וכתוצאה מכך זמן טעינה ופריקה ארוך של פיקסלים ובדרך כלל ברמת אלפיות השנייה, דבר שאינו מתאים ליישומים של קצב רענון גבוה. הניידות הגבוהה של LTPS או Oxide TFT יכולה לקצר משמעותית את זמן התגובה.
עקבות מתכת: התנגדות עקבות גבוהה מדי תגרום לעיכוב בשידור האות ולהשפיע על תגובת הפיקסלים. השימוש בחומרים בעלי התנגדות- נמוכה יכול להפחית את עיכוב האות ולשפר את מהירות התגובה.
קבלים טפיליים (נקבעים לפי פריסת המתכת ובידוד השער): כאשר הקבל הטפילי גדול מדי, לוקח יותר זמן לטעון את הפיקסל, מה שמפחית את יעילות התגובה בגווני אפור. עיצוב מבני סביר ואופטימיזציה של עובי שכבת הבידוד עוזרים להפחית את הקיבול הטפילי.
5. השפעת צריכת החשמל
מתכת מקור וניקוז (Al, Mo, Cu): חומרים בעלי התנגדות נמוכה יכולים להפחית את הפסדי שידור האותות ולהניע את צריכת החשמל. בשל ההתנגדות הנמוכה שלו, ל-Cu יש יתרונות ברורים בהפחתת צריכת החשמל.
שכבה פעילה (a-Si): זרם הדליפה גדול, מתח הפיקסלים מוחלש בקלות ונדרשת תדר רענון גבוה יותר כדי לשמור על תמונה יציבה, ובכך להגדיל את צריכת החשמל הכוללת.
אלקטרודת פיקסל (ITO): אלקטרודות העברת אור גבוהות יכולות לשפר את יעילות ניצול האור. תחת אותן דרישות בהירות, עוצמת התאורה האחורית יכולה להיות נמוכה יותר, ובכך להפחית את צריכת האנרגיה.
6. השפעת האמינות ותוחלת החיים
מתכת שער (Al): Hilllock (בליטות קטנות) נוצרות בקלות בטמפרטורות גבוהות, וכתוצאה מכך לקצרים או כשלים במעגל פתוח, המשפיעים על היציבות-לטווח ארוך.
Cu Metal: למרות שההתנגדות נמוכה, יש לה דיפוזיה חזקה. אם אין שכבת מחסום, קל לזהם את שכבת המוליכים למחצה ולהוביל לירידה בביצועים.
שכבת בידוד (SiNx): יכולה לחסום ביעילות את חדירתם של יוני Na⁺, אדי מים וחמצן. אם המסה אינה מספקת, הדבר יגרום לירידה מהירה בביצועי המכשיר.
שכבה פעילה (a-Si): סחף מתח סף מתרחש במהלך שעות עבודה ארוכות, וכתוצאה מכך ביקוש מוגבר למתח נהיגה, ירידה בבהירות ובניגודיות של התצוגה וקיצור חיי השירות.
בעבודה של LCD, מצע ה-TFT לא רק קובע את אפקט התצוגה של התמונה, אלא גם משפיע ישירות על רזולוציה, בהירות, ניגודיות, צריכת חשמל ואמינות. בסך הכל, מצעי TFT הם לא רק הבסיס של טכנולוגיית LCD, אלא גם המפתח לשיפור ביצועי הפאנל והתפתחות התהליך.
