Tenkovrstvý tranzistor - Thin-film transistor

Několik typů konstrukcí TFT.

Tenkovrstvý tranzistor ( TFT ) je speciální druh kov-oxid-polovodič unipolární tranzistor (MOSFET) vytvořeny nanesením tenké vrstvy z aktivního polovodičové vrstvy, jakož i dielektrické vrstvy a kovovými kontakty přes nosné (ale nikoli -vodivý) substrát . Běžným substrátem je sklo , protože primární aplikace TFT je na displejích z tekutých krystalů (LCD). To se liší od konvenčního hromadného tranzistoru MOSFET , kde polovodičový materiál obvykle jesubstrát, jako je křemíková oplatka .

Výroba

TFT lze vyrábět pomocí široké škály polovodičových materiálů. Běžným materiálem je křemík . Charakteristiky TFT na bázi křemíku závisí na krystalickém stavu křemíku ; to znamená, že polovodičová vrstva může být buď amorfní křemík , mikrokrystalický křemík , nebo může být žíhána na polysilikon .

Jiné materiály, které byly použity jako polovodiče v TFT, zahrnují polovodiče sloučenin, jako je selenid kademnatý , nebo oxidy kovů, jako je oxid zinečnatý nebo hafnium . Aplikace pro oxid hafnia je jako dielektrikum s vysokým κ . TFT byly také vyrobeny s použitím organických materiálů, označovaných jako organické tranzistory s efektem pole nebo OTFT.

Použitím transparentních polovodičů a průhledných elektrod , jako je indium -oxid cínu (ITO), lze některá zařízení TFT zcela zprůhlednit. Tyto transparentní TFT (TTFT) lze použít pro konstrukci panelů pro zobrazení videa. Protože konvenční substráty nemohou odolat vysokým teplotám žíhání, musí být proces nanášení dokončen za relativně nízkých teplot. Aplikuje se chemické napařování a fyzikální napařování (obvykle naprašování ). První TTFT zpracované v roztoku, založené na oxidu zinečnatém , byly hlášeny v roce 2003 vědci z Oregonské státní univerzity . Portugalská laboratoř CENIMAT na Universidade Nova de Lisboa vyrobila první zcela transparentní TFT na světě při pokojové teplotě. CENIMAT také vyvinul první papírový tranzistor, což může vést k aplikacím, jako jsou časopisy a stránky časopisů s pohyblivými obrázky.

Během výroby jsou TFT opravovány pomocí laserů, dávkovačů inkoustu a chemické depozice par (CVD).

Aplikace

Nejznámější aplikací tenkovrstvých tranzistorů je TFT LCD , implementace technologie zobrazování tekutých krystalů . Tranzistory jsou zabudovány do samotného panelu, což snižuje přeslechy mezi pixely a zlepšuje stabilitu obrazu.

Od roku 2008 tuto technologii používá mnoho barevných LCD televizorů a monitorů. Panely TFT se často používají v aplikacích digitální radiografie v obecné radiografii. TFT se používá v přímém i nepřímém zachycení jako základ pro obrazový receptor v lékařské radiografii .

Od roku 2013 používají všechna moderní elektronická vizuální zobrazovací zařízení s vysokým rozlišením a vysokou kvalitou aktivní maticové displeje na bázi TFT .

Displeje AMOLED také obsahují vrstvu TFT pro adresování pixelů s aktivní maticí jednotlivých organických světelných diod .

Nejpřínosnějším aspektem technologie TFT je použití samostatného tranzistoru pro každý pixel na displeji. Protože je každý tranzistor malý, je také malé množství náboje potřebné k jeho ovládání. To umožňuje velmi rychlé přetažení displeje.

Struktura matice displeje TFT

Tento obrázek neobsahuje skutečný světelný zdroj (obvykle zářivky se studenou katodou nebo bílé LED diody ), pouze matici TFT displeje.

Dějiny

V únoru 1957 podal John Wallmark z RCA patent na tenkovrstvý MOSFET, ve kterém byl jako hradlové dielektrikum použit oxid germania. Paul K.Weimer , rovněž z RCA, implementoval nápady společnosti Wallmark a v roce 1962 vyvinul tenkovrstvý tranzistor (TFT), typ MOSFET odlišný od standardního hromadného MOSFETu. Byl vyroben z tenkých filmů selenidu kademnatého a sulfidu kademnatého . V roce 1966 vyrobili TP Brody a HE Kunig ve společnosti Westinghouse Electric TFT MOS indium arsenide (InAs) v režimech vyčerpání i vylepšení .

Myšlenku displeje z tekutých krystalů (LCD) na bázi TFT vytvořil Bernard J. Lechner z RCA Laboratories v roce 1968. Lechner, FJ Marlowe, EO Nester a J. Tults představili koncept v roce 1968 s dynamickým rozptylovým LCD s 18x2 maticí který používal standardní diskrétní MOSFETy, protože výkon TFT nebyl v té době adekvátní. V roce 1973 T. Peter Brody , JA Asars a GD Dixon z Westinghouse Research Laboratories vyvinuli CdSe ( selenid kademnatý ) TFT, který použili k demonstraci prvního CdSe tenkovrstvého tranzistoru s tekutými krystaly (TFT LCD). Skupina Westinghouse také informovala o provozní elektroluminiscenci TFT (EL) v roce 1973 pomocí CdSe. Brody a Fang-Chen Luo předvedli první plochý displej s tekutými krystaly s aktivní maticí (AM LCD) pomocí CdSe v roce 1974 a poté Brody v roce 1975 razil termín „aktivní matrice“. Hromadná výroba tohoto zařízení však nikdy nebyla realizována, kvůli komplikacím při kontrole vlastností materiálu tenkého filmu složeného polovodiče a spolehlivosti zařízení na velkých plochách.

Průlom ve výzkumu TFT nastal s vývojem amorfního křemíku (a-Si) TFT od PG le Comber, WE Spear a A. Ghaith na univerzitě v Dundee v roce 1979. Ohlásili první funkční TFT vyrobený z hydrogenovaného a-Si s dielektrickou vrstvou brány nitridu křemíku . TFT a-Si byl brzy uznán jako vhodnější pro velkoplošný AM LCD. To vedlo v Japonsku ke komerčnímu výzkumu a vývoji (R&D) panelů AM LCD založených na a-Si TFT.

V roce 1982 byly v Japonsku vyvinuty kapesní LCD televizory založené na technologii AM LCD. V roce 1982 vyrobil S. Kawai společnosti Fujitsu a-Si jehličkový displej a Canon Y. Okubo vyrobil a-Si kroucené nematické (TN) a host-hostitelské LCD panely. V roce 1983 vyrobila Toshiba K. Suzuki a-Si TFT pole kompatibilní s integrovanými obvody CMOS (IC), M. Sugata společnosti Canon vyrobil barevný LCD panel a -Si a společný tým Sanyo a Sanritsu včetně Mitsuhiro Yamasaki, S. Suhibuchi a Y. Sasaki vyrobili 3palcový barevný LCD televizor a-SI.

Prvním komerčním produktem AM LCD na bázi TFT byl 2,1palcový Epson ET-10 (Epson Elf), první barevný LCD kapesní televizor, vydaný v roce 1984. V roce 1986 výzkumný tým Hitachi vedený Akio Mimurou prokázal nízkou teplotu polykrystalický křemík (LTPS) Způsob výroby N-Channel TFTs na křemíku na izolátoru (SOI), při relativně nízké teplotě 200 ° C . Hosiden výzkumný tým vedený T. Sunata v roce 1986 použit a-Si TFTs vyvinout 7-palcový barevný LCD panel AM a AM LCD panel 9 palců. Na konci 80. let dodává společnost Hosiden jednobarevné TFT LCD panely společnosti Apple Computers . V roce 1988 výzkumný tým Sharp vedený inženýrem T. Nagayasu použil hydrogenované a-Si TFT k demonstraci 14palcového plnobarevného LCD displeje, který přesvědčil elektronický průmysl, že LCD nakonec nahradí katodovou trubici (CRT) jako standardní technologie televizního displeje . Ve stejném roce Sharp uvedl na trh TFT LCD panely pro notebooky . V roce 1992 Toshiba a IBM Japan představily 12,1palcový barevný panel SVGA pro první komerční barevný notebook od IBM .

TFT mohou být také vyrobeny z oxidu zinečnatého indium galia ( IGZO ). TFT-LCD s tranzistory IGZO se poprvé objevily v roce 2012 a byly poprvé vyrobeny společností Sharp Corporation. IGZO umožňuje vyšší obnovovací frekvence a nižší spotřebu energie. V roce 2021 byl vyroben první flexibilní 32bitový mikroprocesor pomocí technologie IGZO TFT na polyimidovém substrátu.

Viz také

Reference