La historia de las pantallas TFT

¿Por quién y cuándo se inventó la TFT?

En 1962, tras una serie de desarrollos en el campo de los semiconductores y la microelectrónica, surgió la TFT. La Radio Corporation of America (RCA) había pasado años experimentando y desarrollando transistores con la esperanza de expandir las posibilidades de su uso. Aunque la primera patente de película delgada de John Wallmark (un miembro de la RCA) fue en 1957, fue Paul K. Weimer, también de la RCA, quien desarrolló el TFT.

Evolución de los TFT

Antes de la aparición de la TFT, existía el transistor de efecto de campo (FET). El FET es un tipo de dispositivo semiconductor que permite que el transistor tenga propiedades de amplificación, control o generación con señales eléctricas. Este transistor fue creado para controlar el movimiento y el flujo de corriente dentro de los dispositivos. Los FET tienen una construcción estándar, que consta de la fuente, el drenaje y la puerta, así como sus electrodos individuales que permiten el contacto y la conducción con el semiconductor. Este dispositivo puede controlar el voltaje aplicado a través de la puerta aumentando o disminuyendo el movimiento de los portadores de carga como electrones o huecos. (la ausencia de un electrón que causa un tirón cargado) de una manera llamada movilidad de portador, o más específica para FET, movilidad de efecto de campo. Con semiconductores de alta movilidad, las cargas se amplifican, controlan o generan más fácilmente. El FET puede alterar las señales junto con sus puntos fuertes. (desde la fuente) enviado al destino (el drenaje y el receptor de la señal designado).

El FET se construyó con éxito por primera vez en 1945, años después de que la idea se patentara por primera vez en 1925. Sin embargo, no fue hasta la experimentación que creó el transistor de energía de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET), muchos años después, que el FET se volvió mucho más utilizable. . Los científicos descubrieron que podían crear una puerta aislante para el dispositivo y, al hacerlo, permitía la oxidación controlada (la difusión forzada de la capa de óxido en otra superficie) de la pieza semiconductora, que normalmente estaba hecha de silicio. Esta nueva capa se conoce como capa dieléctrica o puerta dieléctrica del MOSFET. Este desarrollo hizo posible la integración de los FET en una amplia variedad de usos, pero sobre todo en la tecnología de visualización.

Del MOSFET nació el TFT. El TFT varía de los MOSFET estándar o MOSFET a granel porque, como su nombre lo indica, utiliza películas delgadas. El TFT inició una nueva era de la electrónica. En 1968, solo seis años después del primer desarrollo de TFT, Bernard J. Lechner de RCA compartió su idea de la pantalla de cristal líquido (LCD) TFT, algo que tendría una gran popularidad en nuestros tiempos modernos. La pantalla LCD TFT se creó por primera vez en 1973 en los laboratorios de investigación de Westinghouse. Estas pantallas LCD estaban compuestas de píxeles controlados por transistores. En los FET, los sustratos eran solo el material semiconductor, pero en la fabricación de las pantallas LCD TFT, se usaron sustratos de vidrio para que se pudieran mostrar los píxeles.

Pero ese no fue el final de los desarrollos de TFT. Poco después, en 1974, T. Peter Brody, uno de los desarrolladores de TFT LCD, y Fang-Chen Luo crearon la primera pantalla LCD de matriz activa (AM LCD). Una matriz activa controla cada píxel individualmente, lo que significa que el TFT respectivo de cada píxel tenía su señal preservada activamente. Esto abrió las puertas a un mejor rendimiento y velocidad a medida que las pantallas se volvían más complejas.

Arriba, una comparación de las estructuras de señalización de una matriz activa (izquierda) y la de una matriz pasiva (derecha).

Aunque los TFT pueden usar una variedad de materiales para sus capas de semiconductores, el silicio se ha convertido en el más popular, creando el TFT basado en silicio, abreviado como Si TFT. Como dispositivo semiconductor, el TFT, así como todos los FET, utilizan electrónica de estado sólido, lo que significa que la electricidad fluye a través de la estructura de la capa semiconductora en lugar de tubos de vacío.

Debido a la variedad de estructuras posibles del silicio, las características del Si TFT también pueden variar. La forma más común es el silicio amorfo (A-Si), que se deposita durante el primer paso del proceso de fabricación de semiconductores sobre el sustrato a bajas temperaturas. Es más útil cuando se hidrogena en la forma A-Si:H. Esto altera significativamente las propiedades de A-Si; sin el hidrógeno, el material lucha contra el dopaje (la introducción de impurezas para aumentar la movilidad de las cargas); en la forma A-Si:H, sin embargo, la capa semiconductora se vuelve mucho más fotoconductora y dopable. El A-Si:H TFT se desarrolló por primera vez en 1979, es estable a temperatura ambiente y se convirtió en la mejor opción para las pantallas LCD AM, que en consecuencia comenzó a ganar popularidad después de este avance.

Una segunda forma potencial de silicio es el silicio microcristalino. Aunque conserva una forma similar a A-Si, este tipo de silicio también tiene granos de lo que se conoce como estructuras cristalinas. Las estructuras amorfas tienen una forma más aleatoria y menos geométrica que sus estructuras en forma de red, pero las cristalinas, por otro lado, están más estructuradas y organizadas. Si se cultiva correctamente, el silicio microcristalino tiene mejor movilidad de electrones que A-Si:H y también mayor estabilidad, ya que tiene menos hidrógeno dentro de su estructura. Se deposita de manera similar a la deposición de A-Si.

Y, por último, está el silicio policristalino, también conocido como polisilicio y poli-Si. El silicio microcristalino es el medio entre A-Si y poli-Si, ya que la estructura de poli-Si está compuesta por muchos cristalitos. Esta forma específica se realiza recociendo el material de silicio, lo que significa agregar calor para alterar las propiedades de la estructura. Con poli-Si, los átomos en la red cristalina se desplazan y mueven cuando se calientan, y cuando se enfrían, la estructura se recristaliza.

La mayor diferencia entre estas formas, en particular A-Si y poli-Si, es que los portadores de carga son mucho más móviles y el material es mucho más estable cuando se trata de usar poli-Si sobre A-Si. Al crear pantallas basadas en TFT complicadas y de alta velocidad, las características del poli-Si lo permiten. Sin embargo, A-Si sigue siendo muy importante debido a su naturaleza de baja fuga, lo que significa que la corriente de fuga no se pierde tanto cuando un aislante dieléctrico no es totalmente no conductor.

En 1986, Hitachi demostró el primer poli-Si de baja temperatura (LTPS). LTPS juega un papel importante en la fabricación de dispositivos porque el sustrato de vidrio no es tan resistente a las altas temperaturas, por lo que para recocer el poli-Si, se utilizan temperaturas más bajas.

Varios años después, se realizó otro desarrollo en 2012 en forma de óxido de zinc de indio y galio (IGZO) que permitió una pantalla más potente en términos de frecuencias de actualización y más eficiencia en términos de consumo de energía. Este material semiconductor, como su nombre indica, utiliza indio, galio, zinc y oxígeno. Aunque es una forma de óxido de zinc (ZnO), la adición de indio y galio permite que este material se deposite en una fase amorfa uniforme, pero también mantiene la alta movilidad del portador del óxido.

A medida que los TFT comenzaron a aumentar su presencia en la tecnología de visualización, los semiconductores y electrodos transparentes se volvieron más atractivos para los fabricantes. El óxido de indio y estaño (ITO) es un ejemplo de un óxido transparente popular utilizado por su apariencia, buena conductividad y facilidad de depósito.

RLa investigación del TFT con diferentes materiales ha llevado a la aplicación de un umbral de voltaje, o cuánto voltaje se necesita para encender el dispositivo. Este valor depende en gran medida del espesor y la elección del óxido. Cuando se trata del óxido, esto se relaciona con la idea de corriente de fuga. Con capas más delgadas y ciertos tipos de óxido, la corriente de fuga puede ser mayor, pero esto a su vez podría reducir el voltaje de umbral, ya que también aumentarán las fugas en el dispositivo. Con el fin de aprovechar el potencial de TFT para un bajo consumo de energía, cuanto menor sea el voltaje de umbral, mejor será el atractivo del dispositivo.

Otra rama de desarrollo que surgió de la TFT es la de las TFT orgánicas (OTFT). Creados por primera vez en 1986, los OTFT suelen utilizar la fundición en solución de polímeros o macromoléculas. Este dispositivo hizo que la gente dudara, ya que tendía a tener una movilidad de operador lenta, lo que significaba tiempos de respuesta lentos. Sin embargo, los investigadores han llevado a cabo experimentación con la OTFT porque tiene potencial para ser aplicada a pantallas diferentes a las de los TFT tradicionales se utilizan para, por ejemplo, pantallas de plástico flexibles. Esta investigación aún continúa hoy. Con su procesamiento más simple que la tecnología de silicio tradicional, la OTFT tiene un gran potencial para las tecnologías modernas y futuras.

TFT Presente: Resumen

Como se discutió, la TFT ha evolucionado para volverse diversamente capaz de satisfacer las necesidades de los avances tecnológicos. Debido a sus excelentes propiedades de imagen, así como a su fabricación asequible y de bajo costo, Los dispositivos y la tecnología TFT han aumentado drásticamente en número y finalidad desde la creación del TFT.

Por ejemplo, Apple, una marca muy conocida y popular para una variedad de pantallas, utiliza el Pantallas TFT LCD para dispositivos como sus iPhones, Macbooks y iPads. Ha habido un desarrollo que Apple ha comenzado a explorar llamado diodos orgánicos emisores de luz (OLED); Los OLED tienen la capacidad de crear pantallas más delgadas y flexibles. Todavía hay muchas desventajas en esto, a día de hoy; el OLED es mucho más caro y más frágil al contacto con el agua, por lo que el TFT LCD sigue siendo la tecnología de visualización más destacada en nuestro tiempo actual. También existe la matriz activa OLED (AMOLED), una combinación de la OLED capas y capas TFT. Esto es lo que Apple ha comenzado a implementar en sus dispositivos como el iPhone X y Apple Watches. Esta pantalla permite colores más profundos y ricos, algo en lo que Apple centra gran parte de su mercado.

Pero la tecnología y los dispositivos TFT no se limitan solo a pantallas como las de Apple. Con los beneficios de alta resolución y alto rendimiento de la pantalla TFT, se ha abierto camino en los campos de la medicina y el avance del automóvil. Los tableros de instrumentos de los automóviles, así como las pantallas, a menudo usan pantallas TFT LCD.. En medicina, la TFT puede actuar como un receptor de imagen para imágenes radiográficas.

Como nuestro mundo ahora depende tanto de este tipo de tecnologías, han surgido "sociedades tecnológicas" para unir a ingenieros, tecnólogos y otros profesionales o aspirantes. El Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) es uno de ellos y se dedica a mejorar la humanidad con tecnología. Un subconjunto específico de este grupo más grande es la Sociedad de Dispositivos Electrónicos (EDS), que se enfoca en dispositivos basados ​​en electrones o iones. Esta subsociedad publica cartas en una revista científica sobre teorías y diseños de dispositivos electrónicos.

El futuro de TFT

Si bien todavía hay espacio para el crecimiento de la TFT tradicional, los desarrolladores tienen la vista puesta en expandir la naturaleza aplicativa de la TFT. Desde el desarrollo de OTFT en 1986, la idea de crear pantallas flexibles ha sido un camino reconocido para los desarrolladores, sin embargo, pocos han elegido esto en lugar de las pantallas planas. Estos tipos flexibles de dispositivos se denominan electrónica de área grande (LAE). Uso de materiales menos tóxicos para el medio ambiente que las pantallas TFT tradicionales, LAE, o más específicamente LAE orgánicos (OLAE), son una expansión emergente para los conceptos TFT.

Sin embargo, aún se presentan desafíos, ya que estas pantallas orgánicas no tienen tantas características deseables que los consumidores normalmente desean en términos de resolución y tasas de respuesta. Debido a esto, Los LCD TFT tradicionales siguen dominando el mercado, pero a medida que surgen la investigación y la experimentación con estas tecnologías orgánicas, todavía no se ha puesto un límite a Pantallas basadas en TFT, y es probable que la tecnología de visualización continúe mejorando en velocidad, calidad y versatilidad.