Historia wyświetlaczy TFT

Przez kogo i kiedy wynaleziono TFT?

W 1962 roku, po serii osiągnięć w dziedzinie półprzewodników i mikroelektroniki, pojawił się TFT. Radio Corporation of America (RCA) spędziła lata na eksperymentowaniu i opracowywaniu tranzystorów w nadziei na poszerzenie możliwości ich wykorzystania. Chociaż pierwszy patent cienkiej folii Johna Wallmarka (członka RCA) miał miejsce w 1957 roku, to Paul K. Weimer, również z RCA, opracował TFT.

Ewolucja TFT

Przed pojawieniem się TFT istniał tranzystor polowy (FET). FET jest rodzajem urządzenia półprzewodnikowego, dzięki któremu tranzystor może mieć właściwości wzmacniające, sterujące lub generujące sygnały elektryczne. Ten tranzystor został stworzony do sterowania ruchem i przepływem prądu w urządzeniach. FET mają standardową budowę, składający się ze źródła, drenu i bramki oraz ich poszczególnych elektrod, które umożliwiają kontakt i przewodzenie z półprzewodnikiem. To urządzenie może kontrolować przyłożone napięcie przez bramkę, zwiększając lub zmniejszając ruch nośników ładunku, takich jak elektrony lub dziury (brak elektronu, który powoduje naładowane przyciąganie) w sposób zwany ruchliwością nośnika lub bardziej specyficzną dla FET, ruchliwością efektu pola. W przypadku półprzewodników o dużej ruchliwości ładunki są łatwiej wzmacniane, kontrolowane lub generowane. FET może następnie zmieniać sygnały wraz z ich mocnymi stronami (ze źródła) wysyłane do miejsca przeznaczenia (odpływ i wyznaczony odbiorca sygnału).

FET został po raz pierwszy pomyślnie zbudowany w 1945 roku, lata po tym, jak pomysł został po raz pierwszy opatentowany w 1925 roku. Jednak dopiero wiele lat później eksperymenty doprowadziły do ​​stworzenia tranzystora polowego MOSFET (ang. Metal Oxide Semiconductor Field Energy Transistor), dzięki któremu FET stał się znacznie bardziej użyteczny. . Naukowcy odkryli, że mogą stworzyć izolator bramkowy dla urządzenia, co umożliwiło kontrolowane utlenianie (wymuszoną dyfuzję warstwy tlenku na inną powierzchnię) elementu półprzewodnikowego, który zazwyczaj jest wykonany z krzemu. Ta nowa warstwa jest znana jako warstwa dielektryczna lub dielektryk bramki tranzystora MOSFET. Ten rozwój umożliwił integrację FET w wielu różnych zastosowaniach, ale przede wszystkim w technologii wyświetlania.

Z MOSFET narodził się TFT. TFT różni się od standardowych MOSFETów lub masowych MOSFET-ów, ponieważ, jak sama nazwa wskazuje, wykorzystuje cienkie folie. TFT rozpoczął nową erę elektroniki. W 1968 roku, zaledwie sześć lat po pierwszym opracowaniu TFT, Bernard J. Lechner z RCA podzielił się swoim pomysłem na wyświetlacz ciekłokrystaliczny TFT (LCD), coś, co zyskało na popularności w dzisiejszych czasach. Wyświetlacz TFT LCD został po raz pierwszy stworzony w 1973 roku w laboratoriach badawczych Westinghouse. Te wyświetlacze LCD składały się z pikseli sterowanych przez tranzystory. W FET podłoża były tylko materiałem półprzewodnikowym, ale w produkcji wyświetlaczy TFT LCD użyto podłoża szklanego, aby można było wyświetlać piksele.

Ale to nie był koniec rozwoju TFT. Wkrótce potem, w 1974 roku, T. Peter Brody, jeden z twórców wyświetlaczy TFT LCD, i Fang-Chen Luo stworzyli pierwszy wyświetlacz LCD z aktywną matrycą (AM LCD). Aktywna macierz kontroluje każdy piksel indywidualnie, co oznacza, że ​​sygnał TFT każdego piksela jest aktywnie zachowany. To otworzyło drzwi do lepszej wydajności i szybkości, ponieważ wyświetlacze stały się bardziej złożone.

Powyżej porównanie struktur sygnalizacyjnych macierzy aktywnej (po lewej) i macierzy pasywnej (po prawej).

Chociaż TFT mogą wykorzystywać różne materiały na swoje warstwy półprzewodnikowe, krzem stał się najbardziej popularny, tworząc TFT na bazie krzemu, w skrócie Si TFT. Jako urządzenie półprzewodnikowe, TFT, podobnie jak wszystkie FET, wykorzystują elektronikę półprzewodnikową, co oznacza, że ​​elektryczność przepływa przez strukturę warstwy półprzewodnikowej, a nie przez lampy próżniowe.

Ze względu na różnorodność możliwych struktur krzemu, właściwości Si TFT również mogą się różnić. Najbardziej rozpowszechnioną formą jest krzem amorficzny (A-Si), który osadza się na podłożu podczas pierwszego etapu procesu wytwarzania półprzewodników w niskich temperaturach. Jest najbardziej użyteczny po uwodornieniu do postaci A-Si:H. To z kolei znacząco zmienia właściwości A-Si; bez wodoru materiał boryka się z dopingiem (wprowadzanie zanieczyszczeń w celu zwiększenia mobilności ładunków); jednak w postaci A-Si:H warstwa półprzewodnikowa staje się znacznie bardziej fotoprzewodząca i domieszkowalna. A-Si:H TFT został po raz pierwszy opracowany w 1979 roku, który jest stabilny w temperaturze pokojowej i stał się najlepszą opcją dla wyświetlaczy LCD AM, które w konsekwencji zaczęły zyskiwać na popularności po tym przełomie.

Drugą potencjalną formą krzemu jest krzem mikrokrystaliczny. Chociaż zachowuje podobną formę do A-Si, ten rodzaj krzemu ma również ziarna tak zwanych struktur krystalicznych. Struktury amorficzne mają bardziej losowy, mniej geometryczny kształt niż ich struktury podobne do sieci, ale z drugiej strony krystaliczne są bardziej ustrukturyzowane i zorganizowane. Prawidłowo hodowany krzem mikrokrystaliczny ma lepszą ruchliwość elektronów niż A-Si:H, a także większą stabilność, ponieważ zawiera mniej wodoru w swojej strukturze. Osadza się go w podobny sposób do osadzania A-Si.

I wreszcie krzem polikrystaliczny, znany również jako polikrzem i poli-Si. Krzem mikrokrystaliczny jest środkiem pomiędzy A-Si i poli-Si, ponieważ struktura poli-Si składa się z wielu krystalitów. Ta specyficzna forma jest wytwarzana przez wyżarzanie materiału krzemowego, co oznacza dodanie ciepła w celu zmiany właściwości struktury. W przypadku poli-Si atomy w sieci krystalicznej przesuwają się i poruszają po podgrzaniu, a po schłodzeniu struktura ulega rekrystalizacji.

Największa różnica między tymi formami, w szczególności A-Si i poli-Si, polega na tym, że nośniki ładunku są znacznie bardziej mobilne, a materiał jest znacznie bardziej stabilny, jeśli chodzi o użycie poli-Si nad A-Si. Podczas tworzenia skomplikowanych i szybkich wyświetlaczy TFT, pozwalają na to cechy poli-Si. Jednak A-Si jest nadal bardzo ważny ze względu na jego niski charakter upływu, co oznacza, że ​​prąd upływowy nie jest tracony tak mocno, gdy izolator dielektryczny nie jest całkowicie nieprzewodzący.

W 1986 roku Hitachi zademonstrował pierwszy niskotemperaturowy poli-Si (LTPS). LTPS odgrywa dużą rolę w produkcji urządzeń, ponieważ podłoże szklane nie jest tak odporne na wysokie temperatury, dlatego do wyżarzania poli-Si stosuje się niższe temperatury.

Kilka lat później, w 2012 r., wprowadzono kolejne rozwiązanie w postaci tlenku indowo-galowo-cynkowego (IGZO), które pozwoliło uzyskać mocniejszy wyświetlacz pod względem częstotliwości odświeżania i większą wydajność pod względem zużycia energii. Ten półprzewodnikowy materiał, jak podano w nazwie, wykorzystuje ind, gal, cynk i tlen. Chociaż jest to forma tlenku cynku (ZnO), dodatek indu i galu umożliwia osadzanie się tego materiału w jednorodnej fazie amorficznej, przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej mobilności tlenku.

Ponieważ wyświetlacze TFT zaczęły zwiększać swoją obecność w technologii wyświetlania, przezroczyste półprzewodniki i elektrody stały się bardziej atrakcyjne dla producentów. Tlenek cyny indu (ITO) jest przykładem popularnego przezroczystego tlenku stosowanego ze względu na jego wygląd, dobrą przewodność i łatwość osadzania.

RBadania TFT z różnymi materiałami doprowadziły do ​​zastosowania napięcia progowego, czyli tego, ile napięcia jest potrzebne do włączenia urządzenia. Wartość ta w dużym stopniu zależy od grubości i wyboru tlenku. Jeśli chodzi o tlenek, odnosi się to do idei prądu upływu. W przypadku cieńszych warstw i niektórych rodzajów tlenku prąd upływu może być większy, ale to z kolei może obniżyć napięcie progowe, ponieważ upływ do urządzenia również wzrośnie. Aby wykorzystać potencjał TFT w zakresie niskiego zużycia energii, im niższe napięcie progowe, tym lepsza atrakcyjność urządzenia.

Inną gałęzią rozwoju wywodzącą się z TFT są organiczne TFT (OTFT). Stworzone po raz pierwszy w 1986 r. OTFT zwykle wykorzystują odlewanie z roztworu polimerów lub makrocząsteczek. To urządzenie sprawiało, że ludzie wahali się, ponieważ zwykle miało powolną mobilność nośnika, co oznacza powolne czasy odpowiedzi. Jednak naukowcy przeprowadzili eksperymenty z OTFT, ponieważ może on być zastosowany do: wyświetlacze inne niż tradycyjne TFT są używane do, np. elastycznych, plastikowych wyświetlaczy. Badania te trwają do dziś. Dzięki prostszemu przetwarzaniu niż tradycyjna technologia krzemowa, OTFT ma duży potencjał dla nowoczesnych i przyszłych technologii.

Prezentacja TFT: przegląd

Jak wspomniano, TFT ewoluował, aby stać się w różny sposób zdolny do zaspokojenia potrzeb postępu technologicznego. Ze względu na doskonałe właściwości obrazowania oraz przystępną i tanią produkcję, Liczba urządzeń i technologii TFT drastycznie wzrosła pod względem liczby i celu od momentu powstania TFT.

Na przykład Apple, znana i popularna marka produkująca różne wyświetlacze, korzysta z tego TFT LCD dla urządzeń takich jak iPhone'y, Macbooki i iPady. Nastąpił rozwój, który Apple zaczął badać, zwany organicznymi diodami elektroluminescencyjnymi (OLED); Diody OLED mają możliwość tworzenia cieńszych i bardziej elastycznych wyświetlaczy. Na dzień dzisiejszy jest to nadal wiele wad; OLED jest znacznie droższy i bardziej podatny na kontakt z wodą, więc TFT LCD jest nadal najbardziej znaną technologią wyświetlania w naszych obecnych czasach. Jest też coś takiego jak aktywna matryca OLED (AMOLED), połączenie OLED warstwy i warstwy TFT. To właśnie Apple zaczął wdrażać w swoich urządzeniach, takich jak iPhone X i Apple Watches. Ten wyświetlacz pozwala na głębsze, bogatsze kolory, na czym Apple skupia się w dużej mierze na swoim rynku.

Ale technologia i urządzenia TFT nie ograniczają się tylko do wyświetlaczy takich jak Apple. Dzięki wysokiej rozdzielczości i wysokiej wydajności, jaką zapewnia TFT, znalazł on drogę do rozwoju motoryzacji i medycyny. Deski rozdzielcze samochodów, a także ekrany często wykorzystują wyświetlacze TFT LCD. W medycynie TFT może działać jako receptor obrazu dla obrazów radiograficznych.

Ponieważ nasz świat w tak dużym stopniu opiera się na tego rodzaju technologiach, pojawiły się „społeczeństwa technologiczne”, które jednoczą inżynierów, technologów i innych profesjonalistów lub aspirujących ludzi. Instytut Inżynierów Elektryków i Elektroników (IEEE) jest jednym z takich i poświęca się ulepszaniu ludzkości za pomocą technologii. Specyficznym podzbiorem tej większej grupy jest Stowarzyszenie Urządzeń Elektronowych (EDS), które koncentruje się na urządzeniach opartych na elektronach lub jonach. To podtowarzystwo publikuje listy w czasopiśmie naukowym na temat teorii i projektów urządzeń elektronowych.

Przyszłość TFT

Chociaż wciąż jest miejsce na rozwój tradycyjnego TFT, deweloperzy mają na celu rozszerzenie aplikacyjnego charakteru TFT. Od czasu opracowania OTFT w 1986 r. pomysł tworzenia elastycznych wyświetlaczy był uznaną ścieżką dla programistów, jednak niewielu wybrało to zamiast płaskich wyświetlaczy. Te elastyczne rodzaje urządzeń nazywane są elektroniką wielkoobszarową (LAE). Używanie mniej toksycznych dla środowiska materiałów niż tradycyjne wyświetlacze TFT, LAE, a dokładniej organiczne LAE (OLAE), to rozwijające się rozszerzenie koncepcji TFT.

Jednak wciąż pojawiają się wyzwania, ponieważ te organiczne wyświetlacze nie mają tylu pożądanych cech, których zwykle oczekują konsumenci, jeśli chodzi o rozdzielczość i wskaźniki odpowiedzi. Z tego powodu, tradycyjne wyświetlacze LCD TFT nadal dominują na rynku, ale w miarę postępu badań i eksperymentów nad tymi technologiami organicznymi, nie ma jeszcze ograniczeń dla Wyświetlacze oparte na TFT, i prawdopodobnie technologia wyświetlania będzie nadal poprawiać się pod względem szybkości, jakości i wszechstronności.