TFT 显示器的历史

TFT 是由谁和何时发明的？

1962年，经过半导体和微电子领域的一系列发展，TFT​​应运而生。 美国无线电公司 (RCA) 花了数年时间试验和开发晶体管，希望扩大其使用的可能性。 尽管 John Wallmark（RCA 成员）的第一个薄膜专利是在 1957 年获得的，但同样来自 RCA 的 Paul K. Weimer 开发了 TFT。

TFT 的演进

在TFT出现之前，就有了场效应晶体管（FET）。 场效应晶体管是一种半导体器件，允许晶体管具有放大、控制或产生电信号的特性。 创建该晶体管是为了控制设备内电流的运动和流动。 FET 具有标准构造，由源极、漏极和栅极以及它们各自的电极组成，这些电极允许与半导体接触和传导。 该器件可以通过增加或减少电荷载流子（如电子或空穴）的移动来控制通过栅极施加的电压 （不存在导致电荷拉动的电子）以称为载流子迁移率的方式，或更具体地用于 FET，场效应迁移率。 使用高迁移率半导体，电荷更容易被放大、控制或产生。 然后 FET 可以改变信号及其强度 （从源）发送到目的地（漏和指定的信号接收者）。

FET 于 1945 年首次成功制造，在该想法于 1925 年首次获得专利多年之后。然而，直到许多年后的实验创造了金属氧化物半导体场能晶体管 (MOSFET)，FET 才变得更加实用. 科学家们发现他们可以为该器件创建一个栅极绝缘体，并且在这样做的过程中，它允许对通常由硅制成的半导体片进行受控氧化（氧化层强制扩散到另一个表面）。 这个新层被称为 MOSFET 的介电层或栅极介电层。 这一发展使得将 FET 集成到各种用途中成为可能，但最值得注意的是，显示技术。

TFT 从 MOSFET 诞生。 TFT 不同于标准 MOSFET 或体 MOSFET，因为顾名思义，它使用薄膜。 TFT 开启了一个新的电子时代。 1968 年，也就是第一次 TFT 开发仅六年后，RCA 的 Bernard J. Lechner 分享了他对 TFT 液晶显示器 (LCD) 的想法，这种想法在我们现代很受欢迎。 TFT LCD 于 1973 年在西屋研究实验室首次创建。 这些 LCD 由由晶体管控制的像素组成。 在 FET 中，基板只是半导体材料，但在制造 TFT LCD 时，使用玻璃基板来显示像素。

但这并不是TFT发展的终点。 不久之后，在 1974 年，TFT LCD 的开发者之一 T. Peter Brody 和 Fang-Chen Luo 创造了第一台有源矩阵 LCD（AM LCD）。 有源矩阵单独控制每个像素，这意味着每个像素各自的 TFT 都会主动保留其信号。 随着显示器变得更加复杂，这为更好的性能和速度打开了大门。

上图是有源矩阵（左）和无源矩阵（右）信号结构的比较。

尽管 TFT 的半导体层可以使用多种材料，但硅已成为最受欢迎的材料，它创造了硅基 TFT，简称为 Si TFT。 作为半导体器件，TFT 以及所有 FET 都使用固态电子器件，这意味着电流流过半导体层的结构而不是真空管。

由于硅可能结构的多样性，Si TFT 的特性也会有所不同。 最常见的形式是非晶硅 (A-Si)，它在半导体制造工艺的第一步期间在低温下沉积到衬底上。 当氢化成 A-Si:H 形式时，它最有用。 这会显着改变 A-Si 的特性； 没有氢，材料难以掺杂（引入杂质以增加电荷的迁移率）； 然而，在 A-Si:H 形式中，半导体层变得更加光电导和可掺杂。 A-Si:H TFT 于 1979 年首次开发，在室温下稳定，成为 AM LCD 的最佳选择，因此在这一突破后开始流行。

硅的第二种潜在形式是微晶硅。 虽然它保留了与 A-Si 相似的形式，但这种类型的硅也具有所谓的晶体结构的晶粒。 与网络状结构相比，无定形结构具有更随机、更少几何形状，但另一方面，结晶结构更具结构性和组织性。 如果生长正确，微晶硅具有比 A-Si:H 更好的电子迁移率和更高的稳定性，因为其结构中的氢更少。 它以类似于 A-Si 的沉积方式沉积。

最后，还有多晶硅，也称为多晶硅和多晶硅。 微晶硅介于 A-Si 和多晶硅之间，因为多晶硅的结构由许多微晶组成。 这种特定形式是通过对硅材料进行退火而制成的，这意味着增加热量以改变结构的特性。 对于多晶硅，加热时晶格中的原子会发生移动和移动，冷却时结构会重新结晶。

这些形式之间的最大区别，尤其是 A-Si 和多晶硅，是电荷载流子的移动性更高，并且在使用多晶硅而不是 A-Si 时材料更加稳定。 在创建复杂的高速 TFT 显示器时，多晶硅的特性允许这样做。 然而，由于 A-Si 的低泄漏特性，它仍然非常重要，这意味着当介电绝缘体不是完全不导电时，泄漏电流不会损失很大。

1986 年，日立展示了第一个低温多晶硅 (LTPS)。 LTPS 在器件制造中发挥着重要作用，因为玻璃基板不耐高温，因此为了对多晶硅进行退火，需要使用较低的温度。

几年后，在 2012 年以铟镓锌氧化物 (IGZO) 的形式进行了另一项开发，它可以在刷新率和功耗方面提供更强大的显示效果。 顾名思义，这种半导体材料使用铟、镓、锌和氧。 虽然它是氧化锌 (ZnO) 的一种形式，但添加铟和镓使这种材料能够以均匀的非晶相沉积，同时还能保持氧化物的高载流子迁移率。

随着 TFT 在显示技术中的应用越来越多，透明半导体和电极对制造商的吸引力越来越大。 氧化铟锡 (ITO) 是一种流行的透明氧化物，因其外观、良好的导电性和易于沉积而被广泛使用。

R对不同材料的 TFT 的研究导致了阈值电压的应用，或者需要多少电压才能打开器件。 该值在很大程度上取决于氧化物的厚度和选择。 当谈到氧化物时，这又回到了漏电流的概念。 对于较薄的层和某些类型的氧化物，泄漏电流可能会更大，但这反过来又会降低阈值电压，因为泄漏到器件中也会增加。 为了挖掘 TFT 低功耗的潜力，阈值电压越低，器件的吸引力就越大。

源自 TFT 的另一个发展分支是有机 TFT (OTFT)。 OTFT 最初创建于 1986 年，通常使用聚合物或大分子的溶液浇铸。 该设备使人们犹豫不决，因为它的载流子移动性往往很慢，这意味着响应时间很慢。 然而，研究人员已经对 OTFT 进行了实验，因为它有可能应用于 显示与传统 TFT 不同的显示 用于柔性塑料显示器等。 这项研究今天仍在继续。 与传统硅技术相比，OTFT 具有更简单的加工工艺，在现代和未来技术中具有很大潜力。

TFT 展示：概述

如前所述，TFT 已经发展为能够满足技术进步的需求。 由于它们出色的成像特性以及价格合理的低成本制造， TFT器件和技术急剧增加 自 TFT 创建以来的数量和目的。

例如，苹果，一个知名且受欢迎的各种显示器品牌，就使用了 TFT液晶显示器 适用于 iPhone、Macbook 和 iPad 等设备。 苹果已经开始探索一种叫做有机发光二极管 (OLED) 的技术； OLED 能够制造更薄、更灵活的显示器。 直到今天，这仍然有很多缺点。 OLED 更贵，而且与水接触更脆弱，因此 TFT LCD 仍然是我们当前最突出的显示技术。 还有一种是有源矩阵 OLED (AMOLED)，它是 OLED 层和 TFT 层。 这就是苹果已经开始在他们的设备中实施的，比如 iPhone X 和 Apple Watch。 这种显示器可以呈现更深、更丰富的色彩，这是 Apple 的大部分市场关注的焦点。

但 TFT 技术和设备不仅限于像 Apple 这样的显示器。 凭借 TFT 的高分辨率和高性能优势，它已进入汽车进步和医疗领域。 汽车仪表盘和屏幕经常使用 TFT LCD 显示器. 在医学上，TFT 可以作为放射图像的图像受体。

由于我们的世界现在如此严重地依赖于这些类型的技术，因此“技术社会”应运而生，将工程师、技术人员和其他专业人士或有抱负的人联合起来。 电气和电子工程师协会 (IEEE) 就是其中之一，致力于通过技术改善人类。 这个更大群体的一个特定子集是电子设备协会 (EDS)，它专注于基于电子或离子的设备。 该分会在科学期刊上发表有关电子设备理论和设计的信函。

TFT的未来

虽然传统 TFT 仍有增长空间，但开发者们的目光都集中在扩展 TFT 的应用性上。 自 1986 年开发 OTFT 以来，创建柔性显示器的想法一直是开发人员公认的途径，但很少有人选择这种方法而不是平板显示器。 这些灵活的设备被称为大面积电子设备 (LAE)。 使用比传统 TFT 显示器更环保的材料，LAE，或者更具体地说是有机 LAE (OLAE)，是 TFT 概念的新兴扩展。

然而，挑战仍然存在，因为这些有机显示器在分辨率和响应率方面没有消费者通常想要的那么多理想特性。 因为这， 传统TFT LCD继续主导市场，但是随着对这些有机技术的研究和实验的进行，还没有限制 基于TFT的显示器，而且显示技术很可能会在速度、质量和多功能性方面继续提高。