Дисплей на тонкопленочных транзисторах что это

Обновлено: 30.06.2024

TFT дисплей – это экран, созданный на основе жидких кристаллов и под управлением тонкопленочных транзисторов. Подобные дисплеи задействуются в самых разных устройствах для отображения текста и изображений. Их можно встретить в компьютерах, ноутбуках, смартфонах, электронных книгах и других девайсах.

TFT расшифровывается, как Thin Film Transistor. С английского языка это переводится, как тонкопленочный транзистор.

В начале в продаже можно было встретить дисплеи с пассивной матрицей. Их работа была более медлительная, частота обновления была низкой, а также отмечалось появление мерцания на экране. Всему виной были физические параметры пикселей. Зато потом появились экраны с активной матрицей. Скорость обновления дисплея была увеличена и пропало мерцание. Это стало доступно благодаря специальному транзистору, сохраняющему значение в двоичном коде. Поэтому значение пикселя сохраняется прямо до того, как происходит смена сигнала.

Принципы работы

Тип матрицы TFT в настоящее время можно найти во многих мониторах, которые являются жидкокристаллическими. В основе технологии лежит использование тонкопленочного транзистора. Более того, каждый пиксель получает до четырех транзисторов. И все это благодаря активной матричной технологии.

Современные мониторы работают по определенной схеме. Она заключается в том, что каждый пиксель имеет в себе базовые цвета – красный, синий и зеленый. Исходя из них появляются уже остальные цвета. Так, в каждом пикселе есть три ячейки света, к которым подключен отдельный транзистор. Благодаря ему сообщается, какие цвета необходимо передавать. В совокупности данные пиксели и обеспечивают появление изображения на экране. Эта схема также называется RGB.

Устройство TFT дисплея

Конструкция ЖК-дисплея представлена следующим образом. Слои накладываются друг на друга, поэтому его часто сравнивают с сэндвичем. Его основная часть состоит из:

тонкопленочного транзистора;
цветного фильтра;
слоя жидких кристаллов.

Сама жидкокристаллическая матрица включает в себя:

поляризаторы;
электроды;
рассеиватель света;
стекло;
слой с жидкими кристаллами.

Свет в ЖК-дисплеях обеспечивается светодиодами или флуоресцентными лампами.

История создания TFT дисплея

Жидкие кристаллы были открыты еще тогда, когда никто не знал о мониторах. Они связаны с несколькими известными личностями, о которых знают во всем мире. Все началось с открытия жидких кристаллов ботаником из Австрии Фридрихом Райнитцером. Это произошло в 1888 году, когда он исследовал холестерины в растении. Путем опытов удалось получить вещество, обладающее кристаллической структурой. Также оно имело особенность при нагреве вести себя необычным образом. Когда температура достигала 145.5 градусов, то с веществом начинало происходить следующее. Оно становилось мутным и текло, кристаллическая структура сохранялась до 178.5 градусов. Только после этой отметки оно становилось жидким. Австрийский ботаник поспешил поделиться своим открытием с Отто Леманном, немецким физиком. Он тоже смог внести свой вклад в открытие. Необычная жидкость касательно оптических и электромагнитных свойств вела себя словно кристалл. Благодаря физику из Германии и появилось название жидкий кристалл, которое уже знакомо многим. Под ним понимают переходное состояние между твердым и изотропным жидким касательно вещества. Им сохраняется кристаллический порядок расположения молекул.

Также к истории стоит отнести фамилию русского физика Всеволода Константиновича Фредерикса. Он в 1927 году произвел открытие под названием «Переход Фредерикса». Со временем переход стал активно задействоваться в дисплеях жидкокристаллического типа. Далее изучение данного вопроса продолжалось. Компания RCA занималась электрооптическими эффектами в жидких кристаллах. Материалы из них уже тогда рассматривались для устройств, необходимых для отображения. С именем Джорджа Хейлмейера связано появление самого первого жидкокристаллического дисплея в 1964 году. Затем компании RCA удалось показать свой новый продукт. В 1968 году можно считать моментом выхода жидкокристаллического монохромного экрана. Далее марка «Шарп» создала калькулятор с ЖК дисплеем. После этого такие экраны уже можно было встретить в измерительных устройствах, калькуляторах и часах электронного типа.

Первое упоминание TN-effect – нематического эффекта относится к 1970 году. Его запатентовала швейцарская компания Хоффманн – ЛяРош. Далее уже в следующем году был получен патент аналогичного типа в США. Джеймсом Фергюсоном и компанией ILIXCO был выпущены LCD, созданные на основе TN-эффекта. Эта технология пригодилась для создания калькуляторов и электронных часов. Однако для больших экранов она еще не подходила. 1983 год был ознаменован важным событием. Швейцарские специалисты создали нематический материал нового типа для ЖК-экранов с пассивной матрицей. Он назывался STN, но еще имел свои недостатки. Работники компании «Шарп» для решения этого вопроса решили создать конструкцию Doudle STN, а в 1987 году ими был выпущен самый первый цветной 3-дюймовый жидкокристаллический экран. И через год ими же был представлен дисплей TFT LCD с диагональю в 14 дюймов.

Другие компании также занимались выпуск устройств с ЖК-экранами. Так, Casio в 1983 имела свой телевизор черно-белого типа с данной технологией, а затем могла похвастать цветным телевизором с ЖК-экраном портативного типа и видеокамеру с ЖК-экраном. В 90-х годах немало компаний начали разрабатывать варианты, которые бы стали альтернативой дисплеям TN и STN, а также в Германии запатентовали технологию IPS.

TFT дисплей: где используют

Сегодня TFT-дисплеи зачастую используются производителями мониторов. Как правило, речь идет о бюджетных моделях. При этом TFT-мониторы зачастую интересны кибер спортсменам и заядлым геймерам, которым важнее всего является не сочность картинки, а минимальное время отклика. Такие дисплеи применяются и в некоторых дешевых смартфонах, а также в других недорогих гаджетах.

Если вы работаете в офисе или учитесь, то наверняка хотя бы раз в жизни сталкивались с электронными калькуляторами. Здесь также активно используются пусть и маленькие, но удобные TFT-экраны. Это же относится и к электронным часам, которые были очень популярны до недавнего времени. Причем производители стараются устанавливать в такие устройства монохромные матрицы. Еще одним ярким примером служат электронные книги. Такие матрицы не требуют много энергии, являются очень дешевыми в плане стоимости изготовления, относительно безопасны для глаз пользователей.

Основные характеристики TFT

В настоящее время известны три варианта матрицы, которые отличаются своими параметрами.

TFT TN

Технологию в основном можно встретить в активных ЖК-мониторах. Она хорошо изучена и доработана, поэтому матрица относится к более бюджетным. Название расшифровывается, как Twisted Nematic, что переводится – скрученный нематик. Матрица имеет характеристики первых конструкций, тонкопленочного вида. Чаще всего подобные виды дисплеев используют в офисных или домашних компьютерах, а также игровых устройствах. Одним из главных достоинств данной технологии принято считать высокую скорость отклика монитора. Это положительно влияет процесс игры, так как картинка более плавная и можно быстро заметить любые изменения в геймплее. Важно, что пиксель способен быстро менять свое свечение. Это стало возможно благодаря особой конструкции. Что касается недостатков, то к ним относят низкую контрастность, небольшие углы обзора, не самое лучшее качество передачи цвета.

VA, MVA, PVA

Vertical alignment – вертикальное выравнивание появилось благодаря компании Fujitsu. Технология была открыта в 1996 году. Она появилась, чтобы углы обзора стали лучше как в горизонтальной, так и вертикальной плоскости. Фуджицу также поработали и над частотой отклика монитора, поэтому она стала намного выше. Кроме того, теперь изображение стало плавным, а картинка более объемной и контрастной. Также компания причастна и к появлению технологии MVA, появившейся в след за VA. Здесь были убраны многие недочеты первой версии. Она отличается широкими углами обзора, насыщенным черным цветом и отличной скоростью реакции. К минусам обычно относят быструю смену резких цветовых переходов и медленную смену плавных. Технология PVA появилась благодаря компании Samsung. Ее создатели избавились от многих ошибок, которые существовали ранее. Кроме достоинств версии MVA в ней добавились еще высокая четкость и контрастность.

Какие бывают подсветки в TFT дисплеях?

Дисплей обязан иметь дополнительное свечение внутри, так как благодаря этому человек может увидеть картинку на экране. Это обеспечивает модуль подсветки.

Светодиодная (LED) подсветка довольно часто встречается в ЖК-дисплеях. Она не требует большого потребления энергии, а также отличается улучшенными показателями – контрастности и цветопередачи. Кроме того, подобный тип подсветки может прослужить намного дольше остальных.

Флуоресцентные лампы также используются в качестве подсветки. С их помощью достигаются множество цветов. Такая подсветка позволяет получить белый цвет экрана, который довольно часто задействован в ЖК-дисплеях. Лампы также не нуждаются в большом потреблении энергии. Их стабильную работу способен обеспечить источник переменного напряжения (от 80 до 100 В). В отличие от первого варианта дисплей с такой подсветкой имеет меньший срок службы.

Часто пользователи становятся перед выбором, когда хотят приобрести для себя монитор или необходимое им устройство. Они начинают просматривать параметры, чтобы остановиться на лучшем варианте. Важно знать, что технологии TFT и LCD переплетены между собой, поэтому не исключают друг друга. Обе связаны с монитором, и он не может без них существовать. Однако стоит уточнить, что Super LCD – это ничто иное, как название экрана. Он отличается жидкокристаллической подсветкой высокого качества и имеет матрицу IPS. Такие устройства гарантируют пользователю отличную передачу цветов и прекрасную яркость. SLCD матрицы выигрывают у классических версий TFT, так как готовы обеспечить пользователя более широкими возможностями.

Перспективы TFT дисплея

На сегодняшний день технология TFT вряд ли имеет светлое будущее. Данные дисплеи уже достигли своего максимума и развиваться дальше уже практически некуда. Но и полностью исчезать они не собираются. TFT-матрицы имеют свои сильные стороны, благодаря чему их внедрение будет продолжаться и в последующие годы.

Приветствуем вас на страницах блога iCover! Сегодня мы остановимся на событии, знаковом для всего мира микроэлектроники, а именно – создании тонкопленочного транзистора нового поколения, срабатывающего на порядок быстрее существующих аналогов.

Чрезвычайно тонкие прозрачные тонкопленочные транзисторы – один из ключевых компонентов жидкокристаллической TFT матрицы ЖК-дисплея. Краеугольным камнем в улучшении качественных показателей матрицы остается скорость переключения транзистора, над повышением которой работают в ведущих лабораториях мира. Корейским ученым удалось создать тонкопленочный транзистор электронных устройств будущего, срабатывающий на порядок быстрее существующих.

Тонкопленочные транзисторы – не что иное как обычные полевые транзисторы, металлические контакты и полупроводниковые каналы проводимости которых представлены тонкими пленками, толщиной в 0,01 … 0, 01 мк. Будучи нанесенными на поверхность стекла или прозрачного полимерного материала, они располагаются максимально близко к подконтрольным им ячейкам-пикселям, что позволяет обеспечить стабильное контрастное и насыщенное изображение, отсутствие “хвостов” у движущихся объектов, достаточную для комфортной работы и отдыха скорость реакции матрицы.

Подвижность перемещения носителей заряда в полупроводнике равна скорости их перемещения, измеренной в сантиметрах в секунду, где на каждый сантиметр длины прилагается один вольт напряжения. Чем меньше электрическое сопротивление материала, тем быстрее способны перемещаться заряды, а значит, тем быстрее будут переключаться единичные тонкопленочные транзисторы, из которых он состоит.

Совместные исследования, проведенные специалистами компании Samsung национального университета Кореи (Korea University) и Института передовых технологий компании Samsung (Samsung Advanced Institute of Technology) предложили новый тип тонкопленочного транзистора с быстродействием на порядок превышающим этот показатель у существующих аналогов. Запуск такого транзистора в серийное производство позволит значительно увеличить быстродействие ЖК дисплеев телевизоров, смартфонов и планшетных компьютеров с активной матрицей TFT(Thin Film Transistor).

Чтобы получить транзистор с подобными техническими характеристиками ученые использовали плазму из ионов инертного газа аргона. В качестве основного компонента, используемого для создания транзистора выступил оксинитрид цинка (ZnON), полученный методом магнетронного распыления.

Соединения на базе оксида цинка, как основы при создании тонкопленочных структур с высокой скоростью перемещения зарядов уже давно в зоне особого внимания ученых. Вместе с тем, основной акцент в ходе проводимых экспериментов был размещен на допировании (введении небольшого количества примесей) материала-основы катионами различных металлов – индия, галлия, гафния, циркония и лантаноидов.

Предел скорости перемещения дырок и электронов в электрическом поле полупроводника сегодня достигает 5 до 20 см2/вольт*сек, в то время как ” … Для обеспечения высокой производительности и экономичности электронных устройств будущего требуется обеспечить подвижность носителей электрического заряда свыше 100 см2/вольт*сек …” – считает профессор Сэнгун Чон (Sanghun Jeon) из национального университета Кореи. "Подвижность носителей заряда в созданных нами цинковых транзисторах, как минимум, в десять раз превышает подвижность носителей в обычных тонкопленочных транзисторах".

Описанный результат был получен, главным образом благодаря включению в технологический цикл этапа осаждения материала из смеси аргона, кислорода (О2) и смеси азота (N2). Попеременное воздействие на цинковую “подложку” перечисленными газами при постоянном давлении азота и аргона и тщательно регулируемом в заданных пределах давлении кислорода позволило сформировать тончайшую (в 50нм) пленку. Столь высокие показатели подвижности носителей заряда в оксинитриде цинка стали возможны благодаря заполнению азотом кислородных вакансий оксидной структуры. Получить такую пленку в присутствии атмосферного кислорода, в связи с низкой взаимной активностью азота и цинка, в условиях, отличных от предложенных специалистами на сегодняшний день проблематично.

Для того, чтобы свести к минимуму влияние кислорода на протекающую реакцию и повысить прочность пленки в эксперименте была использована аргоновая плазма, которая, помимо функции “барьера” стимулировала каскады столкновений атомов и ионов. Такая искусственная стимуляция позволила перераспределить энергии химических реакций и запустить процесс создания в аморфной матрице нанокристаллов — устойчивых химических соединений между азотом, цинком и кислородом.

Полученная пленка оксинитрида цинка характеризуется стабильной и равномерной поликристаллической структурой, стойкой к активным химическим веществам и излучению. В ходе тестовых испытаний инновационный пленочный транзистор и пленочный транзистор, полученный традиционным способом были подвергнуты 30-ти дневному воздействию атмосферного воздуха. По истечении срока выяснилось, что пленка оксинитрида цинка, в отличие от традиционной, практически не потеряла своих первоначальных свойств. Измерение подвижности носителей заряда показало, что этот показатель составил 138 см2/вольт*сек, что на порядок превышает подвижность носителей в пленках, полученных традиционным способом на основе окиси цинка – галлия – индия.

Таким образом, результаты эксперимента однозначно подтвердили новый абсолютный рекорд подвижности носителей электрического заряда в тонкопленочном транзисторе на основе оксинитрида цинка ZnON.

Безусловно, несмотря на блестящие результаты эксперимента, подтвердившие эффективность рассматриваемой технологии, проведение опытов в условиях лаборатории существенно ограничили возможности исследователей, как в плане получения требуемого уровня повторяемости результатов, так и в отношении проверки потенциала катионов других металлов на предмет улучшения уже достигнутых показателей.

Подробнее с результатами работы ученых можно ознакомиться на сайте Applied Physics Letters.

Вот уже полвека мы мечтаем свернуть свой телевизор в трубочку. Определенные шаги в этом направлении сделала компания Samsung, которая в прошлом году выпустила смартфон с изогнутым, но не гибким экраном. Ближе к этому подошли американские ученые, которые сообщили о создании самого тонкого, гибкого и прозрачного 2D-транзистора в мире.

Исследователи из Центра наноматериалов (Center for Nanoscale Materials) Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США разработали транзисторы толщиной в 10 атомных слоев – примерно на такую длину вырастают наши ногти за одну секунду.

Как пишет PhysOrg, новые полупроводниковые изделия имеют коэффициент переключения (on/off ratio), сравнимый с тонкопленочными транзисторами, производимыми сегодня для коммерческих целей. В отличие от последних, эти не разрушаются при сгибании, обеспечивая стабильную производительность. При этом они эффективно работают в широком диапазоне температур, что очень важно для электронных устройств.

Транзисторы лежат в основе почти всей электроники. Сегодня практически все смартфоны и телевизоры с плоскими дисплеями состоят из тонкопленочных транзисторов.

По словам разработчиков, новая технология позволит увеличить прозрачность дисплеев, сделав их практически невидимыми. Для лучшего понимания представьте себе обычное окно, которое при включении превращается в экран.

При создании новых транзисторов исследователи использовали метод, за который Манчестерский университет был удостоен Нобелевской премии – отделение одноатомного слоя дисилицида вольфрама с помощью липкой ленты.
Поверх дисилицида вольфрама ученые нарастили слои других материалов и получили транзистор. Толщина готового полупроводникового изделия составила 10 атомных слоев.

Сейчас исследователи хотят применить эту технологию к устройствам обработки и хранения информации, что позволит создавать не только дисплеи, но также гнущиеся прозрачные телевизоры и компьютеры.

Читайте также: