تطور شاشات TFT

نظرا لأن مجتمعنا أصبح تقنيا بشكل متزايد ، يبدو أن الشاشات تظهر في كل مكان تقريبا. تتحكم مئات الآلاف من الأجهزة الصغيرة المعقدة في وحدات البكسل التي تشكل الصورة الإجمالية التي نراها خلف تلك الشاشات الزجاجية أو شاشات العرض المسطحة. تعرف هذه باسم ترانزستورات الأغشية الرقيقة أو TFTs باختصار.

متى ومن اخترع TFT؟

ظهرت TFT في عام 1962 ، بعد سلسلة من التطورات في مجال أشباه الموصلات والإلكترونيات الدقيقة. أمضت مؤسسة الراديو الأمريكية (RCA) سنوات في تجربة وتطوير الترانزستورات على أمل توسيع تطبيقاتها. على الرغم من أن جون وولمارك (عضو في RCA) حصل على أول براءة اختراع للأغشية الرقيقة في عام 1957 ، إلا أن بول ك. ويمر ، أيضا من RCA ، هو الذي طور TFT.

تطور TFTs

1. قبل ظهور TFT ، كان هناك ترانزستور التأثير الميداني (FET).

FET هو نوع من أجهزة أشباه الموصلات التي تمكن الترانزستور من تضخيم الإشارات الكهربائية أو التحكم فيها أو توليدها. تم تصميم هذا الترانزستور للتحكم في تدفق التيار داخل الأجهزة. عادة ما يتم إنشاء FET مع المصدر والصرف والبوابة ، بالإضافة إلى الأقطاب الكهربائية التي تسمح بالاتصال والتوصيل مع أشباه الموصلات. يمكن لهذا الجهاز التحكم في الجهد المطبق عبر البوابة عن طريق زيادة أو تقليل حركة حاملات الشحنة مثل الإلكترونات أو الثقوب (يؤدي عدم وجود إلكترون إلى سحب مشحون) في عملية تعرف باسم تنقل الموجة الحاملة ، أو تنقل التأثير الميداني ل FETs. يمكن تضخيم الشحنات أو التحكم فيها أو توليدها بسهولة أكبر باستخدام أشباه الموصلات عالية الحركة. يمكن ل FET بعد ذلك تغيير شدة الإشارة (من المصدر) وإرسالها إلى الوجهة (التصريف ومتلقي الإشارة المعين).

تم بناء FET بنجاح لأول مرة في عام 1945 ، بعد سنوات من تسجيل براءة اختراع الفكرة لأول مرة في عام 1925. ومع ذلك ، لم يكن الأمر كذلك إلا بعد سنوات عديدة ، عندما أسفرت التجارب عن ترانزستور طاقة مجال أشباه الموصلات بأكسيد المعادن (MOSFET) ، حيث أصبح FET أكثر قابلية للاستخدام. اكتشف العلماء أنه يمكنهم صنع عازل بوابة للجهاز ، مما يسمح بالأكسدة الخاضعة للرقابة (الانتشار القسري لطبقة الأكسيد في سطح آخر) لقطعة أشباه الموصلات ، التي كانت مصنوعة سابقا من السيليكون. تعرف هذه الطبقة الجديدة باسم الطبقة العازلة ل MOSFET أو عازلة البوابة. مكن هذا التقدم من دمج FETs في مجموعة واسعة من التطبيقات ، وأبرزها تكنولوجيا العرض.

2. تطورت TFT من MOSFET.

يختلف TFT عن MOSFETs القياسية أو MOSFETs المجمعة من حيث أنه يستخدم أغشية رقيقة ، كما يوحي الاسم. أشار TFT إلى بداية حقبة جديدة في الإلكترونيات. شارك برنارد جيه ليشنر من RCA فكرته عن شاشة TFT Liquid Crystal Display (LCD) في عام 1968 ، بعد ست سنوات فقط من أول تطوير TFT ، وهو أمر من شأنه أن يزدهر في شعبيته في عصرنا الحديث. تم اختراع شاشة TFT LCD في مختبرات أبحاث وستنجهاوس في عام 1973. تتكون شاشات LCD هذه من وحدات بكسل يتم التحكم فيها بواسطة الترانزستورات. كانت الركائز في FET هي ببساطة مادة أشباه الموصلات ، ولكن في إنتاج شاشات LCD TFT ، تم استخدام ركائز زجاجية بحيث يمكن عرض وحدات البكسل.

لكن تطوير TFT لم يتوقف عند هذا الحد. ابتكر T. Peter Brody ، أحد مطوري TFT LCD ، و Fang-Chen Luo أول شاشة LCD ذات مصفوفة نشطة (AM LCD) في عام 1974. تتحكم المصفوفة النشطة في كل بكسل على حدة ، مما يعني أنه يتم الحفاظ على إشارة TFT الخاصة بكل بكسل بنشاط. عندما أصبحت شاشات العرض أكثر تعقيدا ، أتاح ذلك أداء وسرعة أفضل.

تظهر

مقارنة بين هياكل الإشارات للمصفوفة النشطة (يسار) والمصفوفة السلبية (يمين) أعلاه.

3

. المادة الأساسية لشاشة TFT

على الرغم من أن TFTs يمكن أن تستخدم مجموعة متنوعة من طبقات أشباه الموصلات ، إلا أن السيليكون أصبح الأكثر شيوعا ، مما أدى إلى TFT القائم على السيليكون ، والذي يتم اختصاره باسم Si TFT.

TFT ، مثل جميع أجهزة FET ، هو جهاز أشباه الموصلات الذي يستخدم إلكترونيات الحالة الصلبة ، مما يعني أن الكهرباء تتدفق عبر بنية طبقة أشباه الموصلات بدلا من الأنابيب المفرغة.

يمكن أن تختلف خصائص Si TFT بسبب هياكل السيليكون المختلفة التي يمكن استخدامها. الشكل الأكثر شيوعا هو السيليكون غير المتبلور (A-Si) ، والذي يتم ترسيبه على الركيزة في درجات حرارة منخفضة خلال الخطوة الأولى من عملية تصنيع أشباه الموصلات. يكون مفيدا للغاية عند هدرجة إلى A-Si: H. هذا يغير خصائص A-Si بشكل كبير. بدون الهيدروجين ، تكافح المادة مع المنشطات (إدخال الشوائب لزيادة حركة الشحنة) ؛ في شكل A-Si: H. من ناحية أخرى ، تصبح طبقة أشباه الموصلات أكثر موصلة للضوء وقابلة للتشفير. تم اختراع A-Si: H TFT في عام 1979 وهو مستقر في درجة حرارة الغرفة. سرعان ما أصبح الخيار الأفضل لشاشات LCD AM ، والتي نمت شعبيتها نتيجة لهذا الاختراق.

السيليكون الجريزوفولفين هو شكل ثان محتمل من السيليكون. على الرغم من أنه يحتوي على شكل مشابه ل A-Si ، إلا أن هذا النوع من السيليكون يحتوي أيضا على حبيبات ذات هياكل بلورية. تحتوي الهياكل غير المتبلورة على هياكل أكثر عشوائية وأقل هندسية تشبه الشبكة ، في حين أن الهياكل البلورية أكثر تنظيما وتنظيما. السيليكون الجريزوفولفين ، عندما ينمو بشكل صحيح ، لديه حركة إلكترونية أفضل من A-Si: H واستقرار أكبر لأنه يحتوي على كمية أقل من الهيدروجين. يتم إيداعه بنفس طريقة A-Si.

أخيرا ، يعرف السيليكون متعدد الكريستالات أيضا باسم البولي سيليكون والبولي سي. السيليكون الجريزوفولفين هو وسيط بين A-Si والسيليكون متعدد الكريستالات بسبب التركيب متعدد الكريستالات للسيليكون متعدد الكريستالات. يتم إنشاء هذا النموذج المحدد عن طريق تلدين مادة السيليكون ، مما يعني إضافة الحرارة لتغيير خصائص الهيكل. عندما يتم تسخين poly-Si ، تتحول الذرات الموجودة في الشبكة البلورية وتتحرك ، وعندما تبرد ، يعاد تبلور الهيكل.

الفرق الرئيسي بين هذه الأشكال, لا سيما A-Si, و poly-Si, هو أن حاملات الشحنة في poly-Si أكثر قدرة على الحركة والمواد أكثر استقرارا بكثير مما هي عليه في A-Si. تتيح خصائص Poly-Si إنشاء شاشات معقدة وعالية السرعة قائمة على TFT. ومع ذلك ، فإن A-Si مهم جدا بسبب طبيعة التسرب المنخفضة ، مما يعني أن تيار التسرب لا يضيع كثيرا عندما لا يكون العازل الكهربائي غير موصل.

عرضت هيتاشي أول بولي سي بدرجة حرارة منخفضة (LTPS) في عام 1986. نظرا لأن الركيزة الزجاجية ليست مقاومة لدرجات الحرارة المرتفعة مثل LTPS ، يتم استخدام درجات حرارة منخفضة لتلدين poly-Si.

بعد عدة سنوات ، تم تطوير أكسيد الزنك الغاليوم الإنديوم (IGZO) ، مما يسمح بعرض أكثر قوة من حيث معدلات التحديث وزيادة الكفاءة من حيث استهلاك الطاقة. كما يوحي الاسم ، تحتوي هذه المادة شبه الموصلة على الإنديوم والغاليوم والزنك والأكسجين. على الرغم من كونها نوعا من أكسيد الزنك (ZnO) ، إلا أن إضافة الإنديوم والغاليوم تمكن من ترسيب هذه المادة في مرحلة غير متبلورة موحدة مع الاحتفاظ بحركة الناقل العالية للأكسيد.

أصبحت أشباه الموصلات والأقطاب الكهربائية الشفافة أكثر جاذبية للمصنعين حيث أصبحت TFTs أكثر انتشارا في تكنولوجيا العرض. أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) هو أكسيد شفاف شائع بسبب مظهره الجذاب وموصليته الجيدة وسهولة الترسيب.

أدى بحث TFT مع مواد مختلفة إلى تطبيق جهد العتبة, أو مقدار الجهد المطلوب لتشغيل الجهاز. تعتمد هذه القيمة بشكل كبير على سمك ونوع الأكسيد المستخدم. يرتبط هذا بمفهوم تيار التسرب عندما يتعلق الأمر بالأكسيد. قد يكون تيار التسرب أعلى مع الطبقات الرقيقة وأنواع معينة من الأكسيد ، ولكن هذا قد يقلل من جهد العتبة مع زيادة التسرب إلى الجهاز. للاستفادة من إمكانات TFT لاستهلاك منخفض للطاقة ، كلما انخفض جهد العتبة ، كان الجهاز أكثر جاذبية.

TFTs العضوية (OTFT) هي فرع آخر من فروع التطوير التي نشأت من TFT. عادة ما يتم تصنيع OTFTs ، التي تم تطويرها لأول مرة في عام 1986 ، بواسطة بوليمرات صب المحلول أو الجزيئات الكبيرة. كان الناس حذرين من هذا الجهاز لأنه كان لديه بطء في حركة الناقل ، مما يعني أوقات استجابة بطيئة. ومع ذلك ، فقد جرب الباحثون OTFT لأنه لديه القدرة على استخدامه في شاشات أخرى غير تلك التي تستخدم فيها TFTs التقليدية ، مثل شاشات العرض البلاستيكية المرنة. ولا يزال هذا التحقيق مستمرا. تتمتع OTFT ، بمعالجتها الأبسط من تقنية السيليكون التقليدية ، بالكثير من الإمكانات للتقنيات الحديثة والمستقبلية.