مقدمة إلى الركيزة TFT في شاشات الكريستال السائل

مقدمة إلى الركيزة TFT في شاشات الكريستال السائل

يتم تقسيم لوحة شاشة TFT LCD-LCD الكاملة وفقًا لعملية الإنتاج ويمكن تقسيمها تقريبًا إلى ثلاثة أجزاء عملية، وهي: شريحة معالجة مصفوفة المصفوفة، وقطعة عملية مرشح الألوان CF، وقطعة العملية المعبأة. قسم عملية مصفوفة المصفوفة هو ما نسميه غالبًا إنتاج الركيزة الزجاجية TFT.

تعد ركيزة TFT مكونًا أساسيًا في لوحة TFT-LCD وتتولى الوظائف المهمة للتحكم في مفاتيح البكسل وتيارات القيادة. ستركز هذه المقالة على بنية وتكوين ركيزة صفيف TFT-LCD وخصائص -Si TFT وتأثير ركيزة TFT على أداء شاشات الكريستال السائل.

1. هيكل وتكوين الركيزة TFT

وحدة القيادة الأساسية لشاشة TFT-LCD عبارة عن مصفوفة ترانزستور ذات غشاء رقيق (مصفوفة TFT)، ويتم التحكم في كل بكسل بواسطة مفتاح TFT مستقل. ولتحقيق هذه الوظيفة، تتبنى ركيزة TFT تصميمًا هيكليًا متعدد الطبقات-، حيث تلعب كل طبقة من المواد والأقطاب الكهربائية أدوارًا مختلفة.

بشكل عام، يمكن تقسيم TFTs إلى فئتين: هيكل البوابة العلوية وهيكل البوابة السفلية. في الوقت الحالي، الحل السائد لشاشات LCD هو هيكل البوابة السفلية TFT، الذي يتمتع بعمليات ناضجة وثبات عالي، ومناسب للإنتاج الضخم-على نطاق واسع.

في عملية 6 قناع نموذجية، تحتوي ركيزة TFT ذات هيكل البوابة السفلية بشكل أساسي على الأجزاء التالية:

1. الركيزة الزجاجية

باعتبارها منصة الدعم المادي للمصفوفة بأكملها، فهي توفر أساسًا مسطحًا وشفافًا.

من الضروري أن يكون لها أبعاد ثابتة ومعامل تمدد حراري صغير لضمان دقة عمليات ترسيب الأغشية الرقيقة والطباعة الحجرية الضوئية اللاحقة.

2. قطب البوابة (قطب البوابة)

عادة، يتم استخدام المواد المعدنية (مثل Mo، Al، أو سبائكها).

من خلال التحكم في الجهد المطبق على البوابة، يتم تحديد - حالة التشغيل أو الإيقاف لـ TFT، وهو ما يعادل "طرف التحكم بالمفتاح".

3. عازل البوابة

المادة المستخدمة بشكل شائع لتغطية البوابة هي SiNx أو SiO₂.

وتتمثل وظيفتها في العزل الكهربائي، ومنع البوابة من الاتصال مباشرة بطبقة أشباه الموصلات أعلاه، وفي نفس الوقت التأكد من أن المجال الكهربائي للبوابة يمكنه التحكم بشكل فعال في الحركة الإلكترونية لمنطقة قناة أشباه الموصلات.

4. الطبقة النشطة (الطبقة النشطة)

هذا هو جوهر أداء TFT، ويتكون عادة من طبقة شبه موصلة وطبقة اتصال أومية:

طبقة أشباه الموصلات هي المسؤولة عن نقل الموجة الحاملة وهي الجسم الرئيسي لمنطقة القناة؛

يتم استخدام طبقة التلامس الأومية لتقليل مقاومة التلامس بين أقطاب المصدر والصرف وأشباه الموصلات.

في صناعة TFT-LCD الحالية، يعد-Si (السيليكون غير المتبلور) مادة أشباه الموصلات الأكثر استخدامًا على نطاق واسع.

تعد عملية -Si TFT ناضجة ومنخفضة التكلفة. يتم استخدامه بشكل شائع في لوحات عرض LCD ذات النهاية المتوسطة- والمنخفضة-TFT-.

على الرغم من أن حركة الإلكترون لـ-Si منخفضة نسبيًا، إلا أن إنتاجيتها العالية للعملية وتعدد استخداماتها القوية في معدات الإنتاج يجعلها لا تزال الاختيار السائد لشاشات TFT-LCD.

السيليكون غير المتبلور-مخطط لأشباه الموصلات

بالإضافة إلى-Si، هناك مواد جديدة مثل بولي-Si وأشباه الموصلات الأكسيدية، ولكنها تستخدم بشكل أكبر في لوحات العرض-عالية الدقة أو ذات الأغراض الخاصة-.

5. المصدر والصرف

تتوزع على الجانبين الطبقة النشطة وتتكون من مادة معدنية.

يتم توصيل المصدر بخط البيانات وينقل جهد إشارة الإدخال إلى منطقة القناة؛

يتم توصيل قطب التصريف بقطب البكسل وينقل جهد الإشارة إلى وحدة البكسل البلورية السائلة.

6. طبقة العزل المتوسطة (طبقة التخميل، PVX)

التغطية فوق هيكل TFT، تلعب دورًا في الحماية والعزلة.

منع الرطوبة أو الأكسجين أو الإجهاد الميكانيكي من التسبب في تلف جهاز TFT، مع تجنب حدوث دوائر قصيرة من أقطاب المصدر والصرف إلى أقطاب البكسل العلوية.

7. قطب البكسل (ITO الأول)

مصنوعة من مادة موصلة شفافة (عادة ITO، أكسيد القصدير الإنديوم).

متصلاً بالصرف، قم بتطبيق جهد إشارة البيانات على طبقة الكريستال السائل، ويتحكم مباشرة في الحالة البصرية لنقطة البكسل.

8. القطب المشترك (القطب الثاني ITO، COM)

مقابل قطب البكسل، يوجد عادة على الركيزة الزجاجية العلوية.

يتم تشكيل مجال كهربائي بين القطب المشترك وقطب البكسل، ويتم تطبيق قوة عمل على جزيئات الكريستال السائل لتغيير ترتيبها، وبالتالي تحقيق تعديل الضوء.

مبدأ عرض شاشة TFT-LCD

في ركيزة TFT بأكملها، يتم ترتيب الملايين من وحدات TFT هذه في مصفوفة صف-عمود. يكون خط البوابة في اتجاه الصف مسؤولاً عن المسح التدريجي، وخط البيانات في اتجاه العمود مسؤول عن نقل جهد الإشارة. عند تقاطع الاثنين، يوجد TFT والبكسل البلوري السائل المقابل له. عندما تتم كتابة جميع جهود البكسل وصيانتها سطرًا تلو الآخر، يمكن للوحة LCD بأكملها عرض صورة كاملة.

2. مبدأ عمل الركيزة TFT في شاشات الكريستال السائل

1. وظيفة TFT كمفتاح

تم تجهيز كل بكسل بجهاز TFT، وهو ما يعادل المفتاح الإلكتروني.

عندما تعمل إشارة المسح على البوابة، يتم تشغيل TFT، ويتم نقل الجهد عند المصدر إلى المصرف، ثم يتم تطبيقه على قطب البكسل.

عند إزالة إشارة البوابة، يتم إيقاف تشغيل TFT ويتم الحفاظ على الجهد الكهربي على قطب البكسل لفترة من الوقت، وبالتالي الحفاظ على حالة اتجاه جزيئات الكريستال السائل.

2. التغيرات في اتجاه جزيئات الكريستال السائل

تتمتع المواد البلورية السائلة بتأثير كهروضوئي-، وسيتم إعادة ترتيب جزيئاتها تحت تأثير المجال الكهربائي.

تتوافق الفولتية المختلفة مع زوايا الميل الجزيئي المختلفة، والتي بدورها تغير قدرة تعديل طبقة البلورة السائلة على الضوء.

3. نقل الضوء والتحكم فيه

تقع طبقة الكريستال السائل بين الركائز الزجاجية العلوية والسفلية، كما يتم ترتيب المستقطب أيضًا على الجانبين العلوي والسفلي.

عندما يتغير اتجاه جزيئات الكريستال السائل، تتغير حالة استقطاب الضوء وفقًا لذلك، وتتغير النفاذية أيضًا بعد المرور عبر المستقطب.

بهذه الطريقة، يمكن تحقيق ضبط الضوء والظلام للبكسل من خلال التحكم في حجم الجهد.

4. مزيج مع الإضاءة الخلفية وعرض الألوان

لا تبعث شاشة LCD نفسها ضوءًا، ويأتي مصدر الضوء المطلوب للشاشة من وحدة الإضاءة الخلفية.

تحدد الركيزة TFT مقدار الإضاءة الخلفية التي يتم نقلها عن طريق التحكم في نفاذية البكسل البلوري السائل.

وفي الوقت نفسه، يتم تغطية كل بكسل بمرشحات الألوان الأحمر والأخضر والأزرق (RGB). من خلال ضبط نفاذية الضوء لوحدات البكسل الفرعية الثلاثة-، يمكن مزجها لإنشاء صورة ملونة كاملة-.

5. طريقة القيادة الشاملة

يتم مسح خطوط البوابة بشكل تدريجي، ويتم تحميل خطوط الإشارة بفولتية عمودًا تلو الآخر.

عند المسح إلى خط معين، يتم تشغيل جميع أجهزة TFT الموجودة في هذا الخط في نفس الوقت، ويتم كتابة جهد خط الإشارة إلى البكسل المقابل.

بعد الانتهاء من هذا السطر، ينتقل سطر المسح إلى السطر التالي حتى يتم تحديث الشاشة بأكملها.

يمكن أن تشكل هذه الدورة ذات السرعة العالية-عرضًا ديناميكيًا مستمرًا للصور.

3. تأثير الركيزة TFT على أداء شاشات الكريستال السائل

باعتبارها الطبقة المحركة الأساسية للوحات LCD، فإن ركيزة TFT هي المادة والبنية والخصائص الكهربائية التي تحدد بشكل مباشر الأداء الرئيسي لجهاز العرض مثل الدقة والسطوع والتباين واستهلاك الطاقة والعمر. وفيما يلي شرح ذلك من عدة جوانب رئيسية.

1. القرار

الركيزة الزجاجية: كلما زاد تسطيح السطح، زادت دقة الرسومات لأقطاب البكسل ومصفوفات TFT، مما يفضي إلى تحقيق وحدات بكسل أصغر وبالتالي دعم دقة أعلى.

الطبقة النشطة (a-Si): تكون حركة الإلكترون لـ-Si منخفضة (0.3–1 سم²/V·s)، مما يحد من قدرة القيادة لـ TFT. عندما تزيد كثافة البكسل، يصعب شحن -Si بسرعة، ويتم تقييد تحسين الدقة. إذا تم استخدام LTPS أو Oxide TFT، تكون حركة الطبقة النشطة أعلى ويمكن تحقيق عرض أعلى لمؤشر أسعار المنتجين (PPI).

الآثار المعدنية (إلكترود البوابة والمصدر والصرف): يؤثر عرض التتبع والمقاومة بشكل مباشر على معدل فتح البكسل. المعدن ذو المقاومة العالية يجبر التتبع على الاتساع، وبالتالي يشغل مساحة البكسل ويقلل الدقة؛ يمكن للنحاس ذو المقاومة المنخفضة نقل الإشارات بعرض خط أصغر وتحسين استخدام البكسل.

2. السطوع والنفاذية

Pixel Electrode (ITO): تحدد نفاذية الضوء ومقاومته لـ ITO معدل استخدام الإضاءة الخلفية. يمكن أن تؤدي نفاذية الضوء العالية إلى زيادة كفاءة مرور الضوء عبر وحدات البكسل، بينما تضمن الموصلية العالية التوزيع الموحد للإشارات على وحدات البكسل الكبيرة-.

مصدر واستنزاف الآثار المعدنية: إذا كان الأثر واسعًا جدًا، فسوف يحجب منطقة البكسل، ويقلل من مساحة نقل الضوء (انخفاض معدل الفتح)، ويقلل السطوع. يتم استخدام النحاس بدلاً من Al، والذي يمكن أن يقلل عرض التتبع مع تقليل المقاومة، وبالتالي زيادة معدل الفتح.

الطبقة العازلة (SiNx، SiO₂): تؤثر خصائص التسطيح السطحي والإجهاد للطبقة العازلة على اتجاه جزيئات الكريستال السائل. إذا كان السطح غير مستوٍ، فسيؤدي ذلك إلى ترتيب غير طبيعي للبلورات السائلة، وبالتالي تقليل النفاذية البصرية.

3. أداء التباين والتدرج الرمادي

الطبقة النشطة (a-Si): تتأثر نسبة تبديل TFT بالمادة. نسبة التبديل لـ -Si منخفضة نسبيًا، وهي عرضة لتوليد تيار تسرب كبير، مما يتسبب في تسرب كمية صغيرة من الضوء في حالة المجال الأسود، مما يقلل التباين.

الطبقة العازلة (SiNx، SiO₂): يمكن للطبقة العازلة عالية الجودة- تقليل مسارات التسرب وتحسين الاحتفاظ بجهد البكسل، وبالتالي الحفاظ على عرض ثابت بتدرج الرمادي.

Pixel Electrode (ITO): سيؤثر توحيد مقاومة طبقة فيلم ITO على اتساق الجهد لوحدات البكسل المختلفة. إذا كانت قيمة المقاومة غير متساوية، فسوف يؤدي ذلك إلى أداء مختلف للتدرجات الرمادية المحلية، مما يقلل من توحيد العرض والتباين الإجمالي.

4. تأثير سرعة الاستجابة

الطبقة النشطة (a-Si): حركة -Si منخفضة وسرعة حركة الإلكترون بطيئة، مما يؤدي إلى وقت شحن وتفريغ طويل للبكسل وعلى مستوى المللي ثانية بشكل عام، وهو غير مناسب لتطبيقات معدل التحديث العالي. يمكن أن تؤدي الحركة العالية لـ LTPS أو Oxide TFT إلى تقليل وقت الاستجابة بشكل كبير.

الآثار المعدنية: ستؤدي مقاومة التتبع العالية جدًا إلى تأخير إرسال الإشارة والتأثير على استجابة البكسل. يمكن أن يؤدي استخدام مواد ذات مقاومة منخفضة- إلى تقليل تأخير الإشارة وتحسين سرعة الاستجابة.

المكثفات الطفيلية (يتم تحديدها من خلال التصميم المعدني وعزل البوابة): عندما تكون المكثفات الطفيلية كبيرة جدًا، يستغرق شحن البكسل وقتًا أطول، مما يقلل من كفاءة استجابة التدرج الرمادي. يساعد التصميم الهيكلي المعقول وتحسين سماكة الطبقة العازلة على تقليل السعة الطفيلية.

5. تأثير استهلاك الطاقة

معدن المصدر والصرف (Al، Mo، Cu): يمكن للمواد ذات المقاومة المنخفضة أن تقلل من خسائر نقل الإشارة وتزيد من استهلاك الطاقة. نظرًا لمقاومته المنخفضة، يتمتع النحاس بمزايا واضحة في تقليل استهلاك الطاقة.

الطبقة النشطة (a-Si): تيار التسرب كبير، ويمكن تخفيف جهد البكسل بسهولة، كما يلزم وجود تردد تحديث أعلى للحفاظ على صورة مستقرة، وبالتالي زيادة الاستهلاك الإجمالي للطاقة.

قطب البكسل (ITO): يمكن للأقطاب الكهربائية ذات نفاذية الضوء العالية تحسين كفاءة استخدام الضوء. في ظل نفس متطلبات السطوع، يمكن أن تكون طاقة الإضاءة الخلفية أقل، وبالتالي تقليل استهلاك الطاقة.

6. تأثير الموثوقية وعمر الخدمة

البوابة المعدنية (Al): تتشكل هيلوك (نتوءات صغيرة) بسهولة عند درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى حدوث دوائر قصيرة أو فشل في الدائرة المفتوحة، مما يؤثر على -الاستقرار على المدى الطويل.

معدن النحاس: على الرغم من أن المقاومة منخفضة، إلا أنه يتميز بانتشار قوي. إذا لم تكن هناك طبقة عازلة، فمن السهل تلويث طبقة أشباه الموصلات وتؤدي إلى تدهور الأداء.

الطبقة العازلة (SiNx): يمكنها أن تمنع بشكل فعال اختراق أيونات الصوديوم وبخار الماء والأكسجين. إذا كانت الكتلة غير كافية، فسوف يتسبب ذلك في انخفاض أداء الجهاز بسرعة.

الطبقة النشطة (a-Si): يحدث انحراف جهد العتبة خلال ساعات العمل الطويلة، مما يؤدي إلى زيادة الطلب على جهد القيادة، وانخفاض سطوع الشاشة وتباينها، وتقصير عمر الخدمة.

في عمل شاشات الكريستال السائل، لا تحدد الركيزة TFT تأثير عرض الصورة فحسب، بل تؤثر أيضًا بشكل مباشر على الدقة والسطوع والتباين واستهلاك الطاقة والموثوقية. بشكل عام، لا تعد ركائز TFT أساسًا لتقنية شاشات الكريستال السائل فحسب، بل إنها أيضًا المفتاح لتحسين أداء اللوحة وتطوير العملية.