Тонкоплёночный транзистор (TFT, англ. thin-film transistor ) — разновидность полевого транзистора, при которой как металлические контакты, так и полупроводниковый канал проводимости изготавливаются в виде тонких плёнок (от 1/10 до 1/100 микрона).
Изобретение датируется 1959 годом.
TFT в дисплеях [ править | править код ]
Тонкоплёночные транзисторы применяются в нескольких типах дисплеев.
Например, во многих ЖК-дисплеях используются TFT как элементы управления активной матрицей на жидких кристаллах. Однако сами тонкоплёночные транзисторы, как правило, не являются достаточно прозрачными.
В последнее время TFT стали применяться во многих OLED-дисплеях как элементы управления активной матрицей на органических светодиодах (AMOLED).
В первых дисплейных тонкоплёночных транзисторах, появившихся в 1972 году, использовался селенид кадмия. В настоящее время материалом для тонкоплёночных транзисторов традиционно служит аморфный кремний (amorphous silicon, сокращённо a-Si), а в матрицах с высоким разрешением используется поликристаллический кремний (p-Si). В Токийском институте технологий была найдена альтернатива аморфному кремнию — оксид индия, галлия и цинка (англ. Indium gallium zinc ox >[1] . TFT на основе IGZO используется, например, в дисплеях фирмы Sharp.
Цветные ЖК-дисплеи делятся на два вида: активные и пассивные. Пассивные матрицы — это «STN» (Super Twisted Nematic). Здесь «nematic» обозначает тип используемых жидких кристаллов: молекулам нематических кристаллов присущи наличие ориентационного и отсутствие позиционного порядка. Технология же «twisted nematic» (скрученных кристаллов) позволяет улучшить контрастность изображения.
Этот тип матриц называется пассивным, поскольку он не способен достаточно быстро отображать информацию: из-за большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому картинка обновляется медленно.
Основной принцип работы STN: изображение формируется строка за строкой за счет последовательного подвода управляющего напряжения на отдельные ячейки, который делает их прозрачными.
STN-дисплеи — имеют худшие характеристики по сравнению с TFT: как правило, они имеют меньшее разрешение, и могут отображать значительно меньшее количество цветов. Серьезным недостатком STN-матриц является и маленький угол обзора экрана — на него лучше смотреть под определенным углом, тогда цвета будут казаться четкими. На ярком солнечном свете такие экраны ‘слепнут’- информация на дисплее становится плохо различимой
Однако STN-дисплеи примерно в три раза дешевле TFT-аналогов, поэтому они активно используются производителями телефонов в моделях бюджетной ценовой категории, например: Sony Ericsson J220i, Alcatel C552, Samsung X100.
На графике приведено сравнение пропускания от напряжения на электродах ЖК дисплеев на основе типичного скрученного нематика (TN) и нематика с суперскручиванием (STN). (Собственно, увеличение угла закручивания эквивалентно увеличению мультиплексированию). Точки на графике V90 и V10 характеризуют напряжения при которых пропускание света составляет 90 % и 10 %, соответственно.
На рисунке видно, что крутизна характеристики STN-дисплея выше чем у TN, что позволяет первый тип дисплея выполнить с большим уровнем мультиплексирования. (супернематики были разработаны прежде всего для преодоления проблемы сложности увеличения уровня мультиплексирования TN дисплеев.)
Мультиплексное отношение эквивалентно числу строк, которое может быть отображено одновременно. Например, дисплей с мультиплексным отношением 400 до 400 строк информации может отображать одновременно.
Этот тип матриц называется пассивным, поскольку он не способен достаточно быстро отображать информацию: из-за большой электрической емкости ячеек напряжение на них не может изменяться достаточно быстро, поэтому картинка обновляется медленно.
Пассивная матрица образована наложением слоев горизонтальных и вертикальных контактных полос. Ток подается на вертикальную и горизонтальную полоску, при этом задаются координаты. Там, где эти полоски скрещиваются, кристаллы изменяют структуру, и в соответствующем месте экрана появляется точка.
В зависимости от силы тока, кристаллы искажаются в большей или меньшей степени, пропуская, соответственно, больше или меньше света. В цветных дисплеях они еще и поляризуют свет. При поляризации из белого света электролюминесцентной лампы задней подсветки в нужных пропорциях «вырезаются» те или иные цветные составляющие, что в итоге и определяет цвет точки экрана. На принципе пассивной матрицы основана технология STN.
Модификация технологии STN. CSTN (Color Super Twist Nematic) — это технология на основе, которой делают дисплеи для портативных устройств. В дисплеях выполненных по технологии CSTN на каждый из пикселей приходится три отдельных пикселя разного цвета (Красный, Зеленый и Синий). Каждый пиксель управляется индивидуально чипом графического контролера. Фактически дисплей CSTN с разрешением 320 х 240 пикселей содержит 960 х 240 индивидуальных цветовых пикселей.
Первые CSTN-дисплеи имели большое время отклика и страдали от наводок. В настоящее же время дисплеи на базе CSTN-матриц предоставляют время отклика 100мс, широкий угол видимости (140 градусов) и высококачественные цвета, почти не уступающие TFT экранам по сочности.
Модификация технологии STN — FSTN (Film Super Twisted Nematic). Матрица с пленочной компенсацией, которая позволяет улучшить угол обзора. От STN-матриц технология отличается только тем, что у FSTN-матриц с внешней стороны есть специальная пленка, которая позволяет компенсировать цветовые сдвиги от синего на зеленый до черного на белый.
Если более подробно, то FSTN – суперскрученный нематик с пленочной компенсацией. ЖКИ с дополнительной пленкой, добавленной к внешней стороне ячейки для компенсации цветовых сдвигов от синего на зеленый до черного на белый. Пленка сделана из полимера с двойной рефракцией для исключения возможности интерференции цветов. В результате происходит замедление компенсации.
Пленка (верхний слой на рисунке) размещена на дисплее под или над верхним поляризатором. Некоторые системы пленочной компенсации используют две пленки, одна на тыльной стороне, которая служит как коллиматор, и одна на фронтальной стороне, которая служит как дисперсионная пленка, что позволяет расширить угол обзора. Пленочная компенсация улучшает угол обзора, но не улучшает быстродействие. FSTN — все стандартные STN-дисплеи с полимерной пленкой, приложенной к стеклу как компенсирующий слой вместо второй ячейки как у DSTN-дисплеев. Для этой технологии характерно более простое и более эффективное по стоимости получение преобладания черного над белым в изображении.
DSTN (Dual Super Twisted Nematic). Каждая ячейка этой матрицы состоит из двух ячеек STN. Отличительной особенностью матрицы является то, что все ее поле разбивается на несколько независимых полей матрицы, каждое из которых управляется отдельно.
Активные матрицы обозначают аббревиатурой TFT (Thin Film Transistors) или AM (Active Matrix). В таких матрицах под поверхностью экрана располагается слой тонкопленочных транзисторов, полупроводников, каждый из которых управляет одной точкой экрана. Таким образом, в цветном дисплее телефона их количество может достигать нескольких десятков, а то и сотен тысяч.
Основной принцип работы матрицы заключается в управлении интенсивностью светового потока с помощью его поляризации. Изменение вектора поляризации осуществляют жидкие кристаллы в зависимости от приложенного к ним электрического поля.
На один пиксель приходится по три транзистора, каждый из которых соответствует одному из трех основных цветов — красному, зеленому или синему, и конденсатор, поддерживающий необходимое напряжение. Такой способ управления позволяет существенно ускорить работу дисплея, хотя и это не панацея — при воспроизведении видеоролика изображение может быть слегка «размытым», поскольку сами кристаллы не будут успевать поворачи-ваться с нужной быстротой.
Случается, что транзистор выходит из строя. Подобный дефект легко заметить невооруженным взглядом — точка экрана постоянно светится яркой «звездой» на фоне других или не светится вообще. Поэтому при покупке мобилки не поленитесь включить ее и внимательно присмотритесь к дисплею и, если заметите «битые» элементы, вовремя поменяйте аппарат.
TFT ( thin film transistor) — тип жидкокристаллического дисплея, в котором используется активная матрица, управляемая тонкоплёночными транзисторами, то есть TFT — тонкоплёночный транзистор. По сравнению с обычной, пассивной жидкокристалической матрицей, с помощью активной матрицы, управляемой тонкоплёночными транзисторами, удаётся значительно повысить быстродействие дисплея, а также повысить контрастность и чёткость изображения.
Устройство TFT-панели: жидкокристалическая матрица с разделителями (8); управляющая пластина (5,6 — горизонтальные и вертикальные управляющие шины; 9 — тонкоплёночные транзисторы; 11 — задние электроды); 10 — фронтальный электрод; 1 — стеклянные пластины; 2,3 — горизонтальный и вертикальный поляризаторы; 4 — RGB-светофильтр; 7 — слои прочного полимера; желтая стрелка — свет внешнeго источника.
TFD (Thin Film Diode) — технология производства жидкокристаллических дисплеев с использованием тонкопленочных диодов. Она аналогична технологии TFT, но здесь транзисторы заменены тонкопленочными управляющими диодами. Основной особенностью таких дисплеев является пониженное энергопотребление.
LTPS (Low Temperature Poly Silicon) — технология производства LCD TFT-дисплеев с использованием низкотемпературного поликристаллического кремния. Данная технология обеспечивает повышенную яркость индикатора изображения и пониженное энергопотребление.
UFB (Ultra Fine and Bright) — собственная технология Samsung, основанная на использовании пассивной матрицы. Такие экраны обладают повышенной яркостью и контрастностью, при этом потребляемая мощность снижена по сравнению с традиционными LCD. Дисплеи UFB, способные отображать 262 тысячи цветов, обладают контрастностью 100:1, яркостью 150 кд/кв. м, при этом потребляют не более 3 мВт. Вдобавок производство нового дисплея, по заверению разработчиков, обходится дешевле.
OLED (Organic Light Emitting Diodes) — электролюминесцентные дисплеи на органических светоизлучающих полупроводниках. Главное отличие — не нужны лампы подсветки, в новых дисплеях светятся непосредственно элементы поверхности. И светятся существенно ярче, чем экраны на ЖК (100000 кд/кв. м). При этом энергопотребление ниже, цветопередача лучше, контрастность выше (300:1), угол обзора больше (до 180 градусов), цветовой охват шире. В отличие от обычного ЖК-дисплея органика способна реагировать в 100–1000 раз быстрее. Толщина дисплея не превышает 1 мм (с учетом защитного стекла 2 мм), масса исчисляется граммами. Немаловажным параметром считается и диапазон рабочих температур: от -30 до +60 градусов. Из недостатков можно отметить только относительно низкое время жизни (порядка 5–8 тысяч часов), впрочем, для телефона этого вполне достаточно. Как устроены органические экраны? Когда-то изобретатели люминесцентных диодов обнаружили, что если совместить два слоя определенных органических материалов и в какой-либо точке пропустить через них электрический ток, то в этом месте появится свечение. При этом используя разные материалы и светофильтры, можно получать разные цвета. Существующие модели аналогично ЖК разделяются по типу управляющей матрицы. Есть OLED с пассивными и с активными матрицами. Принцип работы матриц такой же, но вместо слоя жидких кристаллов используется слой органических полупроводников.
Если сравнивать современные OLED-дисплеи и старые добрые LCD-экраны — сравнение будет явно не в пользу последних: ЖК-дисплеи работают уже на пределе своих возможностей, скорость смены кадров на экране невысока, а потребляемая мощность — напротив, оставляет желать меньшего. На цветных ЖК-экранах тяжело что-то разглядеть при солнечном свете, они весьма хрупкие.
Конечно, дисплеи с активными матрицами (LCD TFT) более яркие и контрастные, чем аналогичные дисплеи с пассивными матрицами, но они сложнее в производстве, дороже, и используются преимущественно в дорогих аппаратах.
Технология же органических дисплеев лишена практически всех недостатков, характерных для ЖК-дисплеев, и обеспечивает гораздо лучшие характеристики изображения. OLED-дисплей — Физически органический электролюминесцентный дисплей представляет собой цельное устройство, состоящее из нескольких очень тонких органических пленок, заключенных между двумя проводниками. Подача на эти проводники небольшого напряжения (порядка 2-8 вольт) и заставляет дисплей излучать свет. Основу OLED-матрицы составляют полимерные материалы, их постоянное совершенствование в немалой степени способствует улучшению дисплеев и развитию технологий изготовления матрицы. В настоящее время в основном развиваются две технологии, показавшие наибольшую эффективность. Различаются они используемыми органическими материалами, это полимеры (PLED) и микромолекулы (sm-OLED). Рассматривать их подробно не будем, поскольку для пользователя телефона это не имеет принципиального значения, да и производитель весьма редко в спецификациях телефона указывает технические нюансы изготовления дисплея. Что ж хорошего есть в OLED-дисплеях? Во-первых, это высокая яркость (до 100 тыс. кд/м2) и контрастность (до 300:1), что, по идее, должно обеспечивать читаемость дисплея в любых условиях. Далее идет компактность и легкость, толщина дисплея не превышает 1 мм (с учетом защитного стекла 2 мм), масса исчисляется граммами. Немаловажным параметром считается и диапазон рабочих температур. И в лютую зиму (до минус 30 градусов Цельсия), так и летом на пляже (до плюс 60) OLED-дисплей оказывается работоспособен. Отличаются OLED-дисплеи приличной механической прочностью, и даже… гибкостью. Впрочем, использование гибких подложек уже выделилось в отдельное направление FOLED. Ну и, наконец, в отличие от существующих TFT и STN дисплеев, OLED-дисплеи потребляют заметно меньше энергии. По аналогии с другими дисплеями здесь также возможно использование пассивной или активной матрицы. Чаще всего OLED-дисплеи используются в качестве внешних (или вспомогательных) дисплеев, поскольку делать основной дисплей телефона на основе OLED-технологии, по меньшей мере, дорого. По этой же причине эти дисплеи обычно ограничены воспроизведением 256 цветов. Например, такой дисплей с разрешением 94 х 94 пикселя используется в LG G7030, у Samsung SGH-E700 разрешение чуть поменьше (96 х 64 пикселя). В целом такие дисплеи смотрятся очень неплохо, обеспечивая яркую и читаемую картинку, но, к сожалению, на солнце рассмотреть что-либо на этом дисплее невозможно.
MEMS (Micro-Electro Mechanical Systems) — технология микроэлектромеханических систем.
Благодаря MEMS, а точнее, построенной на основе микроэлектромеханических систем инженерами компании Iridigm технологии iMoD (Interferometric Modulator – интерференционный модулятор), «слепнущие» на солнце и «гаснущие» в целях экономии заряда батареи дисплеи мобильных телефонов могут через какое-то время уйти в прошлое.
Принцип работы iMoD-дисплея заключается в том, что цветное изображение формируется благодаря интерференции световых волн, аналогично тому, как дневной свет приобретает определённый оттенок в покрытых пыльцой крыльях бабочки. Каждый пиксель iMoD представляет собой микромеханическую систему, состоящую из прозрачной плёнки и зеркальной мембраны, между которыми остаётся свободное воздушное пространство. Между световыми волнами, отразившиеся от плёнки, и волнами, прошедшими сквозь неё, а затем отразившимися от мембраны, возникает интерференция. В результате этого появляется излучение определенного цвета, который может меняться от красного до синего, в зависимости от величины зазора.
Структура интерференционного дисплея iMoD
Дисплеи, построенные на основе этой технологии, сохраняют «читабельность» при любом освещении. Они обладают в разы меньшим по сравнению со своими жидкокристаллическими конкурентами энергопотреблением, поскольку не требуют подсветки, и энергия в них тратится лишь на перевод пикселя из одного состояния в другое. Также нельзя не отметить их малую толщину – находку для производителей мобильных телефонов, для которых проблема экономии места крайне существенна, особенно в свете набирающих популярность ультратонких моделей.
Жидкокристаллический дисплей – плоский дисплей, основой которого являются жидкие кристаллы. ЖК-дисплеем также называют мониторы на основе такого дисплея и матрицы для ноутбуков . Разработка жидкокристаллических дисплеев принадлежит исследовательскому центру Дэвида Сарнова компании RCA (г. Принстон, в штате Нью-Джерси), запатентовавшему это изобретение в 1963 году.
Разновидностью жидкокристаллического дисплея является LCD TFT, в котором используется активная матрица. Данная матрица управляется тонкопленочными транзисторами – отсюда и название «TFT» — Thin film transistor. Для каждого субпикселя используется специальный усилитель, который повышает быстродействие, контрастность и четкость изображения дисплея.
Дисплей на жидких кристаллах используется во многих электронных устройствах в качестве экрана, на котором отображается графическая информация: компьютерных мониторах, в том числе ноутбуках, телевизорах и телефонах (сотовых и стационарных аппаратах), цифровых фотоаппаратах и навигаторах, электронных книгах и калькуляторах, электронных часах.
Формирование изображения на ЖК-дисплее происходит благодаря отдельным элементам посредством системы развертки.