元件特性的简单讨论

6.5　TFT元件特性的简单讨论

TFT器件的特性主要由电极材料、绝缘材料和源材料的性质与结构确定的。成品TFT与大规模集成电路的金属氧化物半导体场效应晶体管的特性相同。图6.23所示右边是漏源电流I_DS与栅源电压V_GS的关系，称为输入输出转移特性，左边是测试电路。在本例中TFT的沟道长（L）约为10μm，沟道宽（W）/沟道长（L）之比约为6。

图6.23　漏源电流I_DS特性与栅源电压V_GS的关系

图6.23中TFT的电压V_G的范围在-20～＋20V，V_D＝10V。栅源电压为-5V时，TFT处于关闭状态（Off），I_D大约为10^-13 A。栅源电压V_GS为＋20V时，TFT处于打开状态（On），I_D大约为10^-5 A。则On电流与Off电流之比大约7～8个数量级，可以明确地区分关态与开态。

在电场作用下源层材料的载流子迁移率μFE确定了输出特性曲线的斜率，载流子迁移率越高，输出特性曲线越陡。在TFT-LCD技术发展中，寻求高迁移率的TFT是长期任务。V_GS对I_DS特性曲线的外插点（I_DS＝0）表示TFT器件的阈值电压V_th。

一般情况下非晶硅的迁移率大致上是μFE＝0.7～1cm²·（Vs）^-1，阈值电压V_th＝＋3V左右。

TFT用非晶硅做半导体有源层，由于a-Si光电导大，如果用2 000lx的白色光照射TFT，OFF电流增大，使器件性能变得不稳定。这种关态电流增大是由于半导体有源层（a-Si层）上面的氮化硅保护膜（SiN_x）捕获正离子，产生背栅沟道效应，也就是形成寄生三极管而引发的现象。为了证实寄生三极管的存在，如图6.24所示，在标准TFT的氮化硅保护层上制作一个栅极，蒸发铝（Al）或钨（W），并做背栅电极（V_BG），通过背栅电极（V_BG）来观察其偏压效应，电路结构如图6.25所示。

图6.24　确认寄生晶体管存在的背栅极TFT结构

证明寄生三极管存在的验证条件：

（1）V_DS＝＋15V；

　　　V_GS＝-15V～＋25V；

　　　V_BG＝0V。

（2）V_DS＝＋15V；

　　　V_GS＝0V；

　　　V_BG＝-15V～＋25V。首先，设定使背栅电极（V_BG）为0V，在栅源电压V_GS小于0V状态下，不管是否有光照射，TFT的漏、源电流I_DS都几乎是定值pA量级。但是，如果背栅电极（V_BG）可变，而栅-源电压V_GS一定，则TFT的漏-源电流I_DS随背栅电极电压（V_BG）的增大而同时增大。这说明由于背栅电极电压（V_BG）与普通的三极管的栅极电压起相同的作用，证明了寄生三极管的存在。既然存在这样的寄生三极管，就有必要消除寄生三极管的工作。消除的办法是破坏这个管子工作的条件，或是通过液晶驱动方法使寄生三极管不工作等等。

图6.25　验证寄生晶体管的电路

由于产生的寄生三极管使关态电流增大，因此会导致屏的图像质量劣化，除了破坏寄生三极管的工作条件外，还可对实际的TFT-LCD实行遮光。具体方法就是在彩膜（CF）基板上相对于TFT的位置制作黑矩阵，挡住光照对非晶硅层的刺激。

一般沟道宽（W）/沟道长（L）＝52/12μm，栅绝缘膜的厚度t_ox＝3 500的TFT器件具有图6.26和图6.27所示的特性。图6.26和图6.27给出的是漏源电压V_DS对漏源电流特性（一般称为TFT静态特性，或叫输出特性）。在该静态特性中，由V_DS＝V_GS-V_th组成的曲线的左边区域称为非饱和区（线性区），而其右边区域称为饱和区（有源区）。这两个区域中的漏-源电流I_DS与MOS-FET同样是由下式给出的：

图6.26　栅源电压V_GS对漏源电流I_DS特性（输入输出特性）

图6.27　漏源电压V_DS对漏源电流I_DS特性（TFT静态特性）

其中μFE为电场效应决定的载流子迁移率；

C_ox为栅氧化膜的单位面积的电容

ε_ox为栅极氧化膜的介电常数（η≈34×10^-12 F/m）；

t_ox为栅极氧化膜厚度；

W/L：沟道宽度/沟道长度；

a-Si-TFT的响应时间τ表达的是改变V_GS时，沟道内的空间电荷变化所需要的时间，由下式给出：

●非饱和区：

●饱和区

这个响应时间τ是驱动TFT向像素写入信号的时间，实用上很小，故不成问题。