目 錄
第1章 薄膜晶體管的基本原理 1
1.1 半導體的基本原理 1
1.1.1 導體、絕緣體與半導體 1
1.1.2 本征半導體材料中的電子和空穴 5
1.1.3 半導體的能帶圖 6
1.1.4 半導體中載流子的分布 11
1.2 半導體材料 14
1.2.1 半導體單晶材料 15
1.2.2 半導體多晶材料 18
1.2.3 非晶態半導體材料 20
1.3 半導體結 24
1.3.1 半導體的接觸電勢 24
1.3.2 半導體二極管 27
1.4 金屬-絕緣體-半導體（MIS）結構與薄膜晶體管（TFT） 34
1.4.1 MIS結構與三端MIS器件概述 34
1.4.2 薄膜晶體管的結構 36
1.4.3 薄膜晶體管的工作模式 42
1.4.4 三端MIS器件的浮體效應 52
1.4.5 薄膜晶體管的器件特征（Target） 54
1.4.6 薄膜晶體管的SPICE模型 65
1.4.7 雙柵薄膜晶體管 75
1.4.8 薄膜晶體管的二極管連接 77
參考文獻 79
第2章 薄膜晶體管的可靠性 80
2.1 薄膜晶體管的可靠性概述 80
2.2 非晶硅薄膜晶體管（a-Si TFT）的可靠性 82
2.2.1 弱鍵的影響 83
2.2.2 GI層中的電荷俘獲 84
2.2.3 界面態的影響 84
2.2.4 轉移特性曲線的滯回效應 85
2.2.5 器件層面的補償 87
2.3 低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS TFT）的可靠性 89
2.4 IGZO TFT的可靠性 92
2.4.1 柵極電壓偏置對IGZO TFT可靠性的影響 92
2.4.2 光照對IGZO TFT可靠性的影響 94
參考文獻 98
第3章薄膜晶體管電路的基本 99
3.1傳輸門 99
3.1.1nMOS傳輸門 99
3.1.2pMOS傳輸門 102
3.1.3CMOS傳輸門 103
3.2反相器 104
3.2.1電阻負載nMOS反相器 105
3.2.2E/E飽和負載nMOS反相器 111
3.2.3E/E非飽和負載nMOS反相器 116
3.2.4自舉反相器 117
3.2.5CMOS反相器 119
3.3反相器的放大功能 127
3.3.1概述 127
3.3.2電阻負載反相器的放大功能（電阻負載共源放大器） 127
3.3.3E/E飽和負載反相器的放大功能（二極管負載共源放大器） 129
3.3.4CMOS反相器的放大功能（推挽放大器） 129
3.4TFT的串聯特性和並聯特性 130
3.4.1TFT的串聯特性 130
3.4.2TFT的並聯特性 132
3.5TFT靜態邏輯門 133
3.5.1與非門 134
3.5.2TFT與門 139
3.5.3TFT或非門 143
3.5.4TFT或門 149
參考文獻 153
第4章 薄膜晶體管 154
4.1 RS觸發器 154
4.1.1 與非門構成的基本RS觸發器 154
4.1.2 或非門構成的基本RS觸發器 160
4.2 鐘控RS觸發器 164
4.2.1 與非門構成的鐘控RS觸發器 164
4.2.2 或門和與非門及或非門和與非門構成的鐘控RS觸發器 169
4.2.3 CMOS與非門構成的鐘控RS觸發器 169
4.2.4 傳輸門和反相器構成的鐘控RS觸發器 170
4.3 邊沿觸發的RS觸發器 173
4.3.1 邊沿脈衝的產生 173
4.3.2 邊沿觸發的RS觸發器觸發原理 178
4.4 RS主從觸發器 179
4.5 D觸發器 180
4.5.1 基本D觸發器 181
4.5.2 鐘控D觸發器 183
4.6 JK觸發器 185
4.7 寄存器和移位寄存器 186
4.7.1 靜態TFT電路 186
4.7.2 動態TFT電路 189
4.7.3 動態移位寄存器 207
參考文獻 212
第5章 薄膜晶體管電路的版圖設計 213
5.1 版圖設計的基本概念 213
5.1.1 設計流程 213
5.1.2 器件尺寸 214
5.1.3 層次結構 215
5.2 版圖設計與光刻工藝 216
5.2.1 圖形的轉移 216
5.2.2 TFT的形成 219
5.2.3 TFT制造工藝的對位標 222
5.3 版圖設計規則 224
5.4器件的版圖設計 226
5.4.1 TFT的版圖 226
5.4.2 電阻的設計 227
5.4.3 電容的設計 227
5.4.4 電感的設計 228
參考文獻 229
第6章 薄膜晶體管電路的應用 231
6.1 顯示和液晶天線面板的柵極驅動電路 231
6.2 二維液晶天充、放電電路 234
6.3 AMOLED顯示面板的像素電路 238
6.3.1 AMOLED像素電路的基本原理 238
6.3.2 AMOLED像素電路的補償 239
參考文獻 250

前    言
薄膜晶體管（TFT）微電子學的發展並不是要比肩傳統的、基於集成電路（IC）技術的微電子學，而是要在某些特定的方向和技術領域，發揮薄膜晶體管作為一種半導體有源器件的特長。
單晶硅近乎完美的結構，再搭配先進的半導體工藝技術，使得MOSFET的溝道尺寸不斷減小，以適應由於功能不斷增強帶來的電路規模的增大和集成度的提高。目前的工藝條件決定了TFT的小溝道長度為2?m。這種較大的器件尺寸會引入較大的寄生電容和電阻。此外，由於TFT的有源層通常是含有缺陷的半導體薄膜，使得TFT的特性完全由其內部的缺陷所控制。這就決定了在進行TFT和TFT電路設計時，不能像針對MOSFET和集成電路設計那樣追求完美，而應設計並制作一個實用的TFT和TFT電路。針對TFT和TFT電路設計的這種“實用主義”，結合TFT的工藝條件，可以在很大程度上降低TFT和TFT電路的制造成本，使TFT電路在某些領域部分代替IC的功能。顯示面板中的柵極驅動電路就是一個很好的例子。從這個角度講，薄膜晶體管微電子學是一個正在發展的新學科。這一領域的科學家和工程師們正在不斷拓寬其應用領域。
本書從薄膜晶體管的材料講起，大部分內容是作者實踐經驗的總結和概括。全書構成了完整的、針對薄膜晶體管微電子學的理論和實踐體繫。本書涵蓋了TFT薄膜晶體管微電子學相關的材料、器件、電路及版圖設計的基本原理和思想方法，全書共6章：第1章闡述了薄膜晶體管的基本原理，包括半導體的原理和能帶理論、半導體材料，以及包括TFT在內的常見半導體器件的結構和原理；第2章闡述了薄膜晶體管的可靠性的基本理論；第3章闡述了薄膜晶體管電路的基本，既有針對的功能的闡述，也有針對這些的原理分析，特別是采用TFT實現時，這些所具有的差異性和解決方法；第4章是在第3章所述的的基礎上，進一步講解這些如何采用TFT來實現，以及其中的問題和解決辦法；第5章結合TFT的光刻工藝，闡述了TFT版圖設計的基本概念、基本思想和方法；第6章是TFT的電路應用舉例，主要闡述了目前常見的三種TFT的應用及其電路原理。
這是作者第三次和電子工業出版社合作。非常感謝本書責任編輯劉海艷女士的辛勤付出。
為了方便讀者學習，本書電路圖中所用電路圖形符號采用設計人員習慣的畫法，沒有按國標進行標準化處理。
復旦大學微電子學院的張衛教授審閱了本書的全稿，並為本書作序。作者向復旦大學微電子學院的張衛教授和丁士進教授，北京大學信息工程學院的張盛東教授和廖聰維博士，以及南方科技大學電子與電氣工程學院的陳樹明老師表示感謝。感謝他們和作者進行的專業上的討論，以及給予的知識分享。
借此機會，作者一並向工作中的前輩和朋友表示感謝，包括方科技集團股份有限公司的顯示技術專家安星俊先生和廖燕平先生，Silvaco韓國公司技術總監Won seok Lee先生，Cadence電子科技有限公司的陳偉先生，以及蘇州珂晶達電子有限公司總經理瀋忱博士。感謝他們一直以來對作者工作的支持和幫助。
由於作者水平有限，書中若有不妥之處，還請各位同行批評指正。

                 作  者   

序    言
自薄膜晶體管（TFT）的概念於1933年被美國學者J. E. Lilienfeld首次提出以來，TFT已經在很多領域得到了廣泛的應用，並創造了巨大的市場價值。在顯示領域，初的液晶顯示面板的像素驅動器件大多采用a-Si TFT。後來，智能手機的發展極大地促進了LTPS TFT在這一領域的推廣。而柔性和可穿戴顯示設備的發展，又催生了包括IGZO TFT和有機TFT在內的各種TFT的發展。此外，TFT還在X射線成像領域、天線領域、傳感器領域、射頻識別（RFID）領域、一次性電子產品領域、功能電路領域，以及醫療領域有著廣闊的應用前景。TFT的制造工藝簡單，因而可以極大地降低相關應用產品的制造成本。
同時，TFT和設計的理論體繫也在不斷發展。與基於單晶硅工藝的MOSFET相比，TFT的載流子遷移率較低，正向電流較小，開關速度較慢。這是由於TFT內部，特別是有源層薄膜中存在大量的缺陷。這也使得TFT具有和MOSFET不同的發展和應用思路。
本書是作者在多年實踐經驗的基礎上完成的。作者從與TFT有關的半導體材料和器件的基本原理開始進行講解，並繫統闡述了基於TFT的電路及版圖設計的原理和方法，形成了關於TFT的、完整的理論和實踐體繫。希望本書的出版能夠進一步豐富半導體領域的內容和知識體繫，也希望能夠對這一領域的從業人員專業技能的提高有所幫助。

                                  張衛          
                                       復旦大學微電子學院院長