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1、6.2 6.2 液晶显示器（液晶显示器（LCDLCD） 6.2.1 液晶的基本知识液晶的基本知识6.2.2 扭曲向列型液晶显示（扭曲向列型液晶显示（TN-LCD） 6.2.3 超扭曲向列型液晶显示（超扭曲向列型液晶显示（STN-LCD）6.2.4 有源矩阵液晶显示器件（有源矩阵液晶显示器件（AM-LCD）6.2.5 LCD照明方式和光源照明方式和光源6.2.6 液晶显示器件性能指标液晶显示器件性能指标6.2.1 6.2.1 液晶的基本知识1、什么是液晶？液晶的发现液晶的发现液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家FReinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温
2、度升高到一定程度后，结晶的固体开始溶解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体。当再进一步升温后，才变成透明的液体。这种混浊态粘稠的液体是什么呢？他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。于是德国物理学家DLeimann将其命名为“液晶”，简称为“LC Liquid Crystal”。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LCD Liquid Crystal Display。液晶放到偏光显微镜下观察2、液晶的分类1.按照液晶的形成条件分类按照液晶的形成条件分类2.按照分子排列的形式和有序性分类按照分子排列的形式和有序性分类按照液晶的形成条件分类某些有机物
3、加热溶解，由某些有机物加热溶解，由于加热破坏结晶晶格而形于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。成的液晶称为热致液晶。它是由于温度发生变化而它是由于温度发生变化而出现的液晶相。出现的液晶相。把某些有机物放在一定的把某些有机物放在一定的溶剂中，由于溶剂破坏结溶剂中，由于溶剂破坏结晶晶格而形成的液晶称为晶晶格而形成的液晶称为溶致液晶，它是由于溶液溶致液晶，它是由于溶液浓度发生变化而出现的液浓度发生变化而出现的液晶相。晶相。 作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。作为显示技术应用的液晶都是热致液晶。热致液晶热致液晶由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热致液晶。由于加热破坏结晶晶格而形成的液晶称为热
4、致液晶。固体液晶液体T1T2低于温度低于温度T1，就变成固体（晶体），称，就变成固体（晶体），称T1为液晶的熔为液晶的熔点，高于温度点，高于温度T2就变成清澈透明各向同性的液态，称就变成清澈透明各向同性的液态，称T2为液晶的为液晶的清亮点清亮点。LCD能工作的极限温度范围基本能工作的极限温度范围基本上由上由T1和和T2确定。确定。 热致液晶热致液晶按液晶分子排列状态，热致液晶相可分为三大类：按液晶分子排列状态，热致液晶相可分为三大类： 近晶相液晶（近晶相液晶（Smectic liquid crystals） 向列相液晶（向列相液晶（Nematic liquid crystals） 胆甾相液晶（
5、胆甾相液晶（Cholesteric liquid crystals）热致液晶分类热致液晶分类近晶相液晶（Smectic）又称层状液晶 隧道显微镜下的近晶相层状液晶液晶分类液晶分类- - 近晶相液晶近晶相液晶近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。液晶分类液晶分类- - 近晶相液晶近晶相液晶液晶分类液晶分类-向列相液晶向列相液晶向列相液晶（
6、Nematic）又称丝状液晶 向列液晶在偏光显微镜下的图向列型液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。液晶分类液晶分类-向列相液晶向列相液晶胆甾相液晶（Cholestevic），也称螺旋状液晶 胆甾型液晶和近晶型一样具有层状结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。 液晶整体呈螺旋结
7、构。螺距的长度是可见光波长的数量级。 由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。 胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。 胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。 液晶分类液晶分类- - 胆甾相液晶胆甾相液晶由于液晶分子的结构为异向性由于液晶分子的结构为异向性(Anisotropic)，所以引，所以引起的光电效应就会因为方向不同而有所差异，也就是起的光电效应就会因为方向不同而有所差异，也就是液晶分子的介电系
8、数及折射系数等光电特性都具有异液晶分子的介电系数及折射系数等光电特性都具有异向性，因而可以利用这些性质来改变入射光的强度，向性，因而可以利用这些性质来改变入射光的强度，以便形成灰度级，应用于显示器组件上。以便形成灰度级，应用于显示器组件上。3、液晶的光电特性3、液晶的光电特性P型液晶 （0）正介电各向异性液晶N型液晶（no，即向列液晶一般都呈现正单轴晶体的光学性质。/nne nno nn/n/nn 液晶的液晶的折射系数折射系数 光折射率与介电系数有以下关系：正单轴晶体外场作用下液晶分子的取向外场作用下液晶分子的取向在外电场作用下，分子的排列极易发生变化，P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向，N
9、型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向。 使液晶分子排列发生变化的阈值电压为 21)/(iithKV式中 Kii 为弹性常数P型N型电极电极液晶Field OFFField ON0/液晶材料在施加电场时，其光学性质会发生变化，这种效应称为液晶的电光效应。这是液晶分子在电场作用下改变其分子排列的结果。液晶的电光效应液晶的电光效应液晶的电光效应在液晶显示器的设计中被广泛采用。线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播 在向列型液晶中，棒状分子 的 排 列 是 彼 此 平 行的当把液晶放在两个玻璃板之间，玻璃基板表面做了平行取向处理，如果上下两玻璃板定向是彼此垂直的，液晶分子将采取
10、逐渐过渡的方式被扭转成螺旋状。液晶分子在两片玻璃之间呈90扭曲。线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播 当线偏振光垂直入射时，若偏当线偏振光垂直入射时，若偏振方向与上表面分子取向相同，振方向与上表面分子取向相同，则线偏振光偏振方向将随着分则线偏振光偏振方向将随着分子轴旋转，并以平行于出口处子轴旋转，并以平行于出口处分子轴的偏振方向射出；若入分子轴的偏振方向射出；若入射偏振光的偏振方向与上表面射偏振光的偏振方向与上表面分子取向垂直，则以垂直于出分子取向垂直，则以垂直于出口处分子轴的偏振方向射出，口处分子轴的偏振方向射出，当以其它方向的线偏振光入射当以其它方向的线偏振光入
11、射时，则根据平行分量和垂直分时，则根据平行分量和垂直分量的位相差的值，以椭圆、圆量的位相差的值，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。或直线等某种偏振光形式射出。 6.2.2 扭曲向列型液晶显示（TN-LCD） 6.2.3 超扭曲向列型液晶显示（STN-LCD）6.2.4 有源矩阵液晶显示器件（AM-LCD） 液晶显示器液晶显示器(LCD)(LCD)的基本原理的基本原理 Liquid Crystal DisplayLiquid Crystal Display扭曲向列型液晶显示器(Twisted Nematic Liquid Crystal Display TN-LCD) 属第二代液晶显示器件。
12、它是最常见的一种液晶显示器件。 1971年瑞士人发明了扭曲向列型(TN)液晶显示器,日本厂家使TN-LCD技术逐步成熟，又因制造成本和价格低廉，使其在七八十年代得以大量生产，从而成为主流产品。在1979 年1984年间，其产量年均增长38%,成本年递减18%，销售额年增长12%，这使LCD在显示器件领域的地位仅次于CRT。LCD的高速发展引起了世界电子业界的极大关注,对LCD技术研究投入的力量和资金与日俱增。6.2.2 扭曲向列型液晶显示（TN-LCD）1、扭曲向列型液晶显示器结构在厚度不到1厘米的TN-LCD液晶显示屏面板中，通常是由两片大玻璃基板，内夹着电极和配向膜，上下夹层中填充了多层液
13、晶分子(液晶厚度不到5m)，外面再包裹着两片偏光板，最后再封装成一个液晶盒，并与驱动、控制电路板相连接。液晶显示器结构液晶盒中玻璃片内侧覆盖着一层配向层。配向层的作用是使液晶分子按特定的方向排列，这个配向层通常是一薄层高分子有机物，用摩擦的方法在表面开成方向一致的微细沟糟。也可以通过在玻璃表面以一定角度用真空蒸镀氧化硅薄膜来制备。由于内表面涂有配向层膜，在盒内液晶分子沿玻璃表面平行排列。但由于两片玻璃内表面定向层定向处理的方向互相垂直，液晶分子在两片玻璃之间呈90扭曲。 靠近玻璃表面的液晶分子并不完全平行于玻璃表面，而是与其成一定的角度，这个角度称为预倾角，一般为12 TN TN 型型 LCD
14、LCD显示原理显示原理Twist 90液晶分子Field OFFField ON利用液晶的旋光特性調变穿透光线液晶的旋光特性消失2、液晶显示器的基本原理当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在不加电场时，由于向列液晶的旋光特性，线偏振光在出射处，旋转了90，可以通过，因此呈透光态。当给液晶盒施加大于阈值的场强时，液晶盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，此时，入射的线偏振光不能得到旋转因而在出射处不能通过检偏片，呈暗态。可见，当给需要显示的字段或像素的电当给需要显示的字段或像素的电极加上适当的驱动电压，该字段或像素就被点亮。极加上适当的驱动电压，该字段或像素就被点亮。TN-LCD工作原理正显示：白底
15、黑字的显示。用TN-LCD制作的常用液晶显示器件白底黑字显示正显示 TN TN 型型 LCDLCD显示原理显示原理Field OFFField ON黑底白字显示负显示如果将偏振片平行放置，则可得到负显示。黑底白字显示负显示3 3、 TN-LCDTN-LCD的驱动的驱动LCD的驱动要求和特点：的驱动要求和特点：（1）由于液晶是有机化合物，在固定的电场作用下将发由于液晶是有机化合物，在固定的电场作用下将发生电化学反应，从而导致液晶材料的老化及失效。因此，生电化学反应，从而导致液晶材料的老化及失效。因此，施加在液晶上的电场应为交流电场，从而将电化学反应施加在液晶上的电场应为交流电场，从而将电化学反应
16、抵消掉或降到最低限度。研究表明，长期应用条件下，抵消掉或降到最低限度。研究表明，长期应用条件下，电信号的直流分量应小于电信号的直流分量应小于50mV。 （2）驱动电源频率低于数千赫兹时，在很宽的频率范围）驱动电源频率低于数千赫兹时，在很宽的频率范围内内LCD的透光率只与驱动电压有效值有关而与电压波形的透光率只与驱动电压有效值有关而与电压波形无关；无关；（3）驱动时）驱动时LCD像素是一个无极性的容性负载。像素是一个无极性的容性负载。 TN-LCD液晶显示的电极：段型电极、矩阵型电极。液晶显示的电极：段型电极、矩阵型电极。TN-LCD驱动方式：静态驱动、矩阵寻址动态驱动。驱动方式：静态驱动、矩阵
17、寻址动态驱动。 静态驱动静态驱动在需要显示的时间里分别同时给所需显在需要显示的时间里分别同时给所需显示的段电极加上驱动电压，直到不需要显示的时刻为示的段电极加上驱动电压，直到不需要显示的时刻为止。静态驱动的对比度较高，但使用的驱动元器件较止。静态驱动的对比度较高，但使用的驱动元器件较多，因此只用于电极数量不多的段式显示。多，因此只用于电极数量不多的段式显示。 字段型电极液晶显示静态驱动法字段型电极液晶显示静态驱动法字段型电极液晶显示器结构示意图字段型电极液晶显示器结构示意图(a)段型电极液晶显示静态驱动法段型电极液晶显示静态驱动法各像素的段电极是分立引出的，见图a。各液晶像素的背电极com是连
18、在一起引出的，如图b。(b)段型电极液晶显示静态驱动法段型电极液晶显示静态驱动法由于液晶驱动要求交流驱动，当驱动波形如图所示时，就实现f像素的显示，e不显示。5V0V5V0V5V0Vfcome当我们在被电极com上加入一个正电压，如5V，在所要显示的像素段电极（如f）上加0V，使得该像素电极间电压为5V，呈显示状态。而在不显示像素段电极(如e)上加入5V，使得该像素电极间电压为0V，呈不显示状态。行电极列电极当液晶显示器显示的像素众多时，为了节省庞大的硬件驱动电路，液晶显示器电极的制作实施了矩阵式结构：即TN液晶盒上下玻璃基板的内表面沉积许多平行的条状透明电极，而且上下电极条互相垂直，交叉处形
19、成显示像素。TN-LCD矩阵显示像素显示器上每个像素都由其所在行列位唯一确定。液晶显示的扫描方法是循环地逐行给行电极施加选择脉冲，并在列电极上给出该行显示数据转换成的选通或非选通的驱动信号，从而实现该行所有显示像素的显示。 这种扫描是逐行顺序进行的，循环周期很短，使得液晶屏上呈现出稳定的图像。TN-LCD寻址驱动（动态驱动）行电极列电极像素Address action Address action 寻址示意寻址示意Address action Address action 寻址示意寻址示意Address action Address action 寻址示意寻址示意Address action
20、Address action 寻址示意寻址示意Address action Address action 寻址示意寻址示意Address action Address action 寻址示意寻址示意Address action Address action 寻址示意寻址示意Address action Address action 寻址示意寻址示意将所有扫描行电极各施加一次扫描电压的时间称为一帧。按时间顺序逐一给各行电极施加选通电压，选到某一行时各列电极同时施加相应于该行的信号电压，行电极选通一遍，就显示出一帧信息，在一帧中每行的选择时间是相等的。假设一帧的扫描行数为N，那么一行所占有选择时间
21、为一帧时间的1/N。 扫描行电极寻址列电极矩阵式液晶显示动态驱动原理段型电极液晶显示动态驱动法段型电极液晶显示动态驱动法矩阵式液晶显示电路原理图4 4、 TN-LCDTN-LCD的电光特性的电光特性 阈值电压阈值电压Vth透射率为器件最大透射率的透射率为器件最大透射率的10%（常黑（常黑型）所对应的电压有效值。型）所对应的电压有效值。Vth是和液晶材料有关的参数，是和液晶材料有关的参数，对于对于TN-LCD，大约在，大约在12V之间。之间。饱和电压饱和电压Vsat透透射率为器件最大透射射率为器件最大透射率的率的90%（常黑型）（常黑型）所对应的电压有效值。所对应的电压有效值。VthVsat 阈
22、值电压阈值电压Vth透射率为器件最大透射率的透射率为器件最大透射率的90%（常白（常白型）所对应的电压有效值。型）所对应的电压有效值。饱和电压饱和电压Vsat透透射率为器件最大透射射率为器件最大透射率的率的10%（常白型）（常白型）所对应的电压有效值。所对应的电压有效值。VthVsat液晶器件电光效应的瞬态响应特性通常用三个常数表征：液晶器件电光效应的瞬态响应特性通常用三个常数表征：延迟时间延迟时间：定义为加上电压后透光率达到最大值：定义为加上电压后透光率达到最大值10%时的时的时间；时间；上升时间上升时间：定义为透光率从：定义为透光率从10%增加到增加到90%所用的时间；所用的时间；下降时间
23、下降时间：定义为透光率从：定义为透光率从90%下降到下降到10%所用的时间。所用的时间。目前普通目前普通TN-LCD的响应时间在的响应时间在80ms左右。左右。 5、显示器响应速度、显示器响应速度扫描行电极在动态驱动方式下，要使（i，j）点显示，就需在第i列和第j行上同时施加选择电压，使该点的电场强度最大，但此时除（i，j）点外，第i列和第j行的其余各点也承受了一定电压，这些点称为半选择点。若半选择点上的有效电压大于阈值电压时，在屏幕上将出现不应有的显示，使对比度下降，这就是交叉效应。因此“交叉效应交叉效应”使图像对比度降低，图像质量变差。并且行、列电极越多，交叉行、列电极越多，交叉效应越严重
24、。效应越严重。寻址列电极6、TN型液晶显示器存在的问题型液晶显示器存在的问题i,j7 7、TNTN型液晶显示器件缺点：型液晶显示器件缺点：TN-LCD(TN-LCD(扭曲向列型液晶显示器）常用于电子手表，计扭曲向列型液晶显示器）常用于电子手表，计算器算器TNTN型液晶显示器件应用型液晶显示器件应用6.2.3 超扭曲向列液晶显示器件（超扭曲向列液晶显示器件（STN-LCD）STN-LCD “超扭曲”液晶显示器件，属于第三代液晶显示器件。扭曲角大于90。显示的大容量化是以电压透过率曲线的高陡度为前提的。由于受自身材料参量的限制，扭曲90oTNICD的电致畸变曲线陡度不大。1984年，Scheffe
25、r和Nehring提出增大液晶分子扭角并采用双折射方式增大液晶分子扭角并采用双折射方式可大大提高电致畸变曲线陡度，随扭角从180o到270o，曲线陡度明显提高，就可大大提高器件的响应速度。为直接矩阵大容量显示提供了基础。STN LCDSTN LCD显示原理显示原理Twist 270液晶分子Field OFFField ONSTNSTNLCDLCD的结构和工作原理的结构和工作原理Twist 270与与TN型相比，型相比， STN型的结型的结构特点是：构特点是：大扭角大扭角(180o一一270o)；高预倾角高预倾角( 20o)；两偏振片光抽特殊设置。两偏振片光抽特殊设置。P1P2R1R2P1，P2
26、分别为两偏振片光轴；R1，R2分别为上下基板取向方向；，分别为两偏振片光轴与相应基板取向之夹角在STN器件中，由于壁面分子取向和偏振片偏振光轴不一致，入射的线偏振光被分解成平行和垂直于分子长轴的e光和O光。由于两者传输速度的不同，在通过检偏振片时相互发生干涉，干涉强度取决于延迟nd，偏振片方位角(P1，P2)和扭角的组合。在三者最佳组合时，分子取向微小变化将引起输出光的较大变化，呈现陡峭的阈值特性。利用电压作用引起分子取向突变和光学双折射效应的巧妙结合，可获得大容量显示。STN型液晶显示器件 STN-LCD中中间层分子的倾斜角与约化电压的关系假设起偏器偏振方向与液晶盒表面分子长轴方向成45o。
27、P1P2o光e光MMlnneo)(2o光e光根据液晶层厚度的不同和起偏振片、检偏振片相对取向的不同，分为黄模式和蓝模式两种。R1R2P1P2(, )=(30o,60o) 由于这时两偏振片的光轴有较大的夹角，因此，在导通态时呈现黑色。由此实现了在黄色背景上显示黑色，称为黄模式；(, )=(-30o,30o)这种设置的两偏振片光轴的夹角较小，因此，在导通态几乎呈白色，于是实现了在藏青色背景上显示“白色”图，称为蓝模式lnneo)(2STN型彩色液晶显示原理如果在单色STN液晶显示器加上一彩色滤光片，并将每一个单色显示像素分成三个子像素，并且每一个子像素前面分别加上彩色滤光片，使其显示红、绿、蓝三原
28、色，再经由三原色比例之调和，也可以显示出全彩模式的色彩，即变成了全彩色液晶显示器。彩色滤色器基本原理同彩色CCD中所用的彩色滤色器相似。主体是由制作在玻璃基板上的红(R)、绿(G)、蓝(s)三基色点阵组成彩色显示机理 STN型彩色液晶显示器件结构1985年1990年,LCD销售额年均增长率达32%。此阶段发展最快的是STN-LCD,它从发明到批量生产仅用了五年时间。由于STN-LCD具有扫描线多、视角较宽、对比度好等特点 ,很快在大信息容量显示的膝上型、笔记本型、掌上型微机及中英文打字机、图形处理机、电子翻译机及其它办公和通信设备（手机）中获得广泛应用,并成为该时代的主流产品。1990年销售额
29、15亿美元,占整个LCD市场的83%。STN型液晶显示器件的发展和应用6.2.4 有源矩阵液晶显示器件（有源矩阵液晶显示器件（AM-LCDAM-LCD） 有源矩阵液晶显示器件属于第4代液晶显示器。 解决 “交叉效应交叉效应”的思路：如果在每一个像素上设计一个有源器件，使每个像素可以被独立地驱动，这样就克服交叉效应。从原理上消除了扫描行数增加时对比度降低的矛盾，获得高质量的显水图像。无源的液晶显示器（如TN型及STN型）有所谓的“交交叉效应叉效应” ，对多路、视频运动图像的显示很难满足要求。有源矩阵有源矩阵液晶显示器与TN系列液晶显示器在构造上有相似之处，如玻璃基板、电极膜、配向膜、偏光板等，同
30、样在两夹层间填充液晶分子。1、二端有源矩阵液晶显示器件、二端有源矩阵液晶显示器件上玻璃板是一共用电极，玻璃基板上要放置扫描线和寻址线（行、列线），在每个像素单元的信号线与像素电极之间都设置一个(或多个）非线性元件。信号线扫描线二端有源矩阵二端有源矩阵非线性元件与液晶单元呈串联电路。二端有源器件是双向性二极管，正、反方向都具有开关特性。 RLCRMIMCMIMCLCVMIMVCC驱动电压V液晶单元RNLRNLVNLCNLVLC一种典型的二端子型元件MIM(Metal-Insulator-Metal) MIM结构是在两金属层加入一层绝缘薄膜的夹层结构。首先在玻璃衬底上通过直流溅射淀积一层约300一
31、500nm的Ta膜，通过常规光刻和腐蚀得到数字信号线和器件部分的台锥电极。此后，采用阳极氧化工艺或活性反应溅射法形成的约60nm厚的Ta2O5绝缘膜。接着，通过蒸发或溅射形成Cr膜，再由光刻工艺形成MIM另一个与像素电极相连的电极。2、三端有源矩阵液晶显示器件三端有源矩阵液晶显示器件上面介绍了二端子AM方式。与直接矩阵方式相比，二端子AM方式大大提高了液晶显示的显示容量、对比度和响应速度。但由于二端子元件的阈值电压是像素电压的一部分，它的均匀性和稳定性将直接影响显示特性，同时，所有像素上的非线性元件的寄生电容CNL必须满足CNL /CLC0.1。这在工艺上是相当苛刻的条件。因此二端子AM方式的
32、像质的进一步提高受到限制。用于AMLCD中的三端子元件有两种类型。一种是在单晶硅片上制作的MOS晶体管，另一种是形成于玻璃等基板上的薄膜晶体管(TFT)，但在原理上两者均为场效应型晶体管。把场效应型晶体管用作AMLCD开关元件，其原因有三：该管具有很高的开关比。电学上具有双向开关性。结构上便于制造。提高像质的最好方法是采用三端子AM方式，即FET(field effect transister)方式，这是因为采用三端子元件后，可把开关元件的控制电压和液晶像素的驱动电压分开设置，可各自选择在最佳工作状态,以达到高像质要求。TFTLCD（Thin FilmTransistorLCD）薄膜晶体管液晶
33、显示器它工艺简单；玻璃基板成本低；导通比大；可靠性高；容易大面积化。 TFTLCD液晶显示器液晶显示器TFT液晶显示器与TN系列液晶显示器在构造上有相似之处，如玻璃基板、电极膜、配向膜、偏光板等，同样在两夹层间填充液晶分子。TFT液晶显示器结构液晶显示器结构上玻璃板是一共用电极，玻璃基板上要放置扫描线和寻址线（行、列线），在交点上再制作上TFT有源器件和像素电极。扫描线TFT-LCD液晶显示器结构与TN型比较TFT-LCD液晶显示器结构与TN液晶显示器结构差别TN液晶显示器薄膜晶体管开关 TFT是一个使用晶体管制作的开关，它主要 的 作 用 是 决 定LCD source driver上的电压
34、是不是要充到这个点来。 TFT液晶显示器结构液晶显示器结构TFTTFT结构结构TFT液晶显示器结构液晶显示器结构上玻璃板是一共用电极，如果是彩色显示，则还要在上面制作上与下面矩阵对应的R、G、B滤色膜。剖面图剖面图TFT结构结构TN结构结构TN结构与结构与TFT结构对比结构对比Equivalent circuit of a pixel扫描电极信号电极TFT-LCD显示器阵列等效电路信号电极扫描电极PN+sgdN+以以P型半导体作衬底型半导体作衬底形成两个形成两个PN结结SiO2保护层保护层引出两个电极引出两个电极引出两个电极引出两个电极引出栅极引出栅极从衬底引出电极从衬底引出电极场效应管结构场
35、效应管开关工作原理 （1 1）结构结构 4个电极：漏极个电极：漏极D，源极源极S，栅极，栅极G和和 衬底衬底B。-gsdb符号：符号：-N+NP衬底sgdb源极栅极漏极衬底二氧化硅 当当uGS0V时时纵向电场纵向电场将靠近栅极下方的空穴向将靠近栅极下方的空穴向下排斥下排斥耗尽层。耗尽层。（2 2）工作原理）工作原理 当当uGS=0V时，漏源之间相当两个背靠背的时，漏源之间相当两个背靠背的 二极管，在二极管，在d、s之之间加上电压也不会形成电流，即管子截止。间加上电压也不会形成电流，即管子截止。 再增加再增加uGS纵向电场纵向电场将将P区少子电子聚集到区少子电子聚集到P区表面区表面形成形成N型导
36、电沟型导电沟道（道（ uGS 开启电压）。开启电压）。栅源电压栅源电压uGS的控制作用的控制作用-P衬底sgN+bdVDD二氧化硅+N-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid（2 2）工作原理）工作原理-s二氧化硅P衬底gDDV+Nd+bNVGGid 在在N型导电沟道形型导电沟道形成后，如果此时加成后，如果此时加有漏源电压，就可有漏源电压，就可以形成漏极电流以形成漏极电流id。 定义：定义： 开启电压开启电压（ UT）刚刚产生沟道所需的刚刚产生沟道所需的栅源电压栅源电压UGS。 N沟道增强型沟道增强型MOS管的基本特性：管的基本特性： uGS UT，管子截止，管子截止， uGS UT，
37、管子导通。，管子导通。 uGS 越大，沟道越宽，在相同的漏源电压越大，沟道越宽，在相同的漏源电压uDS作作用下，漏极电流用下，漏极电流iD越大。越大。（2） uDS对沟道的控制作用靠近漏极靠近漏极d d处的电位升高处的电位升高电场强度减小电场强度减小 沟道变薄沟道变薄当当uGSGS一定（一定（uGS GS V VT T ）时，）时，uDSDS I ID D 沟道电位梯度沟道电位梯度 整个沟道呈整个沟道呈楔形分布楔形分布夹断后，夹断后，uDSDS 夹断区延长夹断区延长沟道电阻沟道电阻 I ID D基本不变基本不变（2）uDS对沟道的控制作用uDSDS增强型增强型NMOS管工作原理演示管工作原理演
38、示光源照射时先通过下偏光板向上透出，它也借助液晶分子来传导光线，由于上下夹层的电极改成FET电极和共同电极。在FET电极导通时，液晶分子的表现如TN液晶的排列状态一样会发生改变，也通过遮光和透光来达到显示的目的。TFT液晶显示器工作原理TFT的栅极G接扫描电压，漏极D接信号电压，源极S接像素电极，与液晶像素串联。TFT液晶显示器原理液晶像素可以等效成一个电阻RLC和一电容CLC的并联。扫描线信号线TFT液晶显示器原理GD液晶像素CLCRLCS在上下两层玻璃间, 夹着液晶, 便会形成平行板电容器, 当扫描脉冲加到栅极G时，使D-S导通，内阻变小，信号电压产生大的通态电流ION，并使CLC很快充电
39、到信号电压。当CLC充电电压均方根值Vrms大于液晶像素的阈值电压Vth时，该像素显示，并通过RLC缓慢放电。TFT-LCD显示器工作原理扫描线信号线GDSCLC但是液晶形成的平行板电容器（大小约为0.1pF ）并无法将电压保持住, 直到下一次TFT再对此点充电的时候。这样一来, 电压有了变化, 所显示的灰度就会变化. 因此一般在面板的设计上, 会再加一个储存电容 (大约为0.5pF), 以便让充好电的电压能保持到下一次更新画面的时候.由这样的“存储效应”使一个帧周期内VrmsVth，即显示占空比为1:1。 TFT液晶显示器结构液晶显示器结构TFT液晶显示器原理由此工作过程可看出，扫描电压只作
40、三端子元件开关电压之用，而驱动液晶的电压是信号电压通过导通三端子元件对象素电容充电后在像素电极和公共电极之间形成的电位差VLC。VLC大小决定于信号电压Vs。可见，采用三端子元件作有源矩阵驱动，可实现开关电压和驱动电压分开，从而可达到开关元件的开关特性和液晶像素的电光特性的最佳组合，可获得高像质显示。有源矩阵液晶显示器件的有源矩阵液晶显示器件的应用应用1985年后，由于超扭曲液晶显示器的发明及a-SiTFT液晶显示技术的突破，LCD技术进入了大容量化的新阶段，使便携计算机和液晶电视等新产品得以开发，并迅速商品化。LCD市场需求量大幅度增长。由于液晶本身并不发光，因此LCD需要通过外来光源实现透
41、射或反射来显示。LCD有三种照明方式：反射型，全透型和半透型。1、照明方式、照明方式 6.2.5 LCD照明方式和光源照明方式和光源反射型反射型LCD的底偏光片后面加了一块反射板，它一般在户外和光线良好的办公室使用。全透型全透型LCD的底偏光片是全透偏光片，它需要连续使用背光源，一般在光线差的环境使用。半透型半透型LCD是处于以上两者之间，底偏光片能部分反光，一般也带背光源，光线好的时候，可关掉背光源；光线差时，可点亮背光源使用LCD。2、LCD 背光源背光源现有LCD 大多数是透射型的，对于这些透射型LCD 来说，背光源是它们不可或缺的组成部分.背光源系统为LCD 面板提供光源，主要由光源、
42、导光板、光学用膜片和塑胶框等部分组成。依光源分布位置不同，分为侧光式和直下式。作为LCD 的背光源，为了确保显示画面的质量，它应具有亮度高、发光均匀、照明角度大、可调、高效率、低功耗、寿命长、轻且薄等性能。侧光式背光源结构图侧光式和直下式照明方式侧光式和直下式照明方式依光源分布位置不同，分为侧光式和直下式。直下式背光源结构图 目前采用的背照光源主要有： 1）电致发光板EL 2）平板荧光灯（VFDL） 3）冷阴极荧光灯（CCFL） 4）有机电致发光（OEL） 5） LED（发光二极管）光源等。 CCFL光源冷阴极荧光灯（Cold Cathode Fluorescent Lamp-CCFL）是一种
43、依靠冷阴极气体放电，激发荧光粉的光源。结构：在玻壳内充入氩Ar、氖Ne和汞Hg，用镍Ni、钼Ta、锆Zr或氧化物涂复的金属作电极，灯内壁涂有三基色荧光粉。惰性气体为缓冲气体，充入气体的压强对灯的亮度、启动性能和寿命都有很大影响。CCFL光源发光原理：当高压加在灯管两端后，灯管内少数电子高速撞击电极后产生二次电子发射，开始放电,管内的水银受电子撞击后，激发辐射出紫外光，产生的紫外光激发涂在管内壁上的荧光粉而产生可见光。CCFL光源光源的特点是寿命达20000小时，功耗在14W，有U形、M形和直管形。 EL 器件是电致发光器件，是一种薄膜冷光源，通过交变电场激发夹在两片透明电极中间的荧光粉而发光；
44、 EL 具有超薄、耗能低、发光柔和均匀等优点，不会产生紫外线，具有特优的抗水、抗震及可任意弯曲等性能； 但是EL器件需要较高的交流电压来驱动、寿命较短（仅有5000小时）； 目前多用于中小型LCD 背光源、仪器仪表及薄膜开关的照明指示、交通运输及消防安全的指示标志、艺术钟表、电子礼品玩具、广告招牌、室内外装饰照明和暗室照明等领域。EL光源EL背光源LCD模块示意图 LED（发光二极管）光源，它由数层很薄的掺杂半导体材料制成。LED背光源主要用于字符型模块。 LED 背光源平板荧光灯（平板荧光灯（VFDVFD）平板荧光灯（VFD）是一种热阴级、低压、平板型荧光灯，如果将阳极和荧光粉制作成像素状，
45、就是平板荧光显示器件，可用于电子称，DVD等显示用，做为背光源可以将阳极连成一片，全部涂覆一层荧光粉，其亮度大于150lm，寿命大于5000小时。1、可视面积 液晶显示器所标示的尺寸就是实际可以使用的屏幕范围一致。2、分辨率分辩率以乘法形式表现的，比如800600，其中“800”表示屏幕上水平方向显示的点数，“600”表示垂直方向显示的点数。因此所谓的分辩率就是指画面的解析度，由多少象素构成，其数值越大，图象也就越清晰。6.2.6 6.2.6 液晶显示器性能指标液晶显示器性能指标 3、可视角度视角简单地说就是显示图案能看得清楚的角度。它是由定向层的摩擦方向决定，不能通过旋转偏光片改变。一般而言
46、，LCD的可视角度都是左右对称，但上下可就不一定了。而且，常常是上下角度小於左右角度。当我们说可视角是左右80度时，表示站在始于屏幕法线80度的位置时仍可清晰看见屏幕图像液晶显示器性能指标液晶显示器性能指标80o4、亮度、对比度液晶显示器的最大亮度，通常由背光源来决定， TFT液晶显示器的可接受亮度为150cd/m2以上，目前国内能见到的TFT液晶显示器亮度都在200cd/m2左右，亮度低一点则感觉暗，再亮当然更好。目前液晶电视亮度在500cd/m2左右。对比度是定义最大亮度值(全白)除以最小亮度值(全黑)的比值。一般来说，人眼可以接受的对比值约为 250:1。 液晶显示器性能指标液晶显示器性
47、能指标5、响应时间反应时间实际上就是指的液晶单元从一种分子排列状态转变成另外一种分子排列状态所需要的时间，响应时间愈小愈好，它反应了液晶显示器各像素点对输入信号反应的速度，即屏幕由暗转亮或由亮转暗的速度。响应时间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖拽的感觉。响应时间愈小愈好，它反应了液晶显示器各象素点对输入信号反应的速度，即象素由暗转亮或亮转暗的速度。响应时间越小则使用者在看运动画面时不会出现尾影拖拽的感觉。一般会将反应速率分为两个部分：Rising和Falling；而表示时以两者之和为准。 液晶显示器性能指标液晶显示器性能指标6、显示颜色数（色彩度 ）LCD重要的当然是的色彩表现度。我们
48、知道自然界的任何一种色彩都是由红、绿、蓝三种基本色组成的。LCD面板上是由MN个像素点组成显像的，每个独立的像素色彩是由红、绿、蓝(R、G、B)三种基本色来控制。大部分厂商生产出来的液晶显示器，每个基本色(R、G、B)达到6位，即26=64种表现度，那么每个独立的像素就有643=262144种色彩。也有不少厂商使用了所谓的FRC(Frame Rate Control)技术以仿真的方式来表现出全彩的画面，也就是每个基本色(R、G、B)能达到8位，即256种表现度，那么每个独立的像素就有高达2563=16777216种色彩了。 液晶显示器性能指标液晶显示器性能指标液晶显示技术也存在弱点和技术瓶颈，
49、与CRT显示器相比亮度、画面均匀度、可视角度和反应时间上都存在明显的差距。其中反应时间和可视角度均取决于液晶面板的质量。 液晶显示技术也存在弱点（1）为什么驱动电压的波形必须是交流的，而且对）为什么驱动电压的波形必须是交流的，而且对其直流分量还有一定的要求？其直流分量还有一定的要求？（2）什么叫做动态驱动中的）什么叫做动态驱动中的“交叉效应交叉效应”？（3） TN-LED和和STN-LED的区别？的区别？（4）简述）简述TN型液晶显示器件的结构、工作原理和驱型液晶显示器件的结构、工作原理和驱动原理。动原理。（5） TFT-LED液晶显示器件的结构上有什么改进？液晶显示器件的结构上有什么改进？说明它如何解决说明它如何解决 “交叉效应交叉效应”的？的？ （6）液晶显示器的主要技术指标及其含义）液晶显示器的主要技术指标及其含义习习 题题