薄膜二极管

二极管

薄膜二极管（Thin Film Diode，简称TFD）是一种二极管，最初开发出来的TFD只能显示4096色，但如果采用图像处理技术可以显示相当于26万色的图像。不过相对TFT在色彩显示上还是有所不及。

定义

采用薄膜工艺，把阀金属（钽、钛、锆等）薄膜阳极化形成的二极管叫做薄膜二极管（Thin Film Diode，TFD），其整流特性和再现性较差，而用硫化镉、硒化镐等材料在基片上做成的薄膜结构二极管的整流特性较好，其耐压可达15~20伏。

1971年Lechner第一个将二极管应用于有源矩阵液晶显示器，最初的想法只是想要将无源矩阵所令人诟病的串扰降低，后来衍生出二极管驱动液晶显示器。以非晶硅材料所构成的PIN结构一般称为薄膜二极管，它具有较佳的非线性电阻特性。

由于TFT耗电高而且成本高昂，这无疑增加了可用性和手机成本，因此TFD技术被手机屏幕巨头精工爱普生开发出来专门用在手机屏幕上。它是TFT和STN的折中，有着比STN更好的亮度和色彩饱和度，却又比TFT更省电。TFD的特点在于“高画质、超低功耗、小型化、动态影像的显示能力以及快速的反应时间”。TFD的显示原理在于它为LCD上每一个像素都配备了一颗单独的二极管来作为控制源，由于这样的单独控制设计，使每个像素之间不会互相影响，因此在TFD的画面上能够显现无残影的动态画面和鲜艳的色彩。和TFT一样TFD也是有源矩阵驱动。

原理

薄膜二极管具有较佳的非线性电阻特性，其电压电流曲线可以用传统的二极管方程式表示：

其中，为饱和电流，n为理想因子。

当外加逆偏压于薄膜二极管时，由于本征区域的耗尽效应阻挡了电子空穴的运动，二极管处于截止状态（Cut-Off），其漏电流非常低，而当外加长正偏压高于二极管阈值电压时，电流急速地增加，因此可以有较快的导通速度与高于的开关比（On/Off Ratio）。使得二极管导通形成非线性电阻，由于电流快速增加容易产生软性击穿，因此为了避免这类破坏性的损伤，本征区域的厚度与淀积条件就显得重要了。

结构

由于薄膜二极管具有整流的非对称电压电流特性，若单独使用二极管就会产生直流电压造成液晶的极化。单一薄膜二极管无法完成液晶显示器交流的驱动方式，所以任何用薄膜二极管原理的像素都必须采用两枚以上的二极管器件。常用的TFD像素结构有：Back-to-Back组态、Diode Ring组态、Bridge组态与Double DiodePlus Reset（D2R）组态。

一般而言，Back-to-Back组态的阈值电压为 15V，而Diode Ring组态约为 0.6V。利用两个或多个二极管串联或并联组成的组态可以达到较高的击穿电压与类似的MIM二极管的对称特性。而多个二极管配合额外并联扫描线的组态使用可以达到电路冗余与双开关对称的功能，当其中一薄膜二极管失效时，电流可以经由另一条路径而降低像素的缺陷。然而薄膜二极管中非晶硅的不稳态缺陷与可靠性易造成非预期的漂移，再加上工艺上的重复性与均匀性不佳，因此应用于要求严格的显示器上似乎不太合适。

制造方式

薄膜二极管矩阵的制造方式较MIM二极管复杂，一般需要经过三至五次光刻与多次淀积的流程，通常第一层金属采用铬（Cr），经过图形化之后，采取等离子体辅助化学气相淀积的方式形成非晶硅PIN结构，利用、与的混合淀积硼掺杂区、本征区与磷掺杂区，再溅射金属铬作为刻蚀PIN结构的硬式光刻掩膜（Hard Mask）。为了保护薄膜二极管通常使用做保护层，接着在淀积ITO电极，最后溅射连接薄膜二极管与ITO电极的金属，一般采用铝（Al）、钼（Mo）或镍（Ni）等金属材料。由于非晶硅对于光的敏感性高，容易因光产生漏电流，因此必须用金属层包覆以避免光照。相较于MIM二极管简单且高良率、高重复性的工艺，薄膜二极管的矩阵制造的似乎比较不受量产制造商的青睐。

应用

薄膜二极管的一个应用为保护电路，由于液晶显示器在制造及环境中常会遇到异常的脉冲，因此利用薄膜二极管作为静电放电的保护电路，可将异常状况排除，以确保面板良率与画面品质。

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