RCA (Radio Corporation of America) ใช้เวลาหลายปีในการทดลองและพัฒนาทรานซิสเตอร์ แม้ว่าสิทธิบัตรฟิล์มบางฉบับแรกได้รับการพัฒนาในปี 1957 โดยสมาชิกของ RCA คือ John Wallmar ในปี 1957 หลังจากนั้น มีการพัฒนาต่อเนื่องกันในสาขาไมโครอิเล็กทรอนิกส์และเซมิคอนดักเตอร์ TFT หรือ Thin Film Transistor เกิดขึ้นในปี 1962 TFT ถูกนำมาใช้ใน จอแสดงผลคริสตัลเหลวเพื่อปรับปรุงคุณภาพของภาพ เช่น คอนทราสต์และความสามารถในการระบุตำแหน่ง TFT เป็นรุ่นปรับปรุงของ มอสเฟต เพราะใช้ฟิล์มบางๆ บทความนี้จะกล่าวถึงบทนำเกี่ยวกับ ทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบาง หรือ TFT – ทำงานร่วมกับแอพพลิเคชั่น
ทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบางคืออะไร?
คำจำกัดความของทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบางคือ ประเภทของ FET หรือทรานซิสเตอร์แบบ field-effect ซึ่งใช้ในแต่ละพิกเซลของ LCD ( จอแสดงผลคริสตัลเหลว ) เพื่อแสดงข้อมูลหน้าจอด้วยคอนทราสต์สูง ความสว่างสูง และความเร็วสูง สัญลักษณ์ทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบางแสดงอยู่ด้านล่าง
หลักการทำงานของทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบาง
ทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบางเหล่านี้ทำงานเหมือนสวิตช์แต่ละตัวที่ช่วยให้พิกเซลปรับตำแหน่งได้อย่างรวดเร็ว เพื่อให้สามารถเปิดและปิดได้เร็วขึ้นมาก ทรานซิสเตอร์เหล่านี้เป็นองค์ประกอบที่ใช้งานอยู่ภายใน LCD ซึ่งจัดเรียงในรูปแบบเมทริกซ์เพื่อให้ LCD สามารถแสดงข้อมูลได้ สิ่งเหล่านี้ถูกใช้ในแอพพลิเคชั่นการแสดงผลเชิงพาณิชย์ เช่น เครื่องตรวจจับการถ่ายภาพด้วยรังสีแบบดิจิตอล จอแสดงผลล่วงหน้า และอื่นๆ อีกมากมาย
โครงสร้างทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบาง
TFT เป็นทรานซิสเตอร์ฟิลด์เอฟเฟ็กต์ชนิดพิเศษที่สร้างขึ้นโดยการนำฟิล์มบางของชั้นเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้งานอยู่ ชั้นไดอิเล็กทริก และชั้นอิเล็กโทรดเกทมาวางบนวัสดุที่ยืดหยุ่นซึ่งเรียกว่าซับสเตรต โครงสร้างของทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบางแสดงไว้ด้านล่าง
TFT มีเลเยอร์ต่างๆ ซึ่งผลิตขึ้นโดยใช้วัสดุที่แตกต่างกัน ดังนั้นวัสดุที่ใช้ในทุกชั้นจะกล่าวถึงด้านล่าง
ชั้นแรกของ TFT เป็นสารตั้งต้นที่ยืดหยุ่นซึ่งทำจากแก้ว โลหะ และโพลิเมอร์หนาระดับไมครอน เช่น Polyethyleneteraphalate ชั้นนี้ทำหน้าที่เป็นฐานสำหรับสร้างอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์
ชั้นที่สองคืออิเล็กโทรดเกทซึ่งประกอบด้วยอะลูมิเนียม ทอง หรือโครเมียมตามการใช้งาน อิเล็กโทรดเกตนี้ให้สัญญาณไปยังเซมิคอนดักเตอร์ฟิล์มบางซึ่งกระตุ้นการสัมผัสระหว่างแหล่งกำเนิดและท่อระบายน้ำ
ชั้นที่สามเป็นฉนวนที่ใช้เพื่อหลีกเลี่ยงการลัดวงจรระหว่างชั้นทั้งสอง เช่น ชั้นเซมิคอนดักเตอร์และอิเล็กโทรดเกท
ชั้นที่สี่คือชั้นอิเล็กโทรดซึ่งทำด้วยตัวนำต่างๆ เช่น เงิน อะลูมิเนียม โครเมียม หรือทองคำ และถูกสะสมไว้บนพื้นผิวเซมิคอนดักเตอร์ แม้แต่ในการเคลือบอิเล็กโทรดแหล่งที่มาและท่อระบาย ก็ยังใช้อินเดียมทินออกไซด์ (ITO) อุปกรณ์ทั้งหมดถูกห่อหุ้มด้วยวัสดุเซรามิกหรือโพลิเมอร์
กระบวนการผลิตทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบาง
มีการกล่าวถึงชั้นต่างๆ ของการผลิต TFT ด้านล่าง
- ขั้นแรก วัสดุซับสเตรตจะถูกทำความสะอาดทางเคมีด้วยกรดหรือเบสที่ต้องการเพื่อกำจัดสิ่งบรรจุทั้งหมดที่เกาะอยู่บนพื้นผิว
- หลังจากนั้น อิเล็กโทรดเกทโลหะจะถูกวางลงบนพื้นผิวด้วยขั้นตอนการระเหยด้วยความร้อน อิเล็กโทรดเซรามิก/โพลิเมอร์จะถูกสะสมด้วยการพิมพ์อิงค์เจ็ต/ขั้นตอนการเคลือบแบบจุ่ม
- การเคลือบฉนวนนั้นถูกฝากไว้บนประตูด้วยกระบวนการ Chemical Vapor Deposition (CVD) หรือ Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition (PECVD)
- ชั้นเซมิคอนดักเตอร์จะถูกเคลือบด้วยการจุ่มถ้าเป็นสเปรย์หรือโพลิเมอร์เคลือบ ทั้งแหล่งที่มาและท่อระบายน้ำคล้ายกับขั้นตอนของอิเล็กโทรดเกต – การเคลือบแบบพ่น/จุ่มหรือการระเหยด้วยความร้อนตามที่กำหนดโดยชั้นหน้ากากที่เหมาะสม
วิธีเชื่อมต่อทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบาง
แผนภาพการเชื่อมต่อของทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบางแสดงไว้ด้านล่าง ตัวอย่างนี้ใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ชนิด p หากใช้วัสดุประเภท n ขั้วจะตรงกันข้าม ทรานซิสเตอร์ทำงานเมื่อทรานซิสเตอร์ถูกไบอัสโดยใช้แรงดันลบระหว่างหน้าสัมผัสเดรนและซอร์ส (VDS)
เมื่อปิดทรานซิสเตอร์ จะไม่มีประจุสะสมอยู่ระหว่างหน้าสัมผัสแหล่งจ่ายและเดรน ดังนั้นจึงไม่มีกระแสไหลระหว่างหน้าสัมผัสแหล่งที่มาและท่อระบายน้ำ ในการเปิดทรานซิสเตอร์ จะใช้แรงดันไบอัสเชิงลบกับเกทเทอร์มินอล (VGS) ดังนั้นตัวพาประจุ เช่น รูภายในเซมิคอนดักเตอร์จะสะสมอยู่ที่ฉนวนประตูเพื่อสร้างช่องทางที่ช่วยให้กระแส (ID) ไหลจากท่อระบายน้ำไปยังแหล่งกำเนิด
ความแตกต่าง b/w ทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบางกับ Mosfet
ความแตกต่างระหว่างทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบางและมอสเฟตมีดังต่อไปนี้
|
ทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบาง |
มอสเฟต |
| TFT ย่อมาจาก Thin Film Transistor | MOSFET ย่อมาจากทรานซิสเตอร์สนามผลสารกึ่งตัวนำโลหะออกไซด์ |
| ทรานซิสเตอร์แบบ field-effect ชนิดหนึ่งซึ่งชั้นตัวนำไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยการวางฟิล์มบาง ๆ เหนือพื้นผิวไดอิเล็กตริก | ทรานซิสเตอร์แบบ field-effect ที่มีชั้นซิลิกอนออกไซด์บาง ๆ อยู่ระหว่างเกทและแชนเนล
|
| ในการผลิต TFTs มีการใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ เช่น แคดเมียม เซเลไนด์ ซิงค์ออกไซด์ และซิลิกอน | วัสดุที่ใช้ทำ MOSFET ได้แก่ ซิลิคอนคาร์ไบด์ โพลีคริสตัลไลน์ซิลิคอน และไดอิเล็กทริกสูง |
| TFT ใช้เป็นสวิตช์แยกใน LCD โดยอนุญาตให้พิกเซลเปลี่ยนเงื่อนไขอย่างรวดเร็วเพื่อให้เปิดและปิดได้อย่างรวดเร็ว | MOSFET ใช้สำหรับสลับหรือขยายแรงดันไฟฟ้าภายในวงจร |
| ส่วนใหญ่จะใช้ TFTs ใน LCD | ใช้ในยานยนต์ อุตสาหกรรม และระบบสื่อสาร |
ทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบางแตกต่างจากทรานซิสเตอร์ทั่วไปอย่างไร
ทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบางแตกต่างจากทรานซิสเตอร์ทั่วไปเนื่องจาก ทรานซิสเตอร์ปกติส่วนใหญ่ทำด้วย Si (ซิลิกอน) & Ge (เจอร์เมเนียม) ที่บริสุทธิ์มาก และบางครั้งก็ใช้วัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ ทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบาง (TFT) ผลิตจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์หลายชนิด เช่น ซิลิกอน ซิงค์ออกไซด์ หรือแคดเมียมเซเลไนด์ TFT ประกอบด้วยสามขั้ว เช่น ซอร์ส เกต และเดรน ในขณะที่ทรานซิสเตอร์ทั่วไปประกอบด้วยเบส อิมิตเตอร์ และคอลเลกเตอร์
ทรานซิสเตอร์เหล่านี้ทำหน้าที่เป็นสวิตช์โดยให้พิกเซลปรับสถานะอย่างรวดเร็วเพื่อให้เปิดและปิดได้อย่างรวดเร็ว ทรานซิสเตอร์ปกติทำหน้าที่เป็นสวิตช์หรือตัวขยายสัญญาณ
ข้อดีและข้อเสีย
เดอะ ข้อดีของทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบาง รวมสิ่งต่อไปนี้
- พวกเขาใช้พลังงานน้อยลง
- พวกมันมีเวลาตอบสนองที่เร็วกว่า
- TFT มีบทบาทสำคัญในอุตสาหกรรมการแสดงผลแบบดิจิตอล
- ฟิล์มบาง ทรานซิสเตอร์ เป็นองค์ประกอบสำคัญของอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์แบบยืดหยุ่นซึ่งนำมาใช้กับพื้นผิวที่ประหยัด
- พวกเขามีอัตราการตอบสนองที่รวดเร็ว สูงกว่า และแม่นยำ
- จอแสดงผลแบบ TFT มีการมองเห็นที่คมชัด
- การออกแบบทางกายภาพของจอแสดงผลที่ใช้ TFT นั้นยอดเยี่ยม
- ช่วยลดอาการปวดตา
เดอะ ข้อเสียของทรานซิสเตอร์ฟิล์มบาง รวมสิ่งต่อไปนี้
- พวกเขาอาศัยไฟแบ็คไลท์เพื่อให้ความสว่างแทนที่จะสร้างแสงเอง ดังนั้นพวกเขาจึงต้องการไฟ LED ในตัวในการจัดเรียงไฟแบ็คไลท์
- ยูทิลิตี้ถูก จำกัด เนื่องจากกรุด้วยกระจก
- โมดูลของ TFT สามารถอ่านได้เมื่อ LED เปิดอยู่เท่านั้น
- TFTs สามารถระบายแบตเตอรี่ได้อย่างรวดเร็ว
- TFT LCD มีราคาแพงเมื่อเทียบกับจอภาพขาวดำทั่วไป
แอพพลิเคชั่น
เดอะ การประยุกต์ใช้ทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบาง รวมสิ่งต่อไปนี้
- ทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบางใช้กันอย่างแพร่หลายในสมาร์ทโฟน คอมพิวเตอร์ จอแบน ผู้ช่วยดิจิทัลส่วนบุคคล และระบบวิดีโอเกม
- แอปพลิเคชั่นทรานซิสเตอร์ฟิล์มบางที่รู้จักกันดีที่สุดคือ TFT LCD
- ทรานซิสเตอร์เหล่านี้มีบทบาทสำคัญในเคมีของวัสดุในปัจจุบันและการแสดงผลแบบดิจิตอล
- TFT ถูกนำไปใช้งานในต่างประเทศ เช่น ไฟ LED ออร์แกนิค จอแบน และอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ
- TFT ถูกใช้อย่างกว้างขวางเป็นเซ็นเซอร์ภายในเครื่องตรวจจับรังสีเอกซ์
- พบอุปกรณ์ TFT ในแอปพลิเคชันการตรวจจับต่างๆ
- TFT LCD ถูกนำมาใช้ในระบบวิดีโอเกม โปรเจ็กเตอร์ ระบบนำทาง อุปกรณ์มือถือ ทีวี ผู้ช่วยดิจิทัลส่วนบุคคล และแดชบอร์ดภายในรถยนต์
ดังนั้นนี่คือ ภาพรวมของทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบาง หรือ TFT ซึ่งมีบทบาทสำคัญในการแสดงผลแบบดิจิตอลในปัจจุบัน สิ่งเหล่านี้ล้ำหน้าไปสู่ MOSFET แบบเดิม ดังนั้นจึงมีเวลาตอบสนองที่รวดเร็วและยังสามารถเก็บประจุไฟฟ้าได้อีกด้วย สิ่งเหล่านี้มีการใช้งานที่หลากหลายใน LCD และปัจจุบันนักวิจัยกำลังมุ่งพัฒนาอุปกรณ์ทรานซิสเตอร์แบบฟิล์มบางประเภทใหม่ นี่คือคำถามสำหรับคุณ FET คืออะไร?
