薄膜晶体管(TFT)微电子学

本书从薄膜晶体管（TFT）的材料讲起，大部分内容是作者实践经验的总结和概括。全书构成了完整的、针对薄膜晶体管微电子学的理论和实践体系。本书涵盖了薄膜晶体管微电子学相关的材料、器件、电路及版图设计的基本原理和思想方法，全书共6章：第1章阐述了薄膜晶体管的基本原理，包括半导体的原理和能带理论、半导体材料，以及包括TFT在内的常见半导体器件的结构和原理；第2章阐述了薄膜晶体管的可靠性的基本理论；第3章阐述了薄膜晶体管电路的基本逻辑单元，既有针对这些逻辑单元的功能的阐述，也有针对这些逻辑单元的原理分析，特别是采用TFT实现时，这些电路单元所具有的差异性和解决方法；第4章是在第3章所述的逻辑单元的基础上，进一步讲解这些电路单元如何采用TFT来实现，以及其中的问题和解决办法；第5章结合TFT的光刻工艺，阐述了TFT版图设计的基本概念、基本思想和方法；第6章是TFT的电路应用举例，主要阐述了目前常见的三种TFT的应用及其电路原理。

第1章 薄膜晶体管的基本原理 1
1.1 半导体的基本原理 1
1.1.1 导体、绝缘体与半导体 1
1.1.2 本征半导体材料中的电子和空穴 5
1.1.3 半导体的能带图 6
1.1.4 半导体中载流子的分布 11
1.2 半导体材料 14
1.2.1 半导体单晶材料 15
1.2.2 半导体多晶材料 18
1.2.3 非晶态半导体材料 20
1.3 半导体结 24
1.3.1 半导体的接触电势 24
1.3.2 半导体二极管 27
1.4 金属-绝缘体-半导体（MIS）结构与薄膜晶体管（TFT） 34
1.4.1 MIS结构与三端MIS器件概述 34
1.4.2 薄膜晶体管的结构 36
1.4.3 薄膜晶体管的工作模式 42
1.4.4 三端MIS器件的浮体效应 52
1.4.5 薄膜晶体管的器件特征（Target） 54
1.4.6 薄膜晶体管的SPICE模型 65
1.4.7 双栅薄膜晶体管 75
1.4.8 薄膜晶体管的二极管连接 77
参考文献 79
第2章 薄膜晶体管的可靠性 80
2.1 薄膜晶体管的可靠性概述 80
2.2 非晶硅薄膜晶体管（a-Si TFT）的可靠性 82
2.2.1 弱键的影响 83
2.2.2 GI层中的电荷俘获 84
2.2.3 界面态的影响 84
2.2.4 转移特性曲线的滞回效应 85
2.2.5 器件层面的补偿 87
2.3 低温多晶硅薄膜晶体管（LTPS TFT）的可靠性 89
2.4 IGZO TFT的可靠性 92
2.4.1 栅极电压偏置对IGZO TFT可靠性的影响 92
2.4.2 光照对IGZO TFT可靠性的影响 94
参考文献 98
第3章 薄膜晶体管电路的基本逻辑单元 99
3.1 传输门 99
3.1.1 nMOS传输门 99
3.1.2 pMOS传输门 102
3.1.3 CMOS传输门 103
3.2 反相器 104
3.2.1 电阻负载nMOS反相器 105
3.2.2 E/E饱和负载nMOS反相器 111
3.2.3 E/E非饱和负载nMOS反相器 116
3.2.4 自举反相器 117
3.2.5 CMOS反相器 119
3.3 反相器的放大功能 127
3.3.1 概述 127
3.3.2 电阻负载反相器的放大功能（电阻负载共源放大器） 127
3.3.3 E/E饱和负载反相器的放大功能（二极管负载共源放大器） 129
3.3.4 CMOS反相器的放大功能（推挽放大器） 129
3.4 TFT的串联特性和并联特性 130
3.4.1 TFT的串联特性 130
3.4.2 TFT的并联特性 132
3.5 TFT静态逻辑门 133
3.5.1 与非门 134
3.5.2 TFT与门 139
3.5.3 TFT或非门 143
3.5.4 TFT或门 149
参考文献 153
第4章 薄膜晶体管电路单元 154
4.1 RS触发器 154
4.1.1 与非门构成的基本RS触发器 154
4.1.2 或非门构成的基本RS触发器 160
4.2 钟控RS触发器 164
4.2.1 与非门构成的钟控RS触发器 164
4.2.2 或门和与非门及或非门和与非门构成的钟控RS触发器 169
4.2.3 CMOS与非门构成的钟控RS触发器 169
4.2.4 传输门和反相器构成的钟控RS触发器 170
4.3 边沿触发的RS触发器 173
4.3.1 边沿脉冲的产生 173
4.3.2 边沿触发的RS触发器触发原理 178
4.4 RS主从触发器 179
4.5 D触发器 180
4.5.1 基本D触发器 181
4.5.2 钟控D触发器 183
4.6 JK触发器 185
4.7 寄存器和移位寄存器 186
4.7.1 静态TFT电路 186
4.7.2 动态TFT电路 189
4.7.3 动态移位寄存器 207
参考文献 212
第5章 薄膜晶体管电路的版图设计 213
5.1 版图设计的基本概念 213
5.1.1 设计流程 213
5.1.2 器件尺寸 214
5.1.3 层次结构 215
5.2 版图设计与光刻工艺 216
5.2.1 图形的转移 216
5.2.2 TFT的形成 219
5.2.3 TFT制造工艺的对位标 222
5.3 版图设计规则 224
5.4 分立元器件的版图设计 226
5.4.1 TFT的版图 226
5.4.2 电阻的设计 227
5.4.3 电容的设计 227
5.4.4 电感的设计 228
参考文献 229
第6章 薄膜晶体管电路的应用 231
6.1 显示和液晶天线面板的栅极驱动电路 231
6.2 二维液晶天线的单元充、放电电路 234
6.3 AMOLED显示面板的像素电路 238
6.3.1 AMOLED像素电路的基本原理 238
6.3.2 AMOLED像素电路的补偿 239
参考文献 250