عندما يصبح مجتمعنا تكنولوجيًا بشكل متزايد ، يبدو أن الشاشات تظهر في كل مكان تقريبًا. تتحكم مئات الآلاف من الأجهزة المعقدة والصغيرة في البكسلات التي تشتمل على الصورة الإجمالية التي نراها خلف تلك العروض الزجاجية أو شاشات اللوحة المسطحة. هذه تُعرف باسم الترانزستورات الرقيقة أو TFTs لفترة قصيرة.
ظهرت TFT في عام 1962 ، بعد سلسلة من التطورات في مجال أشباه الموصلات والإلكترونيات الدقيقة. أمضت شركة Radio Corporation of America (RCA) سنوات في تجربة وتطوير الترانزستورات على أمل توسيع طلباتها. على الرغم من أن John Wallmark (عضو في RCA) تلقى أول براءة اختراع رقيقة في عام 1957 ، إلا أن بول ك. فايمر ، أيضًا من RCA ، الذي طور TFT.
FET هو نوع من جهاز أشباه الموصلات الذي يمكّن الترانزستور من تضخيم أو التحكم أو إنشاء إشارات كهربائية. تم تصميم هذا الترانزستور للتحكم في تدفق التيار داخل الأجهزة. عادة ما يتم بناء FETs مع المصدر ، والصرف ، والبوابة ، وكذلك الأقطاب الكهربائية التي تسمح بالاتصال والتوصيل مع أشباه الموصلات. يمكن لهذا الجهاز التحكم في الجهد المطبق من خلال البوابة عن طريق زيادة أو تقليل حركة شركات الشحن مثل الإلكترونات أو الثقوب (عدم وجود إلكترون يؤدي إلى سحب مشحون) في عملية تعرف باسم تنقل الناقل ، أو تنقل الحقل في مجال FETs. يمكن تضخيم الشحنات أو التحكم فيها أو توليدها بسهولة أكبر مع أشباه الموصلات عالية الحركة. يمكن لـ FET بعد ذلك تغيير قوة الإشارة (من المصدر) وإرسالها إلى الوجهة (الصرف ومستلم الإشارة المعين).
تم بناء FET بنجاح للمرة الأولى في عام 1945 ، بعد سنوات من الفكرة تم براءة اختراع لأول مرة في عام 1925. ومع ذلك ، لم يكن ذلك إلا بعد سنوات عديدة ، عندما أسفرت التجريب عن ترانزستور الطاقة في مجال أشباه الموصلات المعدنية (MOSFET) ، أصبح FET أكثر قابلية للاستخدام. اكتشف العلماء أنه يمكنهم إنشاء عازل للبوابة للجهاز ، مما يسمح بالأكسدة التي يتم التحكم فيها (الانتشار القسري لطبقة الأكسيد في سطح آخر) لقطعة أشباه الموصلات ، والتي كانت مصنوعة سابقًا من السيليكون. تُعرف هذه الطبقة الجديدة باسم الطبقة العازلة في MOSFET أو العزل الكهربائي للبوابة. مكّن هذا التقدم من دمج FETs في مجموعة واسعة من التطبيقات ، وأبرزها تقنية العرض.
يختلف TFT عن MOSFETs القياسية أو MOSFETs السائبة من حيث أنه يستخدم أفلامًا رقيقة ، كما يوحي الاسم. أشار TFT إلى بداية حقبة جديدة في الإلكترونيات. شارك برنارد ج. ليشنر من RCA فكرته عن شاشة TFT Liquid Crystal (LCD) في عام 1968 ، بعد ست سنوات فقط من أول تطور TFT ، وهو أمر من شأنه أن يزدهر في العصر الحديث. تم اختراع TFT LCD في Westinghouse Research Laboratories في عام 1973. وكانت شاشات LCD هذه مكونة من وحدات البكسل التي تسيطر عليها الترانزستورات. كانت الركائز في FETs هي ببساطة مادة أشباه الموصلات ، ولكن في إنتاج LCDs TFT ، تم استخدام ركائز زجاجية بحيث يمكن عرض البكسلات.
لكن تطوير TFT لم يتوقف عند هذا الحد. قام T. Peter Brody ، أحد مطوري TFT LCD ، و Fang-Chen Luo ، بإنشاء أول LCD النشط (AM LCD) في عام 1974. يتحكم المصفوفة النشطة في كل بكسل بشكل فردي ، مما يعني أن إشارة كل TFT لكل بكسل محفوظة بشكل فعال. عندما أصبحت العروض أكثر تعقيدًا ، مكّن ذلك أداءً أفضل وسرعة.
تظهر مقارنة بين هياكل الإشارة لمصفوفة نشطة (يسار) ومصفوفة سلبية (يمين) أعلاه.
على الرغم من أن TFTS يمكن أن تستخدم مجموعة متنوعة من طبقات أشباه الموصلات ، إلا أن السيليكون أصبح الأكثر شعبية ، مما أدى إلى TFT القائم على السيليكون ، مختصرًا كـ Si TFT. TFT ، مثل جميع FETs ، هو جهاز أشباه الموصلات يستخدم الإلكترونيات الصلبة ، مما يعني أن الكهرباء تتدفق عبر بنية طبقة أشباه الموصلات بدلاً من أنابيب الفراغ.
يمكن أن تختلف خصائص Si TFT بسبب هياكل السيليكون المختلفة التي يمكن استخدامها. الشكل الأكثر شيوعًا هو السيليكون غير المتبلور (A-Si) ، والذي يتم ترسيبه على الركيزة في درجات حرارة منخفضة خلال الخطوة الأولى من عملية تصنيع أشباه الموصلات. يكون الأمر مفيدًا للغاية عند الهدرجة في A-Si: H. هذا يغير خصائص A-Si بشكل كبير ؛ بدون الهيدروجين ، تكافح المواد مع المنشطات (إدخال الشوائب لزيادة تنقل الشحن) ؛ في شكل A-Si: H. تصبح طبقة أشباه الموصلات ، من ناحية أخرى ، أكثر بكثير من الموصلات الضوئية وقابلة للتطبيق. تم اختراع A-Si: H TFT في عام 1979 وهو مستقر في درجة حرارة الغرفة. سرعان ما أصبح الخيار الأفضل لـ AM LCDs ، والذي نمت في شعبيته نتيجة لهذا الاختراق.
السيليكون المصنوع من البلورة الدقيقة هو شكل ثانٍ محتمل من السيليكون. على الرغم من أنه يحتوي على شكل مماثل لـ A-Si ، إلا أن هذا النوع من السيليكون يحتوي أيضًا على حبوب ذات هياكل بلورية. تتمتع الهياكل غير المتبلورة بهياكل عشوائية وأقل شبيهة بالشبكة ، في حين أن الهياكل البلورية أكثر تنظيماً وتنظيمًا. السيليكون المصنوع من البلوريات الدقيقة ، عندما يزرع بشكل صحيح ، لديه تنقل إلكترون أفضل من A-Si: H واستقرار أكبر لأنه يحتوي على هيدروجين أقل. يتم ترسيبها بنفس طريقة A-Si.
أخيرًا ، يُعرف السيليكون متعدد البلورات أيضًا باسم polysilicon و poly-Si. السيليكون المصنوع من البلوريين هو وسيط بين A-Si والسيليكون متعدد الكريستالات بسبب الهيكل متعدد البلورات من السيليكون متعدد البلورات. يتم إنشاء هذا النموذج المحدد عن طريق الصلب مادة السيليكون ، مما يعني إضافة الحرارة لتغيير خصائص الهيكل. عندما يتم تسخين poly-Si ، تتحول الذرات في شعرية البلورة وتحركها ، وعند تبريدها ، يعاد تبلور الهيكل.
الفرق الرئيسي بين هذه الأشكال ، وخاصة A-Si ، و Poly-Si ، هو أن حاملات الشحن في Poly-Si أكثر تحددًا والمواد أكثر استقرارًا من A-Si. تتيح خصائص Poly-Si إنشاء عروض معقدة وعالية السرعة على أساس TFT. ومع ذلك ، فإن A-Si مهم للغاية بسبب انخفاض طبيعة التسرب ، مما يعني أن تيار التسرب لا يضيع بنفس القدر عندما لا يكون العازل العازل غير موصل.
أظهر Hitachi أول Poly-Si منخفضة الحرارة (LTPs) في عام 1986. نظرًا لأن الركيزة الزجاجية ليست مقاومة لدرجات حرارة عالية مثل LTPs ، يتم استخدام درجات الحرارة المنخفضة لإصدار بولي Si.
بعد عدة سنوات ، تم تطوير أكسيد الزنك الغاليوم الإنديوم (IGZO) ، مما يسمح لعرض أكثر قوة من حيث معدلات التحديث وكفاءة أكبر من حيث استهلاك الطاقة. كما يوحي الاسم ، تحتوي هذه المادة شبه الموصل على الإنديوم والغاليوم والزنك والأكسجين. على الرغم من كونه نوعًا من أكسيد الزنك (ZNO) ، فإن إضافة الإنديوم والغاليوم تتيح إيداع هذه المادة في مرحلة غير متبلورة موحدة مع الحفاظ على حركة الناقل العالية من أكسيد.
أصبحت أشباه الموصلات الشفافة والأقطاب الكهربائية أكثر جاذبية للمصنعين لأن TFTs أصبحت أكثر انتشارًا في تكنولوجيا العرض. أكسيد القصدير الإنديوم (ITO) هو أكسيد شفاف شهير بسبب مظهره الجذاب ، وحسن التوصيل ، وسهولة الترسب.
أدت بحث TFT مع مواد مختلفة إلى تطبيق جهد العتبة ، أو مقدار الجهد المطلوب لتشغيل الجهاز. تعتمد هذه القيمة بشكل كبير على سمك ونوع الأكسيد المستخدم. يرتبط هذا بمفهوم تيار التسرب عندما يتعلق الأمر بأكسيد. قد يكون تيار التسرب أعلى مع طبقات أرق وأنواع معينة من الأكسيد ، ولكن هذا قد يقلل من الجهد العتبة مع زيادة التسرب في الجهاز. للاستفادة من إمكانات TFT لاستهلاك الطاقة المنخفضة ، كلما انخفض جهد العتبة ، وكلما كان الجهاز أكثر جاذبية.
TFTS العضوية (OTFT) هي فرع آخر من التطورات التي نشأت من TFT. عادة ما يتم تصنيع OTFTs ، التي تم تطويرها لأول مرة في عام 1986 ، عن طريق البوليمرات التي تصب الحلول أو الجزيئات الكبيرة. كان الناس حذرين من هذا الجهاز لأنه كان لديه تنقل بطيء الناقل ، مما يعني أوقات الاستجابة البطيئة. ومع ذلك ، قام الباحثون بتجربة OTFT لأنه لديه القدرة على استخدامها في شاشات أخرى غير تلك التي يتم استخدام TFTS التقليدية ، مثل شاشات العرض البلاستيكية المرنة. هذا التحقيق لا يزال مستمرا. إن OTFT ، مع معالجته أبسط من تكنولوجيا السيليكون التقليدية ، لديها الكثير من إمكانات التقنيات الحديثة والمستقبلية.
