La evolución de las pantallas TFT

A medida que nuestra sociedad se vuelve cada vez más tecnológica, las pantallas parecen aparecer en casi todas partes. Cientos de miles de dispositivos complejos y diminutos controlan los píxeles que componen la imagen general que vemos detrás de esas pantallas de vidrio o pantallas planas. Estos se conocen como transistores de película delgada o TFT para abreviar.

¿Cuándo y quién inventó el TFT?

El TFT apareció en 1962, tras una serie de desarrollos en el campo de los semiconductores y la microelectrónica. La Radio Corporation of America (RCA) había pasado años experimentando y desarrollando transistores con la esperanza de expandir sus aplicaciones. Aunque John Wallmark (miembro de la RCA) recibió la primera patente de película delgada en 1957, fue Paul K. Weimer, también de la RCA, quien desarrolló el TFT.

La evolución de los

TFT

1. Antes de la llegada del TFT, existía el transistor de efecto de campo (FET).

El FET es un tipo de dispositivo semiconductor que permite que el transistor amplifique, controle o genere señales eléctricas. Este transistor fue diseñado para controlar el flujo de corriente dentro de los dispositivos. Los FET generalmente se construyen con la fuente, el drenaje y la puerta, así como electrodos que permiten el contacto y la conducción con el semiconductor. Este dispositivo puede controlar el voltaje aplicado a través de la puerta aumentando o disminuyendo el movimiento de los portadores de carga, como electrones o huecos (la ausencia de un electrón provoca un tirón cargado) en un proceso conocido como movilidad de portador o movilidad de efecto de campo para FET. Las cargas se pueden amplificar, controlar o generar más fácilmente con semiconductores de alta movilidad. El FET puede cambiar la intensidad de la señal (desde la fuente) y enviarla al destino (el drenaje y el receptor de señal designado).

El FET se construyó con éxito por primera vez en 1945, años después de que la idea se patentara por primera vez en 1925. Sin embargo, no fue hasta muchos años después, cuando la experimentación produjo el transistor de energía de campo de semiconductor de óxido metálico (MOSFET), que el FET se volvió mucho más utilizable. Los científicos descubrieron que podían hacer un aislante de puerta para el dispositivo, lo que permitía la oxidación controlada (la difusión forzada de la capa de óxido en otra superficie) de la pieza semiconductora, que anteriormente estaba hecha de silicio. Esta nueva capa se conoce como capa dieléctrica del MOSFET o dieléctrica de puerta. Este avance permitió la incorporación de FET en una amplia gama de aplicaciones, sobre todo en la tecnología de visualización.

2. El TFT evolucionó a partir del MOSFET.

El TFT se diferencia de los MOSFET estándar o MOSFET a granel en que emplea películas delgadas, como su nombre lo indica. El TFT marcó el comienzo de una nueva era en la electrónica. Bernard J. Lechner de RCA compartió su idea de la pantalla de cristal líquido (LCD) TFT en 1968, solo seis años después del primer desarrollo de TFT, algo que aumentaría en popularidad en nuestros tiempos modernos. La pantalla LCD TFT se inventó en Westinghouse Research Laboratories en 1973. Estas pantallas LCD estaban formadas por píxeles controlados por transistores. Los sustratos en los FET eran simplemente el material semiconductor, pero en la producción de LCD TFT, se utilizaron sustratos de vidrio para que se pudieran mostrar los píxeles.

Pero el desarrollo de TFT no se detuvo ahí. T. Peter Brody, uno de los desarrolladores de TFT LCD, y Fang-Chen Luo crearon la primera pantalla LCD de matriz activa (AM LCD) en 1974. Una matriz activa controla cada píxel individualmente, lo que significa que la señal de la TFT respectiva de cada píxel se conserva activamente. A medida que las pantallas se volvieron más complejas, esto permitió un mejor rendimiento y velocidad.

Arriba se muestra una comparación de las estructuras de señalización de una matriz activa (izquierda) y una matriz pasiva (derecha).

3. El material principal de la pantalla TFT

Aunque los TFT pueden usar una variedad de capas semiconductoras, el silicio se ha convertido en el más popular, lo que ha dado como resultado el TFT basado en silicio, abreviado como Si TFT.

El TFT, como todos los FET, es un dispositivo semiconductor que utiliza electrónica de estado sólido, lo que significa que la electricidad fluye a través de la estructura de la capa semiconductora en lugar de a través de tubos de vacío.

Las características del Si TFT pueden variar debido a las diversas estructuras de silicio que se pueden utilizar. La forma más común es el silicio amorfo (A-Si), que se deposita sobre el sustrato a bajas temperaturas durante el primer paso del proceso de fabricación de semiconductores. Es más útil cuando se hidrogena en A-Si: H. Esto cambia significativamente las propiedades del A-Si; sin el hidrógeno, el material lucha contra el dopaje (la introducción de impurezas para aumentar la movilidad de carga); en forma de A-Si: H. La capa semiconductora, por otro lado, se vuelve mucho más fotoconductora y dopable. El TFT A-Si: H se inventó en 1979 y es estable a temperatura ambiente. Rápidamente se convirtió en la mejor opción para las pantallas LCD AM, que crecieron en popularidad como resultado de este avance.

El silicio microcristalino es una segunda forma potencial de silicio. Aunque tiene una forma similar a A-Si, este tipo de silicio también tiene granos con estructuras cristalinas. Las estructuras amorfas tienen estructuras más aleatorias y menos geométricas en forma de red, mientras que las estructuras cristalinas están más estructuradas y organizadas. El silicio microcristalino, cuando se cultiva adecuadamente, tiene una mejor movilidad electrónica que A-Si: H y una mayor estabilidad porque contiene menos hidrógeno. Se deposita de la misma manera que A-Si.

Finalmente, el silicio policristalino también se conoce como polisilicio y poli-Si. El silicio microcristalino es un intermediario entre el A-Si y el silicio policristalino debido a la estructura policristalina del silicio policristalino. Esta forma específica se crea recocer el material de silicio, lo que significa agregar calor para cambiar las propiedades de la estructura. Cuando se calienta el poli-Si, los átomos de la red cristalina se desplazan y se mueven, y cuando se enfrían, la estructura se recristaliza.

La principal diferencia entre estas formas, particularmente A-Si y poli-Si, es que los portadores de carga en poli-Si son mucho más móviles y el material es mucho más estable que en A-Si. Las propiedades de Poly-Si permiten la creación de pantallas complejas y de alta velocidad basadas en TFT. No obstante, A-Si es muy importante debido a su naturaleza de baja fuga, lo que significa que la corriente de fuga no se pierde tanto cuando un aislante dieléctrico no es no conductor.

Hitachi demostró el primer poli-Si de baja temperatura (LTPS) en 1986. Debido a que el sustrato de vidrio no es tan resistente a altas temperaturas como LTPS, se utilizan temperaturas más bajas para recocer el poli-Si.

Varios años más tarde, se desarrolló el óxido de indio, galio y zinc (IGZO), lo que permitió una pantalla más potente en términos de frecuencias de actualización y una mayor eficiencia en términos de consumo de energía. Como su nombre lo indica, este material semiconductor contiene indio, galio, zinc y oxígeno. A pesar de ser un tipo de óxido de zinc (ZnO), la adición de indio y galio permite que este material se deposite en una fase amorfa uniforme mientras conserva la alta movilidad del portador del óxido.

Los semiconductores y electrodos transparentes se volvieron más atractivos para los fabricantes a medida que los TFT se hicieron más frecuentes en la tecnología de visualización. El óxido de indio y estaño (ITO) es un óxido transparente popular debido a su apariencia atractiva, buena conductividad y facilidad de deposición.

La investigación de TFT con varios materiales ha dado como resultado la aplicación de voltaje de umbral, o cuánto voltaje se requiere para encender el dispositivo. Este valor depende en gran medida del espesor y el tipo de óxido utilizado. Esto está relacionado con el concepto de corriente de fuga cuando se trata de óxido. La corriente de fuga puede ser mayor con capas más delgadas y ciertos tipos de óxido, pero esto puede reducir el voltaje umbral a medida que aumenta la fuga en el dispositivo. Para capitalizar el potencial del TFT para un bajo consumo de energía, cuanto menor sea el voltaje umbral, más atractivo será el dispositivo.

Los TFT orgánicos (OTFT) son otra rama de desarrollo que surgió de TFT. Los OTFT, que se desarrollaron por primera vez en 1986, generalmente se fabrican mediante polímeros o macromoléculas de fundición en solución. La gente desconfiaba de este dispositivo porque tenía una movilidad lenta del portador, lo que significaba tiempos de respuesta lentos. Sin embargo, los investigadores han experimentado con el OTFT porque tiene el potencial de usarse en pantallas distintas a aquellas para las que se usan TFT tradicionales, como pantallas de plástico flexibles. Esta investigación aún está en curso. El OTFT, con su procesamiento más simple que la tecnología de silicio tradicional, tiene mucho potencial para las tecnologías modernas y futuras.