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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。

目    录
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

前    言
薄膜晶体管（TFT）微电子学的发展并不是要比肩传统的、基于集成电路（IC）技术的微电子学，而是要在某些特定的方向和技术领域，发挥薄膜晶体管作为一种半导体有源器件的特长。
单晶硅近乎完美的结构，再搭配先进的半导体工艺技术，使得MOSFET的沟道尺寸不断减小，以适应由于功能不断增强带来的电路规模的增大和集成度的提高。目前的工艺条件决定了TFT的最小沟道长度为2?m。这种较大的器件尺寸会引入较大的寄生电容和电阻。此外，由于TFT的有源层通常是含有缺陷的半导体薄膜，使得TFT的特性完全由其内部的缺陷所控制。这就决定了在进行TFT和TFT电路设计时，不能像针对MOSFET和集成电路设计那样追求完美，而应设计并制作一个实用的TFT和TFT电路。针对TFT和TFT电路设计的这种“实用主义”，结合TFT的工艺条件，可以在很大程度上降低TFT和TFT电路的制造成本，使TFT电路在某些领域部分代替IC的功能。显示面板中的栅极驱动电路就是一个很好的例子。从这个角度讲，薄膜晶体管微电子学是一个正在发展的新学科。这一领域的科学家和工程师们正在不断拓宽其应用领域。
本书从薄膜晶体管的材料讲起，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TFT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。
这是作者第三次和电子工业出版社合作。非常感谢本书责任编辑刘海艳女士的辛勤付出。
为了方便读者学习，本书电路图中所用电路图形符号采用设计人员习惯的画法，没有按国标进行标准化处理。
复旦大学微电子学院的张卫教授审阅了本书的全稿，并为本书作序。作者向复旦大学微电子学院的张卫教授和丁士进教授，北京大学信息工程学院的张盛东教授和廖聪维博士，以及南方科技大学电子与电气工程学院的陈树明老师表示感谢。感谢他们和作者进行的专业上的讨论，以及给予的知识分享。
借此机会，作者一并向工作中的前辈和朋友表示感谢，包括京东方科技集团股份有限公司的显示技术专家安星俊先生和廖燕平先生，Silvaco韩国公司技术总监Won seok Lee先生，Cadence电子科技有限公司的陈伟先生，以及苏州珂晶达电子有限公司总经理沈忱博士。感谢他们一直以来对作者工作的支持和帮助。
由于作者水平有限，书中若有不妥之处，还请各位同行批评指正。

                 作  者   


序    言
自薄膜晶体管（TFT）的概念于1933年被美国学者J. E. Lilienfeld首次提出以来，TFT已经在很多领域得到了广泛的应用，并创造了巨大的市场价值。在显示领域，最初的液晶显示面板的像素驱动器件大多采用a-Si TFT。后来，智能手机的发展极大地促进了LTPS TFT在这一领域的推广。而柔性和可穿戴显示设备的发展，又催生了包括IGZO TFT和有机TFT在内的各种TFT的发展。此外，TFT还在X射线成像领域、天线领域、传感器领域、射频识别（RFID）领域、一次性电子产品领域、功能电路领域，以及医疗领域有着广阔的应用前景。TFT的制造工艺简单，因而可以极大地降低相关应用产品的制造成本。
同时，TFT和设计的理论体系也在不断发展。与基于单晶硅工艺的MOSFET相比，TFT的载流子迁移率较低，正向电流较小，开关速度较慢。这是由于TFT内部，特别是有源层薄膜中存在大量的缺陷。这也使得TFT具有和MOSFET不同的发展和应用思路。
本书是作者在多年实践经验的基础上完成的。作者从与TFT有关的半导体材料和器件的基本原理开始进行讲解，并系统阐述了基于TFT的电路及版图设计的原理和方法，形成了关于TFT的、完整的理论和实践体系。希望本书的出版能够进一步丰富半导体领域的内容和知识体系，也希望能够对这一领域的从业人员专业技能的提高有所帮助。

                                  张卫          
                                       复旦大学微电子学院院长

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