顯示技術原理與設計實踐——基於華大九天平板顯示電路全流程設計平臺AetherFPD

目錄
第1 章 緒論 ................................................................................................................................. 1
1.1 顯示的定義 .................................................................................................................... 1
1.2 顯示技術的分類 ............................................................................................................ 3
1.2.1 器件性質分類 ..................................................................................................... 4
1.2.2 驅動方式分類 ..................................................................................................... 6
1.2.3 形態 ..................................................................................................................... 8
1.3 顯示行業現狀 .............................................................................................................. 10
1.3.1 顯示的市場 ....................................................................................................... 10
1.3.2 新型顯示的需求 ............................................................................................... 11
1.4 成像原理 ...................................................................................................................... 12
1.4.1 人類的視覺系統 ............................................................................................... 12
1.4.2 配色原理 ........................................................................................................... 13
1.5 顯示技術的基本參量 .................................................................................................. 15
1.5.1 亮度 ................................................................................................................... 15
1.5.2 對比度和灰度 ................................................................................................... 17
1.5.3 色域 ................................................................................................................... 17
1.5.4 高動態範圍 ....................................................................................................... 18
1.5.5 分辨率和像素密度 ........................................................................................... 19
1.5.6 響應速度/時間 .................................................................................................. 21
1.5.7 刷新率 ............................................................................................................... 22
1.5.8 視角 ................................................................................................................... 23
1.5.9 壽命 ................................................................................................................... 23
1.6 本章小結 ...................................................................................................................... 24
1.7 參考文獻 ...................................................................................................................... 24
1.8 習題 .............................................................................................................................. 25
第2 章 液晶顯示技術 ............................................................................................................... 26
2.1 偏振光的性質 .............................................................................................................. 26
2.1.1 光的橫波特性 ................................................................................................... 26
2.1.2 光的偏振特性 ................................................................................................... 27
2.1.3 偏振橢圓 ........................................................................................................... 27
2.1.4 偏光片 ............................................................................................................... 28
2.1.5 雙折射效應與旋光現象 ................................................................................... 29
2.2 液晶的性質 .................................................................................................................. 31
2.2.1 液晶的發展 ....................................................................................................... 31
2.2.2 液晶的分類 ....................................................................................................... 32
2.2.3 液晶的各向異性 ............................................................................................... 34
2.2.4 液晶的旋光特性 ............................................................................................... 36
2.2.5 液晶的連續體理論 ........................................................................................... 37
2.3 LCD 的原理 ................................................................................................................. 38
2.3.1 LCD 的發展 ...................................................................................................... 38
2.3.2 TN 液晶 ............................................................................................................. 39
2.3.3 視角補償膜 ....................................................................................................... 40
2.3.4 IPS 液晶 ............................................................................................................ 41
2.3.5 邊緣電場液晶 ................................................................................................... 43
2.3.6 VA 液晶 ............................................................................................................. 43
2.3.7 賓主液晶 ........................................................................................................... 46
2.4 LCD 的驅動 ................................................................................................................. 46
2.4.1 LCD 的基本參數 .............................................................................................. 46
2.4.2 LCD 的靜態驅動 .............................................................................................. 47
2.4.3 LCD 的動態驅動——PM 驅動 ....................................................................... 48
2.4.4 LCD 的動態驅動——AM 驅動 ....................................................................... 51
2.4.5 防老化和防閃爍 ............................................................................................... 54
2.5 LCD 的製造工藝 ......................................................................................................... 54
2.5.1 下基板 ............................................................................................................... 55
2.5.2 上基板 ............................................................................................................... 55
2.5.3 液晶盒 ............................................................................................................... 56
2.5.4 模組工藝 ........................................................................................................... 57
2.6 LCD 的光源技術 ......................................................................................................... 57
2.6.1 透射式和反射式液晶 ....................................................................................... 57
2.6.2 LCD 背光源 ...................................................................................................... 58
2.6.3 背光源中的量子點技術 ................................................................................... 59
2.7 硅基液晶 ...................................................................................................................... 60
2.8 本章小結 ...................................................................................................................... 61
2.9 參考文獻 ...................................................................................................................... 62
2.10 習題 ............................................................................................................................ 63
第3 章 電子紙顯示技術 ........................................................................................................... 64
3.1 電致變色顯示 .............................................................................................................. 65
3.1.1 電致變色的發展 ............................................................................................... 65
3.1.2 電致變色材料 ................................................................................................... 65
3.1.3 電致變色和電致變色顯示的特點 ................................................................... 66
3.1.4 電致變色和電致變色顯示的應用 ................................................................... 66
3.1.5 電致變色的製造工藝 ....................................................................................... 67
3.2 反轉球顯示 .................................................................................................................. 67
3.2.1 反轉球的發展 ................................................................................................... 67
3.2.2 反轉球的結構和製作 ....................................................................................... 68
3.2.3 反轉球顯示的驅動方式 ................................................................................... 68
3.3 電泳顯示 ...................................................................................................................... 69
3.3.1 電泳技術的發展 ............................................................................................... 69
3.3.2 雙電層模型 ....................................................................................................... 70
3.3.3 電泳顯示的原理 ............................................................................................... 70
3.3.4 微杯、電子流體粉末和微膠囊 ....................................................................... 71
3.3.5 彩色電泳顯示 ................................................................................................... 73
3.3.6 電泳顯示的特點 ............................................................................................... 75
3.4 電潤濕顯示 .................................................................................................................. 76
3.4.1 電潤濕顯示的結構 ........................................................................................... 77
3.4.2 電潤濕顯示器件材料和制備 ........................................................................... 78
3.4.3 電潤濕顯示的特點 ........................................................................................... 79
3.5 電流體顯示 .................................................................................................................. 79
3.5.1 電流體顯示的結構和原理 ............................................................................... 79
3.5.2 電流體顯示的製造工藝 ................................................................................... 80
3.5.3 電流體顯示的特點 ........................................................................................... 81
3.6 本章小結 ...................................................................................................................... 81
3.7 參考文獻 ...................................................................................................................... 82
3.8 習題 .............................................................................................................................. 83
第4 章 電子束顯示技術 ........................................................................................................... 84
4.1 陰極射線管顯示 .......................................................................................................... 85
4.1.1 CRT 的發展 ....................................................................................................... 85
4.1.2 CRT 的結構 ....................................................................................................... 85
4.1.3 熱電子發射的原理 ........................................................................................... 86
4.1.4 電子束的偏轉 ................................................................................................... 87
4.1.5 熒光屏和熒光體 ............................................................................................... 88
4.1.6 彩色CRT 的原理 .............................................................................................. 89
4.1.7 向量顯示和點陣顯示 ....................................................................................... 89
4.1.8 逐行掃描和隔行掃描 ....................................................................................... 90
4.1.9 CRT 的製造工藝 ............................................................................................... 92
4.2 真空熒光顯示 .............................................................................................................. 92
4.2.1 VFD 的發展 ...................................................................................................... 92
4.2.2 VFD 的結構 ...................................................................................................... 92
4.2.3 VFD 的原理 ...................................................................................................... 93
4.2.4 VFD 的特點 ...................................................................................................... 94
4.3 場發射顯示 .................................................................................................................. 95
4.3.1 場發射的原理 ................................................................................................... 95
4.3.2 微尖場發射陣列 ............................................................................................... 97
4.3.3 FED 的結構和工作原理 ................................................................................... 97
4.3.4 製造工藝 ........................................................................................................... 98
4.3.5 錶面傳導發射顯示 ......................................................................................... 100
4.4 本章小結 .................................................................................................................... 100
4.5 參考文獻 .................................................................................................................... 101
4.6 習題 ............................................................................................................................ 101
第5 章 等離子體顯示技術 ..................................................................................................... 102
5.1 等離子體的物理性質 ................................................................................................ 102
5.2 輝光放電 .................................................................................................................... 103
5.2.1 輝光放電的伏安特性 ..................................................................................... 104
5.2.2 輝光放電的光區 ............................................................................................. 107
5.2.3 輝光放電的顏色 ............................................................................................. 107
5.3 輝光管顯示 ................................................................................................................ 108
5.3.1 輝光管的結構和原理 ..................................................................................... 108
5.3.2 輝光管懷舊藝術 ............................................................................................. 109
5.4 等離子體顯示 ............................................................................................................ 109
5.4.1 PDP 的發展 ..................................................................................................... 110
5.4.2 PDP 的結構 ..................................................................................................... 110
5.4.3 PDP 的驅動 ..................................................................................................... 112
5.4.4 PDP 的製作工序 ............................................................................................. 114
5.5 本章小結 .................................................................................................................... 115
5.6 參考文獻 .................................................................................................................... 116
5.7 習題 ............................................................................................................................ 117
第6 章 電致發光顯示技術 ..................................................................................................... 118
6.1 電致發光的機理 ........................................................................................................ 119
6.1.1 熒光體和雜質能級 ......................................................................................... 119
6.1.2 強場電致發光模型 ......................................................................................... 119
6.2 ELD 的器件結構 ....................................................................................................... 122
6.2.1 DCEL ............................................................................................................... 123
6.2.2 DCTFEL .......................................................................................................... 124
6.2.3 ACEL ............................................................................................................... 125
6.2.4 ACTFEL .......................................................................................................... 127
6.3 ELD 的驅動 ............................................................................................................... 129
6.3.1 ELD 器件的光電特性 .................................................................................... 129
6.3.2 PM 驅動 .......................................................................................................... 130
6.3.3 AM 驅動 .......................................................................................................... 132
6.4 ELD 的應用 ............................................................................................................... 133
6.4.1 ELD 的顏色 .................................................................................................... 133
6.4.2 ELD 的發展 .................................................................................................... 133
6.4.3 ELD 的主要應用 ............................................................................................ 134
6.5 ELD 的制備 ............................................................................................................... 134
6.6 本章小結 .................................................................................................................... 135
6.7 參考文獻 .................................................................................................................... 136
6.8 習題 ............................................................................................................................ 137
第7 章 發光二極管顯示技術 ................................................................................................. 138
7.1 LED 的發展 ............................................................................................................... 138
7.2 LED 的物理基礎 ....................................................................................................... 140
7.2.1 載流子的復合 ................................................................................................. 140
7.2.2 PN 結 ............................................................................................................... 143
7.2.3 正偏PN 結 ...................................................................................................... 144
7.3 LED 的結構 ............................................................................................................... 144
7.3.1 單邊突變結 ..................................................................................................... 144
7.3.2 異質結 ............................................................................................................. 145
7.3.3 雙異質結 ......................................................................................................... 146
7.3.4 量子限域和量子阱 ......................................................................................... 147
7.3.5 多量子阱 ......................................................................................................... 149
7.4 LED 的效率 ............................................................................................................... 150
7.4.1 量子效率 ......................................................................................................... 150
7.4.2 效率下垂 ......................................................................................................... 151
7.5 LED 顯示的製程 ....................................................................................................... 152
7.5.1 LED 顯示中LED 器件的製程 ....................................................................... 152
7.5.2 LED 的封裝 .................................................................................................... 153
7.5.3 LED 的鍵合 .................................................................................................... 155
7.6 LED 顯示的形態和驅動 ........................................................................................... 156
7.6.1 LED 顯示的形態 ............................................................................................ 156
7.6.2 LED 顯示的驅動 ............................................................................................ 158
7.7 Mini-LED 顯示 .......................................................................................................... 159
7.7.1 Mini-LED 器件 ............................................................................................... 160
7.7.2 Mini-LED 背光 ............................................................................................... 160
7.7.3 Mini-LED 自發光型顯示陣列 ....................................................................... 162
7.8 本章小結 .................................................................................................................... 162
7.9 參考文獻 .................................................................................................................... 163
7.10 習題 .......................................................................................................................... 163
第8 章 微型發光二極管顯示技術 ......................................................................................... 164
8.1 Micro-LED 顯示的形態 ............................................................................................ 164
8.1.1 Micro-LED 直接顯示 ..................................................................................... 165
8.1.2 Micro-LED 微顯示 ......................................................................................... 167
8.2 LED 器件小型化 ....................................................................................................... 168
8.2.1 襯底工程 ......................................................................................................... 168
8.2.2 尺寸縮減效應 ................................................................................................. 170
8.2.3 出光優化 ......................................................................................................... 171
8.3 Micro-LED 顯示的集成 ............................................................................................ 174
8.3.1 單片集成 ......................................................................................................... 175
8.3.2 巨量轉移 ......................................................................................................... 177
8.3.3 自組裝 ............................................................................................................. 181
8.3.4 鍵合製程 ......................................................................................................... 182
8.3.5 檢測、修復和均一性問題 ............................................................................. 183
8.3.6 全彩化策略 ..................................................................................................... 184
8.4 Micro-LED 顯示的驅動 ............................................................................................ 187
8.4.1 直流電和脈沖調制 ......................................................................................... 187
8.4.2 無源矩陣和有源矩陣 ..................................................................................... 191
8.4.3 硅基CMOS 微芯片驅動 ................................................................................ 192
8.5 本章小結 .................................................................................................................... 195
8.6 參考文獻 .................................................................................................................... 196
8.7 習題 ............................................................................................................................ 198
第9 章 有機發光二極管顯示技術 ......................................................................................... 200
9.1 OLED 的發展和應用 ................................................................................................ 201
9.1.1 OLED 材料的發展.......................................................................................... 201
9.1.2 OLED 顯示的應用.......................................................................................... 202
9.2 OLED 的發光原理 .................................................................................................... 202
9.2.1 分子軌道理論 ................................................................................................. 202
9.2.2 OLED 材料發光原理 ...................................................................................... 203
9.3 OLED 器件 ................................................................................................................ 205
9.3.1 OLED 器件的結構.......................................................................................... 205
9.3.2 底發光和頂發光 ............................................................................................. 207
9.3.3 OLED 全彩化 ................................................................................................. 208
9.3.4 OLED 效率和色域的提升 .............................................................................. 208
9.4 OLED 的製程 ............................................................................................................ 210
9.4.1 玻璃基板 ......................................................................................................... 210
9.4.2 背板製程 ......................................................................................................... 212
9.4.3 前面板製程 ..................................................................................................... 213
9.4.4 OLED 的像素排列.......................................................................................... 215
9.4.5 印刷OLED ..................................................................................................... 216
9.4.6 eLEAP 技術 .................................................................................................... 217
9.4.7 OLED 封裝 ..................................................................................................... 218
9.5 柔性AMOLED .......................................................................................................... 219
9.5.1 膜層堆疊 ......................................................................................................... 219
9.5.2 柔性基板 ......................................................................................................... 221
9.5.3 柔性封裝 ......................................................................................................... 221
9.5.4 偏光片 ............................................................................................................. 222
9.5.5 蓋板 ................................................................................................................. 223
9.6 微型OLED ................................................................................................................ 223
9.7 本章小結 .................................................................................................................... 224
9.8 參考文獻 .................................................................................................................... 225
9.9 習題 ............................................................................................................................ 226
第10 章 薄膜晶體管與顯示驅動技術 ................................................................................... 228
10.1 無源矩陣和有源矩陣 .............................................................................................. 228
10.1.1 無源矩陣 ....................................................................................................... 228
10.1.2 半有源矩陣 ................................................................................................... 230
10.1.3 有源矩陣 ....................................................................................................... 231
10.2 TFT 基礎 .................................................................................................................. 231
10.2.1 晶體管 ........................................................................................................... 232
10.2.2 TFT 基本原理 ............................................................................................... 232
10.2.3 非晶硅 ........................................................................................................... 234
10.2.4 多晶硅 ........................................................................................................... 236
10.2.5 非晶氧化物 ................................................................................................... 238
10.2.6 TFT 性能與顯示性能 ................................................................................... 240
10.3 TFT 的結構和製造 .................................................................................................. 241
10.3.1 底柵TFT ....................................................................................................... 241
10.3.2 頂柵TFT ....................................................................................................... 243
10.4 基本像素電路 .......................................................................................................... 245
10.4.1 LCD 和OLED 的基本像素電路差異 .......................................................... 245
10.4.2 2T1C 像素電路 ............................................................................................. 246
10.4.3 PMW 像素電路 ............................................................................................. 249
10.5 補償像素電路 .......................................................................................................... 251
10.5.1 閾值補償基本思路 ....................................................................................... 252
10.5.2 6T1C 內部補償像素電路 ............................................................................. 253
10.5.3 4T2C 內部補償像素電路 ............................................................................. 257
10.5.4 外部補償像素電路 ....................................................................................... 259
10.6 集成驅動電路 .......................................................................................................... 261
10.6.1 GOA 的原理 ................................................................................................. 262
10.6.2 GOA 電路實例 ............................................................................................. 263
10.7 互補TFT 技術 ......................................................................................................... 265
10.7.1 LTPO 的原理 ................................................................................................ 266
10.7.2 LTPO 的製程 ................................................................................................ 267
10.7.3 LTPO 內部補償像素電路 ............................................................................. 267
10.8 本章小結 .................................................................................................................. 269
10.9 參考文獻 .................................................................................................................. 269
10.10 習題 ........................................................................................................................ 270
第11 章 觸摸屏與屏下傳感器技術 ....................................................................................... 272
11.1 觸摸屏技術的發展 .................................................................................................. 272
11.2 觸摸傳感技術的原理 .............................................................................................. 274
11.2.1 電阻式觸摸傳感技術 ................................................................................... 274
11.2.2 聲波式觸摸傳感技術 ................................................................................... 276
11.2.3 光學式觸摸傳感技術 ................................................................................... 277
11.2.4 電磁式觸摸傳感技術 ................................................................................... 278
11.2.5 電容式觸摸傳感技術 ................................................................................... 279
11.3 電容式觸摸屏 .......................................................................................................... 279
11.3.1 錶面電容式觸摸屏 ....................................................................................... 279
11.3.2 投射電容式觸摸屏 ....................................................................................... 279
11.3.3 外掛式觸摸屏 ............................................................................................... 283
11.3.4 集成式觸摸屏 ............................................................................................... 284
11.3.5 集成式觸摸屏遇到的問題 ........................................................................... 286
11.4 電容式觸摸屏的電極技術 ...................................................................................... 289
11.4.1 電極圖案 ....................................................................................................... 289
11.4.2 電極材料 ....................................................................................................... 290
11.5 屏下傳感器技術 ...................................................................................................... 291
11.5.1 屏下指紋識別傳感器 ................................................................................... 292
11.5.2 屏下環境光傳感器 ....................................................................................... 294
11.5.3 屏下攝像頭傳感器 ....................................................................................... 294
11.5.4 其他的屏下傳感器 ....................................................................................... 295
11.6 本章小結 .................................................................................................................. 295
11.7 參考文獻 .................................................................................................................. 296
11.8 習題 .......................................................................................................................... 298
第12 章 其他新型顯示技術 ................................................................................................... 299
12.1 量子點顯示 .............................................................................................................. 299
12.1.1 量子點的基本原理 ....................................................................................... 299
12.1.2 量子點顯示的形態 ....................................................................................... 300
12.1.3 電致發光量子點 ........................................................................................... 301
12.1.4 量子點顯示的制備 ....................................................................................... 302
12.2 投影和激光顯示 ...................................................................................................... 303
12.2.1 LCD 投影 ...................................................................................................... 303
12.2.2 數字光處理 ................................................................................................... 304
12.2.3 投影的光源 ................................................................................................... 304
12.2.4 激光顯示 ....................................................................................................... 305
12.3 可拉伸/彈性顯示 ..................................................................................................... 305
12.3.1 可拉伸/彈性顯示的形態 .............................................................................. 305
12.3.2 可拉伸/彈性電子的技術路線 ...................................................................... 306
12.3.3 可拉伸/彈性顯示的結構設計 ...................................................................... 308
12.3.4 可拉伸/彈性顯示的製程 .............................................................................. 310
12.3.5 可拉伸/彈性顯示的實證 .............................................................................. 311
12.4 全息和光場顯示 ...................................................................................................... 312
12.4.1 近眼顯示 ....................................................................................................... 312
12.4.2 全息投影 ....................................................................................................... 313
12.4.3 光場顯示 ....................................................................................................... 314
12.4.4 神經顯示 ....................................................................................................... 315
12.5 本章小結 .................................................................................................................. 315
12.6 參考文獻 .................................................................................................................. 315
12.7 習題 .......................................................................................................................... 318
第13 章 平板顯示設計實踐 ................................................................................................... 319
13.1 電子設計自動化簡介 .............................................................................................. 319
13.1.1 EDA 技術的發展 .......................................................................................... 319
13.1.2 EDA 行業現狀 .............................................................................................. 320
13.1.3 平板顯示電路設計全流程EDA 工具系統 ................................................. 320
13.2 TFT 模型提取 .......................................................................................................... 321
13.2.1 TFT 模型提取原理 ....................................................................................... 321
13.2.2 TFT 模型提取工具 ....................................................................................... 321
13.2.3 TFT 模型提取實例 ....................................................................................... 321
13.3 平板顯示電路設計和優化 ...................................................................................... 327
13.3.1 平板顯示電路設計原理圖編輯工具 ........................................................... 327
13.3.2 平板顯示像素電路設計實例 ....................................................................... 328
13.4 平板顯示版圖設計和優化 ...................................................................................... 337
13.4.1 平板顯示版圖編輯工具 ............................................................................... 337
13.4.2 平板顯示版圖編輯工具的基礎功能 ........................................................... 337
13.4.3 平板顯示像素版圖編輯實例 ....................................................................... 339
13.5 平板顯示版圖物理驗證 .......................................................................................... 346
13.5.1 平板顯示版圖物理驗證工具 ....................................................................... 346
13.5.2 平板顯示DRC 實例 ..................................................................................... 347
13.5.3 平板顯示LVS 檢查實例 .............................................................................. 352
13.6 平板顯示版圖寄生參數提取 .................................................................................. 355
13.6.1 平板顯示版圖寄生參數提取工具 ............................................................... 355
13.6.2 平板顯示版圖寄生參數提取實例 ............................................................... 355
13.7 平板顯示電路模擬 .................................................................................................. 362
13.8 觸摸傳感器設計實踐 .............................................................................................. 367
附錄A 總結與展望 .................................................................................................................. 374