当代电子世界的“心脏”

导读

自20世纪初以来，人类在电子领域的发展取得了惊人的成就。晶体管作为其中最重要的发明之一，从被发明之日起便改变了整个科技产业的格局[1]。作为电子世界的“心脏”，晶体管使得计算机、通信和消费电子产品的性能得到了极大的提升，同时尺寸更加小巧，功耗更低。在众多晶体管技术中，薄膜场效应晶体管（TFT）尤为引人关注。它采用薄膜技术制作，通过改变电场来控制电流流动，而非依赖电流控制电流。这使得TFT具有低功耗和高速度的优势。本文将对晶体管的历史、薄膜场效应晶体管（TFT）的知识介绍、研究概况和应用前景进行详细阐述，深入剖析这一技术在现代电子产业中所发挥的重要价值。

图1  晶体管；图2 晶体三极管

(图源： 维基百科)

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晶体管的发展史

从真空管到薄膜场效应晶体管

在过去，真空管是电子设备中不可或缺的部件，但是它们体积庞大、热效率低下，限制了电子产品的微型化和低功耗化[2]。晶体管的问世，让这些问题得到了有效的解决。晶体管于1947年，由贝尔实验室（Bell Labs）的三位科学家威廉·肖克利（William Shockley）、约翰·巴丁（John Bardeen）和沃尔特·布拉滕（Walter Brattain）成功发明。三位科学家也因此荣获了1956年的诺贝尔物理学奖。这一发明标志着电子学领域从基于真空管的技术向基于固态半导体技术的转变，电子产品因此变得更加轻巧、耐用，同时也为微型化、低功耗的电子产品的出现创造了条件。晶体管技术的不断发展，使得计算机的运算速度得到了极大的提高，并由此推动了计算机科学的进步。

除了普通晶体管，薄膜场效应晶体管（TFT）的出现，更是为电子产品的发展注入了新的活力。在20世纪60年代，研究人员开始探索使用薄膜半导体材料制造场效应晶体管。该项技术的突破，使得电子设备的显示器、太阳能电池等领域迎来了一场革命。随着TFT技术的不断发展，电子产品的显示效果也得到了极大的提升，让人们可以在更加清晰、舒适的屏幕上使用各种应用程序。可以说，晶体管的发明和TFT技术的应用，是电子科技领域的两大重要里程碑。

图3 晶体管和真空管体积对比

(图源： https://www.gocertify.com/articles/who-invented-the-computer-tradic)

图4  薄膜场效应晶体薄如蝉翼

(图源：http://www.businesskorea.co.kr/news/articleView.html?idxno=14412)

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薄膜场效应晶体管知识介绍

薄膜场效应晶体（Thin Film Transistor, TFT）， 简称TFT。薄膜场效应晶体管（TFT）中的“薄膜场效应”是指一种通过电场控制电流的现象。为了通俗易懂地解释这个概念，我们可以将其类比为一个水龙头。想象一下，水龙头的开关可以控制水流的大小。在TFT中，这个“开关”就是场效应。当我们改变电场（类似于调整水龙头的开关），就可以控制穿过晶体管的电流（类似于流出的水量）。薄膜场效应晶体管中的“薄膜”是指一种非常薄的半导体材料，它充当了水管的角色。薄膜半导体材料通常具有高度集成和低功耗的特点，这使得TFT在许多高科技应用中具有很大的优势。TFT目前得以应用于更广泛的领域，如计算机显示器、智能手机、平板电脑、电视等消费电子产品，以及太阳能电池、生物传感器等新兴领域。下面介绍一下它的工作原理。

图5  TFT技术成就了手持平板和触摸屏市场

(图源：https://www.lcd-module.com/displays/intelligent-tft-modules.html)

1.TFT的工作原理

薄膜场效应晶体管（TFT）的工作原理很简单，就是通过电场来控制半导体薄膜中的电子流动。它主要由四个部分组成：源极、漏极、栅极和半导体薄膜。当在栅极上加电压时，会在半导体薄膜表面形成一个导电通道，让电子可以从源极流到漏极。改变栅极上的电压就可以控制电子流动的通道，从而调节电流的大小。这种电场控制电流的方法，让TFT具有了低功耗和高速度的优点。

图6  TFT在LDC显示器中的工作流程

(图源：http://ganter.free.fr/siteanglais/pages/TFT1.htm)

下面我们以LCD显示器为例，解释一下TFT的工作原理。如下图6所示，TFT-LCD显示器是一种类似三明治的结构。 从后板到前板，我们有一个背光灯（放电管），它照亮第一个偏振片。 然后我们有 LC 单元，它被限制在 ITO 的两个导电层之间。 ITO 的背面被分成导电点，每个导电点由一个薄膜晶体管驱动。

2.主要应用

薄膜场效应晶体管（TFT）的广泛应用，主要得益于其高集成度、低功耗和高速度等优良性质。以下是TFT在不同场合的应用及其原因：

显示技术：TFT广泛应用于液晶显示器（LCD）和有机发光二极管（OLED）显示器。在这些显示器中，TFT作为像素驱动电路的核心元件，控制像素的亮度。由于TFT具有高集成度和高速度，它能够实现高分辨率和高刷新率的显示效果。同时，TFT的低功耗特性有助于降低显示器的能耗。

太阳能电池：TFT在薄膜太阳能电池领域也有广泛应用。薄膜太阳能电池利用薄膜半导体材料将太阳光转换为电能。TFT在这些电池中作为开关元件，用于控制电流的流动。得益于TFT的低功耗特性，薄膜太阳能电池能够实现较高的能量转换效率。

生物传感器：TFT在生物传感器领域也得到了应用。在这些传感器中，TFT用于将生物信号转换为可读取的电信号。由于TFT的高速度特性，这些传感器能够实时监测生物信号的变化。同时，TFT的低功耗特性有助于减少传感器对能源的需求，延长设备的使用寿命。

图7  TFT广泛应用太阳能设备

(图源：https://www.zoro.com)

柔性电子设备：TFT技术还被应用于柔性电子设备，如柔性显示器、柔性电路板等。由于薄膜半导体材料具有良好的可塑性，TFT能够在柔性基底上制备，实现柔性电子设备的功能。这种应用有望推动可穿戴设备、智能纺织品等领域的发展。

图8  柔性生物传感器

(图源：视觉中国)

总之，薄膜场效应晶体管（TFT）凭借其高集成度、低功耗和高速度等优良性质，在多个行业中发挥了巨大作用。在显示技术领域，TFT为消费电子产品提供了更高性能的显示器；在太阳能电池领域，TFT有助于提高能源转换效率，推动可再生能源的发展；在生物传感器领域，TFT为医疗健康行业带来了革命性变革，实现了对生物信号的实时监测；在柔性电子设备领域，TFT为可穿戴设备和智能纺织品等新兴产业创造了无限的可能性。TFT技术对各行业产生的巨大影响不仅提升了产品性能，降低了能源消耗，还促进了新兴产业的发展。随着TFT技术的进一步发展，我们可以期待它在未来持续改变我们的生活和工作方式，为人类带来更多便利和福祉。

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薄膜制备方法

薄膜是指极薄的半导体、绝缘体或金属材料层。薄膜技术是指将极薄的半导体、绝缘体或金属材料层覆盖在绝缘基板上的技术。在TFT中，薄膜通常是指薄膜半导体材料，如氢化非晶硅（a-Si:H）、低温多晶硅（LTPS）和有机半导体等。以下是常见的薄膜制备方法：

1) 物理气相沉积（PVD）：通过将材料从固态转化为气态，然后沉积在基底上形成薄膜。优点是可以在低温下制备高纯度、均匀的薄膜，缺点是沉积速率慢且设备成本高。对TFT性能有利，通常具有高的晶体质量和密度。

2) 化学气相沉积（CVD）：通过化学反应在基底表面生成所需的薄膜材料。优点是沉积速率快，可制备大面积、复杂形状的薄膜，缺点是设备成本高，对材料纯度和工艺参数要求高。对TFT性能有利，制备的薄膜通常具有高晶体质量和密度。

图9  化学气相沉积制备方法下，多晶硅薄膜的生长过程

(图源：https://open.163.com/newview/movie/free?pid=UHIGVAH3M&mid=OHIGVFAIH)

3) 溶液处理法（Sol-gel）：通过溶剂、前驱体和添加剂混合形成溶液，然后通过热处理形成薄膜。优点是成本低、设备需求简单，可制备大面积和复杂形状的薄膜。缺点是薄膜均匀性和厚度控制困难，可能会存在杂质。对TFT性能有限制，但优化参数后仍有潜力制备高性能TFT。

4) 激光溅射法（Laser Ablation）：通过激光束照射靶材表面，使其喷射出物质沉积在基底上形成薄膜。优点是可以在低温下制备高质量薄膜，具有高纯度和良好的结晶性。缺点是设备成本高、沉积速率慢且对基底形状和材料选择性较强。对TFT性能有利，制备的薄膜通常具有优良的晶体质量和密度。

此外还有溶液处理法（Sol-gel）和激光溅射（Laser Ablation）法等。每种方法都有其特点和优缺点，对材料性能产生不同程度的影响。在实际应用中，可以根据需求和条件选择合适的制备方法。参考图7链接中的网易公开课视频， 可以观看一些薄膜的制备原理与方法。

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最新的研究进展

1.研究成果

最新的TFT研究涵盖了新材料、工艺技术、器件结构和应用领域等各个方面。 日本东京工业大学的 Hideo Hosono 教授等研究人员对用于 TFT 的金属氧化物半导体的开发做出了重大贡献，例如氧化铟镓锌 (IGZO)。 来自沙特阿拉伯 KAUST 的 Thomas D. Anthopoulos 博士正在积极研究有机半导体，而瑞士 EPFL 的 Andras Kis 教授正在研究二维材料，例如用于 TFT 应用的过渡金属二硫化物 (TMD)。

此外，韩国首尔国立大学的 Seung Hwan Ko 教授等研究人员正在探索新的制造技术，例如喷墨印刷技术，以实现低成本和高效的 TFT 制造。 在美国，西北大学的 John Rogers 博士正在研究大规模生产柔性 TFT 的卷对卷工艺。另外英国剑桥大学的 Arokia Nathan 教授等研究人员正在优化 TFT 器件结构，例如采用双栅极或异质结结构，以提高性能和可靠性。 全球科学家的这些合作努力对推动 TFT 技术领域的发展起到了重要作用

2.未来研究方向

TFT技术未来的研究方向随着它的应用领域不断扩大。例如，基于 TFT 的传感器可用于实时监测生物信号，而基于 TFT 的智能太阳能电池正在开发中，以提高能量转换效率。此外，TFT技术可用于实现人工智能和物联网应用的低功耗、高性能硬件平台。正在进行的研究旨在进一步探索 TFT 在各个领域的潜力，突破性能、效率和适用性的界限。

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结论

薄膜场效应晶体管（TFT）在现代科技中扮演着举足轻重的角色，已成为许多领域的关键技术。从显示技术、太阳能电池、传感器到医疗领域，TFT都在推动各行业的技术进步和市场发展。尽管TFT在诸多领域取得了显著的成果，但仍然面临着一些挑战，如提高性能、降低成本、提高可靠性和稳定性等。在克服这些挑战的过程中，新的材料、制程技术和设计理念不断涌现，为TFT的发展提供了广阔的空间。此外，随着新兴技术的发展，如柔性电子、可穿戴设备和生物传感器等，TFT将迎来更多的应用机遇和市场潜力。

在未来，TFT将继续推动各行业的技术创新和产业变革。从智能家居、物联网到生物医疗和可再生能源，TFT都将在提高人们生活品质、实现可持续发展和保护环境方面发挥关键作用。随着科技的进步，我们期待TFT技术能够不断突破性能极限，为全球范围内的用户带来更高效、更环保、更智能的科技产品和解决方案。

参考文献：

[1]郭澎, 晶体管原理. 2016.

[2]國家教育研究院 and 元照出版, 電機工程名詞（第四版）. 元照出版公司, 2016.

文字｜张明睿

排版 | 陈晨

审核 | 陈星安 魏一凡 程泽堃 王沁怡