打开智能手机，屏幕上就会显示出图像。那幅图像是由数百万个微小的光点各自以规定的亮度点亮而构成的。可是，要向每一个光点传达"你要这么亮"，就必须给每个光点都配上一个开关。
那个开关就是薄膜晶体管（TFT，Thin-Film Transistor）。一块4K UHD屏幕（3840×2160）的子像素数为 3840 × 2160 × 3 = 2,488万个，开关至少也要这么多。
本系列讲的就是这个开关。它是什么，凭什么原理开和关，以及为什么在过去60年里把材料整整换了三次。
正文计算中出现的条件值（尺寸·电压·电容等）是为了展示计算过程而设的示例，器件结构和材料组成也是公开文献所描述的一般形态——并非某家公司的器件规格或设计图。所有内容都只在公开的论文·专利·百科全书中人人可以查证的范围内展开，并在每篇末尾附上出处。
把名字拆开，一半就解释清楚了
薄膜晶体管这个名字由两部分组成。
- 晶体管——用电信号调节电流通断的元件。既是开关也是阀门。
- 薄膜（thin film）——意思是这个元件是用另外薄薄涂上去的一层膜做成的。
第二部分才是关键。计算机芯片里的晶体管是把一块单晶硅雕刻出来的。材料本来就在那里，相当于对它进行雕琢。TFT则相反。基板是不导电的玻璃，晶体管所需的材料是一层一层涂上去堆叠的。维基百科「Thin-film transistor」词条也把TFT描述为"生长在玻璃这类起支撑作用但不导电的基板上"。
正是这一个差异，衍生出其余所有差异。
晶体管做的事——水龙头
晶体管有三个端子。用水来比喻是这样的。
- 源极（source）——水流进来的一侧
- 漏极（drain）——水流出去的一侧
- 栅极（gate）——水龙头的把手
源极和漏极之间铺着一条叫作沟道（channel）的半导体通路。栅极并不直接接触这条通路——中间夹着一层薄薄的绝缘膜。所以即使给栅极加电压，电流也不会漏到栅极去，取而代之的是只有电场作用到沟道上。这个电场把沟道里的电子聚拢或驱散，从而打开或关闭通路。
由于转动把手的力不是水而是电场，这种方式被称为场效应（field effect）。TFT和计算机芯片里的MOSFET都是场效应晶体管。到这里为止两者是一样的。
那么到底哪里不同
同样是场效应，TFT和硅芯片上的晶体管却是相当不同的东西。差异可以归纳为五个方面。
① 基板——是半导体还是绝缘体
MOSFET的单晶硅晶圆本身就是半导体。晶体管的沟道就是那块晶圆的表面。TFT的基板是玻璃，不导电，所以用作沟道的半导体必须另外铺上去。
② 沟道——是雕刻出来的还是堆叠上去的
雕刻出来的话，直接使用原子整齐排列的单晶。堆叠上去的话，得到的要么是原子排列紊乱的非晶，要么是由小晶粒聚集而成的多晶。这个差异决定了电子走得顺不顺，而这正是本系列第2部的主题。
③ 工作方式——是反型还是积累
这是最常被忽略的差异。
硅MOSFET以反型（inversion）方式工作。沟道位置的硅原本是空穴（正电荷载流子）居多的p型，当栅极加上正电压把电子召集到表面时，只有那一薄层的性质被翻转成n型。那个翻转后的层就是沟道。
TFT以积累（accumulation）方式工作。沟道材料本来就是以电子为载流子的n型，栅极电压只是把这些电子聚拢到绝缘膜附近。不翻转性质，只是把原有的聚集起来。
Kamiya·Nomura·Hosono于2010年发表在Sci. Technol. Adv. Mater.上的综述明确指出了这一点——文中写道"a-IGZO TFT不表现出在晶体Si FET和部分a-Si:H TFT中观察到的反型工作"，并把原因归于氧化物的大带隙和强局域化的价带。意思是既然用不了空穴，也就没什么可翻转的。
由此带来一个实际后果。TFT只有使用电子的n型容易做，使用空穴的p型则很难。这与硅芯片把n型和p型配对（CMOS）来节省功耗形成对照。这个限制后来甚至改变了屏幕驱动电路的形态。
④ 尺寸——是纳米还是微米
最新半导体芯片的晶体管是纳米（十亿分之一米）量级。TFT是微米（百万分之一米）量级，大了约一千倍。因为没有必要做小——TFT所占的位置是人眼可见的一个像素格，而那个格子本身就有几十微米。
⑤ 被要求的东西——是速度还是均匀性
芯片的晶体管必须快。TFT则必须几千万个彼此一模一样。在屏幕上，只要一个晶体管比邻居多流过一点点电流，那个像素看起来就更亮，而人眼会把这种差异识别为斑点。比起单个晶体管的性能，几千万个之间的偏差更重要。
Powell于1989年发表在IEEE Trans. Electron Devices上的a-Si TFT物理论文在末尾点出了这一点——报告称用于显示器的大面积晶体管阵列均匀性优异，阈值电压偏差为0.5~1.0 V。
| 项目 | 硅芯片上的MOSFET | 薄膜晶体管（TFT） |
|---|---|---|
| 基板 | 单晶硅（半导体） | 玻璃等绝缘体 |
| 沟道 | 直接用基板表面 | 另外堆叠的薄膜（非晶·多晶） |
| 工作方式 | 反型（inversion） | 积累（accumulation） |
| 极性 | n型·p型配对使用（CMOS） | 主要为n型 |
| 代表尺寸 | 纳米 | 微米 |
| 最重要的东西 | 速度·集成度 | 几千万个的均匀性 |
为什么非要在玻璃上——算一算面积
"性能更差，为什么还坚持用玻璃"，这个问题很自然。答案在于面积，而这只需两次乘法就能确认。
半导体工厂的代表性晶圆是直径300 mm的圆片。圆的面积是π × 半径²，所以
π × (150 mm)² = 3.14159 × 22,500 mm² = 70,686 mm² ≈ 707 cm²
另一方面，显示器用玻璃基板的尺寸以世代（generation）来称呼。Semiconductor Energy Laboratory的美国专利US 8,093,136 B2说明书列举了各世代的尺寸，其中第8代为2200 mm × 2400 mm。是矩形，直接相乘即可
2200 mm × 2400 mm = 5,280,000 mm² = 52,800 cm²
两个值相除
52,800 cm² ÷ 707 cm² ≈ 75
一块玻璃相当于约75片300 mm晶圆。
以一台屏幕为基准来看也一样。求55英寸16:9屏幕的面积：对角线55英寸为 55 × 2.54 = 139.7 cm，宽:高:对角线 = 16:9:√(16²+9²) = 16:9:18.36，所以
宽 = 139.7 × 16 ÷ 18.36 ≈ 121.8 cm · 高 = 139.7 × 9 ÷ 18.36 ≈ 68.5 cm
面积 = 121.8 × 68.5 ≈ 8,340 cm²
用300 mm晶圆的话，要把 8,340 ÷ 707 ≈ 12片拼接起来才勉强盖住一块屏幕。屏幕本来就是宽大的东西，要便宜地覆盖宽大的东西，就需要又宽又便宜的基板。玻璃满足这个条件。
而选择玻璃的那一刻，代价也随之而来。玻璃在高温下会软化，所以制造单晶硅时使用的1,000 ℃级工艺用不了。只有能在低温下制造的半导体才能成为候选，这个限制牵引了过去60年TFT材料的历史。
三次推倒重来
1962——仅用沉积做成的第一个晶体管
RCA的Paul K. Weimer于1962年在Proceedings of the IRE上发表了「The TFT — A New Thin-Film Transistor」。论文把它介绍为所有构成要素都在绝缘基板上沉积而成的晶体管，并把工作原理写为"用绝缘的控制栅极调节注入宽带隙半导体的多数载流子"。沟道材料是硫化镉（CdS）微晶层。
报告的性能为电压增益100以上、跨导10,000 μmho以上、开关时间0.1 μs以下。论文还表明，用这种器件做出了触发器·AND门·NOR门。可见它从一开始瞄准的是计算机部件，而不是用于屏幕。
顺带一提，维基百科「Thin-film transistor」词条记载，比这更早的1957年2月，RCA的John Wallmark就申请了薄膜MOSFET的专利。
1979——瞄准屏幕的非晶硅
Dundee大学的Le Comber·Spear·Ghaith于1979年在Electronics Letters上发表了「Amorphous-silicon field-effect device and possible application」。他们用辉光放电成膜的非晶硅（a-Si）做出了绝缘栅场效应器件，并把标题中"possible application"所对应的提议写成这样——这种器件可以有利地用于液晶显示面板的寻址矩阵。
我们现在使用的屏幕，出发点就是这篇两页的论文。
2003·2004——非晶却很快的氧化物
非晶硅便宜又能大面积涂覆，但电子很慢。按前面引用的Kamiya等人2010年综述整理的数值，a-Si:H TFT的饱和迁移率在0.24~0.60 cm²V⁻¹s⁻¹范围内。
Hosono研究团队开辟了另一条路。2003年在Science上，Nomura等人报告了以单晶InGaO₃(ZnO)₅为沟道、以非晶氧化铪为栅绝缘膜的透明晶体管——场效应迁移率约80 cm²V⁻¹s⁻¹，开关电流比约10⁶，并指出其工作对可见光不敏感。
次年2004年的Nature论文起了决定性作用。Nomura等人把非晶In-Ga-Zn-O（a-IGZO）在室温下成膜于PET薄膜上，报告霍尔迁移率超过10 cm²V⁻¹s⁻¹，比氢化非晶硅高出一个数量级。在PET片上制作的透明TFT饱和迁移率为6~9 cm²V⁻¹s⁻¹，并且反复弯折薄片特性依然稳定。
"非晶就慢"的常识在这里被打破。为什么会被打破，是本系列第9·10篇的主题。
一个叫迁移率的数字
贯穿三次转折的数字是迁移率（mobility）。它表示施加电场时电子被拉动得有多顺畅，单位是cm²V⁻¹s⁻¹。把前面引用的Kamiya等人2010年综述中的数值并排列出来是这样的。
| 沟道材料 | 饱和迁移率 (cm²V⁻¹s⁻¹) | 出处 |
|---|---|---|
| 氢化非晶硅（a-Si:H） | 0.24 ~ 0.60 | Kamiya 2010 |
| 非晶氧化物（a-IGZO） | 8.2 ~ 12.6 | Kamiya 2010 |
同一篇综述总结道，a-IGZO TFT比a-Si:H TFT场效应迁移率大10倍、缺陷密度小10倍，并一并收录了最高18 cm²V⁻¹s⁻¹、在刻蚀阻挡层结构中达到35.8 cm²V⁻¹s⁻¹的报告实例。
这个数字为什么重要，用一个简单的计算就能看出来。以120 Hz绘制4K屏幕时，分配给一行的时间是
1 ÷ (120 Hz × 2160行) = 3.86 μs
。假设一个像素的存储电容为0.5 pF、所需电压变化为5 V（两者都是为了展示计算的示例值），所需的充电电流为
I = C × ΔV ÷ t = 0.5 pF × 5 V ÷ 3.86 μs ≈ 0.65 μA
这个电流要由一个微米级的晶体管流过，而且是全部2,488万个几乎完全一样地流过。如果材料的电子很慢，充电就无法在时间内完成，那个像素就会比目标更暗。所以迁移率是同时限制屏幕尺寸·分辨率·刷新率的数字。
本系列要走的路
「绘制画面的晶体管」用十四篇讲述器件本身。
- 第1部（01~05）器件的基础——场效应的原理与四种结构、读特性曲线的方法、建立电流方程、测量阈值电压的方法
- 第2部（06~11）三种沟道——非晶硅·低温多晶硅·氧化物各自得到了什么、失去了什么
- 第3部（12~14）器件会老化——阈值电压漂移的原因、光引起的问题，以及测量的方法
下一篇将讲述栅极究竟如何形成沟道，以及按栅极·沟道·电极的堆叠顺序而分化出的四种器件结构。
参考资料
- P. K. Weimer, "The TFT — A New Thin-Film Transistor," Proceedings of the IRE 50, 1462 (1962) ：仅靠在绝缘基板上沉积制成的最早的TFT——沟道材料（CdS）、由绝缘栅极控制多数载流子、电压增益·跨导·开关时间
- P. G. Le Comber, W. E. Spear, A. Ghaith, "Amorphous-silicon field-effect device and possible application," Electronics Letters 15, 179 (1979) ：辉光放电非晶硅场效应器件及其在液晶显示寻址矩阵中的应用提议
- K. Nomura et al., "Thin-Film Transistor Fabricated in Single-Crystalline Transparent Oxide Semiconductor," Science 300, 1269 (2003) ：单晶InGaO₃(ZnO)₅沟道·HfO₂绝缘膜，迁移率约80 cm²V⁻¹s⁻¹，开关比约10⁶，对可见光不敏感
- K. Nomura et al., "Room-temperature fabrication of transparent flexible thin-film transistors using amorphous oxide semiconductors," Nature 432, 488 (2004) ：a-IGZO在PET上的室温成膜，霍尔迁移率超过10（比a-Si:H高一个数量级），PET上TTFT饱和迁移率6~9，反复弯折时特性稳定
- T. Kamiya, K. Nomura, H. Hosono, "Present status of amorphous In–Ga–Zn–O thin-film transistors," Sci. Technol. Adv. Mater. 11, 044305 (2010) ：积累工作（无反型工作）的依据，a-Si:H及a-IGZO的饱和迁移率值，迁移率·缺陷密度的10倍对比，最高迁移率报告值
- M. J. Powell, "The physics of amorphous-silicon thin-film transistors," IEEE Trans. Electron Devices 36, 2753 (1989) ：大面积TFT阵列的均匀性与阈值电压偏差0.5~1.0 V
- US 8,093,136 B2 — Method for manufacturing SOI substrate (Semiconductor Energy Laboratory) ：说明书列举的各世代玻璃基板尺寸——正文第8代2200 mm × 2400 mm的依据
- Thin-film transistor — Wikipedia ：TFT生长于玻璃等绝缘基板上的定义，1957年Wallmark专利申请与1962年Weimer开发的历史记录
- ※ 上述列表中引自Wikipedia词条的部分遵循CC BY-SA 4.0许可。