薄膜晶體管（Thin-Thin film transistor 3356）是通過沉積形成的半導體、在顯示領域中，由金屬和絕緣膜構成的場效應器件廣泛用于液晶顯示器、有機發光二極管等傳感領域的生物傳感器、氣體傳感器和量子點薄膜晶體管探測器。

薄膜晶體管的歷史起源于20世紀初，場效應晶體管的概念最早是由德裔美國物理學家Lillifell在1925年提出的。隨后，巴丁和布里坦成功制備了點接觸晶體管，肖克利在此基礎上發明了雙極晶體管和結型場效應晶體管，進一步推動了晶體管技術的發展。直到1962年威邁用多晶硫化鎘薄膜作為溝道層，第一個真正的薄膜晶體管才成功出現。20世紀70年代，學者們研究氧化物薄膜晶體管，試圖將TFT與LCD結合起來之后硅基薄膜晶體管開始迅速發展，但其高成本和不透明的特性限制了其應用。2003年后，氧化物薄膜晶體管再次出現，并在新興領域得到應用。

薄膜晶體管通常由三個主要部件組成，即導電電極（包括柵電極、源電極和漏電極）介電層（絕緣層）和溝道層（包括有源層和半導體層）它的主要作用是控制電流的流動，從而實現液晶顯示等器件中像素的開關操作通過向控制柵極施加電壓，可以控制源極和漏極之間的電流，從而控制像素的亮度和顏色。一般來說，薄膜晶體管主要是根據其溝道中有源層的類型來分類的，大致可以分為非晶硅薄膜晶體管、多晶硅薄膜晶體管、有機薄膜晶體管和氧化物薄膜晶體管可以根據其特性應用于不同的場合。

薄膜晶體管研究的歷史可以追溯到上世紀初，最早是由德裔美國物理學家李利費爾Lee Liffel研究的（J.E.Lilienfeld）1925年提出場效應晶體管的概念，1930年申請專利。但是由于當時技術的限制，很難實現結型場效應晶體管的制備，這個專利只是概念專利。直到1947年，貝爾實驗室成員巴丁半導體研究團隊（J.Bardeen）和布列坦（W.H.brattain,walter houser）已經成功地制造了用于信號放大的點接觸晶體管。隨后，肖克利（W.william bradford shockley）1948年，巴丁和布里坦在研究的基礎上發明了雙極晶體管（BJT）和結型場效應晶體管（JFET）經過幾年的發展，美國無線電公司實驗室（Radio   RCA, USA）的魏麥（P.K.Weimer）1962年開始使用多晶硫化鎘（CdS）作為溝道層，該薄膜成功制造了第一個真正的薄膜晶體管（TFT）該TFT的結構包括頂柵底接觸二氧化硅（SiO2）絕緣層和沉積的金柵極和源極、以玻璃為基底的漏電極。

迭代創新

1968年，博曾（Boesen）和雅各比（Jacobs）報道了一種基于摻鋰氧化鋅有源層的新型薄膜晶體管（ZnO）電極仍然由鋁制成，柵極電介質是氧化硅（SiOx）而這些薄膜晶體管性能較差，說明源漏電流小，無法飽和。同年，RCA的Heilmeier（G.海爾邁爾）成功開發了世界 首款液晶面板（LCD）但是還有一些問題不能直接應用到顯示領域。為了有效解決這一技術難題，1971年，萊赫納（Lechner）以及其他人首次將TFT與LCD相結合，改進了復雜尋址電路和電容單元的結構，顯著提高了LCD面板的顯示質量。此后，氧化物薄膜晶體管并沒有取得很大的進展，相反，硅基薄膜晶體管開始迅速發展。1979年，雷·康姆伯（Lekomber），斯皮爾斯（Spears）和蓋斯（Ghaith）首次報道了非晶硅薄膜晶體管，隨后在1990年出現了高性能多晶硅薄膜晶體管。雖然硅基薄膜晶體管表現出良好的電學性能，但其高成本和不透明的特性限制了其大規模應用同期有機薄膜晶體管也取得了顯著進展，但其穩定性相對較差，不能滿足實際應用要求。1996年，王子（Prins）由他人制備的以氧化物為半導體層的透明薄膜晶體管再次引起了研究者的關注對氧化物半導體感興趣。

薄膜晶體管

逐漸成熟

2003年，首次研制出透明氧化鋅薄膜晶體管，性能甚至超過了硅基薄膜晶體管。隨后，卡西亞（Carcia）據報道，在室溫下制備的ZnO薄膜晶體管也實現了高載流子遷移率，證明氧化物薄膜晶體管具有廣闊的應用潛力。野村證券 號，2004年（Nomura）等人首次用非晶金屬氧化物半導體材料制備了a-IGZO薄膜晶體管，隨后，德霍夫（Dehuff）2005年，等人制造了透明薄膜晶體管。野村等人的工作開創了一個新的領域，預示著基于氧化物的薄膜晶體管成為一個重要的研究方向。如今，氧化物薄膜晶體管的研究逐漸成熟隨著電子技術的快速發展，提高載流子遷移率和降低晶體管工作電壓的需求日益增加，這促進了氧化物薄膜晶體管在柔性低功耗電子產品中的應用得到廣泛探索。比如2017年，比利時魯汶大學的克里斯（Kris）教授等人在國際固態電路會議上（ISSCC）論文報道了他們制備的柔性RFID標簽與以往的研究相比，克里斯教授和的工作具有較低的邏輯門延遲、更高的傳輸速率、含載波分頻電路、符合13.56MHz頻率傳輸協議和更高集成度的優勢為薄膜晶體管RFID標簽的應用奠定了堅實的基礎。

2021年，美國斯坦福大學的研究人員發明了一種技術，可以在柔性材料上制造原子薄晶體管，長度小于100納米。這使得可彎曲、塑料和高效的計算機電路成為可能，并可應用于可穿戴設備或可植入設備“柔性電子學”，標志著技術上的重大突破。

薄膜晶體管（TFT）通常由三個主要部件組成，即導電電極（包括柵電極、源電極和漏電極）介電層（絕緣層）和溝道層（包括有源層和半導體層）導電電極用于控制電流和電壓的輸入輸出，溝道層負責電子傳輸，介質層與電子傳輸隔離。薄膜晶體管結構可視為平板電容器，其中一個板由柵電極組成，半導體層構成第二個板，絕緣層位于它們之間，而源極/漏電極與半導體層相鄰；平板電容器中的移動電荷分布在絕緣層中/在半導體層的界面之間，從而在半導體層中形成導電溝道；襯底可以是柔性的和剛性的材料，但是它在設備的操作中不起作用。根據柵電極和源/漏電極的分布是不同的當柵電極與襯底直接接觸時，它是底柵，而柵電極是器件頂部的頂柵；源/半導體上方的漏極直接接觸為頂接觸，半導體在源極/漏電極上方的直接接觸是底部接觸，因此這些部件的排列順序可以分為四種基本結構，即：a）頂部柵極頂部接觸結構，（b）頂柵底部接觸結構，（c）底部柵極頂部接觸結構，以及（d）底柵底接觸結構。

薄膜晶體管（TFT）的基本工作原理是基于外部柵極電壓的控制，而外部柵極電壓取決于柵極電壓（VGS）在溝道層中形成導電路徑，并且降低源極漏極電壓（VDS）在恒定條件下，調節柵極電壓來改變源極和漏電流（IDS）最終達到柵壓控制電流的目的。首先，向薄膜晶體的柵電極施加外部電壓，該電壓通常被稱為柵極電壓。在外加柵壓的工作條件下，電場建立，有源層在外加電壓的誘導下在介質層附近產生載流子。具體來說，電場在有源層附近的半導體材料中誘發電子或空穴，形成導電溝道，稱為電子傳導溝道。隨著柵極電壓逐漸增加，感應載流子濃度也增加，這導致電子傳導溝道中載流子數量的增加。當柵壓增加到一定值，即閾值電壓時，電子傳導通道中有足夠的載流子，使得源極和漏極之間可以形成電流通路，允許電流從源極流向漏極，使器件處于導通狀態。在源極電壓和漏極電壓的作用下，載流子開始從源極流向漏極，形成輸出電流。此時，薄膜晶體管處于導通狀態，允許電流通過。通過調節柵電極電壓，可以控制薄膜晶體管的導通狀態，從而調節輸出電流。這使得薄膜晶體管可以用作電子開關或放大器，以滿足各種應用要求。

在生活中，就像平板電腦、手機、液晶電視等設備的不斷進步歸功于平板顯示技術的不斷進步薄膜晶體管在這方面起著關鍵作用，它不僅廣泛應用于有源矩陣驅動的LCD（活性 基質 液體 晶體 顯示屏，AMLCD）場和有源矩陣有機發光二極管（Active   matrix   organic   light emitting   diode, AMOLED）它在這一領域也發揮著非常重要的作用。

一般來說，薄膜晶體管主要根據其溝道有源層的類型來分類，大致可以分為四種：

非晶硅薄膜晶體管（Amorphous silicon transistor-Si TFT）

多晶硅薄膜晶體管（Polysilicon   Silicon   Thin Film   Transistor, P-Si TFT）

有機薄膜晶體管（OTFT transistor）

和氧化物薄膜晶體管（Oxide   thin film   transistor, oxide   thin film）

非晶硅薄膜晶體管（a-Si TFT）非晶硅薄膜晶體管的核心材料是非晶硅，影響非晶硅薄膜晶體管電學性能的關鍵因素是柵絕緣層 SiNx 和柵有源層a-Si之間的界面質量。到2022年，非晶硅薄膜晶體管仍然是平板顯示中應用最廣泛的薄膜晶體管然而，由于非晶硅中存在大量的界面缺陷，其電學特性并不理想通過摻氫可以解決這個問題，滿足平板顯示器的技術要求。摻氫非晶硅材料工藝簡單、薄膜均勻性好、適合大面積制備等優點自1979年以來，摻氫非晶硅薄膜晶體管已被開發出來（a-Si HTFT）在大尺寸AMLCD中一直扮演核心器件的角色。摻氫非晶硅薄膜晶體管是以氫化非晶硅為溝道層材料制成的薄膜場效應晶體管。非晶硅薄膜晶體管的優點是用作溝道層材料的非晶硅薄膜的制備溫度低，通常不超過350℃，因此可以使用廉價的玻璃襯底，而且制備工藝簡單，對制備設備要求不高，使得其制備成本較低。由于非晶結構，晶界對載流子遷移沒有影響，制備的A-硅膜均勻性好，可以大面積制備這種TFT在早期被廣泛用作LCD的驅動元件。

隨著科技的發展，人們開始追求更大的屏幕尺寸、更加高清、高分辨率顯示屏，但摻氫非晶硅薄膜晶體管的載流子遷移率一般小于1cm2·V-1s-1照明穩定性差，無法滿足大尺寸、高分辨率液晶顯示的電流驅動需求，以及AMOLED對薄膜晶體管的電學特性提出了更高的要求。此外，硅材料的能隙較窄，對可見光不透明，需要增加光源強度才能獲得足夠的亮度，相應的能耗也較大。雖然摻氫非晶硅薄膜晶體管可以滿足基本的平板顯示要求，但由于其載流子遷移率低，產品穩定性差，無法應用于更高要求的顯示設備，因此學者們研究了多晶硅薄膜晶體管以滿足新的技術要求。

多晶硅薄膜晶體管

多晶硅薄膜晶體管（p-Si TFT）的核心材料是多晶硅，作為柵極有源層提供載流子。多晶硅薄膜晶體管的制備工藝是通過真空工藝生長出一定厚度的a-Si薄膜，然后通過準分子激光退火將非晶硅薄膜轉變成多晶硅。多晶硅薄膜晶體管具有特別高的載流子濃度和飽和載流子遷移率（達到100平方厘米·V-1s-1）可以達到非晶硅薄膜晶體管的幾十倍，器件穩定性好。與非晶硅薄膜晶體管相比，多晶硅薄膜晶體管的遷移率提高，缺陷減少，穩定性更好，但由于其多晶結構的特點和制備工藝的要求，薄膜中的晶界較多、表面均勻性差、生產合格率低生產成本高等一系列不利因素限制了其大規模生產。

起初，多晶硅的制備溫度較高（625℃）它只能在耐熱性好的應時襯底上制備。隨著快速退火結晶、金屬誘導晶化激光晶化等一系列低溫技術的出現，大大降低了制備溫度（150℃）在玻璃襯底上成功制作了低溫多晶硅薄膜晶體管。低溫多晶硅薄膜晶體管（LTPS TFT英尺英尺）也是在a-基于Si的場效應薄膜晶體管FET使用低溫多晶硅薄膜作為溝道層材料，是最廣泛使用的多晶硅薄膜晶體管之一。低溫多晶硅薄膜晶體管具有高場效應遷移率，可以更快地切換像素并提供更快的響應時間，并且它允許制造高分辨率顯示屏，因為它可以在小尺寸像素中實現精確的電子控制。

有機薄膜晶體管

有機薄膜晶體管（OTFT）是用于溝道層有機材料（通常是共軛聚合物或有機小分子）所制備的薄膜場效應晶體管的基本結構和工作原理與傳統的薄膜晶體管相似。有機薄膜晶體管成膜方法多樣，成本低、它可以在低溫下制備，通常通過溶液加工，包括印刷、印刷和旋涂等。制備均勻性好，可規模化生產，柔韌性好，適用于柔性顯示器、傳感器和電子報紙等。但是，由于有機薄膜晶體管的電學特性差，性能穩定性差，有機高分子材料的性能很容易退化、不穩定等問題沒有廣泛投入實際生產要在商業應用中廣泛使用有機薄膜晶體管，仍然需要解決它們的致命缺點，如穩定性和耐用性。近年來，有機薄膜晶體管發展迅速，其場效應遷移率也得到顯著提高但其固有的缺陷和性能仍難以與低溫多晶硅薄膜晶體管相媲美，且大多數傳統有機薄膜晶體管的場效應遷移率較低，難以在大面積高分辨率的新型顯示技術中實現應用，目前仍處于研發階段。

氧化物薄膜晶體管

氧化物薄膜晶體管（Oxide   ft）它是一種特殊類型的場效應晶體管，通過在合適的襯底上制作電介質層并使用氧化物材料作為活性層和電極而形成。氧化物薄膜晶體管的關鍵材料是氧化物半導體，如銦鎵鋅氧化物（IGZO）等等，這些材料由于具有良好的電子遷移率和光學性能，在薄膜晶體管的制造中起著重要的作用。氧化物薄膜晶體管器件的制備方法非常廣泛，與傳統工藝線兼容，可以在低溫下制備。氧化物 TFT具有高場效應遷移率，適用于高分辨率顯示器件；適用于大尺寸LCD和AMOLED顯示面板。此外，大多數金屬氧化物具有較大的帶隙和較高的可見光透過率，可用于制造全透明 薄膜晶體管器件。

顯示器中的薄膜晶體管、廣泛應用于傳感和檢測領域，主要是液晶顯示（LCD）用于像素控制和驅動，以及有機發光二極管（OLED）和有源矩陣發光二極管（AMOLED）用于在顯示技術中實現高質量圖像，例如。此外，薄膜晶體管在傳感器和紅外探測器中也起著關鍵作用，如生物傳感器和氣體傳感器，其中量子點薄膜晶體管的應用提高了紅外探測器的性能。這些應用使得薄膜晶體管成為顯示技術以及傳感和檢測領域的重要部分。

液晶顯示（LCD）

液晶顯示器（LCD）它是一種非有源發光器件，因此需要外部背光其工作原理是通過薄膜晶體管電場的變化來改變液晶分子的排列，然后通過偏振片和彩膜基板的結合來調節出射光的強度和顏色變化，從而顯示不同的畫面。液晶顯示器中薄膜晶體管的關鍵功能是開關和驅動特性通過在高電位和低電位之間來回切換源電極和漏電極的電位，薄膜晶體管可以執行開或關指令。

LCD中的每個像素由紅色組成、綠、藍色由三種基本顏色的子像素組成，每種顏色都經過一個薄膜晶體管、液晶電容器和存儲電容器的組合。掃描電壓和數據電壓控制薄膜晶體管的開關狀態和液晶電容的電壓，進而決定液晶分子的偏轉角，影響像素的色彩和亮度。存儲電容器減緩漏電流，并確保顯示屏保持清晰。這種驅動機制使LCD能夠精確地顯示各種顏色和圖像，實現高質量的圖像表現。

有機發光二極管（OLED）

有機發光二極管（Organic   l-Emitting   diode, organic light emitting diode）與液晶顯示器不同的是，它是一種主動發光器件，通過改變電流來控制光的亮度和顏色。每個有機發光二極管子像素的最基本結構的驅動電路包括有機發光二極管、一個存儲電容器和兩個薄膜晶體管（開關薄膜晶體管和驅動薄膜晶體管）

在有機發光二極管，開關TFT與LCD中的TFT功能相同，只要能實現電路切換功能即可。相比之下，驅動TFT電流的變化直接影響有機發光二極管的發光亮度為了滿足顯示屏的亮度要求，必須選擇輸出電流大遷移率高的TFT。在實際的有機發光二極管制造過程中，為了提高生產效率和成品率，通常采用6T1C結構或7T1C結構的等效電路來保證有機發光二極管顯示面板的穩定性和性能。這種結構的使用使得有機發光二極管技術能夠更廣泛地應用于商業領域。

有源矩陣發光二極管（AMOLED）

有源矩陣發光二極管（Active-Matrix   organic   lightemitting   diode, AMOLED）源自有機發光二極管顯示技術，不同于LCD的電壓驅動，AMOLED采用有源驅動。AMOLED采用有機材料鍍膜，薄膜晶體管陣列作為開關當電流通過時，這些有機半導體材料會直接發光，電流越大，發光強度越大，所以不需要背光源。因此，AMOLED技術不僅輕便節能，而且可以在低溫下制備，也就是說，它具有低成本和柔性的特點，并且具有寬色域和高飽和度，大大提高了人們 使用顯示屏的舒適性。有源矩陣驅動顯示技術是為了實現大尺寸、高分辨率、高亮度高色彩飽和度的核心開發技術。

傳感探測領域

傳感器領域

薄膜晶體管也廣泛應用于傳感器領域。基于薄膜晶體管的生物傳感器可以有效地將生物信號轉化為電信號，實現良好的信息放大。此外，薄膜晶體管在氣體傳感器領域也有應用前景，尤其是基于晶體管的三端器件氣體傳感器，具有較高的響應性、選擇性強，信噪比高。如圖，是基于薄膜晶體管的氣體傳感器氣體分子直接影響晶體管的導電溝道，從而改變其電特性，實現信號傳感、放大和傳輸功能。與傳統的雙端器件相比，薄膜晶體管氣體傳感器以柔性介質層為基底，以有機高分子聚合物為活性層，可以通過旋涂或刮涂的方式大面積制備，具有很大的應用潛力這種靈活性和通用性使其應用前景更加廣泛。

紅外探測領域

薄膜晶體管在紅外探測中的應用已經引起了廣泛的關注，特別是基于近紅外材料如InGaAs、PbS、PbSe 美國的薄膜晶體管在這一領域做出了越來越重要的貢獻。近年來，我國將紅外探測器企業定義為新技術企業，并加強對薄膜晶體管陣列短波紅外探測技術的支持，使其成為國家發展的重點高新技術領域。傳統的紅外探測器多采用電阻式和二極管雙電極器件，靈敏度較低、基于量子點薄膜晶體管的探測器可以彌補這些缺點。量子點具有粒徑可調的特點，可以將探測范圍擴展到長波段，表現出較快的響應速度、靈敏度高，能在惡劣環境下正常工作。因此，量子點薄膜晶體管在紅外探測領域的研究和工業應用日益廣泛。