液晶板：用于替代CRT显像管的主要器件

2023-06-18 理论教育版权反馈

【摘要】：液晶板又称液晶屏，是用于显示图像的主要器件，它取代了传统的CRT显像管。但液晶板的构造仍比较复杂。目前液晶的种类较多，但液晶的分子多为细长棒状。前者采用的是扭曲向列型液晶显示技术，而后者则是采用了一种薄膜晶体管的有源矩阵液晶显示器。总之，由于FET在获得高频、大功率、低噪声、快开关速度等方面具有很大的潜力，所以在液晶板显示技术领域越来越被广泛使用。

液晶板又称液晶屏，是用于显示图像的主要器件，它取代了传统的CRT显像管。但液晶板的构造仍比较复杂。它主要由液晶及一些电子线路等组成。

1.什么是液晶

液晶，即液态晶体（Liquid Crystal，LC），它是一种以碳为中心构成的有机化合物，具有特殊的理化与光电特性。它在某一温度范围内呈液晶相（人们熟悉的物质状态称为相，如气态、液态、固态是物质的三相），可以流动，且拥有结晶的光学性质；在较低温度时，则为正常的结晶物质。因此，液晶是一种特殊物质，它的特殊光学性质对电磁场十分敏感，极有实用价值。在20世纪中叶人们就将其广泛应用在轻薄型的显示技术上。1973年日本的声宝公司首次将液晶应用于电子计算器，用于数字显示。至今，液晶已广泛应用于笔记本电脑、电视机等显示设备中。

（1）液晶的结构及优点

液晶是介于液态与结晶态之间的显示材料，其组成主要是脂肪族、芳香族、硬脂酸等有机物质，因此，液晶的结构也类似于生物结构。目前液晶的种类较多，但液晶的分子多为细长棒状。根据分子排列方式，液晶可以分为近晶相、向列相和胆甾相三种，如图1-5所示。其中向列相和胆甾相应用最多。

由于液晶显示材料具有明显的优点，目前已广泛用于电子表、显示器等。其突出优点主要表现在：驱动电压低、功耗小、可靠性高、显示信息量大，能够彩色显示、无闪烁、对人体无危害、易于使生产过程自动化，且成本低、可以制成各种规格和类型的液晶显示器，从而使采用液晶材料制成的计算机终端及电视机等显示设备的体积大大减小。因此，液晶显示技术使显示设备的结构发生了极大的改变，同时也极大地促进了微电子技术和光电信息技术的发展。

图1-4 液晶电视机的基本结构实物图

（2）液晶的物理特性

液晶的物理特性主要表现在：通电时“导通”，断电时“截止”。所谓通电时“导通”是指给液晶通电时，液晶分子排列变得有秩序，使光线容易通过；而所谓断电时“截止”是指液晶不通电时，液晶分子排列混乱，阻止光线通过。因此，液晶就像闸门开关一样，让光线透过或阻隔光线。如图1-6所示。

图1-5 液晶分子三种排列方式示意图

图1-6 液晶的物理特性示意图

2.液晶板的基本结构及显示技术

液晶板是用于成像的独立器件，它的基本构造是在两片平行的玻璃基板当中放置液晶盒，其中上基板玻璃上设置彩色滤光片，下基板玻璃上设置TFT（薄膜晶体管）线路，在驱动电路的激励下使TFT线路上产生信号电压，用于控制液晶分子的转动方向，进而控制每个像素点偏振光的出射。但在液晶板的背后还需设置背光源及驱动电路，以便组成液晶显示器（Liquid Crystal Display，LCD），如图1-7所示。

图1-7 16∶9液晶显示屏实物图

（1）液晶盒

液晶盒是液晶板中的核心部分，也是液晶板的最重要的主体部分，它主要用于充装液晶。注意液晶在使用前要充分搅拌后才能灌注使用。有关液晶盒的生产工艺及技术要求，因远离本书宗旨，故这里就不予叙述。但在实际应用中液晶盒常有不同形式。

1）扭曲向列液晶盒。

扭曲向列液晶盒在液晶显示技术中应用得最为普遍，其主要特点是液晶对称排列，但对于90°扭曲向列型液晶盒的指向矢，在外电场作用下，其倾角和扭角都会有一定的分布。大量的实验和理论表明：液晶外加电压较低时，指向矢相对某种位置有较大的变形；而液晶外加电压较高时，其指向矢相对某种位置则有较小的变形。

2）超扭曲向列液晶盒。

超扭曲向列液晶盒主要应用于多行多列的大信息量的显示技术中，其主要技术特点是液晶显示驱动的开态电压和关态电压很接近，能够使液晶盒的电光特性曲线十分陡峭，可使扭角大于180°，从而使其在液晶显示技术中呈现出较强的优势。

3）混合排列向列液晶盒。

混合排列向列液晶盒是在上述两种液晶盒的基础上研制而成的。其主要技术特点是液晶指向矢在两个表面的预倾角不相同，而在典型的液晶盒中，一个表面上的指向矢是垂直表面排列，另一个表面上的指向矢是平行表面排列。

有关更深层次的液晶应用技术，在社会维修领域就不必细究，故这里只做些简要介绍。

（2）液晶显示技术

液晶显示技术常有TN-LCD和TFT-LCD两种显示模式。前者采用的是扭曲向列型液晶显示技术，而后者则是采用了一种薄膜晶体管的有源矩阵液晶显示器。其主要技术特点是，在TN-LCD的基础上，把TN上部夹层中的电极改为FET（场效应晶体管），而下层改为共电极，其结构示意图如图1-8所示，电路原理图如图1-9所示。

目前，在液晶显示技术中，主要采用N沟道结型场效应晶体管，其基本结构如图1-10所示。

1）FET场效应晶体管。FET是Field Effect Transistor的缩写，意为单极型晶体管，俗称场效应晶体管，它是一种电压控制器件。从原理上说，FET是利用电场的作用来改变多子电流流通通道的几何尺寸，从而改变通道导电能力的一种器件。其主要优点如下：

①FET是依靠多数载流子工作的器件，没有少子存储效应，适于高频和高速工作。

图1-8 TFT-LCD断面结构示意图

图1-9 TFT有源矩阵LCD电路原理图

图1-10 N沟道结型场效应晶体管工作原理示意图

②FET在大电流工作状态下，具有负温度系数，即温度升高时，工作电流下降，所以避免热不稳定性的二次击穿。

③FET中可以不包含PN结，因而可以采用制造工艺尚不成熟的各种半导体材料获得工作效率很高的器件，并能够利用禁带宽度较宽的材料获得高温工作器件。

④FET的输入阻抗高，实际上不需要输入电流，所以非常适用于模拟开关电路、高输入阻抗放大器等。

⑤FET基本上是一种平方律或线性器件，在信号之间的互调和交叉调制非常小。

总之，由于FET在获得高频、大功率、低噪声、快开关速度等方面具有很大的潜力，所以在液晶板显示技术领域越来越被广泛使用。

2）有源矩阵的工作原理。

在TFT-LCD液晶显示器中，有源矩阵一般是指采用场效应晶体管作为开关元件来实现对LCD进行显示控制的一种方式，习惯上又称为三端子有源矩阵。三端子有源矩阵是利用具有表面效应的绝缘栅场效应晶体管，来构建TFT-LCD的基本电路。在一般情况下，它是以在基片上淀积的不掺杂或轻掺杂（一般是掺硼）的弱P型a-Si∶H薄膜为基础制成的，如图1-11所示。