薄膜晶体管（Thin-Film 晶体管，TFT）是一种以沉积形成的半导体、金属和绝缘体薄膜组成的场效应器件，广泛应用于显示领域中的液晶显示器、有机发光二极管等，传感领域中的生物传感器、气敏传感器等，以及探测领域中的量子点薄膜晶体管探测器等。

薄膜晶体管的历史起源于20世纪初，最早由德裔美国物理学家李利费尔于1925年提出场效应晶体管的概念。随后，约翰·巴丁和布列坦成功制备了点接触型晶体管，威廉·肖克利在其的基础上发明了双极性晶体管和结型场效应晶体管，进一步推动了晶体管技术的发展。直到魏麦于1962年使用多晶硫化镉薄膜作为沟道层，第一个真正的薄膜晶体管才成功出现。20世纪70年代，学者们对氧化物薄膜晶体管进行研究并尝试将TFT与LCD结合，在这之后，硅基薄膜晶体管开始迅速发展，但其高成本和不透光特性限制了应用。2003年后，氧化物薄膜晶体管再次崭露头角，并被应用于新兴领域。

薄膜晶体管通常由三个主要组成部分构成，即导电电极（包括栅电极、源电极和漏电极）、介电层（绝缘层）和沟道层（包括有源层和半导体层），其主要作用是控制电流的流动，从而在液晶显示屏等设备中实现像素的开关操作，通过在控制栅极上施加电压，控制源极和漏极之间的电流流动，从而控制像素的亮度和颜色。一般来说，薄膜晶体管主要根据其沟道有源层的类型进行分类，大致可以分为非晶硅薄膜晶体管、多晶硅薄膜晶体管、有机薄膜晶体管和氧化物薄膜晶体管等四种，可以根据其特点应用于不同场合。

薄膜晶体管研究的历史可追溯至上世纪初，最早由德裔美国物理学家李利费尔（J.E.Lilienfeld）于1925年提出场效应晶体管的概念，并在1930年申请了专利。但由于当时技术的限制，结型场效应晶体管的制备难以实现，此专利只是概念专利。直到1947年，贝尔实验室的半导体研究小组成员约翰·巴丁（J.Bardeen）和布列坦（W.H.Brattain）成功制备了点接触型晶体管，用于电信号放大。随后，威廉·肖克利（W.Shockley）于1948年在巴丁和布列坦的研究基础上发明了双极性晶体管（BJT）和结型场效应晶体管（JFET）。在经过数年的发展后，RCA实验室（Radio Corporation of America，RCA）的魏麦（P.K.Weimer）于1962年使用多晶硫化镉（cds）薄膜作为沟道层，成功制备了第一个真正的薄膜晶体管（TFT），该TFT的结构包括顶栅底接触，二氧化硅（SiO2）绝缘层，以及沉积金栅极和源、漏电极，基底为玻璃。

1968年，伯森（Boesen）和雅各比（Jacobs）报道了一种新型薄膜晶体管，其有源层基于锂掺杂氧化锌（ZnO），电极仍采用铝，栅介质为氧化硅（SiOx），然而这些薄膜晶体管性能较差，表现为源漏电流较小且不能饱和。同年，RCA的海尔迈耶（G.Heilmeier）成功研发了世界上第一个液晶面板（LCD），但仍存在一些问题，无法直接应用于显示器领域。为了有效解决这一技术难题，1971年，莱希纳（Lechner）等人首次将TFT与LCD相结合，通过复杂的寻址电路和电容器单元的结构改进，显著提高了液晶面板的显示质量。此后，氧化物薄膜晶体管并没有取得较大进展，而相反，硅基薄膜晶体管开始迅速发展。1979年，雷·康姆伯（LeComber），斯皮尔斯（Spears）和盖斯（Ghaith）首次报道了非晶硅薄膜晶体管，之后，高性能多晶硅薄膜晶体管在1990年出现。硅基薄膜晶体管虽然表现出良好的电学性能，但高成本和不透光特性限制了其大规模应用，有机薄膜晶体管在同一时期也取得显著进展，但其相对较差的稳定性未能满足实际应用需求。1996年，普林斯（Prins）等人制备以氧化物为半导体层的透明薄膜晶体管，再次激起研究者对氧化物半导体的兴趣。

2003年，首次研制出了氧化锌薄膜晶体管，其性能甚至超越硅基薄膜晶体管。随后，卡西亚（Carcia）等人报道了室温下制备的氧化锌薄膜晶体管，同样取得了高载流子迁移率，证明了氧化物薄膜晶体管具有广泛的应用潜力。 2004年，野村（Nomura）等人首次采用非晶金属氧化物半导体材料制备了a-IGZO薄膜晶体管，随后，德胡夫（Dehuff）等人于2005年制备了透明的薄膜晶体管。野村等人的工作开创了新的领域，这标志着基于氧化物的薄膜晶体管成为一个重要的研究方向。如今，氧化物薄膜晶体管的研究逐渐成熟，随着电子技术的迅速发展，对晶体管载流子迁移率提升和工作电压降低的需求日益增长，这促使针对氧化物薄膜晶体管的柔性低功耗电子产品应用得到广泛探索。例如，2017年，天主教鲁汶大学的克里斯（Kris）教授等人在国际固态电路会议（ISSCC）上报告了他们制备的柔性RFID标签，与此前的研究相比，克里斯教授的工作具有较低的逻辑门延时、更高的传输速率、含载波分频电路、符合13.56MHz频率传输协议，以及更高的集成度等优势，为薄膜晶体管RFID标签的应用打下了坚实基础。2021年，美国斯坦福大学的研究人员发明了一种能够在柔性材料上制造原子级薄晶体管的技术，长度不到100纳米。这使得可弯曲、可塑形且高效的计算机电路成为可能，可以应用于可穿戴设备或植入式“柔性电子学”，标志着技术的重大突破。

薄膜晶体管（TFT）通常由三个主要组成部分构成，即导电电极（包括栅电极、源电极和漏电极）、介电层（绝缘层）和沟道层（包括有源层和半导体层）。导电电极用于控制电流和电压的输入与输出，沟道层则负责电子传输，而介电层则隔绝电子传输。可以将薄膜晶体管结构看作一个平板电容器，其中一个极板是由栅电极构成，而半导体层构成了第二个极板，绝缘层位于二者之间，同时源/漏电极又紧挨着半导体层；平板电容器中的移动电荷分布在绝缘层/半导体层界面之间，从而在半导体层中形成导电通道；基底可以是柔性和刚性材料，但在器件运行过程中不起作用。

根据栅电极和源/漏电极的分布不同，当栅电极与基底直接接触为底栅，而栅电极在器件的最上面为顶栅；源/漏电极在半导体上方直接接触为顶接触，半导体在源/漏电极上方直接接触为底接触，因此这些组件的排列顺序可以分为四种基本结构，分别是：（a）顶栅顶接触结构，（b）顶栅底接触结构，（c）底栅顶接触结构，以及（d）底栅底接触结构。

薄膜晶体管（TFT）的基本工作原理基于外加栅电压的控制，依靠栅极电压（VGS）的调节在沟道层中形成导电通路，并在源漏电压（VDS）恒定的情况下，调节栅极电压的大小，以改变源漏电流（IDS），最终达到栅压控流的目的。这里以P型（空穴导电）底栅顶接触型薄膜晶体管（Top-Gate Top-Contact Thin-Film 晶体管）进行说明，其工作原理如下：

首先，在薄膜晶体的栅电极上施加一个外部电压，这个电压通常称为栅电压。在外加栅电压的工作条件下，电场被建立，有源层在外加电压的诱导下，在靠近介电层一侧产生载流子。具体来说，电场诱导了有源层附近的半导体材料中的电子或空穴，形成了一个可导电的通道，这个通道被称为电子传导通道。随着栅电压逐渐增大，感应出的载流子浓度也随之增加，这导致电子传导通道中的载流子数量增多。当栅电压增大到一定值，即阈值电压时，电子传导通道中的载流子足够多，以至于能够形成源电极和漏电极之间的电流路径，允许电流从源电极流向漏电极，使得器件处于开启状态。在源电压和漏电压的作用下，载流子开始从源电极流向漏电极，形成输出电流。此时，薄膜晶体管处于开启状态，允许电流通过。通过调节栅电极电压的大小，可以控制薄膜晶体管的导通状态，从而调整输出电流的大小。这使得薄膜晶体管可以用作电子开关或放大器，以满足各种应用需求。

在生活中，像平板电脑、手机、液晶电视等设备的不断进步都归功于平板显示技术的不断改进，薄膜晶体管在这方面发挥着关键作用，其不仅广泛应用在有源矩阵驱动液晶显示器（Active Matrix 羧基液体丁腈橡胶 晶体 Display，AMLCD）领域而且在有源矩阵有机发光二极管（Active Matrix Organic Light Emitting Diode，AMOLED）领域中也扮演着十分重要的角色。一般来说，薄膜晶体管主要根据其沟道有源层的类型进行分类，大致可以分为四种：非晶硅薄膜晶体管（Amorphous 硅 Thin Film Transistor，a-Si TFT）、多晶硅薄膜晶体管（Polycrystalline Silicon Thin Film Transistor，p-Si TFT）、有机薄膜晶体管（Organic Thin Film Transistor，OTFT）和氧化物薄膜晶体管（Oxide Thin Film Transistor，Oxide TFT）。

非晶硅薄膜晶体管（a-Si TFT）的核心材料是非晶硅，影响非晶硅薄膜晶体管电学性能的关键因素是栅绝缘层 SiNx 与栅有源层a-Si之间的界面质量。截至2022年，非晶硅薄膜晶体管依然是平板显示方面应用最广泛的薄膜晶体管，但由于非晶硅材料中存在大量的界面缺陷态，导致其电学特性并不理想，而通过掺杂氢可以解决这个问题，并达到平板显示的技术要求。掺氢非晶硅材料具有工艺简单、薄膜均匀性好、且适合大面积的制备等优点，从1979年开始，掺氢非晶硅薄膜晶体管（a-Si HTFT）一直在大尺寸AMLCD中承担核心器件的作用。

掺氢非晶硅薄膜晶体管是利用氢化非晶硅作为沟道层材料制备的薄膜场效应晶体管。非晶硅薄膜晶体管的优点在于，用于沟道层材料的非晶硅膜制备温度低，通常不超过350℃，因此可以使用廉价的玻璃衬底，同时制备工艺简单，对制备设备的要求不高使得其制备成本低。因为是非晶结构，不存在晶界对载流子迁移的影响，制备出来的a-Si膜的均匀性好，可以大面积制备，该TFT早期被广泛用于LCD的驱动元件。

随着科技的进步，人们开始追求更大屏幕尺寸、更加高清、高分辨率的显示屏，但掺氢非晶硅薄膜晶体管的载流子迁移率一般低于1cm2·V-1s-1，光照稳定性较差，无法满足大尺寸、高分辨率液晶显示的电流驱动需求，且AMOLED对薄膜晶体管的电学特性提出了更高的要求。此外，硅类材料的能隙较窄，对可见光不透明，需要增加光源的强度来获得足够的亮度，相应的能耗也较大。虽然掺氢非晶硅薄膜晶体管能够满足基本的平板显示需求，但是由于其载流子迁移率低和较差的产品稳定性等问题，无法应用于更高需求的显示设备，因此学者们通过研究多晶硅薄膜晶体管来满足新的技术要求。

多晶硅薄膜晶体管（p-Si TFT）的核心材料是多晶硅，其作为提供载流子的栅有源层。多晶硅薄膜晶体管制备过程是利用真空工艺先生长一定厚度的a-Si薄膜，然后通过准分子激光退火的方式把非晶硅薄膜转化成多晶硅。多晶硅薄膜晶体管具有特别高的载流子浓度，其饱和载流子迁移率（达到100cm2·V-1s-1）可以达到非晶硅薄膜晶体管的几十倍，且其器件稳定性较好。

虽然多晶硅薄膜晶体管相对于非晶硅薄膜晶体管来说迁移率提高了很多，并且缺陷较少，稳定性也比较好，但由于其多晶结构的特性和制备工艺的要求，也带来了薄膜中存在较多的晶界、表面均匀性差、生产合格率低和生产成本高等一系列不利因素，限制了它的大规模生产。

最初多晶硅的制备温度较高（\u003e625℃），只能在耐热性较好的石英衬底上制备。随着快速退火晶化、金属诱导晶化和激光晶化等一系列低温技术的出现，大大降低了制备温度（\u003c150℃），并成功地在玻璃衬底上实现了低温多晶硅薄膜晶体管的制备。低温多晶硅薄膜晶体管（LTPS TFT）也是在a-Si基础上发展起来的一种利用低温多晶硅薄膜作为沟道层材料的场效应薄膜晶体管，是多晶硅薄膜晶体管中应用最广泛的一种。低温多晶硅薄膜晶体管具有较高的场效应迁移率，可以更快速地切换像素，提供更快的响应时间，且低温多晶硅薄膜晶体管允许制造高分辨率的显示屏，因为它能够在小尺寸像素中实现精确的电子控制。

有机薄膜晶体管（OTFT）是一种沟道层使用有机材料（通常是共轭聚合物或有机小分子）制备的薄膜场效应晶体管，其基本结构和工作原理类似于传统的薄膜晶体管。有机薄膜晶体管成膜方法多样成本低、可低温制备，一般使用溶液加工的方法制备，包括打印、印刷和旋涂等。制备均匀性好，可以大面积生产，并且柔韧性好，适用于柔性显示器、传感器和电子报纸等。但由于有机薄膜晶体管的器件电学特性较差以及性能稳定性差，有机高分子材料性能容易退化、不稳定等问题，并没有大范围的投入到现实生产，要将有机薄膜晶体管广泛用于商业应用，仍然需要解决其稳定性和持久性等致命缺点。

近年来有机薄膜晶体管有了快速的发展，场效应迁移率也有显著提升，但其内在缺陷，性能仍然难以与低温多晶硅薄膜晶体管相匹敌，且大多数传统的有机薄膜晶体管场效应迁移率较低，因此在大面积和高分辨率的新型显示技术上难以实现应用，仍处于研发阶段。

氧化物薄膜晶体管（Oxide TFT）是一种在合适的衬底上制作介质层，利用氧化物材料充当的有源层和电极而形成的一种特殊类型的场效应晶体管。氧化物薄膜晶体管的关键材料是氧化物半导体，如氧化铟镓锌（IGZO）等，这些材料在薄膜晶体管制造中具有重要作用，因为它们具有良好的电子迁移率和光学性能。

氧化物薄膜晶体管器件制备方法广泛，并与传统工艺线相容，可以低温制备。氧化物 TFT场效应迁移率高，适用于高分辨率显示设备；且薄膜大面积均匀性好，电学稳定性高，适用于大尺寸LCD和AMOLED显示面板。除此之外，金属氧化物大多禁带宽度大，可见光透过率高，可用于制造全透明 薄膜晶体管器件。

薄膜晶体管在显示、传感和探测等领域具有广泛应用，主要包括在液晶显示（LCD）中用于像素控制和驱动，以及在有机发光二极管（OLED）和有源矩阵发光二极管（AMOLED）等显示技术中用于实现高质量图像。此外，薄膜晶体管在传感器以及红外探测领也有关键作用，用于生物传感器和气敏传感器等，其中量子点薄膜晶体管的应用改善了红外探测器的性能。这些应用使薄膜晶体管成为显示技术和传感与探测领域的重要组成部分。

液晶显示器（羧基液体丁腈橡胶 晶体 Display，LCD）是非主动发光器件，因此需要外加背光源，其工作原理是通过薄膜晶体管电场的变化来改变液晶分子的排布，再结合偏振片和彩膜基板，来调整出射光线的强弱与色彩的变化，进而可以显示不同画面。薄膜晶体管在LCD中最关键的作用是开关和驱动特性，通过使源漏电极的电势在高低电位之间来回切换，让薄膜晶体管执行开启或者关断指令。

LCD中的每个像素由红、绿、蓝三个基本颜色的子像素组成，每个子像素通过一个薄膜晶体管、液晶电容和存储电容的组合来驱动。扫描电压和数据电压控制薄膜晶体管的开关状态和液晶电容的电压，进而决定液晶分子的偏转角度，影响像素的颜色和亮度。存储电容减缓泄漏电流，确保显示画面保持清晰。该驱动机制使LCD能够准确显示多种颜色和图像，实现高质量的图像表现。

有机发光二极管（Organic Light-Emitting Diode，OLED）与液晶显示器不同，是主动发光器件，通过改变电流来控制发光亮度和色彩。每个OLED子像素最基本结构的驱动电路包含一个有机发光二极管、一个存储电容和两个薄膜晶体管（开关TFT和驱动TFT）。

在OLED中，开关TFT与LCD中TFT的作用一致，能够实现电路开关功能即可。与之相比，驱动TFT电流的变化直接影响OLED的发光亮度，为了保证显示屏幕的亮度需求，必须选用具有较大输出电流和高迁移率性能的TFT。在实际的OLED制造过程中，为了提高生产效率和成品率，通常采用6T1C结构或7T1C结构的等效电路，以确保OLED显示面板的稳定性和性能。这种结构的使用使得OLED技术能够在商业领域获得更广泛的应用。

有源矩阵发光二极管（Active-matrix Organic Light Emitting Diode，AMOLED）起源于OLED显示技术，不同于LCD的电压驱动，AMOLED采用主动驱动。AMOLED采用的是有机材料涂层，利用薄膜晶体管阵列作开关，当有电流通过时，这些有机半导体材料会直接发光，电流越大发光强度越大，所以不需要背光板。因此AMOLED技术不仅轻薄，节能，可以在低温下制备，也就是说成本低也具有柔性特征，并且色域广饱和度高，极大地提升了人们在使用显示屏的舒适度。有源矩阵驱动显示技术是实现大尺寸、高分辨率、高亮度和高色彩饱和度的核心发展技术。

薄膜晶体管在传感器领域也具有广泛应用。基于薄膜晶体管的生物传感器能够将生物信号有效地转化为电信号，实现良好的信息放大作用。此外，薄膜晶体管在气敏传感器领域也有应用前景，特别是基于晶体管的三端器件气体传感器，具备高响应度、强选择性和高性噪比等优势。如图所示为基于薄膜晶体管的气敏传感器，气体分子直接影响晶体管的导电沟道，从而改变其电学性能，实现了信号感知、放大和传输等功能。相较于传统两端器件，薄膜晶体管气敏传感器采用柔性的介电层作为基底，有机大分子聚合物作为活性层，可通过旋涂或刮涂等方法大面积制备，具有极大的应用潜力，这种灵活性和广泛性使得其应用前景更为广泛。

薄膜晶体管在红外探测领域的应用备受关注，特别是基于近红外材料如InGaAs、pbs、PbSe的薄膜晶体管在这个领域的贡献日益显著。近年来，中国将红外探测器企业定义为新型技术企业，加强了对薄膜晶体管阵列短波红外探测技术的支持，使其成为国家重点发展的高新技术领域。传统的红外探测器多采用电阻型和二极管型两电极器件，存在灵敏度低、响应速度慢等缺点，而基于量子点薄膜晶体管的探测器能够弥补这些不足。量子点具有粒径可调特性，可以扩展探测范围到长波段，表现出响应速度快、高灵敏度，并且在恶劣环境下也能正常工作等优点。因此，量子点薄膜晶体管在红外探测领域的研究和产业化应用日益广泛。

薄膜晶体管的性能参数是判断器件性能好坏的重要依据，这些相关参数均可从转移与输出曲线中得到。其中，阈值电压（VTH）、载流子迁移率（μ）、亚阈值摆幅（SS）、开关电流比（Ion/Ioff）和最大界面态密度（Dit）是最主要的五个参数。

阈值电压（Threshold 电压，VTH） 是指在薄膜晶体管中，当施加到栅极上的电压达到一定数值时，使得有源层内的电子能够穿越栅介电层并形成导电通道，从而使薄膜晶体管进入导通状态的最小栅极电压。

以P型薄膜晶体管为例，如果阈值电压为负值，则被称为增强型晶体管，称其为增强型晶体管，器件无法在零栅压下工作，正常工作的前提是施加绝对值大于阈值电压绝对值的负栅极电压；若阙值电压为正，称其为耗尽型晶体管，器件可以在零栅压下工作，要想使其关断，需要施加大于阈值电压的正栅极电压，耗尽其原本存在的空穴。较低的阈值电压意味着薄膜晶体管器件可以在较低的栅极电压下开启，从而降低功耗并提高性能，而较高的阈值电压则需要更高的电压才能实现薄膜晶体管器件的导通，可能导致功耗增加。阈值电压分为线性区和饱和区，可以从相应的公式中提取。

线性区：；饱和区：，其中，公式中的为栅绝缘层单位面积电容；为沟道宽度；为沟道长度，为载流子迁移率。

载流子迁移率（Carrier Mobility，μ）是评估薄膜晶体管性能好坏的重要参数，其定义为在单位场强下载流子的平均迁移速度。迁移率高的载流子运动速率相对较快，相反迁移率低则载流子运动速率低，迁移率越高的器件具有更高的效率。

在薄膜晶体管中，迁移率主要取决于有源层半导体材料、材料本身的纯度、结晶度，以及分子链取向都对半导体的迁移率有影响，但是除了半导体材料本身外，很多半导体器件制备的工艺因素也会影响半导体的迁移率，比如晶体管的沟道长度和宽度，有源层半导体薄膜的成膜性等。

当薄膜晶体管处在线性区时，即VDS\u003c\u003cVGS-VTH时，IDS随着VDS的增大而线性增大，此时的载流子迁移率称为线性迁移率，而当薄膜晶体管处于饱和区，即VDS\u003e\u003eVGS-VTH时，此时载流子迁移率称为饱和迁移率，分别由下式计算可得，线性区载流子迁移率：；饱和区载流子迁移率： 。

亚阈值摆幅（Subthreshold Swing，SS）指的是使漏源电流改变一个量级所需要的栅极电压。亚阈值摆幅越小，说明只需要越小的栅极电压就可以将漏源电流改变一个量级，也就说明该器件的栅极控制能力越强，同时具备优异的开关效率，其计算公式为：。另一方面，亚阈值摆幅的大小也反应了器件沟道层内部以及沟道层与绝缘层界面处的缺陷数量，亚阈值摆幅越小，说明器件的沟道层内部以及沟道层与绝缘层界面处的缺陷越少。一般情况下，为了降低电路中的功耗，通常需要尽可能的控制亚阈值摆幅小于0.1V/dec。

开关电流比（Current on/off ratio，Ion/Ioff）是当器件工作在饱和区时，源漏电流的开态电流（Ion）和关态电流（Ioff）的比值。一般而言，电流开关比大于106基本可以满足电子产品显示需求，影响电流开关比的因素主要有沟道层和栅介质层厚度、沟道层材料等。开关比反应了栅极电压对半导体沟道层导电能力的调控。开态电流越大，说明器件驱动能力越强，在平板显示领域中，电流值的大小对应着显示器的亮度的强弱；关态电流越小，说明器件关断能力越强。一般认为开关比越大越好，在显示领域中，开关比的大小与显示器的对比度息息相关。

最大界面态密度（密度 of Interfacial State，Dit）指的是沟道层与介电层两个界面之间的状态其单位为 cm-2，计算公式为：，其中K为玻尔兹曼常数，T为开尔文，C为介电层的单位面积电容器，q为单位电荷量。界面态密度反应的是介电层和沟道层之间界面处的缺陷数，最终得到的数值越小，说明界面处的缺陷越少，载流子的运输更加顺畅，器件的质量就越高，性能越好。