薄膜晶體管的工作原理第06章

薄膜晶體管的工作原理第06章本章主要內(nèi)容6.1薄膜晶體管的半導(dǎo)體基礎(chǔ)6.2MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管6.3薄膜晶體管的工作原理6.4薄膜晶體管的直流特性6.5薄膜晶體管的主要參數(shù)本征半導(dǎo)體及雜質(zhì)半導(dǎo)體能帶、施主與受主載流子及散射電導(dǎo)現(xiàn)象、遷移率、電導(dǎo)率6.1TFT的半導(dǎo)體基礎(chǔ)本征半導(dǎo)體自由電子空穴共價(jià)鍵SiSiSiSi本征半導(dǎo)體中自由電子和空穴的形成本征半導(dǎo)體就是完全純凈的、具有晶體結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體。6.1TFT的半導(dǎo)體基礎(chǔ)SiSi空穴移動(dòng)方向

電子移動(dòng)方向

外電場(chǎng)方向SiSiSiSiSi本征半導(dǎo)體可見(jiàn)在半導(dǎo)體中有自由電子和空穴兩種載流子，它們都能參與導(dǎo)電。6.1TFT的半導(dǎo)體基礎(chǔ)n型半導(dǎo)體和p型半導(dǎo)體SiSiSiSiSiSiSiP多余價(jià)電子SiSiSiSiSiSiSiB空位B空穴價(jià)電子填補(bǔ)空位自由電子的數(shù)量大大增加N型半導(dǎo)體空穴的數(shù)量大大增加P型半導(dǎo)體6.1TFT的半導(dǎo)體基礎(chǔ)費(fèi)米能級(jí)6.1TFT的半導(dǎo)體基礎(chǔ)p型半導(dǎo)體n型半導(dǎo)體本征半導(dǎo)體EcEvEFEiEcEvEFEiEcEvEFEi本征半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)居于禁帶中央；n型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)在禁帶中心線之上；p型半導(dǎo)體，費(fèi)米能級(jí)在禁帶中心線之下。載流子及散射運(yùn)載電荷而引起電流的是導(dǎo)帶電子與價(jià)帶空穴——稱為載流子。載流子不斷受到振動(dòng)著的原子、雜質(zhì)和缺陷等不完整性的碰撞，使得它們運(yùn)動(dòng)的速度發(fā)生無(wú)規(guī)則的改變，——稱為散射。6.1TFT的半導(dǎo)體基礎(chǔ)電導(dǎo)現(xiàn)象RI在半導(dǎo)體樣品兩端加電壓，其內(nèi)部則產(chǎn)生電場(chǎng)。載流子被電場(chǎng)所加速進(jìn)行漂移運(yùn)動(dòng)，在半導(dǎo)體中引起一定電流，這就是電導(dǎo)現(xiàn)象。6.1TFT的半導(dǎo)體基礎(chǔ)電導(dǎo)率空穴和電子的速度：vp=pE（空穴）vn=nE（電子）空穴和電子的電導(dǎo)率：

p=qpp（空穴）

n=qnn（電子）電導(dǎo)率：反映半導(dǎo)體材料導(dǎo)電能力的物理量。它由載流子密度和遷移率來(lái)決定。6.1TFT的半導(dǎo)體基礎(chǔ)遷移率遷移率(cm2/Vs)：不僅反映導(dǎo)電能力的強(qiáng)弱，而且直接決定載流子漂移和擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的快慢。載流子在電場(chǎng)中的漂移速度：vd=[(±q)

/m*]E=

E上式表明，載流子的漂移速度與外電場(chǎng)平行，且成比例。比例系數(shù)通常稱為載流子的遷移率。6.1TFT的半導(dǎo)體基礎(chǔ)小結(jié)1.非晶硅薄膜晶體管——2.薄膜晶體管的能帶——3.主導(dǎo)薄膜晶體管的半導(dǎo)體現(xiàn)象——4.影響薄膜晶體管性質(zhì)參數(shù)——弱n型半導(dǎo)體電導(dǎo)現(xiàn)象遷移率費(fèi)米能級(jí)接近禁帶中心在禁帶中心線之上6.1TFT的半導(dǎo)體基礎(chǔ)n型襯底兩個(gè)p區(qū)SiO2絕緣層金屬鋁P型導(dǎo)電溝道6.2MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管晶體管雙極型晶體管

場(chǎng)效應(yīng)晶體管JFETMOSFET——TFTRsRDSiO2圖9n溝道MOSFET構(gòu)造p+p+ntypeSi襯底柵源漏p-MOSFETp-MOSFET晶體管垂直方向——水平方向——電導(dǎo)器件柵控器件dn型硅P+P+n-0P+P+p-06.2MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOS結(jié)構(gòu)相當(dāng)于一個(gè)電容金屬與半導(dǎo)體之間加電壓在金屬與半導(dǎo)體相對(duì)的兩個(gè)表面上就充上等量異號(hào)的電荷在金屬一側(cè)，分布在一個(gè)原子層厚度內(nèi)在半導(dǎo)體一側(cè)，分布在空間電荷區(qū)金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸dn型硅6.2MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管MIS結(jié)構(gòu)定義金屬絕緣層半導(dǎo)體歐姆接觸Vg＞0dn型硅Vg＜0d++++n型硅Vg<<0d++++n型硅(a)積累(b)耗盡(c)反型6.2MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管MIS結(jié)構(gòu)表面電荷的變化當(dāng)Vs=0，Vd<0時(shí)：Vg=0，pn結(jié)反偏Vg>0，電子積累，pn結(jié)反偏RsRDSiO2圖9n溝道MOSFET構(gòu)造p+p+ntypeSi襯底柵源漏-電流很小關(guān)態(tài)6.2MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET工作原理當(dāng)Vs=0，Vd<0時(shí)：Vg<0，空穴反型pn結(jié)連在一起，形成導(dǎo)電溝道RsRDSiO2圖9n溝道MOSFET構(gòu)造p+p+ntypeSi襯底柵源漏--電流很大開(kāi)態(tài)6.2MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管MOSFET工作原理MOSFET工作原理小結(jié)1.TFT屬于半導(dǎo)體器件中——2.MOSFET表現(xiàn)開(kāi)關(guān)作用依靠的電極是——3.MOSFET表現(xiàn)電導(dǎo)現(xiàn)象依靠的電極是——4.MOSFET導(dǎo)電溝道是——5.MOSFET關(guān)態(tài)作用決定于——MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極源、漏電極反型層導(dǎo)電pn結(jié)的反偏狀態(tài)6.2MOS場(chǎng)效應(yīng)晶體管6.3薄膜晶體管的工作原理TFT與MOSFET結(jié)構(gòu)上的差別RsRDSiO2圖9n溝道MOSFET構(gòu)造p+p+ntypeSi襯底柵源漏非晶硅半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)42131非晶硅中有大量的缺陷（1.懸鍵；2.弱鍵；3.空位；4.微孔）6.3薄膜晶體管的工作原理非晶硅半導(dǎo)體材料的特點(diǎn)擴(kuò)展態(tài)局域態(tài)ECEC'E導(dǎo)帶價(jià)帶EECEVg(E)ECEVEAEBEFEg(E)(a)(b)(c)局域態(tài)擴(kuò)展態(tài)擴(kuò)展態(tài)擴(kuò)展態(tài)6.3薄膜晶體管的工作原理TFT的工作原理VG=0VG>0glassGateInsulatora-Si:HSourceDrain++++++------glassGateInsulatora-Si:HSourceDrainVG<0glassGateInsulatora-Si:HSourceDrain------VS=0VD>06.3薄膜晶體管的工作原理飽和區(qū)夾斷夾斷區(qū)溝道區(qū)線性區(qū)線性區(qū)飽和區(qū)輸出特性曲線6.3薄膜晶體管的工作原理線性區(qū)Gradualchannelapproximation當(dāng)VDS很小時(shí)，漏源之間存在貫穿全溝道的導(dǎo)電的N型溝道。當(dāng)VDS增加時(shí)，柵極與漏極的電位差減少，在接近漏極處，溝道電荷逐漸減少；6.4薄膜晶體管的直流特性當(dāng)VDS=Vsat時(shí)，在漏極處溝道電荷為零，這時(shí)溝道開(kāi)始夾斷；當(dāng)VDS繼續(xù)增大，增加的電壓將降落到夾斷區(qū)上，夾斷區(qū)是已耗盡空穴的空間電荷區(qū)，對(duì)溝道電流沒(méi)有貢獻(xiàn)。6.4薄膜晶體管的直流特性飽和區(qū)yxz轉(zhuǎn)移特性曲線線性區(qū)飽和區(qū)亞閾值區(qū)截止區(qū)6.4薄膜晶體管的直流特性截止區(qū)亞閾值區(qū)飽和區(qū)線性區(qū)遷移率和閾值電壓6.4薄膜晶體管的直流特性利用飽和區(qū)的漏極電流公式，對(duì)轉(zhuǎn)移特性曲線做IDS1/2~VGS曲線，對(duì)直線段進(jìn)行擬合，從外推曲線斜率可以提取出遷移率μ和閾值電壓VTH。亞閾值區(qū)6.4薄膜晶體管的直流特性(V/dec)亞閾值斜率（S）可以從對(duì)數(shù)坐標(biāo)下的轉(zhuǎn)移特性曲線中提取。在對(duì)數(shù)坐標(biāo)下，對(duì)亞閾值區(qū)進(jìn)行直線擬合，擬合的直線斜率為B，亞閾值斜率S為直線斜率的倒數(shù)S參數(shù)小結(jié)遷移率

μ，從IDS1/2

對(duì)VGS

圖提取;閾值電壓VTH，從IDS1/2