薄膜晶体管的工作原理第06章

薄膜晶体管的工作原理第06章本章主要内容6.1薄膜晶体管的半导体基础6.2MOS场效应晶体管6.3薄膜晶体管的工作原理6.4薄膜晶体管的直流特性6.5薄膜晶体管的主要参数本征半导体及杂质半导体能带、施主与受主载流子及散射电导现象、迁移率、电导率6.1TFT的半导体基础本征半导体自由电子空穴共价键SiSiSiSi本征半导体中自由电子和空穴的形成本征半导体就是完全纯净的、具有晶体结构的半导体。6.1TFT的半导体基础SiSi空穴移动方向

电子移动方向

外电场方向SiSiSiSiSi本征半导体可见在半导体中有自由电子和空穴两种载流子，它们都能参与导电。6.1TFT的半导体基础n型半导体和p型半导体SiSiSiSiSiSiSiP多余价电子SiSiSiSiSiSiSiB空位B空穴价电子填补空位自由电子的数量大大增加N型半导体空穴的数量大大增加P型半导体6.1TFT的半导体基础费米能级6.1TFT的半导体基础p型半导体n型半导体本征半导体EcEvEFEiEcEvEFEiEcEvEFEi本征半导体，费米能级居于禁带中央；n型半导体，费米能级在禁带中心线之上；p型半导体，费米能级在禁带中心线之下。载流子及散射运载电荷而引起电流的是导带电子与价带空穴——称为载流子。载流子不断受到振动着的原子、杂质和缺陷等不完整性的碰撞，使得它们运动的速度发生无规则的改变，——称为散射。6.1TFT的半导体基础电导现象RI在半导体样品两端加电压，其内部则产生电场。载流子被电场所加速进行漂移运动，在半导体中引起一定电流，这就是电导现象。6.1TFT的半导体基础电导率空穴和电子的速度：vp=pE（空穴）vn=nE（电子）空穴和电子的电导率：

p=qpp（空穴）

n=qnn（电子）电导率：反映半导体材料导电能力的物理量。它由载流子密度和迁移率来决定。6.1TFT的半导体基础迁移率迁移率(cm2/Vs)：不仅反映导电能力的强弱，而且直接决定载流子漂移和扩散运动的快慢。载流子在电场中的漂移速度：vd=[(±q)

/m*]E=

E上式表明，载流子的漂移速度与外电场平行，且成比例。比例系数通常称为载流子的迁移率。6.1TFT的半导体基础小结1.非晶硅薄膜晶体管——2.薄膜晶体管的能带——3.主导薄膜晶体管的半导体现象——4.影响薄膜晶体管性质参数——弱n型半导体电导现象迁移率费米能级接近禁带中心在禁带中心线之上6.1TFT的半导体基础n型衬底两个p区SiO2绝缘层金属铝P型导电沟道6.2MOS场效应晶体管晶体管双极型晶体管

场效应晶体管JFETMOSFET——TFTRsRDSiO2图9n沟道MOSFET构造p+p+ntypeSi衬底栅源漏p-MOSFETp-MOSFET晶体管垂直方向——水平方向——电导器件栅控器件dn型硅P+P+n-0P+P+p-06.2MOS场效应晶体管MOS结构相当于一个电容金属与半导体之间加电压在金属与半导体相对的两个表面上就充上等量异号的电荷在金属一侧，分布在一个原子层厚度内在半导体一侧，分布在空间电荷区金属绝缘层半导体欧姆接触dn型硅6.2MOS场效应晶体管MIS结构定义金属绝缘层半导体欧姆接触Vg＞0dn型硅Vg＜0d++++n型硅Vg<<0d++++n型硅(a)积累(b)耗尽(c)反型6.2MOS场效应晶体管MIS结构表面电荷的变化当Vs=0，Vd<0时：Vg=0，pn结反偏Vg>0，电子积累，pn结反偏RsRDSiO2图9n沟道MOSFET构造p+p+ntypeSi衬底栅源漏-电流很小关态6.2MOS场效应晶体管MOSFET工作原理当Vs=0，Vd<0时：Vg<0，空穴反型pn结连在一起，形成导电沟道RsRDSiO2图9n沟道MOSFET构造p+p+ntypeSi衬底栅源漏--电流很大开态6.2MOS场效应晶体管MOSFET工作原理MOSFET工作原理小结1.TFT属于半导体器件中——2.MOSFET表现开关作用依靠的电极是——3.MOSFET表现电导现象依靠的电极是——4.MOSFET导电沟道是——5.MOSFET关态作用决定于——MOS场效应晶体管栅极源、漏电极反型层导电pn结的反偏状态6.2MOS场效应晶体管6.3薄膜晶体管的工作原理TFT与MOSFET结构上的差别RsRDSiO2图9n沟道MOSFET构造p+p+ntypeSi衬底栅源漏非晶硅半导体材料的特点42131非晶硅中有大量的缺陷（1.悬键；2.弱键；3.空位；4.微孔）6.3薄膜晶体管的工作原理非晶硅半导体材料的特点扩展态局域态ECEC'E导带价带EECEVg(E)ECEVEAEBEFEg(E)(a)(b)(c)局域态扩展态扩展态扩展态6.3薄膜晶体管的工作原理TFT的工作原理VG=0VG>0glassGateInsulatora-Si:HSourceDrain++++++------glassGateInsulatora-Si:HSourceDrainVG<0glassGateInsulatora-Si:HSourceDrain------VS=0VD>06.3薄膜晶体管的工作原理饱和区夹断夹断区沟道区线性区线性区饱和区输出特性曲线6.3薄膜晶体管的工作原理线性区Gradualchannelapproximation当VDS很小时，漏源之间存在贯穿全沟道的导电的N型沟道。当VDS增加时，栅极与漏极的电位差减少，在接近漏极处，沟道电荷逐渐减少；6.4薄膜晶体管的直流特性当VDS=Vsat时，在漏极处沟道电荷为零，这时沟道开始夹断；当VDS继续增大，增加的电压将降落到夹断区上，夹断区是已耗尽空穴的空间电荷区，对沟道电流没有贡献。6.4薄膜晶体管的直流特性饱和区yxz转移特性曲线线性区饱和区亚阈值区截止区6.4薄膜晶体管的直流特性截止区亚阈值区饱和区线性区迁移率和阈值电压6.4薄膜晶体管的直流特性利用饱和区的漏极电流公式，对转移特性曲线做IDS1/2~VGS曲线，对直线段进行拟合，从外推曲线斜率可以提取出迁移率μ和阈值电压VTH。亚阈值区6.4薄膜晶体管的直流特性(V/dec)亚阈值斜率（S）可以从对数坐标下的转移特性曲线中提取。在对数坐标下，对亚阈值区进行直线拟合，拟合的直线斜率为B，亚阈值斜率S为直线斜率的倒数S参数小结迁移率

μ，从IDS1/2

对VGS

图提取;阈值电压VTH，从IDS1/2