TFT薄膜晶体管的工作原理

TFT薄膜晶体管的工作原理本章主要内容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=qpp（空穴）n=qnn（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——TFTp+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Vg0d++++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，Vd0时：Vg=0，pn结反偏Vg0，电子积累，pn结反偏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，Vd0时：Vg0，空穴反型pn结连在一起，形成导电沟道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=0VG0glassGateInsulatora-Si:HSourceDrain++++++------glassGateInsulatora-Si:HSourceDrainVG0glassGateInsulatora-Si:HSourceDrain------VS=0VD06.3薄膜晶体管的工作原理饱和区夹断夹断区沟道区线性区051015200.05.0x10-71.0x10-61.5x10-62.0x10-62.5x10-6VGS1VGS2VGS3IDS(A)VDS(V)VGS4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22DSDSTHGSoxDSVVVVCLWI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饱和区源漏WL栅绝缘层半导体层源漏WL栅绝缘层半导体层源漏WL栅绝缘层半导体层yxz22THGSoxDSVVCLWI-15-10-5051015202510-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-5IDS（A)VGS（V）VDS=5VVDS=10VVDS=15VVDS=20V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-15-10-50510152025-2.0x10-40.02.0x10-44.0x10-46.0x10-48.0x10-41.0x10-31.2x10-31.4x10-31.6x10-3测试曲线1/2拟合曲线AIDS1/2（A1/2)VGS（V）BTHGSoxDSVVCLWI2oxCLWB2THVBA*oxCLWB22BAVTH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。-15-10-5051015202510-1310-1210-1110-1010-910-810-710-610-5IDS（A)VGS（V）亚阈值区6.4薄膜晶体管的直流特性)(log1DSGSIddVBS(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对VGS图提取;开关比Ion/Ioff，从LogIDS对VGS图提取;亚阈值斜率S，从LogIDS对VGS图提取;半导体类型，P-沟道或n-沟道也可以从IDS-VDSorIDS-VGS图获得.6.4薄膜晶体管的直流特性