MOSFET原理及应用

MOSFET原理及应用姓名：张琰学号：2014260646内容★MOSFET简介★MOSFET基本结构及类型★MOSFET工作原理★MoS2MOSFET1在电力电子行业的发展过程中，半导体器件起到了关键性作用。其中，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)由于其在模拟电路与数字电路中的广泛应用而受到极大关注。以MOSFET的命名来看，事实上会让人得到错误的印象。早期金氧半场效晶体管栅极使用金属作为材料，但由于多晶硅在制造工艺中更耐高温等特点，许多金氧半场效晶体管栅极采用后者而非前者金属。然而，随着半导体特征尺寸的不断缩小，金属作为栅极材料最近又再次得到了研究人员的关注[1-3]。MOSFET简介2沟道中导电的载流子类型N沟道（P型衬底）P沟道（N型衬底）强反型时，导电沟道中的电子漂移运动形成电流强反型时，导电沟道中的空穴漂移运动形成电流VGS＝0时，是否有导电沟道增强型耗尽型VG＝0时，无导电沟道VG＝0时，有导电沟道(导电沟道是反型层，故与衬底的类型是相反的)2种分类方法：MOSFET基本结构及类型3MOSFET基本结构及类型MOSFET核心：栅极(Gate)多晶硅(PolycrystallineSilicon)P型半导体(P-typeSemiconductor)氧化层(Oxide)εSiO2εSi基极(Bulk)图1金属-氧化物-半导体结构当一个电压施加在MOS电容的两端时，半导体的电荷分布也会跟着改变。考虑一个p型的半导体(空穴浓度为NA)形成的MOS电容，当一个正的电压VGB施加在栅极与基极端时，空穴的浓度会减少，电子的浓度会增加。当VGB够强时，接近栅极端的电子浓度会超过空穴。这个在p-type半导体中，电子浓度（带负电荷）超过空穴（带正电荷）浓度的区域，便是所谓的反型层(inversionlayer)。4B衬底电极MOSFET基本结构及类型n+n+S源极G栅极D漏极硅晶体图2MOSFET基本结构PSiO2绝缘层图1是典型平面N沟道增强型NMOSFET的截面图。如前所述，MOSFET的核心是位于中央的MOS电容,而左右两侧则是它的源极与漏极。当一个正电压施加在栅极上，带负电的电子就会被吸引至表面，形成沟道，让n-type半导体的多数载流子—电子可以从源极流向漏极。如果这个电压被移除，或是放上一个负电压，那么沟道就无法形成，载流子也无法在源极与漏极之间流动，也就是可以通过栅极的电压控制沟道的开关。5MOSFET工作原理基于“表面场效应”原理：利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。6MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSVGS=0时D-S间相当于两个反接的PN结ID=0对应截止区工作原理(以N沟道增强型为例):7MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSVGS0时VGS足够大时（VGSVT）感应出足够多电子，这里出现以电子导电为主的N型导电沟道。感应出电子VT称为开启电压8MOSFET工作原理VGS较小时，导电沟道相当于电阻将D-S连接起来，VGS越大此电阻越小。PNNGSDVDSVGSMOSFET工作原理9MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGS当VDS不太大时，导电沟道在两个N区间是均匀的。当VDS较大时，靠近D区的导电沟道变窄。10MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSIDVDS增加，VGD=VT时，靠近D端的沟道被夹断，称为予夹断。夹断后，即使VDS继续增加，ID仍呈恒流特性。11MOSFET工作原理特性曲线(N沟道增强型MOS管):IDUDSUGS=5V3V可变电阻区04V线性放大区击穿区12MOS2MOSFET近年来，MoS2材料因其优越的电学、光学和催化性能及干润滑的功能而受到人们的广泛关注和研究。MoS2薄膜与现在研究最为广泛的纳米材料石墨烯同是层状结构，二者具有非常相近的性质，但是由于石墨烯无禁带的特点难以应用于晶体管，而以MoS2薄膜作为沟道材料的场效应晶体管则由于其高的开关比和几乎接近理论值的亚阈值摆幅而受到广泛的研究[4-8]。B.Radisavljevic等人[9]研制出的以单层MoS2作为沟道材料的MOSFET如图3所示。13MOS2MOSFET图3MoS2作为沟道材料的MOSFET[9]14MOS2MOSFET图4单层MoS2晶体管剖视图[9]如图4所示，单层MoS2(厚6.5Å)被沉积于具有270nm厚SiO2的简并掺杂Si基体上。基体作为背栅极，两个金电极分别作源极和漏极。单层MoS2与栅极之间被厚30nm的以原子层沉积法生长出的SiO2隔开，通过向栅极加电压Vtg,同时保持基体接地，可以很好地控制局部电流密度。15参考文献[1]Jung-HaeChoi,Kwang-DukNa,Seung-CheolLee,CheolSeongHwang,ThinSolidFilms,518(2010)6373.[2]S.J.Koester,R.Hammond,J.O.Chu,IEEEElectronDeviceLett.21(2000)110.[3]G.Hock,T.Hackbarth,U.Erben,E.Kohn,U.Konig,Electron.Lett.34(1998)1888.[4]Radisavljevic,B.,Radenovic,A.,Brivio,J.,Giacometti,V.&Kis,A.Single-layerMoS2transistors.NatureNanotech.6,147-150(2011).[5]Radisavljevic,B.,Whitwick,M.B.&Kis,A.Integratedcircuitsandlogicoperationsbasedonsingle-layerMoS2.ACSNano5,9934-9938(2011).[6]Wang,H.etal.IntegratedcircuitsbasedonbilayerMoS2transistors.NanoLett.12,4674-4680(2012).[7]Lee,H.S.etal.MoS2nanosheetphototransistorswiththickness-modulatedopticalenergygap.NanoLett.12,3695-3700(2012).[8]Yoon,Y.,Ganapathi,K.&Salahuddin,S.HowgoodcanmonolayerMoS2transistorsbe?NanoLett.11,3768-3773(2011).[9]B.Radisavljevic,A.Radenovic,J.Brivio,V.GiacomettiandA.Kis,NatureNanotech.6(2011)147.116