半导体器件物理TFT
半导体器件物理--薄膜晶体管(TFT) ppt课件
BTS(bias temperature stress)：VG=VD=30 V, T=55 oC;
应力作用产生缺陷态，引起C-V曲线漂移. 16 ppt课件
6. p-Si TFF的改性技术 （1）非晶硅薄膜晶化技术-----更低的温度、更大的晶粒, 进一步提高载流子迁移率. （2）除氢技术----改善稳定性. （3）采用高k栅介质----降低阈值电压和工作电压. （4）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(<350 oC).
对于恒定的VDS,VGS越大,则
沟道中的可动载流子就越多,
沟道电阻就越小,ID就越大.
即栅电压控制漏电流.
对于恒定的VGS,当VDS增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变 薄, 引起沟道电阻增加,导致IDS增加变缓.当VDS＞VDsat时,漏极 被夹断,而后VDS增大，IDS达到饱和.
8 ppt课件
TFT的工作原理
低载流子 迁移率
稳定性和 可靠性
TFT发展过程中遭遇 的关键技术问题？
低成本、大面 积沉膜
低温高性能半 导体薄膜技术
挑战：在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜！
5 ppt课件
TFT的种类
按采用半导体材料不同分为： 硅基:非晶Si-TFT,多晶硅-TFT
无机TFT 化合物:CdS-TFT,CdSe-TFT 氧化物:ZnO-TFT
V
th)V
d
1 2
V
2 d
]
(V d V g V th) …….（3）
当Vd<<Vg时,(3)式简化为I d
W L
Ci (V g V th)V d
在饱和区(Vd>Vg-Vth),将Vd＝Vg-Vth代入(3)式可得：
薄膜晶体管(tft)作用 工作原理 材料工艺
薄膜晶体管(tft)作用工作原理材料工艺薄膜晶体管（Thin-Film Transistor，简称TFT）是一种用于电子显示器和面板的非晶硅制造技术。
它是一种重要的半导体器件，用于控制显示像素的亮度和颜色。
TFT晶体管的作用、工作原理和材料工艺会在下文中详细阐述。
一、薄膜晶体管的作用薄膜晶体管作为电子显示器的关键组件，主要用于控制每个像素的亮度和颜色。
在液晶显示器（LCD）和有机发光二极管显示器（OLED）等显示技术中广泛应用。
TFT晶体管类似于一个电子开关，可以打开和关闭每个像素的电流，从而控制其亮度。
TFT晶体管还可以精确地控制每个像素的亮度，使得显示器能够产生清晰、细腻和真实的图像。
二、薄膜晶体管的工作原理TFT晶体管的工作原理可以简单地理解为：通过控制栅极电压来控制漏极和源极之间的电流流动，进而控制每个像素的亮度。
TFT晶体管由四个主要部分组成：栅极、源极、漏极和沟道。
当栅极电压为低电平时，沟道中的导电层不会被激活，从而阻断了源极到漏极之间的电流。
当栅极电压为高电平时，控制电压作用于沟道中的导电层，使它导电，从而允许电流流动。
三、薄膜晶体管的材料工艺1. TFT的制造材料主要的材料是非晶硅（a-Si）或多晶硅（poly-Si）薄膜。
非晶硅具有较高的电子迁移率，且制备过程相对简单，适用于较低分辨率的液晶显示器。
而多晶硅具有更高的电子迁移率，适用于高分辨率和高速刷新率的显示器。
2. TFT的制造过程（1）基板清洗：通过清洗去除基板表面的杂质、油脂和顶层材料等。
（2）锗沉积：在基板表面沉积一层锗，提供后续的结合层。
（3）透明导电氧化锌（TCO）沉积：沉积一层透明导电氧化锌薄膜，用于制作栅极。
（4）非晶硅或多晶硅沉积：在TCO层上沉积非晶硅或多晶硅薄膜，用于制作薄膜晶体管的主体部分。
（5）金属电极沉积：用金属沉积技术在非晶硅或多晶硅层上制作源极和漏极。
（6）栅极沉积：利用光刻和蒸发技术将栅极沉积在金属电极上。
TFT技术解析
TFT技术解析TFT(Thin Film Transistor)LCD即薄膜场效应晶体管LCD，是有源矩阵类型液晶显示器(AM-LCD)中的一种。
和TN技术不同的是，TFT的显示采用“背透式”照射方式——假想的光源路径不是像TN液晶那样从上至下，而是从下向上。
这样的作法是在液晶的背部设置特殊光管，光源照射时通过下偏光板向上透出。
由于上下夹层的电极改成FET电极和共通电极，在FET电极导通时，液晶分子的表现也会发生改变，可以通过遮光和透光来达到显示的目的，响应时间大大提高到80ms左右。
因其具有比TN-LCD更高的对比度和更丰富的色彩，荧屏更新频率也更快，故TFT俗称“真彩”。
相对于DSTN而言，TFT-LCD的主要特点是为每个像素配置一个半导体开关器件。
由于每个像素都可以通过点脉冲直接控制。
因而每个节点都相对独立，并可以进行连续控制。
这样的设计方法不仅提高了显示屏的反应速度，同时也可以精确控制显示灰度，这就是TFT色彩较DSTN更为逼真的原因。
目前，绝大部分笔记本电脑厂商的产品都采用TFT-LCD。
早期的TFT-LCD 主要用于笔记本电脑的制造。
尽管在当时TFT相对于DSTN具有极大的优势，但是由于技术上的原因，TFT-LCD在响应时间、亮度及可视角度上与传统的CRT 显示器还有很大的差距。
加上极低的成品率导致其高昂的价格，使得桌面型的TFT-LCD成为遥不可及的尤物。
不过，随着技术的不断发展，良品率不断提高，加上一些新技术的出现，使得TFT-LCD在响应时间、对比度、亮度、可视角度方面有了很大的进步，拉近了与传统CRT显示器的差距。
如今，大多数主流LCD显示器的响应时间都提高到50ms以下，这些都为LCD走向主流铺平了道路。
LCD的应用市场应该说是潜力巨大。
但就液晶面板生产能力而言，全世界的LCD主要集中在中国台湾、韩国和日本三个主要生产基地。
亚洲是LCD面板研发及生产制造的中心，而台、日、韩三大产地的发展情况各有不同。
tft工作原理
tft工作原理
TFT（薄膜晶体管）是一种基于薄膜技术的半导体器件，常用
于液晶显示器（LCD）平面面板的驱动。
以下是TFT的工作
原理：
1. TFT结构：TFT是由多个薄膜层组成的结构。
其中包括透明导电层（一般为透明的氧化铟锡涂层，ITO层），绝缘层（一般为二氧化硅或硅氧化铝），以及半导体层（多晶硅或非晶硅）。
2. 偏压施加：在TFT中，电场通过透明导电层施加在半导体
层上，可以调节半导体层的导电性。
3. 管道形成：由于施加的电压，半导体层中部分区域的导电特性会发生变化，形成了导电通道。
这个导电通道可以控制液晶的透过性，从而控制显示器上的像素显示。
4. 控制信号：通过在透明导电层上施加不同的控制信号，可以调节TFT中的电场大小，从而控制液晶的偏振状态。
5. 灯光透过：控制液晶的偏振状态会影响灯光通过液晶显示层的方式。
通过透明的导电层和绝缘层，光线可以透射到显示面板中。
6. 显示亮度：液晶显示层通过调节透光性来控制像素的亮度。
当电压施加到TFT时，液晶分子会扭曲并影响光线的透过性。
这种扭曲可以通过不同的信号施加来控制，从而达到调节亮度
的效果。
综上所述，TFT通过控制透明导电层和半导体层之间的电场来调节液晶的偏振状态，从而控制显示器的像素亮度和透明性。
第4章TFT相关半导体基础
平带电压
氧化层中的电荷引起半导体表面附近的能带弯曲
（4）平带电压 为了抵消绝缘层中电荷的作用，可以加一定 偏压，使金属极板表面的相反电性电荷QM= -QSS, 能够把绝缘层中的电荷电力线全部吸引 过去。这使电场屏避在绝缘层内，使半导体 表面能带恢复到平直状况。 降落在绝缘层上的平带电压为:
VFB=-QSSdi / 0 i = -QSS / Ci
度QSC之间的关系为: E = -QSC/i
2.能带的弯曲
以前讨论的能带图形是表示晶体周期性势场中 电子的能级分布。而在空间电荷区中由于存在 宏观电势V(x), 使得电子有了一个附加的静电 势能(-e)V(x), 它随着位置而变化（这种宏观电 场比起晶体中周期性排列的原子作用于电子上 的微观电场来是非常微弱的）。因此电子能级 升降的高低也不同, 造成能带的弯曲。
j e-W/kT W标志着电子在晶体中束缚地强弱, 称为 晶体的功函数。W=E0 - Ef , E0 是在靠近晶 体表面的自由空间中电子的最低能量。
金属 真空 半导体
绝缘
用导线连接
两者间距离减小
彼此接触
金属和n型半导体的能带图
（2）接触电势差 金属的费米能级为EfM , 半导体的费米能级 为EfS , 它们的功函数分别为WM 、WS 。因 为EfS 高于EfM , 所以WM 大于WS 。 把金属和半导体连接起来, 电子显然要从费 米能级高的半导体流到费米能级低的金属。 因此金属由于电子过剩带负电, 半导体中电 子欠缺带正电。
TFT制造原理和流程
目录
• TFT技术原理 • TFT制造流程 • TFT工艺技术 • TFT制造设备与材料 • TFT制造中的问题与对策 • TFT制造的应用与发展趋势
01
TFT技术原理
TFT定义与特性
01
TFT（Thin-Film Transistor）即薄 膜晶体管，是一种电子器件，具有 高响应速度、低功耗、高集成度等 特性。
金属诱导晶体技术
金属诱导晶体技术是一种利用金属原 子诱导非晶硅薄膜转变为多晶硅薄膜 的工艺技术。通过在非晶硅薄膜上沉 积金属原子，可以促进硅原子的重排 和结晶化，形成多晶硅薄膜。
VS
金属诱导晶体技术的优点在于其高结 晶速度和低成本，适用于大规模生产。 此外，金属诱导晶体技术还可以与其 他工艺技术相结合，如激光退火技术， 进一步提高TFT的性能。
其物理和化学性质。
TFT制造材料
金属材料
用于制造TFT的电极和引线，如铝、铜等。
光敏材料
用于光刻工艺，如光刻胶。
非金属材料
用于制造绝缘层和钝化层，如氧化硅、氮化 硅等。
其他辅助材料
如稀释剂、清洗剂等。
设备与材料的选取原则
01
02
03
兼容性
设备与材料应相互兼容， 以确保制造过程中不会发 生不良反应。
04
TFT制造设备与材料
TFT制造设备
溅射设备
用于制造TFT薄膜，通 过物理或化学方法将金 属或非金属元素溅射到
基材上。
光刻设备
用于将设计好的电路图 案转移到光敏材料上， 以便进行后续的刻蚀和
剥离。
刻蚀和剥离设备
用于将不需要设备
用于在制造过程中对薄 膜进行热处理，以改变
tft器件的4种结构
tft器件的4种结构
TFT（薄膜晶体管）器件的常见结构包括：
1. a-Si TFT（非晶硅薄膜晶体管）：这种结构使用非晶硅材料作为半导体层，可在玻璃或塑料基板上制造。
它具有较低的生产成本和较好的稳定性，但响应速度较慢。
2. LTPS TFT（低温多晶硅薄膜晶体管）：这种结构使用低温多晶硅材料作为半导体层，通过高温退火使其结晶化。
LTPS TFT具有较高的电子迁移率，可以实现更快的响应速度和较高的分辨率。
3. IGZO TFT（铟镓锌氧薄膜晶体管）：这种结构使用铟镓锌氧化物（IGZO）作为半导体材料，具有高电子迁移率和较好的电学性能。
IGZO TFT可以实现更高的分辨率、更快的响应速度和较低的功耗。
4. Oxide TFT（氧化物薄膜晶体管）：这种结构使用氧化物材料（如氧化铟锡）作为半导体层，具有较高的电子迁移率和较好的稳定性。
Oxide TFT可以实现高分辨率、高刷新率和低功耗的显示效果。
tft器件工作原理
tft器件工作原理TFT器件工作原理一、引言TFT（薄膜晶体管）器件是一种关键的电子元件，广泛应用于液晶显示器（LCD）等电子产品中。
本文将介绍TFT器件的工作原理，包括构造、特性和工作过程等。
二、构造TFT器件由一层薄膜晶体管阵列组成，每个晶体管负责控制LCD的一个像素点。
晶体管通常采用多晶硅材料制成，而薄膜则是以硅氧化物为主的绝缘材料。
在晶体管结构中，包括源极、漏极、栅极和薄膜等关键部分。
三、特性TFT器件具有以下几个重要特性：1. 高饱和电流和迁移率：通过控制栅极电压，TFT器件可以实现高电流和快速响应。
2. 低漏电流：TFT器件的薄膜绝缘层可以有效阻止电流泄漏，提升器件的稳定性和可靠性。
3. 高开关速度：TFT器件的快速响应速度可以保证液晶显示器的刷新率和图像质量。
4. 低功耗：TFT器件的低漏电流和高迁移率可以大幅降低功耗，延长电池寿命。
四、工作过程TFT器件的工作过程可以分为三个阶段：写入、存储和读取。
1. 写入阶段：在写入阶段，通过向栅极施加适当的电压，激活晶体管。
当晶体管导通时，漏极和源极之间形成一条通路，电荷被注入到液晶层中。
写入阶段的过程是将电荷转换为液晶分子的方向，从而改变液晶的光学性质。
2. 存储阶段：在存储阶段，晶体管不再传输电荷。
液晶分子保持在特定的方向，使得像素点保持特定的亮度或颜色。
存储阶段的时间越长，显示器的画面稳定性越好。
3. 读取阶段：在读取阶段，通过向栅极施加适当的电压，判断晶体管的导通状态。
如果晶体管导通，则表示相应的像素点是亮的；如果晶体管不导通，则表示相应的像素点是暗的。
读取阶段的过程是将液晶的光学性质转换为电信号，传递给显示器。
五、总结TFT器件是液晶显示器中不可或缺的关键元件，它通过控制晶体管的导通状态来实现像素点的控制。
TFT器件具有高饱和电流和迁移率、低漏电流、高开关速度和低功耗等特性。
在工作过程中，TFT 器件通过写入、存储和读取三个阶段来完成像素点的控制和显示。
薄膜晶体管(TFT)基础知识
关于TFTThin film transistor(TFT):薄膜晶体管原理类似于MOS 晶体管，区别在于MOS 是凭借反型层导电，TFT 凭借多子的积累导电。
常见TFT 结构：底栅结构（BG ）、顶栅结构（TG ）和双栅结构（DG ）如下图所示 源极漏极有源层栅极衬底绝缘层栅极绝缘层源极漏极有源层衬底 衬底有源层漏极栅极源极绝缘层绝缘层栅极a ） BG 结构b ）TG 结构c ）DG 结构图一.常见的TFT 结构BG 特点：金属栅极和绝缘层可同时作为光学保护层，避免产生光生载流子，影响电学稳定性，通常在最上层加一层钝化层以减少外界干扰。
TG 特点：可以通过改善光刻工艺降低成本。
但要加保护层，防止背光源照射到有源层，产生光生载流子，影响电学性能。
DG 特点：可通过调节背栅电压来调整阈值电压，增加了器件的阈值稳定性。
弥补了BG 和TG 的缺点。
有报道称和C G 成反比关系，而双栅结构的C G =C BG +C TG ，所以DG 结构有较好的阈值稳定性。
表征TFT 性能的参数：1） 阈值电压：决定了器件的功耗，阈值越小越好。
2） 迁移率：表征器件的导电能力。
3） 开关电流比I On /I Off ：表征栅极对有源层的控制能力。
4） 亚阈值摆幅S:漏极电流减小一个数量级所需的栅压变化，表征TFT 的开关能力。
TFT 的发展：主要是沟道材料的变化：氢化非晶硅多晶硅金属氧化物（ZnO 和a-IGZO ）表1为以上材料的性能对比：由表1可以看出，1.非晶Si：迁移率较低，不透明，禁带宽度低，光照下不稳定。
2.多晶Si: 有较高的迁移率，但均匀性差，难大面积制备性质均匀的薄膜。
3.金属氧化物：有较高的迁移率，可见光透过率高，禁带宽度高，稳定性好。
金属氧化物ZnO和IGZO由于较高的迁移率和透光性，成为现阶段器件中主流的沟道材料。
IGZO和ZnO的性质：纯净的金属氧化物是不导电的，ZnO和IGZO的导电是在制备过程中会产生元素空位，ZnO 中既有Zn空位，又有O空位，呈弱n型半导体性质，这一性质决定了ZnO作为沟道层时在负压下阈值有较大的偏移，而IGZO主要以氧空位为主，呈强n型半导体性质，沟道层中几乎没有空穴，这使得IGZO在负压下有较好的阈值稳定性。
半导体器件物理第六章
沉积金属膜, 确定栅 极, 源、漏区高掺杂 并实现杂质激活
(d)
:p+ doped :n+ doped
:隔离介质层
:S/D Metal
(e)
沉积隔离层, 光刻源、 漏接触孔,沉积金属 层, 光刻形成源漏电 极
GOLDD: Gate-overlapped lightly doped drain
（1）非晶硅薄膜晶化技术-----更低的温度、更大的晶粒, 进一步提高载流子迁移率. （2）除氢技术----改善稳定性. （3）采用高k栅介质----降低阈值电压和工作电压. （4）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(<350 oC).
半导体器件物理
电子与信息学院
p-Si TFT制备工艺流程
1、简单的底栅顶结构型
半导体器件物理 电子与信息学院
TFT的常用器件结构
薄膜晶体管的器件结构
双栅薄膜晶体管结构
半导体器件物理 电子与信息学院
TFT的工作原理
一、MOS晶体管工作原理回顾
当|VGS|>|VT|,导电沟道形成. 此时当VDS存在时，则形成IDS. 对于恒定的VDS,VGS越大,则 沟道中的可动载流子就越多, 沟道电阻就越小,ID就越大. 即栅电压控制漏电流. 对于恒定的VGS,当VDS增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变薄, 引起沟道电阻增加,导致IDS增加变缓.当VDS＞VDsat时,漏极被夹 断,而后VDS增大，IDS达到饱和.
1~100
光响应 硅膜沉积、 高迁移率 高温,有光响 晶化、掺杂 应 蒸镀 高于聚合 难大面积, 物TFT 有光响应 旋涂、打印 低成本,易 低,不稳定, 大面积 有光响应
低温高性能半 导体薄膜技术
半导体器件物理PPT幻灯片
主要内容
（1）TFT的发展历程 （2）TFT的种类、结构及工作原理 （3）p-si TFT的电特性 （4）p-si TFT的制备技术 （5）TFT的应用前景
TFT的发展历程
TFT与MOSFET的发明同步，然而 TFT发展速度及应用远不及 （1）1934M年O第S一FE个T?T!FT的发明专利问世-----设想. （2）TFT的真正开始----1962年，由Weimer第一次实现. 特点：器件采用顶栅结构，半导体活性层为CdS薄膜.栅 介质层为SiO,除栅介质层外都采用蒸镀技术. 器件参数：跨导gm=25 mA/V,载流子迁移率150 cm2/vs,最大振荡频率为20 MHz. CdSe----迁移率达200 cm2/vs
TFT的I-V描述
在线性区,沟道区栅诱导电荷可表示为
Qi Ci (V g V th V )
…….（1）
在忽略扩散电流情况下，漏极电流由漂移电流形成，可表示为
Id
W
Qi E y W
dV Qi dy
(1)代入(2)，积分可得：
…….（2）
Id
W L
Ci[(V
g
V
th)V
d
1 2
V
2 d
]
(V d V g V th) …….（3）
为碰撞电离产生率,与电 场相关,类似于pn结的雪 崩击穿.
4. Gate-bias Stress Effect (栅偏压应力效应）
正栅压应力 负栅压应力
现象1：阈值电压漂移. 负栅压应力向正方向漂移,正 栅压应力向负方向漂移. 产生机理：可动离子漂移.
负栅压应力
正栅压应力
现象2：亚阈值摆幅(S)增大. 机理：应力过程弱Si-Si断裂,诱导缺陷产生.
北大半导体器件物理课件第四章8薄膜场效应晶体管TFT
• 利用MOS结构深耗尽效应的器件 • 用于信息处理、传输、 • 目前最广泛的应用，数码成像
半导体器件物理
CCD原理
半导体器件物理
存有电荷后的势阱深度
半导体器件物理
CCD中可以容纳的最大信息电荷
( ) Qsig = COX VG − VT
• 即平衡时反型层电荷
半导体器件物理
三相n沟CCD结构
半导体器件物理
工作波形
半导体器件物理
电荷转移过程
• 三个相位的信号 控制电荷逐渐从 输入级转移到输 出级
• 要求每个单元的 栅之间的距离尽 量小
半导体器件物理
半导体器ห้องสมุดไป่ตู้物理
半导体器件物理
CCD工作的两个时间
• 电子反型层形成时间
τT
=
2τ 0N A
ni
• 电荷转移弛豫时间
τ
=
4L2
π 2Dn
• 等效迁移率与总感应电荷之间的关系
μd
=
μc
Qc (VG ) QS0 (VG )
• 关键求QC(VG)和QS0(VG)
半导体器件物理
非晶硅TFT输出特性
半导体器件物理
多晶硅TFT
• 与非晶硅TFT相比
– 载流子迁移率高 – 电流驱动能力大
• 常用激光诱导晶化方法将非晶 硅薄膜转化为多晶硅薄膜
半导体器件物理
– 全透明的集成电路 – 是特殊的薄膜晶体管
半导体器件物理
非晶硅的能带
• 在导带和价带之间有 许多缺陷态
半导体器件物理
非晶硅TFT结构
半导体器件物理
非晶硅TFT结构
• 栅压会引起表面能带弯曲 • 在表面会感应电荷，一部分位于导带
半导体器件物理TFT
特点： 1. 单晶硅作为靶材. 2. 与基片粘附力强、成膜牢 固. 3. 成膜厚度容易控制. 3. 不受材料熔点限制. 4. 成膜面积相对较大. 5. 基底温度相对低. 6. 薄膜大都为非晶相.
半导体器件物理
电子与信息学院
低压化学气相沉积(LPCVD: Low-Pressure CVD) 特点： ■ 压力低，只需10Pa ■ 沉积速度较低：0.01～0.1um/min。 ■ 均匀性好。
半导体器件物理 电子与信息学院
TFT的工作原理
工作于积累状态下原理示意图
工作原理：与MOSFET相似,TFT也是通过栅电压来调节沟道 电阻，从而实现对漏极电流的有效控制. 与MOSFET不同的是：MOSFET通常工作强反型状态,而TFT根 据半导体活性层种类不同,工作状态有两种模式： 对于a-Si TFT、OTFT、氧化物TFT通常工作于积累状态. 对于p-Si TFT工作于强反型状态.
特性参数：迁移率、开关电流比、关态电流、阈值电压、跨导
半导体器件物理 电子与信息学院
3. p-Si TFF中的Kink 效应 机理: 高VD （VD>VDsat）时, 夹断区因强电场引起碰撞电 离所致. 此时ID电流可表示为:
为碰撞电离产生率,与电 场相关,类似于pn结的雪 崩击穿.
半导体器件物理 电子与信息学院
（1）非晶硅薄膜晶化技术-----更低的温度、更大的晶粒, 进一步提高载流子迁移率. （2）除氢技术----改善稳定性. （3）采用高k栅介质----降低阈值电压和工作电压. （4）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(<350 oC).
半导体器件物理
电子与信息学院
p-Si TFT制备工艺流程
半导体器件与TFT
5. 半导体中载流子统计分布。 6. （1） 费米分布
7.
半导体中电子数目很多。从大量电子整体来看，在热平衡状态下，电子按能量大小具有统计分布的规律
性。根据量子统计理论，服从pollay不相容原理的电子服从费米统计规律。对于能量为E的一个量子态被一个电
子占据的几率 f（体基础概论
1. 能带论
2.
N 个原子靠的很近时，原来某个能级上的电子就分别处在分裂的N个能级上，这N个能级组成一个能带，这
时电子不再属于某个原子而是在晶体中做共有化运动。分裂的每个能带成为允带，允带之间因为没有能级成为禁
带。如图（1）所示：
金刚石和半导体硅，锗，他们的原子都有四个价电子，二个s电子，两个p电子，组成晶体后，由于轨道杂 化，价电子形成能带如图（2）所示：
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半导体基础概论
4. 半导体中的杂质。
原子半导体中的杂质主要是为了控制半导体的性质而人为的掺入某种元素。杂质存在方式以间歇式和替位式为主。 而对我们有实际意义的为替位式。以硅中掺磷形成 n 型 半导体，掺硼形成 p 型半导体。 加入杂质后为什么能够易于导电，可以用能带论的观点进行解释。在禁带中产生了能级。 受主能级与施主能级。受主能级向价带提供空穴而成为负电中心，施主能级向导带提供电子而成为正电中心。。实际上， 受主能级很接近价带，施主能级很接近导带，室温下，晶格原子热振动能量传给电子，使杂质几乎全部离子。
查询：什 么是 s 电 子？什么 是 p 电子 ？
图（ 1 ）
图（ 2 ）
上下两个能带，中间隔以禁带。能带并不分别和 s，p能级相对应，而是上下分别包含2N态 ，由pollay不相容原理，各能容纳4N个电子。根别先添低能级后高能级的原理，下面能带 填满，上面能带为空。下面的我们称为满带或价带，上面空的我们称为导带，中间为禁带 。
半导体器件与TFT
少数载流子反型态。
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MOS管与TFT 1. MOS 基本工作原理与分类。
图形所示：
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2. 开启电压VT。
定义：沟道强反型。 开启电压表达式。推导前提：Qg + Qox +Qn + QB = 0（1为栅电荷，2为绝缘层电荷，3为反型层， 4为耗尽层。）
上面的介绍主要针对active层中的 a－si和 n＋ a－ si性质。
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半导体基础概论 7. 金半接触。
金半接触的介绍主要针对 S－D层与n＋ a－si层的性质。金属中的电子虽然能在金属中自 由运动，但要想从金属中逸出必须外界给它足够的能量。用E0表示真空中静止电子的能
作一层重掺杂后再与金属接触。
8. MIS结构
什么是MIS？？如图所示： （和 5 Mask 工艺对应） 理想结构为金半接触功函数为零，在绝缘层没有任何
电荷且绝缘层完全不导电。实际就是电容。
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半导体基础概论
随着所加电压的改变，空间电荷分布随之改变。 主要分为多数载流子堆积态，多数载流子耗尽态和
当ON时信号线的資料写入液晶电容，此时，TFT元件成 低阻抗(RON)，当OFF时TFT元件成高阻抗(ROFF)，可防 止信號線資料的洩漏。 一般RON與ROFF電阻比至少約為10的五次方以上。
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半导体器件物理 chapter6 TFT及其制造技术
TFT的常用器件结构 的常用器件结构
薄膜晶体管的器件结构
双栅薄膜晶体管结构 双栅薄膜晶体管结构 薄膜晶体管
TFT的工作原理 的工作原理
MOS晶体管工作原理回顾 一、MOS晶体管工作原理回顾
|,导电沟道形成 导电沟道形成. 当|VGS|>|VT|,导电沟道形成. 此时当V 存在时，则形成I 此时当VDS存在时，则形成IDS. 越大, 对于恒定的VDS,VGS越大,则 沟道中的可动载流子就越多, 沟道中的可动载流子就越多, 沟道电阻就越小, 就越大. 沟道电阻就越小,ID就越大. 即栅电压控制漏电流. 即栅电压控制漏电流. 增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变薄, 对于恒定的VGS,当VDS增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变薄, 引起沟道电阻增加,导致IDS增加变缓.当VDS＞VDsat时,漏极被夹 引起沟道电阻增加, 增加变缓. 增大， 达到饱和. 断,而后VDS增大，IDS达到饱和.
W 1 2 C i [(V g − V th )V d − V d ] Id = µ L 2
(V d < V g − V th)
W C i (V g − V th) V d L
…….（3） .
,(3)式简化为 当Vd<<Vg时,(3)式简化为
I d ,sat =
Id = µ
在饱和区(Vd>Vg-Vth),将Vd＝Vg-Vth代入(3)式可得： 在饱和区( ),将 代入(3)式可得： (3)式可得
自热应力
BTS(bias temperature stress)：VG=VD=30 V, T=55 oC; ：
应力作用产生缺陷态，引起 曲线漂移. 应力作用产生缺陷态，引起C-V曲线漂移 曲线漂移
6. p-Si TFF的改性技术 的改性技术 （1）非晶硅薄膜晶化技术-----更低的温度、更大的晶粒, ）非晶硅薄膜晶化技术 更低的温度、更大的晶粒 更低的温度 进一步提高载流子迁移率. 进一步提高载流子迁移率 （2）除氢技术 改善稳定性 改善稳定性. ）除氢技术----改善稳定性 栅介质----降低阈值电压和工作电压 （3）采用高 栅介质 降低阈值电压和工作电压 ）采用高k栅介质 降低阈值电压和工作电压. （4）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术 ）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(<350 oC).
TFT的基本驱动原理和ASIC的功能介绍
一、主旨：今天主要学习的是TFT的基本驱动原理和ASIC的功能介绍。
二、內容：TFT-LCD的面板构造主要分为背光板、下偏光板、液晶、滤光片、上偏光板组成。
每个液晶面板由一个个液晶单元构成，每个单元由TFT、SOURCE线、GATE线、液晶电容、存储电容构成。
TFT有5道光罩制程, 每道的具体制程为GE(Gate层电极)、SE(Gate层绝缘极、Channel、通道与电极之接触界面)、SD(Source/Drain电极)、CH(Contact hole)、PE(画素电极)。
TFT的基本物理特性⏹温度上升-载子飘移率(ufe)亦上升⏹温度上升-临限电压(Vth)下降⏹照光越強-光漏电流(Iph)越大⏹电压频率越高-闸源与电极电容(Cgd, Cgs)越小⏹a-Si:H的能隙为1.7eV(~800nm)⏹a-Si:H的介电常数为11.7⏹SiNx的介电常数为6.9-7.5(根据N的不同比例)TFT的基本驱动原理TFT元件的动作类似一个开关，液晶元件的作用类似一个电容，借开关的ON/OFF对电容存储的电压值进行更新/保持。
SW ON时信号写入(加入、记录)在液晶电容上，在以外时间SW OFF，可防止信号从液晶电容泄漏。
在必要時可将保持电容与液晶电容并联，以改善其保持特性。
信号传输格式主要有四种●Analog interface（类比讯号）—传统的界面，如CRT。
●Digital interface（数字讯号）—TTL/CMOS，最基本的数字信号，优点：最直接的信号，可直接测量；缺点：易受外界干扰，易向外界干扰，消耗功率大。
●LVDS : Low Voltage Differential Signaling（低压差分信号）— 6bits为4对，8bits为5对，摆幅为250、350、450mV，数据传输速度是7倍的CLK速度，使用这种方式可以减少功率消耗及减低EMI。
●RSDS : Reduced Swing Differential Signaling（低摆幅差分信号）—基于LVDS上，一对Data，RSDS的电压摆幅只有200mV，比LVDS更低，减小电源消耗和辐射，减小计算成分和基板的尺寸。
半导体器件物理 chapter6 TFT及其制造技术答辩
(b)
层,实现器件隔离
:n- 掺杂区
栅重叠区轻掺杂, 以减
(c)
小泄漏电流
For Drive TFT: high reliability and high oncurrent; For Pixel TFT: low leakage current.
:Gate Metal
沉积金属膜, 确定栅
极, 源、漏区高掺杂
第六章 薄膜晶体管（TFT）
主要内容
（1）TFT的发展历程 （2）TFT的种类、结构及工作原理 （3）p-si TFT的电特性 （4）p-si TFT的制备技术 （5）TFT的应用前景
TFT的发展历程
TFT与MOSFET的发明同步，然而TFT 发展速度及应用远不及MOSFET?!
（1）1934年第一个TFT的发明专利问世-----设想. （2）TFT的真正开始----1962年，由Weimer第一次实现.
基于有机TFT的全打印7阶环形振荡器电路
全打印技术制备n、p沟TFT
3. 敏感元件，如： 气敏、光敏、PH值测定
N2O气体环境
N2O Gas Sensors原理图
溶液PH值测定原理图
Phototransistor结构图
思考题
1.了解薄膜晶体管基本结构、工作原理. 2.掌握薄膜晶体管电性能的测试及参数提取. 3.了解p-Si TFT的主要效应及机理. 4.掌握p-Si TFT制备工艺流程. 5.了解非晶硅薄膜晶化的方法及特点. 6.了解不同类型薄膜晶体管性能和工艺上优势和不足. 7.了解薄膜晶体管的主要应用.
固相扩散 （TFT制备中基本不采用）
热退火 （TFT制备中基本不采用） 杂质激活方法 快速热退火 （TFT制备中采用）
TFT薄膜晶体管的工作原理
本征半导体
本征半导体就是完 全纯净的、具有晶 体结构的半导体。
本征半导体中自由 电子和空穴的形成 Si Si
Si
Si
6.1 TFT的半导体基础
电子移动方向
本征半导体
可见在半导体中有
Si Si
Si
自由电子和空穴两
种载流子，它们都 能参与导电。
空穴移动方向
Si Si
Siห้องสมุดไป่ตู้
Si
外电场方向
6.4 薄膜晶体管的直流特性 转移特性曲线
10 10 10 10
-5 -6 -7 -8 -9
线性区 饱和区 线性区
IDS（A)
10 10 10 10 10
亚阈值区
截止区
VDS=5V VDS=10V VDS=15V VDS=20V
饱和区 亚阈值区 截止区
-10 -11 -12 -13
-15 -10
迁移率
6.2 MOS场效应晶体管
晶体管 双极型晶体管 场效应晶体管 JFET MOSFET——TFT
n型衬底 两个p区 SiO2绝缘层 金属铝 P型导电沟道 p+
n type Si
衬底 栅 源 漏
p+
p-MOSFET
6.2 MOS场效应晶体管
p-MOSFET晶体管 垂直方向—— 栅控器件 水平方向—— 电导器件
6.1 TFT的半导体基础
电导现象
I
R
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。
6.1 TFT的半导体基础
电导率
空穴和电子的速度： vp = p E vn = n E 空穴和电子的电导率： p = q p p n = q n n
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负栅压应力
现象1：阈值电压漂移. 负栅压应力向正方向漂移,正 栅压应力向负方向漂移. 产生机理：可动离子漂移.
半导体器件物理
电子与信息学院
负栅压应力
正栅压应力
现象2：亚阈值摆幅(S)增大. 机理：应力过程弱Si-Si断裂,诱导缺陷产生.
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5. p-Si TFF C-V特性
TFT的工作原理
工作于积累状态下原理示意图
工作原理：与MOSFET相似,TFT也是通过栅电压来调节沟 道电阻，从而实现对漏极电流的有效控制. 与MOSFET不同的是：MOSFET通常工作强反型状态,而 TFT根据半导体活性层种类不同,工作状态有两种模式：
对于a-Si TFT、OTFT、氧化物TFT通常工作于积累状态. 对于p-Si TFT工作于强反型状态.
（3）采用高k栅介质----降低阈值电压和工作电压.
（4）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术(<350 oC).
对于恒定的VDS,VGS越大,则
沟道中的可动载流子就越多,
沟道电阻就越小,ID就越大.
即栅电压控制漏电流.
对于恒定的VGS,当VDS增大时，沟道厚度从源极到漏极逐渐变 薄, 引起沟道电阻增加,导致IDS增加变缓.当VDS＞VDsat时,漏极 被夹断,而后VDS增大，IDS达到饱和.
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低成本、大面 积沉膜
低温高性能半 导体薄膜技术
挑战：在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜！
半导体器件物理
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TFT的种类
按采用半导体材料不同分为： 硅基:非晶Si-TFT,多晶硅-TFT
无机TFT 化合物:CdS-TFT,CdSe-TFT 氧化物:ZnO-TFT
有机TFT
基于小分子TFT 基于高分子聚合物TFT
无/有机复合型TFT：采用无机纳米颗粒与聚合物共混 制备半导体活性层
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TFT的常用器件结构
半导体器件物理
薄膜晶体管的器件结构
双栅薄膜晶体管结构
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TFT的工作原理
一、MOS晶体管工作原理回顾
当|VGS|>|VT|,导电沟道形成.
此时当VDS存在时，则形成 IDS.
第六章 薄膜晶体管（TFT）
半导体器件物理
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主要内容
（1）TFT的发展历程 （2）TFT的种类、结构及工作原理 （3）p-si TFT的电特性 （4）p-si TFT的制备技术 （5）TFT的应用前景
半导体器件物理
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TFT的发展历程
TFT与MOSFET的发明同步，然而 TFT发展速度及应用远不及 （1）1934M年O第S一FE个T?T!FT的发明专利问世-----设想. （2）TFT的真正开始----1962年，由Weimer第一次实现. 特点：器件采用顶栅结构，半导体活性层为CdS薄膜.栅 介质层为SiO,除栅介质层外都采用蒸镀技术. 器件参数：跨导gm=25 mA/V,载流子迁移率150 cm2/vs,最大振荡频率为20 MHz. CdSe----迁移率达200 cm2/vs
TFT的发展历程
（7）90年代后，继续改进a-Si,p-Si TFT的性能，特别关注低温 多晶硅TFT制备技术.----非晶硅固相晶化技术.有机TFT、氧化物 TFT亦成为研究热点.---有机TFT具有柔性可弯曲、大面积等优势.
低载流子 迁移率
稳定性和 可靠性
TFT发展过程中遭遇 的关键技术问题？
下图为不同沟长TFT在应力前后的C-V特性
自热应力
BTS(bias temperature stress)：VG=VD=30 V, T=55 oC;
应力作用产生缺陷态，引起C-V曲线漂移.
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6. p-Si TFF的改性技术 （1）非晶硅薄膜晶化技术-----更低的温度、更大的晶粒, 进一步提高载流子迁移率. （2）除氢技术----改善稳定性.
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TFT的发展历程
（3）1962年，第一个 MOSFET实验室实现. （4）1973年，实现第一个CdSe TFT-LCD(6*6)显示屏.-----TFT 的迁移率20 cm2/vs,Ioff=100 nA.之后几年下降到1 nA. （5）1975年，实现了基于非晶硅-TFT.随后实现驱动LCD显示. ----迁移率＜1 cm2/vs,但空气（H2O,O2)中相对稳定. （6）80年代,基于CdSe,非晶硅 TFT研究继续推进.另外，实现 了基于多晶硅TFT，并通过工艺改进电子迁移率从50提升至 400. ---当时p-SiTFT制备需要高温沉积或高温退火. 半-导--体a-器S件i 物TF理T因低温、低电成子本与信，息成学为院 LCD有源驱动的主流.
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p-Si TFT的电特性
1. TFT电特p-Si p-Si
2. p-Si TFF器件典型的输出和转移特性曲线
输出特性反映TFT的饱和行为.
转移特性反映TFT的开关 特性,VG对ID的控制能力.
特性参数：迁移率、开关电流比、关态电流、阈值电压、跨导
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TFT的I-V描述
在线性区,沟道区栅诱导电荷可表示为
Qi Ci (V g V th V )
…….（1）
在忽略扩散电流情况下，漏极电流由漂移电流形成，可表示为
Id
W
Qi E y W
dV Qi dy
(1)代入(2)，积分可得：
…….（2）
Id
W L
Ci[(V
g
V
th)V
d
1 2V
2 d
]
(V d V g V th) …….（3）
当Vd<<Vg时,(3)式简化为I d
W L
Ci (V g V th)V d
在饱和区(Vd>Vg-Vth),将Vd＝Vg-Vth代入(3)式可得：
I d,sat
W 2L
Ci
(V
g
V
th)2
(V d V g V th) …….（4）
半导体器件物理
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3. p-Si TFF中的Kink 效应
机理: 高VD （VD>VDsat）时, 夹断区因强电场引起碰撞电离 所致. 此时ID电流可表示为:
半导体器件物理
为碰撞电离产生率,与电 场相关,类似于pn结的雪 崩击穿.
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4. Gate-bias Stress Effect (栅偏压应力效应）