TFT薄膜晶体管的工作原理

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。
6.1 TFT的半导体基础
小结
1.非晶硅薄膜晶体管—— 弱n型半导体
2.薄膜晶体管的能带——
费米能级接近禁带中心 在禁带中心线之上
3.主导薄膜晶体管的半导体现象—— 电导现象 4.影响薄膜晶体管性质参数——
VG>0
6.3 薄膜晶体管的工作原理
输出特性曲线
2.5x10 2.0x10
-6
线性区
VGS4
-6
饱和区
夹断
IDS(A)
1.5x10 1.0x10 5.0x10
-6
饱和区 线性区
VGS3 VGS2 VGS1
-6
-7
0.0
0
5
10 15 VDS(V)
20
沟道区
夹断区
6.4 薄膜晶体管的直流特性 线性区
Ev
n型半导体
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。
6.1 TFT的半导体基础
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。
6.4 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
亚阈值斜率S，从Log IDS 对VGS 图提取;
半导体类型，P-沟道 或 n-沟道也可以从IDS-VDS or IDS-VGS 图获得.
-5
0
VGS（V）
5
10
15
20
25
6.4 薄膜晶体管的直流特性 迁移率和阈值电压
1.6x10 -3 1.4x10 -3 1.2x10 -3 1.0x10 -4 8.0x10 -4 6.0x10 -4 4.0x10 -4 2.0x10 0.0
-4 -3
I DS
测试曲线1/2 拟合曲线
B
W C ox VGS VTH 2L
IDS （A )
1/2
1/2
B
W C ox 2L
A B *VTH
VTH A B
-2.0x10
-15 -10 -5
0
A 5 10
15
20
25
2B 2 W L Cox
VGS（V）
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，
3 1 2 1
4
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
EC E 导带 EC EV 价带 (b) g(E) 扩展态 (a)
EC'
E EC EA EF EB
E 扩展态
局域态
EV
扩展态 (c) g(E)
6.3 薄膜晶体管的工作原理 TFT的工作原理
自由电子 共价键 空穴
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
Si
Si
外电场方向
MIS结构表面电荷的变化
Vg＞0
Vg＜0 金属
绝缘层 d + + d
Vg<<0
d
+
+
n型硅
欧姆接触
半导体
n型硅
+ + n型硅
+
+
(a)积累
(b)耗尽
(c)反型
6.2 MOS场效应晶体管
MOSFET工作原理
当Vs=0，Vd<0时：Vg=0，pn结反偏 电流很小 关态
Vg>0，电子积累，pn结反偏
6.1 TFT的半导体基础
电导现象
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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
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 n型半导体和p型半导体
价电子填补空位 多余价电子 空穴 空位
Si
Si P Si
Si Si
Si
B Si B Si
Si Si
Si Si
Si Si
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
6.1 TFT的半导体基础
费米能级
Ec EF Ev 本征半导体 Ei Ec EF Ei Ec Ei EF Ev p型半导体
（空穴） （电子） （空穴） （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。
6.1 TFT的半导体基础
迁移率
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。
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 6.2 MOS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
6.1 TFT的半导体基础
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
6.1 TFT的半导体基础
栅
源
-漏
p+
n type Si 衬底
p+
6.2 MOS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
栅 源
电流很大 开态
-
-漏
p+
n type Si 衬底
p+
6.2 MOS场效应晶体管
MOSFET工作原理小结
1.TFT属于半导体器件中—— MOS场效应晶体管 2.MOSFET表现开关作用依靠的电极是—— 栅极
从外推曲线斜率可以提取出迁移率μ和阈值电压VTH。
6.4 薄膜晶体管的直流特性 亚阈值区
10 10 10 10
-5 -6 -7 -8 -9
10 10 10 10 10
-10 -11 -12 -13
dVGS 1 S B d (log I DS )
S
-5 0 VGS（V） 5 10 15 20 25
Gradual channel approximation
2 VDS W C ox VGS VTH VDS L 2
I DS
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；
3.MOSFET表现电导现象依靠的电极是—— 源、漏电极
4.MOSFET导电沟道是——
反型层导电
5.MOSFET关态作用决定于—— pn结的反偏状态
6.3 薄膜晶体管的工作原理 TFT与MOSFET结构上的差别
栅 源 漏
p+
n type Si
p+
衬底
6.3 薄膜晶体管的工作原理 非晶硅半导体材料的特点
VS=0 VD>0
Source Insulator Gate
Drain a-Si:H
Source Insulator
Drain a-Si:H
Source Insulator Gate
Drain a-Si:H
-- - ---
-- - --glass
Gate glass
++++++
glass
VG<0
VG=0
6.4 薄膜晶体管的直流特性 饱和区
x z y
L W 源 漏 半导体层 绝缘层 栅
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。
I DS
W 2 C ox VGS VTH 2L
IDS（A)
(V/dec)
-15 -10
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
6.4 薄膜晶体管的直流特性
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 Log IDS 对VGS 图提取;
0
d
0
P+
n
P+
n型硅
P+
p
P+
6.2 MOS场效应晶体管
MIS结构定义
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 d
金属
绝缘层
n型硅 欧姆接触
半导体
6.2 MOS场效应晶体管