第章薄膜晶体管的工作原理
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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—— 迁移率
EC
EC'
(a)
EC
扩展态
EV 价带
(b) g(E)
E E 扩展态 EC
局域态 EA EF EB
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
VS=0 VD>0
Source
Drain
a-Si:H
Insulator
Gate - - - - - -
glass
VG<0
Source Insulator
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
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+
p+
n type Si
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
3
1 24 1
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
E 导带
Si
Si
Si
Si
外电场方向
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
SPi
Si
Si
SBBi
Si
SSi i
Si
Si
SSii
Si
Si
自由电子的数量大大增加 N 型半导体
百度文库
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
Ei
Ev 本征半导体
➢MIS结构表面电荷的变化
Vg＞0
金属
d
绝缘层
n型硅
半导体 欧姆接触
(a)积累
Vg＜0
d ++ + + n型硅
(b)耗尽
Vg<<0
d ++ + + n型硅
(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
Vg>0，电子积累，pn结反偏
源
栅
-漏
电流很小 关态
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
✓n型衬底 ✓两个p区
MOSFET——TFT
栅
源
漏
✓SiO2绝缘层 ✓金属铝 ✓P型导电沟道
p+
p+
n type Si
衬底
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
5.0x10-7
0.0
0
5
V GS4
饱和区
V GS3
V GS2
10
15
V (V) DS
V GS1 20
➢饱和区
沟道区
夹断
夹断区
6.4 薄膜晶体管的直流特性
➢线性区
Gradual channel approximation
I DS
W L
Cox VGS
VTH
VDS
VDS 2 2
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；
（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。
6.1 TFT的半导体基础
➢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。
自由电子 共价键 空穴
Si
Si
Si
Si
本征半导体中自由 电子和空穴的形成
6.1 TFT的半导体基础
➢本征半导体
可见在半导体中有
Si
自由电子和空穴两
种载流子，它们都
SSi i
能参与导电。
空穴移动方向
电子移动方向
第06章薄膜晶体管的工 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
d n型硅
0
P+
n
0
P+
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
半导体 欧姆接触
6.2 MOS场效应晶体管
EEcF Ei
Ev n型半导体
Ec
Ei EF Ev p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。
Drain a-Si:H
Gate glass
VG=0
Source
Drain
- - - - - - a-Si:H
Insulator
Gate + + + + + +
glass
VG>0
I (A) DS
6.3 薄膜晶体管的工作原理
➢输出特性曲线
➢线性区
2.5x10-6
2.0x10-6
1.5x10-6 1.0x10-6 线性区
p+
p+
n type Si
衬底
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
电流很大 开态
源
栅-
-漏
p+
p+
n type Si
衬底
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 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
6.1 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—— 迁移率
EC
EC'
(a)
EC
扩展态
EV 价带
(b) g(E)
E E 扩展态 EC
局域态 EA EF EB
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
VS=0 VD>0
Source
Drain
a-Si:H
Insulator
Gate - - - - - -
glass
VG<0
Source Insulator
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
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+
p+
n type Si
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
3
1 24 1
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
E 导带
Si
Si
Si
Si
外电场方向
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
SPi
Si
Si
SBBi
Si
SSi i
Si
Si
SSii
Si
Si
自由电子的数量大大增加 N 型半导体
百度文库
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
Ei
Ev 本征半导体
➢MIS结构表面电荷的变化
Vg＞0
金属
d
绝缘层
n型硅
半导体 欧姆接触
(a)积累
Vg＜0
d ++ + + n型硅
(b)耗尽
Vg<<0
d ++ + + n型硅
(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
Vg>0，电子积累，pn结反偏
源
栅
-漏
电流很小 关态
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
✓n型衬底 ✓两个p区
MOSFET——TFT
栅
源
漏
✓SiO2绝缘层 ✓金属铝 ✓P型导电沟道
p+
p+
n type Si
衬底
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
5.0x10-7
0.0
0
5
V GS4
饱和区
V GS3
V GS2
10
15
V (V) DS
V GS1 20
➢饱和区
沟道区
夹断
夹断区
6.4 薄膜晶体管的直流特性
➢线性区
Gradual channel approximation
I DS
W L
Cox VGS
VTH
VDS
VDS 2 2
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；
（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。
6.1 TFT的半导体基础
➢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。
自由电子 共价键 空穴
Si
Si
Si
Si
本征半导体中自由 电子和空穴的形成
6.1 TFT的半导体基础
➢本征半导体
可见在半导体中有
Si
自由电子和空穴两
种载流子，它们都
SSi i
能参与导电。
空穴移动方向
电子移动方向
第06章薄膜晶体管的工 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
d n型硅
0
P+
n
0
P+
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
半导体 欧姆接触
6.2 MOS场效应晶体管
EEcF Ei
Ev n型半导体
Ec
Ei EF Ev p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。
Drain a-Si:H
Gate glass
VG=0
Source
Drain
- - - - - - a-Si:H
Insulator
Gate + + + + + +
glass
VG>0
I (A) DS
6.3 薄膜晶体管的工作原理
➢输出特性曲线
➢线性区
2.5x10-6
2.0x10-6
1.5x10-6 1.0x10-6 线性区
p+
p+
n type Si
衬底
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
电流很大 开态
源
栅-
-漏
p+
p+
n type Si
衬底
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 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