半导体器件物理PPT课件

第六章第六章 薄膜晶体管（薄膜晶体管（TFT）主要内容主要内容（1）TFT的的发展展历程程（2）TFT的种的种类、结构及工作原理构及工作原理（3）p-si TFT的的电特性特性（4）p-si TFT的制的制备技技术（5）TFT的的应用前景用前景TFT的的发展展历程程（1）1934年第一个年第一个TFT的的发明明专利利问世世-设想想.（2）TFT的真正开始的真正开始-1962年，由年，由Weimer第一次第一次实现.特点：器件采用特点：器件采用顶栅结构，半构，半导体活性体活性层为CdS薄膜薄膜.栅介介质层为SiO,除除栅介介质层外都采用蒸外都采用蒸镀技技术.器件参数：跨器件参数：跨导gm=25 mA/V,载流子迁移率流子迁移率150 cm2/vs,最大振最大振荡频率率为20 MHz.CdSe-迁移率达迁移率达200 cm2/vsTFT与与MOSFET的的发明同步，然而明同步，然而TFT发展速度及展速度及应用用远不及不及MOSFET?!TFT的的发展展历程程（3）1962年，第一个年，第一个MOSFET实验室室实现.（4）1973年，年，实现第一个第一个CdSeTFT-LCD(6*6)显示屏示屏.-TFT的的迁移率迁移率20 cm2/vs,Ioff=100 nA.之之后几年下降到后几年下降到1 nA.（5）1975年，年，实现了基于非晶硅了基于非晶硅-TFT.随后随后实现驱动LCD显示示.-迁移率迁移率1 cm2/vs,但空气（但空气（H2O,O2)中相中相对稳定定.（6）80年代年代,基于基于CdSe,非晶硅非晶硅 TFT研究研究继续推推进.另外，另外，实现了基于多晶硅了基于多晶硅TFT，并通，并通过工工艺改改进电子迁移率从子迁移率从50提升至提升至400.-当当时p-SiTFT制制备需要高温沉需要高温沉积或高温退火或高温退火.-a-Si TFT因低温、低成本，成因低温、低成本，成为LCD有源有源驱动的主流的主流.（7）90年代后，年代后，继续改改进a-Si,p-Si TFT的性能，特的性能，特别关注低温关注低温多晶硅多晶硅TFT制制备技技术.-非晶硅固相晶化技非晶硅固相晶化技术.有机有机TFT、氧化物、氧化物TFT亦成亦成为研究研究热点点.-有机有机TFT具有柔性可弯曲、大面具有柔性可弯曲、大面积等等优势.TFT发展展过程中遭遇程中遭遇的关的关键技技术问题？低低载流子流子迁移率迁移率稳定性和定性和可靠性可靠性低温高性能半低温高性能半导体薄膜技体薄膜技术低成本、大面低成本、大面积沉膜沉膜挑战挑战：在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜！TFT的的发展展历程程TFT的种的种类按采用半按采用半导体材料不同分体材料不同分为：无机无机TFT有机有机TFT化合物化合物:CdS-TFT,CdSe-TFT氧化物氧化物:ZnO-TFT硅基硅基:非晶非晶Si-TFT,多晶硅多晶硅-TFT基于小分子基于小分子TFT基于高分子聚合物基于高分子聚合物TFT无无/有机复合型有机复合型TFT：采用无机：采用无机纳米米颗粒与聚合物共混粒与聚合物共混制制备半半导体活性体活性层TFT的常用器件的常用器件结构构双双栅薄膜晶体管薄膜晶体管结构构薄膜晶体管的器件薄膜晶体管的器件结构构TFT的工作原理的工作原理一、一、MOS晶体管工作原理回晶体管工作原理回顾当当|VGS|VT|,导电沟道形成沟道形成.此此时当当VDS存在存在时，则形成形成IDS.对于恒定的于恒定的VDS,VGS越大越大,则沟道中的可沟道中的可动载流子就越多流子就越多,沟道沟道电阻就越小阻就越小,ID就越大就越大.即即栅电压控制漏控制漏电流流.对于恒定的于恒定的VGS,当当VDS增大增大时，沟道厚度从源极到漏极逐，沟道厚度从源极到漏极逐渐变薄薄,引起沟道引起沟道电阻增加阻增加,导致致IDS增加增加变缓.当当VDSVDsat时,漏极被漏极被夹断断,而后而后VDS增大，增大，IDS达到达到饱和和.工作原理：与工作原理：与MOSFET相似相似,TFT也是通也是通过栅电压来来调节沟沟道道电阻，从而阻，从而实现对漏极漏极电流的有效控制流的有效控制.与与MOSFET不同的是：不同的是：MOSFET通常工作通常工作强反型状反型状态,而而TFT根据半根据半导体活性体活性层种种类不同不同,工作状工作状态有两种模式：有两种模式：对于于a-Si TFT、OTFT、氧化物、氧化物TFT通常工作于通常工作于积累状累状态.对于于p-Si TFT工作于工作于强反型状反型状态.工作于工作于积累状累状态下原理示意下原理示意图TFT的工作原理的工作原理TFT的的I-V描述描述在在线性区性区,沟道区沟道区栅诱导电荷可表示荷可表示为在忽略在忽略扩散散电流情况下，漏极流情况下，漏极电流由漂移流由漂移电流形成，可表示流形成，可表示为.（1）.（2）(1)代入代入(2)，积分可得：分可得：.（3）当当VdVg-Vth),将将VdVg-Vth代入代入(3)式可得：式可得：.（4）p-Si TFT的的电特性特性1.TFT电特性特性测试装置装置p-Si高高掺杂p-Si2.p-Si TFF器件典型的器件典型的输出和出和转移特性曲移特性曲线转移特性反映移特性反映TFT的开关的开关特性特性,VG对ID的控制能力的控制能力.输出特性反映出特性反映TFT的的饱和行和行为.特性参数：迁移率、开关特性参数：迁移率、开关电流比、关流比、关态电流、流、阈值电压、跨、跨导3.p-Si TFF中的中的Kink 效效应机理机理:高高VD（VDVDsat）时,夹断区因断区因强电场引起碰撞引起碰撞电离所离所致致.此此时ID电流可表示流可表示为:为碰撞碰撞电离离产生率生率,与与电场相关相关,类似于似于pn结的雪的雪崩崩击穿穿.4.Gate-bias Stress Effect(栅偏偏压应力效力效应）负栅压应力力正正栅压应力力现象象1：阈值电压漂移漂移.负栅压应力向正方向漂移力向正方向漂移,正正栅压应力向力向负方向漂移方向漂移.产生机理：可生机理：可动离子漂移离子漂移.负栅压应力力正正栅压应力力现象象2：亚阈值摆幅幅(S)增大增大.机理：机理：应力力过程弱程弱Si-Si断裂断裂,诱导缺陷缺陷产生生.5.p-Si TFF C-V特性特性下下图为不同沟不同沟长TFT在在应力前后的力前后的C-V特性特性自自热应力力BTS(bias temperature stress)：VG=VD=30 V,T=55 oC;应力作用力作用产生缺陷生缺陷态，引起，引起C-V曲曲线漂移漂移.6.p-Si TFF的改性技的改性技术（1）非晶硅薄膜晶化技）非晶硅薄膜晶化技术-更低的温度、更大的晶粒更低的温度、更大的晶粒,进一步提高一步提高载流子迁移率流子迁移率.（3）采用高）采用高k栅介介质-降低降低阈值电压和工作和工作电压.（2）除）除氢技技术-改善改善稳定性定性.（4）基于玻璃或塑料基底的低温工）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技技术(107A-Si:H沉沉积及及掺杂低温低温,玻璃玻璃塑料基底塑料基底低、有低、有光响光响应p-Si TFT100300105107硅膜沉硅膜沉积、晶化、晶化、掺杂高迁移率高迁移率高温高温,有光响有光响应小分小分子子TFT0.110104106蒸蒸镀高于聚合高于聚合物物TFT难大面大面积,有光响有光响应聚合聚合物物TFT0.011103105旋涂、打印旋涂、打印 低成本低成本,易易大面大面积低低,不不稳定定,有光响有光响应ZnO TFT1100105108溅射、射、ALD 高高,可可见光透明光透明难大面大面积,不不稳定定注注:表中数据表中数据仅为典型典型值.TFT的主要的主要应用用1.LCD、OLED显示有源示有源驱动的关的关键器件器件右右图为简单的两管的两管组成的模成的模拟驱动方式，通方式，通过调制制驱动管管T2的的栅极极电流来控制流流来控制流过OLED的的电流，从而达到流，从而达到调节发光亮度的目的。

光亮度的目的T1管管为寻址管写信号址管写信号时，扫描描线处于于低低电位，位，T1导通通态，数据信，数据信号存到号存到电容容C1上；上；显示示时，扫描描线处于高于高电位，位，T2受存受存储电容容C1上的上的电压控制，使控制，使OLED发光光.OTFT-OLED单元元柔性基底上制柔性基底上制备的的超高超高频RFCPU芯片芯片主要性能指主要性能指标：工工艺指指标：2.基于基于TFT的数字的数字逻辑集成集成电路路RF频率：率：915 MHz编码调制方式：脉制方式：脉宽调制制数据速率：数据速率：70.18 kbits/sCPU时钟：1.12 MHzROM:4 kB,RAM:512 B0.8 m多晶硅多晶硅TFT工工艺晶体管数目：晶体管数目：144k芯片面芯片面积：10.5*8.9 mm2基于有机基于有机TFT的全打印的全打印7阶环形振形振荡器器电路路全打印技全打印技术制制备n、p沟沟TFT3.敏感元件，如：敏感元件，如：气敏、光敏、气敏、光敏、PH值测定定N2O气体气体环境境N2O Gas Sensors原理原理图溶液溶液PH值测定原理定原理图Phototransistor结构构图思思 考考 题1.了解薄膜晶体管基本了解薄膜晶体管基本结构、工作原理构、工作原理.2.掌握薄膜晶体管掌握薄膜晶体管电性能的性能的测试及参数提取及参数提取.3.了解了解p-Si TFT的主要效的主要效应及机理及机理.4.掌握掌握p-Si TFT制制备工工艺流程流程.5.了解非晶硅薄膜晶化的方法及特点了解非晶硅薄膜晶化的方法及特点.6.了解不同了解不同类型薄膜晶体管性能和工型薄膜晶体管性能和工艺上上优势和不足和不足.7.了解薄膜晶体管的主要了解薄膜晶体管的主要应用用.。