半导体器件物理--薄膜晶体管(TFT) ppt课件
半导体器件基础课件(PPT-73页)精选全文完整版
有限，因此由它们形成的电流很小。
电子 技 术
注意:
1、空间电荷区中没有载流子。
2、空间电荷区中内电场阻碍P 区中的空穴、N 区中的电子（
都是多子）向对方运动（扩散 运动）。
所以扩散和漂移这一对相反的运动最终达到平衡， 相当于两个区之间没有电荷运动，空间电荷区的厚 度固定不变。
电子 技 术
二、PN 结的单向导电性
电子 技 术
1. 1 半导体二极管的结构和类型
构成：实质上就是一个PN结
PN 结 + 引线 + 管壳 =
二极管(Diode)
+
PN
-
符号：P
N
阳极
阴极
分类：
按材料分 按结构分
硅二极管 锗二极管 点接触型 面接触型 平面型
电子 技 术
正极 引线
N 型锗片 负极 引线
外壳
触丝
点接触型
正极 负极 引线 引线
电子 技 术
半导体中存在两种载流子：自由电子和空穴。 自由电子在共价键以外的运动。 空穴在共价键以内的运动。
结论：
1. 本征半导体中电子空穴成对出现，且数量少。 2. 半导体中有电子和空穴两种载流子参与导电。 3. 本征半导体导电能力弱，并与温度有关。
电子 技 术
2、杂质半导体
+4
一、N 型半导体
电子 技 术
三、课程特点和学习方法
本课程是研究模拟电路（Analog Circuit）及其 应用的课程。模拟电路是产生和处理模拟信号的电路。 数字电路(Digital Circuit)的知识学习由数字电子技 术课程完成。
本课程有着下列与其他课程不同的特点和分析方 法。
电子 技 术
《半导体器件》PPT课件
b
+
D1
RL uO
D2
_
输出 波形
1.3.3 限幅电路
+ –
R
D1
D2
++
A Ri
––
工作原理
a. 当ui较小使二极管D1 、D1截止时
电路正常放大
b. 当ui 较大使二极管D1 或D1导通时
+ –
输入电压波形
ui
R
D1
D2
++
A Ri
––
0 t
R
+
D1
D2
++
A Ri
–
––
输出端电压波形
ui
因此，理想二极管正偏时，可视为短路线；反偏 时，可视为开路。
在分析整流，限幅和电平选择时，都可以把二极 管理想化。
1.3 半导体二极管的应用
1.3.1 在整流电路中的应用
整流电路（rectifying circuit）把交流电能转换为直流电能的电
路。
整流电路主要由整流二极管组成。经过整流电路之后的电压已经不 是交流电压，而是一种含有直流电压和交流电压的混合电压，习惯上 称单向脉动性直流电压。
1.2 半导体二极管
二
1.2.1 半导体二极管的结构和类
极
型
外壳
引线 阳极引线
管
铝合金小球
就
是
PN结
一
N型锗片
触丝
个
N型硅
金锑合金
封
底座
装
的
阴极引线
PN
结
点接触型
平面型
半导体二极管的外型和符号
正极
半导体器件物理PPT课件
11
练习 假使面心结构的原子是刚性的小球，且面中心原子与 面顶点四个角落的原子紧密接触，试算出这些原子占此面 心立方单胞的空间比率。
解
12
例1-2 硅（Si）在300K时的晶格常数为5.43Å。请计算出每立方厘米体 积中硅原子数及常温下的硅原子密度。（硅的摩尔质量为 28.09g/mol）
解
13
29
●允带
允许电子存在的一系列准 连续的能量状态
● 禁带
禁止电子存在的一系列能 量状态
● 满带
被电子填充满的一系列准 连续的能量状态 满带不导电
● 空带
没有电子填充的一系列准 连续的能量状态 空带也不导电
图1-5 金刚石结构价电子能带图（绝对零度）
30
●导带
有电子能够参与导电的能带， 但半导体材料价电子形成的高 能级能带通常称为导带。
电子不仅可以围绕自身原子核旋转，而且可以转到另一个原子周围，即 同一个电子可以被多个原子共有，电子不再完全局限在某一个原子上， 可以由一个原子转到相邻原子，将可以在整个晶体中运动。
27
共有化运动
由于晶体中原子的周期性 排列而使电子不再为单个 原子所有的现象，称为电 子共有化。
在晶体中，不但外层价电 子的轨道有交叠，内层电 子的轨道也可能有交叠， 它们都会形成共有化运动；
杂质来源
一）制备半导体的原材料纯度不够高； 二）半导体单晶制备过程中及器件制造过程中的沾污； 三）为了半导体的性质而人为地掺入某种化学元素的原子。
40
金刚石结构的特点
原子只占晶胞体积的34%，还有66%是空隙， 这些空隙通常称为间隙位置。
杂质的填充方式
一）杂质原子位于晶格 间隙式杂质 原子间的间隙位置， 间隙式杂质/填充；
半导体薄膜技术与物理 第一章..PPT课件
Q3 P
2R
M
T1
T2 T2
2r1L
称为聚合系数； T1和T2分别为热丝和玻管温度； r1和L分别为热丝的半径和长度
若确定，Q3与压强P成正比；
实际上：气体分子与固体表面的碰撞过程非常复杂
难确定
很难计算出Q3 通常需用绝对真空计较准
高真空时，自由程l>>r2-r1(r2玻管半径)，
由于压强很低，Q3<<Q1-Q2，Q3与压强无关。
nUL
Pm
Pf
exp
D0
它P必f：须前与级机真械空泵压配强合使用。
n：蒸汽分子密度
U：油蒸汽速度
L：出气口至进气口的蒸汽扩散长度
D0：=常数 14
真空室
真空室放气阀 管道 高真空阀 真空规管 水冷障板
扩散泵
加热电源
预阀 粗抽管道
低阀 前级管道 机机械械泵泵放放 气阀气阀
机机械械泵泵 马马达达电电源源
Krishna Seshan，Noyes Publications， 2002
。。。
3
第一章 真空技术
许多薄膜技术是在真空下实现的， “真空”是许多薄膜制备的必要条件，因 此，掌握一定的真空知识是必需的。
2021/5/15
4
1.1 真空的基本概念
1.1.1 真空的定义
压力低于一个大气压的任何气态空间
7
1.1.4 区域划分
为了便于讨论和实际应用，常根据各压强范围内不同的物理特点 把真空划分为粗真空、低真空、高真空和超高真空四个区域。
8
1.2 真空的获得
工具——真空泵
P
Pui
i
Qi
i
/
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。
薄膜晶体管
薄膜晶体管目录简介发展历史现状原理发展前景图书信息简介薄膜晶体管 (英文名称为Thin-film transistor，简称TFT)是场效应晶体管的种类之一，大略的整理方式是在基板上沉积各种不同的薄膜，如半导体主动层、介电层和金属电极层。
薄膜晶体管是液晶显示器的关键器件,对显示器件的工作性能具有十分重要的作用.发展历史及现状人类对TFT的研究工作已经有很长的历史. 早在1925年,Julius Edger Lilienfeld首次提出结型场效应晶体管(FET)的基本定律,开辟了对固态放大器的研究.1933年,Lilienfeld 又将绝缘栅结构引进场效应晶体管(后来被称为 MISFET).1962 年,Weimer用多晶CaS薄膜做成TFT;随后,又涌现了用CdSe,InSb,Ge等半导体材料做成的TFT器件.二十世纪六十年代,基于低费用,大阵列显示的实际需求,TFT的研究广为兴起.1973年,Brody等人136光子技术2006年9月首次研制出有源矩阵液晶显示(AMLCD),并用CdSe TFT作为开关单元.随着多晶硅掺杂工艺的发展,1979年后来许多实验室都进行了将 AMLCD LeComber,Spear和Ghaith 用a-Si:H做有源层,做成TFT 器件.以玻璃为衬底的研究.二十世纪八十年代,硅基TFT在AMLCD 中有着极重要的地位,所做成的产品占据了市场绝大部分份额.1986年Tsumura等人首次用聚噻吩为半导体材料制备了有机薄膜晶体管(OTFT),OTFT技术从此开始得到发展.九十年代,有机半导体材料作为活性层成为新的研究热点.由于在制造工艺和成本上的优势,OTFT被认为将来极可能应用在LCD,OLED的驱动中.近年来,OTFT的研究取得了突破性的进展.1996 年,飞利浦公司采用多层薄膜叠合法整理了一块15微克变成码发生器(PCG);即使当薄膜严重扭曲,仍能正常工作.1998 年,无定型金属氧化物锆酸钡作为并五苯有机薄膜晶体管的栅绝IBM 公司用一种新型的具有更高的介电常数缘层,使该器件的驱动电压降低了4V,迁移率达到0.38cm2V-1s-1.1999年,Bell实验室的Katz和他的研究小组制得了在室温下空气中能稳定存在的噻吩薄膜,并使器件的迁移率达到0.1cm2V-1s-1.Bell实验室用并五苯单晶制得这向有机集成了一种双极型有机薄膜晶体管, 该器件对电子和空穴的迁移率分别达到2.7cm2V-1s-1和1.7cm2V-1s-1,电路的实际应用迈出了重要的一步.最近几年,随着透明氧化物研究的深入,以ZnO,ZIO等半导体材料作为活性层整理薄膜晶体管,因性能改进显着也吸引了越来越多的兴趣.器件制备工艺很广泛,比如:MBE,CVD,PLD等,均有研究.ZnO-TFT 技术也取得了突破性进展.2003 年,Nomura等人使用单晶 InGaO3(ZnO)5获得了迁移率为80 cm2V-1s-1的TFT器件.美国杜邦公司采用真空蒸镀和掩膜挡板技术在聚酰亚铵柔性衬底上开发了ZnO-TFT,这是在聚酰亚铵柔性衬底上首次研制成功了高迁移率的ZnO-TFT,这预示着在氧化物TFT子迁移率为50cm2V-1s-1.2006 年,Cheng领域新竞争的开始.2005年,ChiangHQ等人利用ZIO作为活性层制得开关比10薄膜晶体管.HC等人利用CBD方法制得开关比为105,迁移率为0.248cm2V-1s-1的TFT,这也显示出实际应用的可能.[1]原理薄膜晶体管是一种绝缘栅场效应晶体管.它的工作状态可以利用 Weimer表征的单晶硅MOSFET工作原理来描述.以n沟MOSFE为例. 当栅极施以正电压时,栅压在栅绝缘层中产生电场,电力线由栅电极指向半导体表面,并在表面处产生感应电荷.随着栅电压增加,半导体表面将由耗尽层转变为电子积累层,形成反型层.当达到强反型时(即达到开启电压时),源,漏间加上电压就会有载流子通过沟道.当源漏电压很小时,导电沟道近似为一恒定电阻,漏电流随源漏电压增加而线性增大.当源漏电压很大时,它会对栅电压产生影响,使得栅绝缘层中电场由源端到漏端逐渐减弱,半导体表面反型层中电子由源端到漏端逐渐减小,沟道电阻随着源漏电压增大而增加.漏电流增加变得缓慢,对应线性区向饱和区过渡.当源漏电压增到一定程度,漏端反型层厚度减为零,电压在增加,器件进入饱和区.在实际LCD生产中,主要利用a-Si:H TFT的开态(大于开启电压)对像素电容快速充电,利用关态来保持像素电容的电压,从而实现快速响应和良好存储的统一.发展前景未来TFT技术将会以高密度,高分辨率,节能化,轻便化,集成化为发展主流,从本文论述的薄膜晶体管发展历史以及对典型 TFT 器件性能分析来看,虽然新型OTFT,ZnO-TFT的研究已经揭示出优良的特性,甚至有的已经开始使用化,但实现大规模的商业化以及进一步降低成本等方面,还需要很多努力.因此在很长一段时间内将会与硅基材料器件并存.我国大陆的显示技术处于刚开始阶段,对新型TFT器件的研发以及显示技术的应用带来了重大的机遇和挑战.相信在不久的将来,OTFT和ZnO-TFT等新型器件为基础的产品会推动下一代光电子学的突飞猛进.图书信息书名：薄膜晶体管出版社: 电子工业出版社; 第1版 (2008年3月1日)平装: 450页正文语种: 简体中文开本: 16商品尺寸: 23.4 x 18.2 x 2.4 cm品牌: 电子工业出版社发行部TFT是如何工作的?TFT也就是薄膜晶体管，是用来主动控制每一个像素光通过量的元件。
半导体器件教学课件PPT
ID（mA） 4
UGS=+2V
3
ID 2
可
变 电
1
阻பைடு நூலகம்
区0
恒流区
UGS
夹断区
UGS=+1V
UGS=0V
UGS=-1V UGS=-2V U DS （V
场效应管的微变等效电路
输入回路：开路
输出回路：交流压控恒流源，电流 Id gmU gs
D G
S
G +
U gs
D
Id gmU gs
-
S
11.5.1 结型场效应管（JFET）
地
N沟道
ID
IDSS
0 UGS（off）
UGS
D -VDD
G
正电压
ID
S 实际方向
地
P沟道
ID UGS（off） UGS
IDSS 转移特性曲线都设定的ID方 向从D到S
P沟道MOS场效应管
NMOS +VDD
D
ID
ID
IDO
G 正电压
实际方向 地 S
UGS（th） UGS
G 正负电压
D +VDD ID 实际方向
S地
ID IDSS
UGS（off） UGS
PMOS
G 负电压
D -VDD
ID
ID
UGS（th）
实际方向
UGS
S地
IDO
D -VDD
ID UGS（off）
ID
UGS
G
正负电压
实际方向
S地
IDSS
转移特性和输出特性都规定ID方向由D到S
15.4 场效应管放大电路 15.4.1 场效应共源极放大电路
TFT薄膜晶体管的工作原理
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
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。
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;
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
- 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)。
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：
I
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
d ,sat
W 2L
Ci
(V
g
V
th)2
ppt课件
(V d V g V th) …….（4）
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
6 ppt课件
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
7 ppt课件
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.
9 ppt课件
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
10
p-Si TFT的电特性
1. TFT电特性测试装置
ppt课件
高掺杂p-Si p-Si
11
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
12 ppt课件
4
---a-Si TFT因低温、低成本，p成pt课为件 LCD有源驱动的主流.
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.
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.
13 ppt课件
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.
14 ppt课件
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.
15 ppt课件
5. p-Si TFF C-V特性
下图为不同沟长TFT在应力前后的C-V特性
17 ppt课件
p-Si TFT制备工艺流程
1、简单的底栅顶结构型
硅片氧化
光刻栅电极
栅氧化
多晶硅生长及金属化
Intrinsic p-Si S/D contacts
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.
第六章 薄膜晶体管（TFT）
1 ppt课件
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
2 ppt课件
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
3 ppt课件
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.