半导体器件(薄膜晶体管TFT培训教材)
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
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1 2
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(V d V g V th) …….（3）
当Vd<<Vg时,(3)式简化为I d
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在饱和区(Vd>Vg-Vth),将Vd＝Vg-Vth代入(3)式可得：
半导体整套课件完整版电子教案最全PPT整本书课件全套教学教程
电压较低时，由于外电场较弱，还不足以克服PN结内电场 对多数载流了扩散运动的阻力，所以正向电流很小，几乎为 零。此时二极管呈现出很大的电阻。
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1.2 半导体二极管
2.反向特性 图1-10所示曲线②部分为反向特性。二极管两端加上反向
电压时，由于少数载流子漂移而形成的反向电流很小，且在 一定的电压范围内基本上不随反向电压而变化，处于饱和状 态，所以这一段电流称为反向饱和电流IR。硅管的反向饱和 电流约在1μA至几十微安，锗管的反向饱和电流可达几百微 安，如图1-10的OC(OC’)段所示。 3.反向击穿特性 如图1-10中曲线③部分所示，当反向电压增加到一定数值 时，反向电流急剧增大，这种现象称为一极管的反向击穿。 此时对应的反向击穿电压用UBR表示。
1.4.2 晶体三极管的工作原理
三极管有两个按一定关系配置的PN结。由于两个PN结之间 的互相影响，使三极管表现出和单பைடு நூலகம்PN结不同的特性。三 极管最主要的特性是具有电流放大作用。下面以NPN型二极 管为例来分析。
1.电流放大作用的条件 三极管的电流放大作用，首先取决于其内部结构特点，即发
射区掺杂浓度高、集电结面积大，这样的结构有利于载流子 的发射和接收。而基区薄且掺杂浓度低，以保证来自发射区 的载流子顺利地流向集电区。其次要有合适的偏置。三极管 的发射结类似于二极管，应正向偏置，使发射结导通，以控 制发射区载流子的发射。而集电结则应反向偏置，以使集电 极具有吸收由发射区注入到基区的载流子的能力，从而形成 集电极电流。
1.1 半导体基础知识
1.1.1本征半导体
不含杂质且具有完整品体结构的半导体称为本征半导体。最 常用的本征半导体是锗和硅品体，它们都是四价元素，在其 原子结构模型的最外层轨道上各有四个价电子。在单品结构 中，由于原子排列的有序性，价电子为相邻的原子所共有， 形成了如图1-1所示的共价键结构，图中的+4表示四价元素 原子核和内层电子所具有的净电荷。本征半导体在温度 T=0K(热力学温度)目没有其他外部能量作用时，其共价键 中的价电子被束缚得很紧，不能成为自由电子，这时的半导 体不导电，在导电性能上相当于绝缘体。但是，当半导体的 温度升高或给半导体施加能量(如光照)时，就会使共价键中 的某些价电子获得足够的能量而挣脱共价键的束缚，成为自 由电子，同时在共价键中留下一个空位，这个现象称为本征 激发，如图1-2所示，自由电子是本征半导体中可以参与导 电的一种带电粒子，叫做载流子。
《半导体产品培训》课件
物联网技术对半导体的需求
传感器需求：物联网设备需要大量的传感器来感知环境
存储芯片需求：物联网设备需要存储芯片来存储数据
计算芯片需求：物联网设备需要计算芯片来处理数据
通信芯片需求：物联网设备需要通信芯片来传输数据
未来半导体市场的发展趋势
5G技术的普及将推动半导体市场的增长
人工智能、物联网等新兴技术的发展将带动半导体市场的需求
封装技术的发展历程：从最初的TO封装到现代的BGA封装，封装技术不断进步
封装技术的分类：根据封装材料的不同，可以分为塑料封装、陶瓷封装、金属封装等
封装技术的发展趋势：向着小型化、高密度、高可靠性方向发展，以满足现代电子产品的需求
半导体产品研发与生产
半导体产品研发流程
需求分析：确定产品需求，包括性能、成本、可靠性等
设计阶段：进行电路设计、仿真、验证等
制造阶段：进行晶圆制造、封装、测试等
量产阶段：进行大规模生产，保证产品质量和成本控制
售后服务：提供技术支持和售后服务，确保客户满意度
半导体产品生产流程
设计阶段：确定产品规格、性能、成本等要求
制造阶段：包括晶圆制造、芯片制造、封装测试等步骤
测试阶段：对产品进行性能、可靠性等测试
量产阶段：根据市场需求进行大规模生产
质量控制：确保产品质量符合标准要求
售后服务：提供技术支持和维修服务
半导体产品测试与验证
测试目的：确保产品性能和质量符合设计要求
测试方法：包括功能测试、性能测试、可靠性测试等
测试工具：包括测试设备、测试软件等
测试结果分析：对测试数据进行分析，找出问题并提出改进措施
半导体产品技术发展
半导体材料技术发展
添加标题
硅材料：广泛应用于集成电路、太阳能电池等领域
第二章TFT操作原理
第二章TFT操作原理TFT（薄膜晶体管）液晶操作原理是一种新型的显示技术，它采用了薄膜晶体管作为控制元件，通过调节薄膜晶体管的通断来控制液晶分子的排列状态，从而实现显示效果。
TFT液晶显示屏由若干个像素点组成，每个像素点由红、绿、蓝三个分色器件组成。
每个分色器件由一个薄膜晶体管和一个液晶分子层组成。
液晶分子分为两种状态：平行状态和垂直状态。
当薄膜晶体管通电时，液晶分子会转变为平行状态，从而允许光线穿过。
当薄膜晶体管断电时，液晶分子会转变为垂直状态，从而阻止光线穿过。
TFT液晶显示屏的操作原理可以分为两个主要步骤：扫描和刷新。
首先是扫描，也叫做行选扫描。
显示控制器会依次扫描每一行像素点，并对每一个像素点进行控制。
工作原理是：显示控制器会发送一个扫描信号到第一行像素点，该行像素点的红、绿、蓝三个分色器件分别接收到相应的信号，然后通过调节薄膜晶体管的通断来控制液晶分子的状态。
在接收到扫描信号的同时，每个像素点会记录下当前接收到的信号，以备下一次刷新时使用。
接着，显示控制器会发送一个扫描信号到第二行像素点，然后到第三行，一直循环扫描下去。
通过这种方式，显示控制器可以逐行控制每一个像素点的状态。
接下来是刷新，也叫做列选刷新。
显示控制器会依次刷新每一列像素点，并将图像信号发送到相应的像素点。
工作原理是：显示控制器会发送一个刷新信号到第一列像素点，该列像素点的红、绿、蓝三个分色器件会接收到相应的信号，并根据之前记录下的状态来控制液晶分子的状态。
通过调节薄膜晶体管的通断，液晶分子会呈现出相应的颜色。
然后，显示控制器会发送一个刷新信号到第二列像素点，然后到第三列，一直循环刷新下去。
通过这种方式，显示控制器可以逐列刷新每一个像素点的状态，最终形成完整的图像。
总结起来，TFT液晶显示屏的操作原理是利用薄膜晶体管作为控制元件，通过调节晶体管的通断，控制液晶分子的排列状态，从而实现像素点的控制和图像显示。
操作过程主要包括扫描和刷新，其中扫描通过逐行控制像素点的状态，而刷新则通过逐列发送图像信号到像素点来形成完整的图像。
2020年(培训体系)半导体培训手册上册
第一章太阳电池的工作原理和基本特性1.1半导体物理基础1.1.1半导体的性质世界上的物体如果以导电的性能来区分，有的容易导电，有的不容易导电。
容易导电的称为导体，如金、银、铜、铝、铅、锡等各种金属；不容易导电的物体称为绝缘体，常见的有玻璃、橡胶、塑料、石英等等；导电性能介于这两者之间的物体称为半导体，主要有锗、硅、砷化镓、硫化镉等等。
众所周知，原子是由原子核及其周围的电子构成的，一些电子脱离原子核的束缚，能够自由运动时，称为自由电子。
金属之所以容易导电，是因为在金属体内有大量能够自由运动的电子，在电场的作用下，这些电子有规则地沿着电场的相反方向流动，形成了电流。
自由电子的数量越多，或者它们在电场的作用下有规则流动的平均速度越高，电流就越大。
电子流动运载的是电量，我们把这种运载电量的粒子，称为载流子。
在常温下，绝缘体内仅有极少量的自由电子，因此对外不呈现导电性。
半导体内有少量的自由电子，在一些特定条件下才能导电。
半导体可以是元素，如硅（Si）和锗（Ge），也可以是化合物，如硫化镉（OCLS）和砷化镓（GaAs），还可以是合金，如Ga x AL1-x As，其中x为0-1之间的任意数。
许多有机化合物，如蒽也是半导体。
半导体的电阻率较大（约10-5≤ρ≤107Ω⋅m），而金属的电阻率则很小（约10-8~10-6Ω⋅m），绝缘体的电阻率则很大（约ρ≥108Ω⋅m）。
半导体的电阻率对温度的反应灵敏，例如锗的温度从200C升高到300C，电阻率就要降低一半左右。
金属的电阻率随温度的变化则较小，例如铜的温度每升高1000C，ρ增加40%左右。
电阻率受杂质的影响显著。
金属中含有少量杂质时，看不出电阻率有多大的变化，但在半导体里掺入微量的杂质时，却可以引起电阻率很大的变化，例如在纯硅中掺入百万分之一的硼，硅的电阻率就从2.14⨯103Ω⋅m减小到0.004Ω⋅m左右。
金属的电阻率不受光照影响，但是半导体的电阻率在适当的光线照射下可以发生显著的变化。
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。
薄膜晶体管原理(一)
薄膜晶体管原理(一)薄膜晶体管1. 引言在现代电子技术领域，薄膜晶体管（TFT）作为一种重要的电子元件，被广泛应用于显示器、平板电脑、手机等电子产品中。
本文将从原理、结构以及工作方式等方面来介绍薄膜晶体管的相关知识。
2. 原理薄膜晶体管基于晶体管的原理而设计，晶体管是一种能够放大和控制电流的半导体器件。
薄膜晶体管的核心原理是场效应，即通过控制栅极电压来改变源极和漏极之间的电流。
3. 结构薄膜晶体管由四个主要部分组成：源极、漏极、栅极和薄膜半导体。
源极和漏极是与电路连接的引脚，栅极则用于控制薄膜半导体的导电性能。
薄膜半导体通常由非晶硅或聚晶硅制成。
4. 工作方式1.栅极电压为零时，源极和漏极之间的电流无法流动，薄膜晶体管处于关闭状态。
2.当栅极电压逐渐增加时，栅极电场增强，使得薄膜半导体中形成一个导电通道。
3.当栅极电压足够高时，导电通道完全形成，源极和漏极之间的电流可以顺利流动，薄膜晶体管处于开启状态。
4.通过改变栅极电压，可以调节薄膜晶体管的导通程度，从而控制电流的大小。
5. 应用薄膜晶体管广泛应用于各种平面显示器件，如液晶显示屏和有机发光二极管（OLED）等。
在这些器件中，薄膜晶体管被用于驱动像素点，实现图像的显示。
6. 总结薄膜晶体管是一种基于场效应原理的重要电子元件，通过调节栅极电压来控制电流的通断。
其在显示器件中的应用使得现代技术产品拥有了更加优秀的显示效果。
随着科技的发展，薄膜晶体管将继续在电子领域发挥重要的作用。
以上是对薄膜晶体管的简要介绍，希望本文能为读者提供基本的了解，并激发对薄膜晶体管技术更深入的探索与研究。
7. 薄膜晶体管的优势薄膜晶体管相比于传统的晶体管和其他显示器件，具有以下几个优势：7.1 尺寸小薄膜晶体管制造工艺相对简单，可以制造非常小尺寸的晶体管。
这使得它们非常适合在小型电子设备中使用，例如手机和手表。
7.2 能耗低薄膜晶体管在工作时能耗较低。
由于控制栅极电压即可控制电流的通断，可以精确调节电流的大小，以满足不同工作需求。
半导体器件与TFT
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。
( 1 ) 低温弱电离区： 温度很低时，大部分施主杂质能级仍为电
子占据，只有很少施主杂质发生电离，这少量电 子进入导 带，这时称为弱电离。 （ 2 ）强电离区： 当温度升高到大部分杂质都电离为强电离。
（ 3 ) 高温本征激发区： 继续升高温度，使本征激发产生的本征
载流子数远多于杂质电离产生的载流子。
n-si 中电子浓度与温度关系 BOE Optoelectronics Technology Co,. Ltd.
（3）掺杂情况下下的费米能级：
掺有某种杂质的半导体的载流子浓度和费米能级由温度和杂质能度所决定。对于杂质浓度一定的半 导体，随着温度的升高，载流子从以杂质电离为主过渡到以本征激发为主，相应的，费米能级则从 位于杂质能级附近移进到禁带中央。引入 N＋ －Si 和 N－Si概念 。 如图所示：
空穴被占的几率为 1－ f（E）。思考为什么？？？
EF 称为费米能级或费米能量。这是一个很重要的物理参数，只要知道了数值，在一定温度下电子在各量子态的 统计分布就可以知道。引出玻尔兹曼分布函数。得出结论电子分布在导带底附近，空穴分布在价带顶附近。
BOE Optoelectronics Technology Co,. Ltd.
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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？
（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).
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
光刻形成源漏接触
Intrinsic p-Si S/D contacts
刻蚀背面氧化层
2、完整的底栅顶接触型结构
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.
1 2V
2 d
]
(V d V g V th) …….（3）
当Vd<<Vg时,(3)式简化为
Id
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）
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！
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
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
（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. ---a-Si TFT因低温、低成本，成为LCD有源驱动的主流.
p-Si TFT的电特性
1. TFT电特性测试装置
高掺杂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
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:
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
硅片氧化
光刻栅电极
本征p-Si n+ p-Si S/D contacts
栅氧化 多晶硅生长及金属化 刻蚀金属形成源漏接触
刻蚀晶-Si
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
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.
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.
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
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.
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.
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.