半导体器件物理PPT课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第六章 薄膜晶体管（,TFT,）,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,主要内容（1）TFT的发展历程（2）TFT的种类、结构及工作,TFT,的发展历程,（,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,.,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,g,m,=25 mA/V,载流子迁移率,150 cm,2,/vs,最大振荡频率为,20 MHz.,CdSe-,迁移率达,200 cm,2,/vs,TFT,与,MOSFET,的发明同步，然而,TFT,发展速度及应用远不及,MOSFET?!,TFT的发展历程（1）1934年第一个TFT的发明专利问世-,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 cm,2,/vs,I,off,=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 cm,2,/vs,但空气（,H,2,O,O,2,),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,.,TFT的发展历程（3）1962年，第一个MOSFET实验室实,（,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,.,TFT,发展过程中遭遇的关键技术问题？,低载流子迁移率,稳定性和可靠性,低温高性能半导体薄膜技术,低成本、大面积沉膜,挑战,：,在玻璃或塑料基底上生长出单晶半导体薄膜,！,TFT,的发展历程,（7）90年代后，继续改进a-Si,p-Si TFT的性能，,TFT,的种类,按采用半导体材料不同分为：,无机,TFT,有机,TFT,化合物,:CdS-TFT,CdSe-TFT,氧化物,:ZnO-TFT,硅基,:,非晶,Si-TFT,多晶硅,-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,TFT的种类按采用半导体材料不同分为：无机TFT有机TFT化,TFT,的常用器件结构,双栅,薄膜晶体管,结构,薄膜晶体管的器件结构,TFT的常用器件结构双栅薄膜晶体管结构薄膜晶体管的器件结构,TFT,的工作原理,一、,MOS,晶体管工作原理回顾,当,|,V,GS,|,V,T,|,导电沟道形成,.,此时当,V,DS,存在时，则形成,I,DS,.,对于恒定的,V,DS,V,GS,越大,则沟道中的可动载流子就越多,沟道电阻就越小,I,D,就越大,.,即栅电压控制漏电流,.,对于恒定的,V,GS,当,V,DS,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,I,DS,增加变缓,.,当,V,DS,V,Dsat,时,漏极被夹断,而后,V,DS,增大，,I,DS,达到饱和,.,TFT的工作原理一、MOS晶体管工作原理回顾当|VGS|,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,.,工作于积累状态下原理示意图,TFT,的工作原理,工作原理：与MOSFET相似,TFT也是通过栅电压来调节沟道,TFT,的,I-V,描述,在线性区,沟道区栅诱导电荷可表示为,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,.,（,1,）,.,（,2,）,(1),代入,(2),，积分可得：,.,（,3,）,当,V,d,V,g,-,V,th,),将,V,d,V,g,-,V,th,代入,(3),式可得：,.,（,4,）,TFT的I-V描述在线性区,沟道区栅诱导电荷可表示为在忽略扩,p-Si TFT,的电特性,1.TFT,电特性测试装置,p-Si,高掺杂,p-Si,p-Si TFT的电特性1.TFT电特性测试装置p-Si高,2.p-Si TFF,器件典型的输出和转移特性曲线,转移特性反映,TFT,的开关特性,V,G,对,I,D,的控制能力,.,输出特性反映,TFT,的饱和行为,.,特性参数：迁移率、开关电流比、关态电流、阈值电压、跨导,2.p-Si TFF器件典型的输出和转移特性曲线转移特性反,3.p-Si TFF,中的,Kink,效应,机理,:,高,V,D,（,V,D,V,Dsat,）时,夹断区因强电场引起碰撞电离所致,.,此时,I,D,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,.,3.p-Si TFF中的Kink 效应机理:高VD（V,4.Gate-bias Stress Effect(,栅偏压应力效应）,负栅压应力,正栅压应力,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,.,4.Gate-bias Stress Effect(栅,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,.,负栅压应力正栅压应力现象2：亚阈值摆幅(S)增大.,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),：,V,G,=V,D,=30 V,T=55,o,C;,应力作用产生缺陷态，引起,C-V,曲线漂移,.,5.p-Si TFF C-V特性下图为不同沟长TFT在应力,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,.,（,3,）采用高,k,栅介质,-,降低阈值电压和工作电压,.,（,2,）除氢技术,-,改善稳定性,.,（,4,）基于玻璃或塑料基底的低温工艺技术,(10,7,A-Si:H,沉积及掺杂,低温,玻璃塑料基底,低、有,光响应,p-Si TFT,100300,10,5,10,7,硅膜沉积、晶化、掺杂,高迁移率,高温,有光响应,小分子,TFT,0.110,10,4,10,6,蒸镀,高于聚合物,TFT,难大面积,有光响应,聚合物,TFT,0.011,10,3,10,5,旋涂、打印,低成本,易大面积,低,不稳定,有光响应,ZnO TFT,1100,10,5,10,8,溅射、,ALD,高,可见光透明,难大面积,不稳定,注,:,表中数据仅为典型值,.,TFT器件典型性能参数及特点比较开关电流比关键工艺优势不足a,TFT,的主要应用,1.LCD,、,OLED,显示有源驱动的关键器件,右图为简单的两管组成的模拟驱动方式，通过调制驱动管,T2,的栅极电流来控制流过,OLED,的电流，从而达到调节发光亮度的目的。,T1,管为寻址管。写信号时，扫描线处于低电位，,T1,导通态，数据信号存到电容,C1,上；显示时，扫描线处于高电位，,T2,受存储电容,C1,上的电压控制，使,OLED,发光,.,OTFT-OLED,单元,TFT的主要应用1.LCD、OLED显示有源驱动的关键器,半导体器件物理PPT课件,柔性基底上制备的超高频,RFCPU,芯片,主要性能指标：,工艺指标：,2.,基于,TFT,的数字逻辑集成电路,RF,频率：,915 MHz,编码调制方式：脉宽调制,数据速率：,70.18 kbits/s,CPU,时钟：,1.12 MHz,ROM:4 kB,RAM:512 B,0.8 m,多晶硅,TFT,工艺,晶体管数目：,144k,芯片面积：,10.5*8.9 mm,2,柔性基底上制备的超高频RFCPU芯片主要性能指标：工艺指标：,基于有机,TFT,的全打印,7,阶环形振荡器电路,基于有机TFT的全打印7阶环形振荡器电路,全打印技术制备,n,、,p,沟,TFT,全打印技术制备n、p沟TFT,3.,敏感元件，如：气敏、光敏、,PH,值测定,N,2,O,气体环境,N2O Gas Sensors,原理图,溶液,PH,值测定原理图,Phototransistor,结构图,3.敏感元件，如：气敏、光敏、PH值测定N2O气体环境N,思 考 题,1.,了解薄膜晶体管基本结构、工作原理,.,2.,掌握薄膜晶体管电性能的测试及参数提取,.,3.,了解,p-Si TFT,的主要效应及机理,.,4.,掌握,p-Si TFT,制备工艺流程,.,5.,了解非晶硅薄膜晶化的方法及特点,.,6.,了解不同类型薄膜晶体管性能和工艺上优势和不足,.,7.,了解薄膜晶体管的主要应用,.,思 考 题1.了解薄膜晶体管基本结构、工作原理.,祝大家工作顺利，身体健康！,祝大家工作顺利，身体健康！,