2.1 场效应晶体管的工作原理
MOSFET由金属栅极(gate,G),绝缘层或半导体耗尽层、沟道、重掺杂欧姆(Ohm)接触的源极(source,S)和漏极(dra in,D)共同组成,如图2.1所示。根据绝缘层或半导体耗尽层和沟道的不同材料,可以形成MOS结构、p-n结、肖特基(Schottky)结和异质结场效应晶体管。
在两个欧姆接触的沟道源极和漏极之间是半导体传导沟道。栅极控制沟道的电流。栅极是一个高阻端子。
MOSFET的主要特点是在金属栅极与沟道之间有一层二氧化硅绝缘层,因此具有很高的输入电阻,最高可达1015Ω。图2.2所示是MOSFET的结构。MOSFET的沟道电流是由半导体和氧化物界面电荷反转引起的,这个电荷是由栅极电压控制的。
图2.1 场效应晶体管的一般结构
图2.2 MOSFET的结构
结型场效应管的导电沟道是一个可变电阻,外加电压改变导电沟道的几何尺寸,以改变导电沟道电阻的大小,从而达到控制漏极电流的目的。当漏源电压等于零时,栅源电压变化,导电沟道处处宽度相等;当漏源电压不等于零时,导电沟道呈楔状,靠近漏极处沟道较窄。
根据导电方式的不同,MOSFET又分增强型、耗尽型。增强型是指:当栅极与源极之间的电压VGS=0时管子呈截止状态,当栅极与源极之间加上适当的电压VGS后,多数载流子被吸引到栅极,从而“增强”了该区域的载流子,形成导电沟道。对增强型管,当栅源电压的绝对值增大到某一数值时,导电沟道就出现——称为开启,把这一状态时的栅源电压称为阈值电压Vth。对n-型沟道,Vth>0;对p-型沟道,Vth<0。
n-型沟道增强型MOSFET的工作原理和输出特性曲线如图2.3和图2.4所示,两图中VDS是漏极和源极之间的电压,ID为漏极电流。
图2.3 n-型沟道增强型MOSFET的工作原理
图2.4 n-型沟道增强型MOSFET的输出特性
耗尽型则是指,当VGS=0时即形成沟道,加上适当的VGS时,能使多数载流子流出沟道,因而“耗尽”了载流子,使管子转向截止。以n-型沟道为例,它是在p-型硅衬底上制成两个高掺杂浓度的源扩散区n+和漏扩散区n-,再分别引出源极S和漏极D。源极与衬底在内部连通,两者总保持等电位。n-型沟道耗尽型MOSFET的工作原理和输出特性曲线如图2.5和图2.6所示。
图2.5 n-型沟道耗尽型MOSFET的工作原理
图2.6 n-型沟道耗尽型MOSFET的输出特性
对结型器件的耗尽型管,当栅源电压的绝对值增大到某一数值时,导电沟道就消失——称为夹断,把这一状态时的栅源电压称为夹断电压VGS(off)。对n-型沟道,VGS(off)<0;对p-型沟道,VGS(off)>0。
场效应管的工作特性可以分成可变电阻区、恒流区、击穿区和夹断区。图2.7所示是n-型沟道结型场效应管的输出特性曲线。
●可变电阻区:场效应管工作在漏源电压VDS很小的区域。此时,导电沟道畅通,场效应管的漏源之间相当于一个电阻。在栅、源电压VGS一定时,沟道电阻也一定,ID随VGS增大而线性增大。但当栅源电压变化时,特性曲线的斜率也随之发生变化。
图2.7 n-型沟道结型MOSFET的输出特性曲线
●恒流区:随着VDS增大到一定程度,ID的增加变慢,以后ID基本恒定,而与漏源电压VDS无关,我们称这个区域为恒流区,也称为放大区。在恒流区,ID主要由栅源电压VGS决定。
●击穿区:如果继续增大VDS到一定值后,则漏极、源极之间会发生击穿,漏极电流ID急剧上升,若不加以限制,管子就会损坏。
●夹断区:当VGS负值增加到ID≈0,场效应管截止,这个电压就叫做夹断电压VGS(off)。
在VGS=0,VDS=10V时,测出的电流就是漏电流IDS。
MOSFET的输入电阻很高,而栅源极间电容又非常小,极易受外界电磁场或静电的感应而带电,而少量电荷就可在极间电容上形成相当高的电压(U=Q/C),将管子损坏。
非晶硅TFT场效应晶体管的工作原理原则上与MOSEFT相同;不同的是在玻璃衬底上制作非晶硅膜形成晶体管。迁移率非常低,只有0.1~1cm2·(V·s)-1(存在大量的局域态的电子)。n+区域的电子通过本征非晶硅层注入到沟道。
图2.8所示是非晶硅单管底栅TFT的结构。上方是TFT的两张电子显微镜照片。下方是单管底栅TFT的结构剖面示意图。TFT主要由金属栅极、栅极绝缘层(SiNx)、非晶硅层、n+非晶硅层、源极/漏极和保护层构成。
早期栅极一般采用金属铬(Cr)、铬的合金材料或钼钽(MoTa)合金,现在开始采用铝(Al)以及铝合金等材料制作,大屏幕液晶电视模块的栅极开始采用铜金属制作,屏幕越大,传输导线的电阻当然越小越好。栅极膜的总厚度一般控制在270nm,其中铝钕(AlNd)合金膜厚度为(2 000±400),钼铌(MoNb)合金膜厚度为(700±140),Al-Nd合金膜电阻R在5μΩ·cm以下,MoNb合金膜的电阻R在20μΩ·cm以下。
(a)单管TFT的电子显微镜照片
图2.8 单管底栅TFT的结构
栅极绝缘层结构有一层的,也有两层的。如果采用两层结构,第一层可以是SiO,SiNx或AlO,厚度在175~300nm左右,第二层一般采用氮化硅(SiNx),厚度在300nm左右。
非晶硅层或多晶硅层是TFT的核心层,我们把它称作有源层,膜厚为250nm左右。器件的电学特性和功能主要是由这一层材料的质量决定的。
n+非晶硅层是为了提高和改善半导体层和源极、漏极的欧姆结合而制作的半导体掺杂层。掺杂层的厚度约50nm。
源极、漏极一般采用铝合金或金属铝或金属铬制作。漏电极与数据信号线相接,源电极与像素电极相接。膜厚约427nm(上-Mo/Al/下-Mo=50/350/27.5nm),电极的方块电阻Rs一般要求在100mΩ·□-1(□是导电薄膜的方块电阻,定义为正方形薄膜的电阻率ρ与薄膜的厚度d之比。)以下。
像素电极是氧化铟掺杂了氧化锡杂质形成的透明导电膜(氧化铟锡SnO2∶In2O3;Indium Tin Oxide,ITO),简称ITO膜。ITO膜的厚度约40nm,方块电阻Rs在90Ω·□-1以下,可见光的透过率要求在95%以上。
图2.9 非晶硅TFT漏源电流IDS特性与栅源电压的关系
保护层和绝缘层一般采用氮化硅,膜厚约为200nm。
图2.9所示是非晶硅TFT漏源电流IDS特性与栅源电压的关系曲线。测试条件是漏极-源极电压VDS=+15V,栅极源极电压VGS=-15~+25V之间,背栅极电压VBG不固定。从此图中我们看到,在没有光线照射的情况下,在栅源电压VGS为+15V的开态,栅源电压VGS为-5V的关态,TFT的开态电流与关态电流之比在7个数量级的水平,管子开关特性很好。但是在2 000lx白光的照射下,如图中虚线所示,相同条件下关态电流迅速增大,使开态电流与关态电流之比减小到5个数量级,从而导致管子工作不稳定,这是采用窄禁带光敏半导体硅材料的固有缺陷。对于液晶显示器来说这是很糟糕的,因为液晶需要背光源照明。为了解决这个问题,在非晶硅TFT-LCD显示器中,一般采用背栅电极,挡住来自背光源的光照射。
图2.10 多晶硅TFT的结构
除了在玻璃基板上制作TFT-LCD以外,还有一种硅基板液晶显示器(liquid crystal on silicon,LCOS),是在单晶硅片上制作场效应晶体管,以控制液晶的光学性质,采用的是大规模半导体集成电路的工艺和设备。因为硅单晶的载流子的迁移率很高,因此场效应晶体管的体积可以做得很小,线宽也可以很窄,分辨率可以做得很高,适合于做高亮度的投影机。这种显示器都是反射式的,因此需要把金属栅极做在TFT的正上方,称作顶栅结构。
高温多晶硅和低温多晶硅TFT也采用LCOS的结构。图2.10所示是多晶硅TFT的结构。
免责声明:以上内容源自网络,版权归原作者所有,如有侵犯您的原创版权请告知,我们将尽快删除相关内容。