MOSFET原理及應(yīng)用解讀課件

MOSFET原理及應(yīng)用姓名：張琰學(xué)號：20142606462022/12/101MOSFET原理及應(yīng)用姓名：張琰2022/12/101

內(nèi)容★

MOSFET簡介★

MOSFET基本結(jié)構(gòu)及類型★

MOSFET工作原理★

MoS2MOSFET

12022/12/102內(nèi)容12022在電力電子行業(yè)的發(fā)展過程中，半導(dǎo)體器件起到了關(guān)鍵性作用。其中，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)由于其在模擬電路與數(shù)字電路中的廣泛應(yīng)用而受到極大關(guān)注。以MOSFET的命名來看，事實(shí)上會讓人得到錯(cuò)誤的印象。早期金氧半場效晶體管柵極使用金屬作為材料，但由于多晶硅在制造工藝中更耐高溫等特點(diǎn)，許多金氧半場效晶體管柵極采用后者而非前者金屬。然而，隨著半導(dǎo)體特征尺寸的不斷縮小，金屬作為柵極材料最近又再次得到了研究人員的關(guān)注[1-3]。MOSFET簡介22022/12/103在電力電子行業(yè)的發(fā)展過程中，半導(dǎo)體器件起到了關(guān)鍵性作溝道中導(dǎo)電的載流子類型N溝道（P型襯底）P溝道（N型襯底）強(qiáng)反型時(shí)，導(dǎo)電溝道中的電子漂移運(yùn)動形成電流強(qiáng)反型時(shí)，導(dǎo)電溝道中的空穴漂移運(yùn)動形成電流VGS＝0時(shí)，是否有導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型耗盡型VG＝0時(shí)，無導(dǎo)電溝道VG＝0時(shí)，有導(dǎo)電溝道(導(dǎo)電溝道是反型層，故與襯底的類型是相反的)2種分類方法：MOSFET基本結(jié)構(gòu)及類型32022/12/104溝道中導(dǎo)電的N溝道P溝道強(qiáng)反型時(shí)，導(dǎo)電溝道中的電子漂移運(yùn)動形MOSFET基本結(jié)構(gòu)及類型MOSFET核心：柵極(Gate)多晶硅(PolycrystallineSilicon)P型半導(dǎo)體(P-typeSemiconductor)氧化層(Oxide)εSiO2εSi基極(Bulk)圖1金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

當(dāng)一個(gè)電壓施加在MOS電容的兩端時(shí)，半導(dǎo)體的電荷分布也會跟著改變。考慮一個(gè)p型的半導(dǎo)體(空穴濃度為NA)形成的MOS電容，當(dāng)一個(gè)正的電壓VGB施加在柵極與基極端時(shí)，空穴的濃度會減少，電子的濃度會增加。當(dāng)VGB夠強(qiáng)時(shí)，接近柵極端的電子濃度會超過空穴。這個(gè)在p-type半導(dǎo)體中，電子濃度（帶負(fù)電荷）超過空穴（帶正電荷）濃度的區(qū)域，便是所謂的反型層(inversionlayer)。42022/12/105MOSFET基本結(jié)構(gòu)及類型MOSFET核心：柵極(GateB襯底電極MOSFET基本結(jié)構(gòu)及類型n+n+S源極G柵極D漏極硅晶體圖2MOSFET基本結(jié)構(gòu)PSiO2絕緣層

圖1是典型平面N溝道增強(qiáng)型NMOSFET的截面圖。如前所述，MOSFET的核心是位于中央的MOS電容,而左右兩側(cè)則是它的源極與漏極。當(dāng)一個(gè)正電壓施加在柵極上，帶負(fù)電的電子就會被吸引至表面，形成溝道，讓n-type半導(dǎo)體的多數(shù)載流子—電子可以從源極流向漏極。如果這個(gè)電壓被移除，或是放上一個(gè)負(fù)電壓，那么溝道就無法形成，載流子也無法在源極與漏極之間流動，也就是可以通過柵極的電壓控制溝道的開關(guān)。52022/12/106B襯底電極MOSFET基本結(jié)構(gòu)及類型n+n+S源極G柵極D漏MOSFET工作原理

基于“表面場效應(yīng)”原理：利用柵源電壓的大小，來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。62022/12/107MOSFET工作原理基于“表面場效應(yīng)”原理：利用柵源MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSVGS=0時(shí)D-S間相當(dāng)于兩個(gè)反接的PN結(jié)ID=0對應(yīng)截止區(qū)工作原理(以N溝道增強(qiáng)型為例):72022/12/108MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSVGS=0時(shí)D-MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSVGS>0時(shí)VGS足夠大時(shí)（VGS

>VT）感應(yīng)出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主的N型導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子VT稱為開啟電壓82022/12/109MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSVGS>0時(shí)VGMOSFET工作原理VGS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S連接起來，VGS越大此電阻越小。PNNGSDVDSVGSMOSFET工作原理92022/12/1010MOSFET工作原理VGS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-SMOSFET工作原理PNNGSDVDSVGS當(dāng)VDS不太大時(shí)，導(dǎo)電溝道在兩個(gè)N區(qū)間是均勻的。當(dāng)VDS較大時(shí)，靠近D區(qū)的導(dǎo)電溝道變窄。102022/12/1011MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGS當(dāng)VDS不太大時(shí)MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSIDVDS增加，VGD=VT時(shí)，靠近D端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。夾斷后，即使VDS繼續(xù)增加，ID仍呈恒流特性。112022/12/1012MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSIDVDS增加，MOSFET工作原理特性曲線(N溝道增強(qiáng)型MOS管):IDUDSUGS=5V3V可變電阻區(qū)04V線性放大區(qū)擊穿區(qū)122022/12/1013MOSFET工作原理特性曲線(N溝道增強(qiáng)型MOS管):IDUMOS2MOSFET近年來，MoS2材料因其優(yōu)越的電學(xué)、光學(xué)和催化性能及干潤滑的功能而受到人們的廣泛關(guān)注和研究。MoS2薄膜與現(xiàn)在研究最為廣泛的納米材料石墨烯同是層狀結(jié)構(gòu)，二者具有非常相近的性質(zhì)，但是由于石墨烯無禁帶的特點(diǎn)難以應(yīng)用于晶體管，而以MoS2薄膜作為溝道材料的場效應(yīng)晶體管則由于其高的開關(guān)比和幾乎接近理論值的亞閾值擺幅而受到廣泛的研究[4-8]。B.Radisavljevic等人[9]研制出的以單層MoS2作為溝道材料的MOSFET如圖3所示。132022/12/1014MOS2MOSFET近年來，MoS2材料因其優(yōu)越的電MOS2MOSFET圖3MoS2作為溝道材料的MOSFET[9]142022/12/1015MOS2MOSFET圖3MoS2作為溝道材料的MOSFEMOS2MOSFET圖4單層MoS2晶體管剖視圖[9]如圖4所示，單層MoS2(厚6.5?)被沉積于具有270nm厚SiO2的簡并摻雜Si基體上?；w作為背柵極，兩個(gè)金電極分別作源極和漏極。單層MoS2與柵極之間被厚30nm的以原子層沉積法生長出的SiO2隔開，通過向柵極加電壓Vtg,同時(shí)保持基體接地，可以很好地控制局部電流密度。152022/12/1016MOS2MOSFET圖4單層MoS2晶體管剖視圖[9]參考文獻(xiàn)[1]Jung-HaeChoi,

Kwang-DukNa,Seung-CheolLee,CheolSeongHwang,ThinSolidFilms,518(2010)6373.[2]S.J.Koester,R.Hammond,J.O.Chu,IEEEElectronDeviceLett.21(2000)110.[3]G.Hock,T.Hackbarth,U.Erben,E.Kohn,U.Konig,Electron.Lett.34(1998)1888.[4]Radisavljevic,B.,Radenovic,A.,Brivio,J.,Giacometti,V.&Kis,A.Single-layer

MoS2transistors.NatureNanotech.6,147-150(2011).[5]Radisavljevic,B.,Whitwick,M.B.&Kis,A.Integratedcircuitsandlogic

operationsbasedonsingle-layerMoS2.ACSNano5,9934-9938(2011).[6]Wang,H.etal.IntegratedcircuitsbasedonbilayerMoS2transistors.NanoLett.

12,4674-4680(2012).[7]Lee,H.S.etal.MoS2nanosheetphototransistorswiththickness-modulated

opticalenergygap.NanoLett.12,3695-3700(2012).[8]Yoon,Y.,Ganapathi,K.&Salahuddin,S.HowgoodcanmonolayerMoS2

transistorsbe?NanoLett.11,3768-3773(2011).[9]B.Radisavljevic,A.Radenovic,J.Brivio,V.Giacometti

andA.Kis,NatureNanotech.6(2011)147.1162022/12/1017參考文獻(xiàn)[1]Jung-HaeChoi,Kwang-DuMOSFET原理及應(yīng)用姓名：張琰學(xué)號：20142606462022/12/1018MOSFET原理及應(yīng)用姓名：張琰2022/12/101

內(nèi)容★

MOSFET簡介★

MOSFET基本結(jié)構(gòu)及類型★

MOSFET工作原理★

MoS2MOSFET

12022/12/1019內(nèi)容12022在電力電子行業(yè)的發(fā)展過程中，半導(dǎo)體器件起到了關(guān)鍵性作用。其中，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)由于其在模擬電路與數(shù)字電路中的廣泛應(yīng)用而受到極大關(guān)注。以MOSFET的命名來看，事實(shí)上會讓人得到錯(cuò)誤的印象。早期金氧半場效晶體管柵極使用金屬作為材料，但由于多晶硅在制造工藝中更耐高溫等特點(diǎn)，許多金氧半場效晶體管柵極采用后者而非前者金屬。然而，隨著半導(dǎo)體特征尺寸的不斷縮小，金屬作為柵極材料最近又再次得到了研究人員的關(guān)注[1-3]。MOSFET簡介22022/12/1020在電力電子行業(yè)的發(fā)展過程中，半導(dǎo)體器件起到了關(guān)鍵性作溝道中導(dǎo)電的載流子類型N溝道（P型襯底）P溝道（N型襯底）強(qiáng)反型時(shí)，導(dǎo)電溝道中的電子漂移運(yùn)動形成電流強(qiáng)反型時(shí)，導(dǎo)電溝道中的空穴漂移運(yùn)動形成電流VGS＝0時(shí)，是否有導(dǎo)電溝道增強(qiáng)型耗盡型VG＝0時(shí)，無導(dǎo)電溝道VG＝0時(shí)，有導(dǎo)電溝道(導(dǎo)電溝道是反型層，故與襯底的類型是相反的)2種分類方法：MOSFET基本結(jié)構(gòu)及類型32022/12/1021溝道中導(dǎo)電的N溝道P溝道強(qiáng)反型時(shí)，導(dǎo)電溝道中的電子漂移運(yùn)動形MOSFET基本結(jié)構(gòu)及類型MOSFET核心：柵極(Gate)多晶硅(PolycrystallineSilicon)P型半導(dǎo)體(P-typeSemiconductor)氧化層(Oxide)εSiO2εSi基極(Bulk)圖1金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)

當(dāng)一個(gè)電壓施加在MOS電容的兩端時(shí)，半導(dǎo)體的電荷分布也會跟著改變?？紤]一個(gè)p型的半導(dǎo)體(空穴濃度為NA)形成的MOS電容，當(dāng)一個(gè)正的電壓VGB施加在柵極與基極端時(shí)，空穴的濃度會減少，電子的濃度會增加。當(dāng)VGB夠強(qiáng)時(shí)，接近柵極端的電子濃度會超過空穴。這個(gè)在p-type半導(dǎo)體中，電子濃度（帶負(fù)電荷）超過空穴（帶正電荷）濃度的區(qū)域，便是所謂的反型層(inversionlayer)。42022/12/1022MOSFET基本結(jié)構(gòu)及類型MOSFET核心：柵極(GateB襯底電極MOSFET基本結(jié)構(gòu)及類型n+n+S源極G柵極D漏極硅晶體圖2MOSFET基本結(jié)構(gòu)PSiO2絕緣層

圖1是典型平面N溝道增強(qiáng)型NMOSFET的截面圖。如前所述，MOSFET的核心是位于中央的MOS電容,而左右兩側(cè)則是它的源極與漏極。當(dāng)一個(gè)正電壓施加在柵極上，帶負(fù)電的電子就會被吸引至表面，形成溝道，讓n-type半導(dǎo)體的多數(shù)載流子—電子可以從源極流向漏極。如果這個(gè)電壓被移除，或是放上一個(gè)負(fù)電壓，那么溝道就無法形成，載流子也無法在源極與漏極之間流動，也就是可以通過柵極的電壓控制溝道的開關(guān)。52022/12/1023B襯底電極MOSFET基本結(jié)構(gòu)及類型n+n+S源極G柵極D漏MOSFET工作原理

基于“表面場效應(yīng)”原理：利用柵源電壓的大小，來改變半導(dǎo)體表面感生電荷的多少，從而控制漏極電流的大小。62022/12/1024MOSFET工作原理基于“表面場效應(yīng)”原理：利用柵源MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSVGS=0時(shí)D-S間相當(dāng)于兩個(gè)反接的PN結(jié)ID=0對應(yīng)截止區(qū)工作原理(以N溝道增強(qiáng)型為例):72022/12/1025MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSVGS=0時(shí)D-MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSVGS>0時(shí)VGS足夠大時(shí)（VGS

>VT）感應(yīng)出足夠多電子，這里出現(xiàn)以電子導(dǎo)電為主的N型導(dǎo)電溝道。感應(yīng)出電子VT稱為開啟電壓82022/12/1026MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSVGS>0時(shí)VGMOSFET工作原理VGS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-S連接起來，VGS越大此電阻越小。PNNGSDVDSVGSMOSFET工作原理92022/12/1027MOSFET工作原理VGS較小時(shí)，導(dǎo)電溝道相當(dāng)于電阻將D-SMOSFET工作原理PNNGSDVDSVGS當(dāng)VDS不太大時(shí)，導(dǎo)電溝道在兩個(gè)N區(qū)間是均勻的。當(dāng)VDS較大時(shí)，靠近D區(qū)的導(dǎo)電溝道變窄。102022/12/1028MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGS當(dāng)VDS不太大時(shí)MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSIDVDS增加，VGD=VT時(shí)，靠近D端的溝道被夾斷，稱為予夾斷。夾斷后，即使VDS繼續(xù)增加，ID仍呈恒流特性。112022/12/1029MOSFET工作原理PNNGSDVDSVGSIDVDS增加，MOSFET工作原理特性曲線(N溝道增強(qiáng)型MOS管):IDUDSUGS=5V3V可變電阻區(qū)04V線性放大區(qū)擊穿區(qū)122022/12/1030MOSFET工作原理特性曲線(N溝道增強(qiáng)型MOS管):IDUMOS2MOSFET近年來，MoS2材料因其優(yōu)越的電學(xué)、光學(xué)和催化性能及干潤滑的功能而受到人們的廣泛關(guān)注和研究。MoS2薄膜與現(xiàn)在研究最為廣泛的納米材料石墨烯同是層狀結(jié)構(gòu)，二者具有非常相近的性質(zhì)，但是由于石墨烯無禁帶的特點(diǎn)難以應(yīng)用于晶體管，而以MoS2薄膜作為溝道材料的場效應(yīng)晶體管則由于其高的開關(guān)比和幾乎接近理論值的亞閾值擺幅而受到廣泛的研究[4-8]。B.Radisavljevic等人[9]研制出的以單層MoS2作為溝道材料的MOSFET如圖3所示。132022/12/1031MOS2MOSFET近年來，MoS2材料因其優(yōu)越的電MOS2MOSFET圖3MoS2作為溝道材料的MOSFET[9]142022/12/1032MOS2MOSFET圖3MoS2作為溝道材料的MOSFEMOS2MOSFET圖4單層MoS2晶體管剖視圖[9]如圖4所示，單層MoS2(厚6.5?)被沉積于具有270nm厚SiO2的簡并摻雜Si基體上?；w作為背柵極，兩個(gè)金電極分別作源極和漏極。單層MoS2與柵極之間被厚30nm的以原子層沉積法生長出的SiO2隔開，通過向柵極加電壓Vtg,同時(shí)保持基體接地，可以很好地控制局部電流密度。152022/12/1033MOS2MOSFET圖4單層MoS2晶體管剖視圖[9]參考文獻(xiàn)[1]Jung-HaeChoi,

Kwang-DukNa,Seung-CheolLee,CheolSeongHwang,ThinSolidFilms,518(2010)6373.[2]S.J.Koester,R.Hammond,J.O.Chu,IEEEElectronDeviceLett.21(2000)110.[3]G.Hock,T.Hackbarth,U.Erben,E.Kohn,U.Konig,Electron.Lett.34(1998)1888.[4]