MOSFET原理及应用解读课件.ppt

1、姓名：张琰学号：2014260646 MOSFET简介简介MOSFET基本结构及类型基本结构及类型MOSFET工作原理工作原理MoS2 MOSFET 1 在电力电子行业的发展过程中，半导体器件起到了关键在电力电子行业的发展过程中，半导体器件起到了关键性作用。其中，金属氧化物半导体场效应晶体管性作用。其中，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)(MOSFET)由由于其在模拟电路与数字电路中的广泛应用而受到极大关注。于其在模拟电路与数字电路中的广泛应用而受到极大关注。以以MOSFETMOSFET的命名来看，事实上会让人得到错误的印象。早期的命名来看，事实上会让人得到错误的印象。早期金氧半场效

2、晶体管栅极使用金属作为材料，但由于多晶硅在金氧半场效晶体管栅极使用金属作为材料，但由于多晶硅在制造工艺中更耐高温等特点，许多金氧半场效晶体管栅极采制造工艺中更耐高温等特点，许多金氧半场效晶体管栅极采用后者而非前者金属。然而，随着半导体特征尺寸的不断缩用后者而非前者金属。然而，随着半导体特征尺寸的不断缩小，金属作为栅极材料最近又再次得到了研究人员的关注小，金属作为栅极材料最近又再次得到了研究人员的关注1-1-33。2沟道中导电的载流子类型N沟道（P型衬底）P沟道（N型衬底）强反型时，导电沟道中的电子漂移运动形成电流强反型时，导电沟道中的空穴漂移运动形成电流VGS0时，是否有导电沟道增强型耗尽型V

3、G0时，无导电沟道VG0时，有导电沟道(导电沟道是反型层，故与衬底的类型是相反的导电沟道是反型层，故与衬底的类型是相反的)2种分类方法：种分类方法：3MOSFET核心：核心：栅极(Gate)多晶硅(Polycrystalline Silicon)P型半导体(P-type Semiconductor)氧化层(Oxide)SiO2 Si基极(Bulk)图1 金属-氧化物-半导体结构 当一个电压施加在当一个电压施加在MOSMOS电容的电容的两端时，半导体的电荷分布也会跟两端时，半导体的电荷分布也会跟着改变。考虑一个着改变。考虑一个p p型的半导体型的半导体(空空穴浓度为穴浓度为N NA A)形成的形

4、成的MOSMOS电容，当一电容，当一个正的电压个正的电压V VGBGB施加在栅极与基极施加在栅极与基极端时，空穴的浓度会减少，电子的端时，空穴的浓度会减少，电子的浓度会增加。当浓度会增加。当V VGBGB够强时，接近够强时，接近栅极端的电子浓度会超过空穴。这栅极端的电子浓度会超过空穴。这个在个在p-typep-type半导体中，电子浓度半导体中，电子浓度（带负电荷）超过空穴（带正电荷）（带负电荷）超过空穴（带正电荷）浓度的区域，便是所谓的反型层浓度的区域，便是所谓的反型层(inversion layer)(inversion layer)。4B衬底电极n+n+S源极G栅极D漏极硅晶体图2 MO

5、SFET基本结构PSiO2绝缘层 图图1 1是典型平面是典型平面N N沟道增强型沟道增强型NMOSFETNMOSFET的截面图。如前所述，的截面图。如前所述，MOSFETMOSFET的核心是位于中央的的核心是位于中央的MOSMOS电容电容,而左右两侧则是它的源极与漏极。而左右两侧则是它的源极与漏极。当一个正电压施加在栅极上，带负当一个正电压施加在栅极上，带负电的电子就会被吸引至表面，形成电的电子就会被吸引至表面，形成沟道，让沟道，让n-typen-type半导体的多数载流半导体的多数载流子子电子可以从源极流向漏极。如果这个电压被移除，或是放电子可以从源极流向漏极。如果这个电压被移除，或是放上一

6、个负电压，那么沟道就无法形成，载流子也无法在源极与上一个负电压，那么沟道就无法形成，载流子也无法在源极与漏极之间流动，也就是可以通过栅极的电压控制沟道的开关。漏极之间流动，也就是可以通过栅极的电压控制沟道的开关。5 基于基于“表面场效应表面场效应”原理：原理：利用栅源电压的大小，来改利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。6PNNGSDVDSVGSVGS=0时时D-S 间相当于两间相当于两个反接的个反接的PN结结ID=0对应截止区对应截止区工作原理工作原理(以以N N沟道增强型为例沟道增强型为例):7PNN

7、GSDVDSVGSVGS0时时VGS足够大时（足够大时（VGS VT）感应出足够）感应出足够多电子，这里出现多电子，这里出现以电子导电为主的以电子导电为主的N型导电沟道。型导电沟道。感应出电子感应出电子VT称为开启电压称为开启电压8VGS较小时，导电较小时，导电沟道相当于电阻将沟道相当于电阻将D-S连接起来，连接起来，VGS越大此电阻越小。越大此电阻越小。PNNGSDVDSVGS9PNNGSDVDSVGS当当VDS不太大时，不太大时，导电沟道在两个导电沟道在两个N区间是均匀的。区间是均匀的。当当VDS较大时，较大时，靠近靠近D区的导电区的导电沟道变窄。沟道变窄。10PNNGSDVDSVGSID

8、VDS增加，增加，VGD=VT 时，靠时，靠近近D端的沟道被夹断，称端的沟道被夹断，称为予夹断。为予夹断。夹断后，即使夹断后，即使VDS 继续增加，继续增加，ID仍呈恒流特仍呈恒流特性性。11特性曲线特性曲线(N(N沟道增强型沟道增强型MOSMOS管管):IDU DSUGS=5V3V可变电可变电阻区阻区04V线性放线性放大区大区击穿区击穿区12 近年来，近年来，MoSMoS2 2材料因其优越的电学、光学和催化性能及干材料因其优越的电学、光学和催化性能及干润滑的功能而受到人们的广泛关注和研究。润滑的功能而受到人们的广泛关注和研究。MoSMoS2 2薄膜与现在研薄膜与现在研究最为广泛的纳米材料石墨

9、烯同是层状结构，二者具有非常究最为广泛的纳米材料石墨烯同是层状结构，二者具有非常相近的性质，但是由于石墨烯无禁带的特点难以应用于晶体相近的性质，但是由于石墨烯无禁带的特点难以应用于晶体管，而以管，而以MoSMoS2 2薄膜作为沟道材料的场效应晶体管则由于其高的薄膜作为沟道材料的场效应晶体管则由于其高的开关比和几乎接近理论值的亚阈值摆幅而受到广泛的研究开关比和几乎接近理论值的亚阈值摆幅而受到广泛的研究4-84-8。B.RadisavljevicB.Radisavljevic等人等人99研制出的以单层研制出的以单层MoSMoS2 2作为沟道材料的作为沟道材料的MOSFETMOSFET如图如图3 3

10、所示。所示。13图3 MoS2作为沟道材料的MOSFET914图4 单层MoS2 晶体管剖视图9 如图如图4 4所示，单层所示，单层MoSMoS2 2(厚厚6.5 6.5)被沉积于具有被沉积于具有270nm270nm厚厚SiOSiO2 2的简并掺杂的简并掺杂SiSi基体上。基体作为背栅极，两个金电极基体上。基体作为背栅极，两个金电极分别作源极和漏极。单层分别作源极和漏极。单层MoSMoS2 2与栅极之间被厚与栅极之间被厚30nm30nm的以原的以原子层沉积法生长出的子层沉积法生长出的SiOSiO2 2隔开，通过向栅极加电压隔开，通过向栅极加电压V Vtgtg,同时同时保持基体接地，可以很好地控

11、制局部电流密度。保持基体接地，可以很好地控制局部电流密度。151Jung-Hae Choi,Kwang-Duk Na,Seung-Cheol Lee,Cheol Seong Hwang,Thin Solid Films,518(2010)6373.2 S.J.Koester,R.Hammond,J.O.Chu,IEEE Electron Device Lett.21(2000)110.3 G.Hock,T.Hackbarth,U.Erben,E.Kohn,U.Konig,Electron.Lett.34(1998)1888.4 Radisavljevic,B.,Radenovic,A.,Bri

12、vio,J.,Giacometti,V.&Kis,A.Single-layer MoS2 transistors.Nature Nanotech.6,147-150(2011).5 Radisavljevic,B.,Whitwick,M.B.&Kis,A.Integrated circuits and logic operations based on single-layer MoS2.ACS Nano 5,9934-9938(2011).6 Wang,H.et al.Integrated circuits based on bilayer MoS2 transistors.Nano Let

13、t.12,4674-4680(2012).7 Lee,H.S.et al.MoS2 nanosheet phototransistors with thickness-modulated optical energy gap.Nano Lett.12,3695-3700(2012).8 Yoon,Y.,Ganapathi,K.&Salahuddin,S.How good can monolayer MoS2 transistors be?Nano Lett.11,3768-3773(2011).9 B.Radisavljevic,A.Radenovic,J.Brivio,V.Giacometti and A.Kis,Nature Nanotech.6(2011)147.116