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基于指数陷阱态密度的薄膜晶体管的解析模型

作　者: 何红宇
导　师: 郑学仁
学　校: 华南理工大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 多晶硅非晶硅铟镓氧化锌薄膜晶体管陷阱态密度
分类号: TN321.5
类　型: 博士论文
年　份: 2011年
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内容摘要

薄膜晶体管(TFT)广泛应用于有源驱动的液晶(AM-LCD)和有机发光二极管(OLED)等平板显示器。建立这些器件力求准确的仿真模型,对于平面显示面板的可制造设计或以其作为负载的驱动IC设计仿真,都有重要意义。沟道中存在陷阱态,其密度在带隙中呈指数分布特点,使得TFT表现出独特的电学特性。本文分别对多晶硅(poly-Si) TFT、非晶硅(a-Si) TFT和非晶铟镓氧化锌(a-IGZO) TFT的电特性进行深入研究,力求给出与Pao-Sah模型一致的解析的TFT模型。对于poly-Si TFT,陷阱态密度较小。在亚阈区,自由电荷浓度小于陷落于陷阱态的电荷浓度,在开启区,自由电荷浓度大于陷落电荷浓度。陷阱态主要集中在晶粒间界处,因此载流子的输运机理涉及到晶粒间界势垒高度决定的有效迁移率和陷落于晶粒间界陷阱的电荷这两个方面。本文从以下两个角度来进行建模:1)以低漏压下有效迁移率数据作为有效迁移率,Pao-Sah模型作为衡量电荷的标准,对本征沟道TFT,首次给出了与Pao-Sah模型一致的亚阈区和开启区电流模型。在亚阈区,发现其亚阈电流主要由漂移电流成分决定,扩散电流成分在亚阈区可以忽略,这与MOSFET中的情况截然不同;在开启区,发现陷落电荷随着栅压的增大而增大,本文定义其为“陷落电荷效应”;还有,对掺杂沟道TFT,考虑陷落电荷效应,首次给出了与Pao-Sah模型一致的开启区电流和栅电容模型。2)沟道中沿源漏方向感生电荷的非均匀性引起晶粒间界势垒高度的非均匀性,会导致非均匀分布的载流子迁移率,即有效沟道迁移率。本文首次把有效沟道迁移率和陷落电荷效应结合起来,运用多项式拟合低漏压下的有效迁移率,得到解析的开启区电流模型。对于a-Si TFT,陷阱态密度较大。无论在亚阈区还是在开启区,自由电荷浓度都远小于陷落电荷浓度。本文定义其阈值电压为,在栅氧/沟道界面,陷落于深能态的电荷浓度与陷落于带尾态的电荷浓度相等时对应的栅压;并且考虑到其带尾态的特征温度小于300 K,引入参数来描述陷落电荷随着栅压的增大而增大,首次给出了与Pao-Sah模型一致的解析的开启区电流模型。对于a-IGZO,陷阱态密度也较大。考虑到其带尾态的特征温度大于300 K,从数学上很难得到与Pao-Sah模型一致的解析的电流模型。本文采用薄层电荷近似,首先给出了对亚阈区和开启区都有效的基于表面势的紧凑模型;然后对开启区的电流表达式进行泰勒展开,给出了基于阈值电压的电流表达式。分析了poly-Si TFT中的热载流子效应。直流电压应力对poly-Si TFT转移特性的影响表现在,热载流子应力仅仅增大带尾态密度,而自热应力则同时增大深能态和带尾态密度;当poly-Si TFT工作在饱和区时,考虑到热载流子的杂质离化机理,给出了翘曲(kink)效应解析的模型。

全文目录

摘要  5-7
ABSTRACT  7-15
符号表  15-16
缩略词  16-17
第一章绪论  17-26
  1.1 研究背景  17-18
  1.2 poly-Si TFT 建模的研究进展  18-23
    1.2.1 陷阱态密度  18-19
    1.2.2 电荷分布  19-20
    1.2.3 有效迁移率  20-21
    1.2.4 模型研究进展  21-23
  1.3 非晶TFT 建模的研究进展  23
  1.4 TFT 建模中的热点问题  23-25
  1.5 本文的主要内容  25
  1.6 本章小结  25-26
第二章本征沟道poly-Si TFT 的亚阈区和开启区电流模型  26-41
  2.1 引言  26
  2.2 低场有效迁移率  26-28
  2.3 Pao-Sah 模型和薄层电荷模型  28-30
    2.3.1 Pao-Sah 模型  28-29
    2.3.2 薄层电荷模型  29-30
  2.4 解析模型  30-39
    2.4.1 亚阈区  30-33
    2.4.2 开启区  33-39
  2.5 结果与讨论  39-40
  2.6 本章小结  40-41
第三章掺杂沟道poly-Si TFT 的开启区电流和栅电容模型  41-55
  3.1 引言  41
  3.2 Pao-Sah 模型和薄层电荷模型  41-43
    3.2.1 Pao-Sah 模型  41-43
    3.2.2 薄层电荷模型  43
  3.3 解析模型  43-50
    3.3.1 开启区电流模型  43-46
    3.3.2 开启区栅电容模型  46-50
  3.4 结果与讨论  50-54
  3.5 本章小结  54-55
第四章基于有效沟道迁移率poly-Si TFT 开启区电流模型  55-65
  4.1 引言  55
  4.2 开启区电流的数值计算  55-56
  4.3 基于多项式拟合的解析方法  56-60
  4.4 结果与讨论  60-64
  4.5 本章小结  64-65
第五章 a-Si TFT 的开启区电流模型  65-75
  5.1 引言  65
  5.2 Pao-Sah 模型  65-68
  5.3 解析模型  68-74
  5.4 结果与讨论  74
  5.5 本章小结  74-75
第六章 a-IGZO TFT 的亚阈区和开启区电流模型  75-83
  6.1 引言  75
  6.2 基于表面势的亚阈区和开启区电流模型  75-77
  6.3 基于阈值电压的开启区电流模型  77-78
  6.4 结果与讨论  78-82
  6.5 本章小结  82-83
第七章热载流子相关的直流电压应力可靠性及kink 效应  83-93
  7.1 引言  83
  7.2 Poly-Si TFT 的直流电压应力可靠性  83-88
    7.2.1 Pao-Sah 模型  83-88
    7.2.2 结果与讨论  88
  7.3 Poly-Si TFT 的Kink 效应  88-92
    7.3.1 解析模型  89-92
    7.3.2 结果与讨论  92
  7.4 本章小结  92-93
结论  93-95
参考文献  95-105
附录  105-120
攻读博士学位期间取得的研究成果  120-122
致谢  122-123
附件  123

基于指数陷阱态密度的薄膜晶体管的解析模型

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