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성균관대 정보통신공학부 이준신교수
디스플레이공학
Chapter 2. 전계효과트랜지스터(FET)
1. MOSFET 학습 필요성
2. MOS 커패시터
3. MOSFET 동작원리
4. TFT와 MOSFET의 비교
5. 전계효과 트랜지스터의 응용
성균관대 정보통신공학부 이준신교수
디스플레이공학
전계효과트랜지스터(FET) 학습 필요성
S
S
D OFF
G
VDS
VG
ID
VG < VT
VDS > 0
p-기판
n+ n+
S D
depletion 층
M
O
S
D ON
VG < VT
VG > VT
S
S
D OFF
G
VDS
VG
ID
VDS
VG
ID
VG < VT
VDS > 0
p-기판
n+ n+
S D
depletion 층
M
O
S
D ON
VG < VT
VG > VT
성균관대 정보통신공학부 이준신교수
디스플레이공학
기초학습 (에너지 벤드와 전하)
- 원자의 "core" :그림에서의 전자 중 10개는 아주 깊은 준위의 에너지를 가지고 원자의 핵에 단단히 구속되어 있으며, 화학반응이나 보통의 원자간 반응에도 방해 받지 않고 남아 있는전자들.
- 가전자들(valence electrons) :나머지 4개의 실리콘 원자들은 비교적 약하게 구속되어 있으며 화학반응에 강하게 반응함
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결합 모델
-그림의 각 원들은 반도체 원자들의 핵을 나타낸 것이다.
-각 선들은 공유된 가전자들을 나타낸 것이다.
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근접원자 고립원자
충만대(VB)
(CB)
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실리콘의
에너지대구조
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캐리어 이동
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대역 간극과 물질의 분류
절연체 반도체
금속
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페르미 함수
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-에너지 E에서 얼마나 많은 준위들이 전자로써 채워지는가를 말한다.
(K) .
eV/K)10 8.617 (
.
,
1
1 )(
5-
F
/)(
켈빈온도
상수볼츠만
준위페르미혹은에너지페르미
여기에서
T
kk
E
eEf
kTEE F
-시스템의 온도가 0으로 접근하게 되면 페르미 에너지 EF에서 허용된 에너지가 정확히 제한되어 있다는 것이다.
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접합전
페르미준위일치시킴
접합후
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접합전
전하공핍개시
공간전하영역(SCR)형성
전하밀도분포도
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전위차
전계
공간전하밀도
불순물농도
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MOSFET의 구조
순방향 바이어스된 MOSFET의 단면도
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디스플레이공학MOSFET
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MOS CAPACITORWe need to describe the physics of one additional two
terminal device before we proceed to three terminal structures.
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• Bringing 3 materials into contact EF = constant just as
in PN junctions.
• Currents through SiO2 are very small (we must wait a long
time for equilibrium to be established or provide an
alternative path.
• Holes are at higher average energy in P silicon than metal(E
downward)
• holes metal on contact
• e- silicon on contact
• bands will bend down in silicon at surface( )SM
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Abrupt transition in Ec and Ev
levels at material interfaces.
Potential drop of 0.6eV across SiO2.
This is a typical value and depends on EF
in Si. This potential can be supported
because no current flows through SiO2.
Substantial barriers exist to current
flow S -> M and M -> S
Depletion region exists near the surface
because EF is further from Ev than in the
bulk
Applied V=0
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디스플레이공학S
F20Accuml. Depl. Inversion
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C-V Characteristics
A)
B)
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C)
If we consider condition B)
i.e. depletion, then
Q = QG = -Qs = -qNDxD
xD = width of depletion region
ND = donor concentration/cm3
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+
VGG
+
VD
ID
+
VB
B
n+ n+
S
p substrateL
Z
x
z
y
MOSFET (3-D)
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VG < 0
VDS = 0
p-기판
n+ n+
S D
holeaccmulation
VG <0
VS
Cox
VG (V)
Id (mA)
VG (V)
C (nF)
VDS (V)
Id (mA)G
D
Ef
e e e ee
S
Ef
eeee e
MOSFET (축적모드)
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MOSFET (공핍모드)
VG < VT
VDS > 0
p-기판
n+ n+
S D
depletion 층
VG
VS
Cox
Cd
G
DS
Ec
Ev
Ef
VG (V)
C (nF)
- - -- - --
Fs 2
e e e ee
e e e ee
VG (V)
Id (mA)
VDS (V)
Id (mA)
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MOSFET (반전모드)
VG > VT
p-기판
n+ n+
S D
Inversion 층(electron)
VG
VS
Cox
Cd, min
VG (V)
C (nF)
- - -- - --- - -- - --
G
Ec
Ev
Ef
S
Fs 2e e e ee
VDS <V DS, Sat
e e e eee e e ee
VG (V)
(mA)
VDS (V)
Id (mA)
VG1 >V T
VG2 >V G1
VG3 >V G2
V T
dI
D
Ef
e e e ee
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n+ n+
VG > VT
W = WT
ID
VD > 0
W > Wo
WoW > WT
n+ n+
VG > VT
W = WT
ID
VD = 0
W0
MOSFET (포화)
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MOSFET (포화)
VG
VS
Cox
Cd, min
VG (V)
C (nF)
Ec
Ev
Ef
Ec
Ev
Fs 2
G
D
Se e e ee
e e e ee
e e e ee
VG (V)
Id (mA)
VDS (V)
Id (mA)
VG1 >V T
VG2 >V G1
VG3 >V G2
순방향INJECTIO
Np-si
n+ n+
SiO2
+
+
+
– –
VS=0VG
VD
ID
+
–
– –
––
– –
–
DEPLETION
경계
– –
+++
–– –+
+
rj
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+VD
The voltage drop across an elemental length of channel is simply :
VD
QIQB
I-V Characteristics
The depletion region is wider around the drain because of the applied
voltage
The potential along the channel varies from to 0 between D and S.
The channel charge and the bulk charge will in general be f(y)
because of the influence of the drain voltage i.e. potential varies along
channel length.
(y)W
dydRdV
QμI
IIn
D
D
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디스플레이공학This What happens for VD>VDSAT ?
e- travel along in the inversion layer and
are injected into the depletion region.
There the high field pulls them into
the drain.
Further increases of VD do not change I
(to first order)
I= constant for VD > VDSAT
The boundary between the linear and
saturation regions is described by
More exactly, letting QI(y=L)=0 (which
defines channel pinch off) gives
VG -VTH = VD.
][0
2
0
2
0
0)(2
112NkVVC
CNk
VVVAS
FBGAS
FFBG q
q
DSAT
)(2
02 VVCI THGnL
W
DSAT
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B. Linear Region Conductance
)V(VCμR
g
VVIg
V)V(VCμI
THG0n
ONm
G
D
D
DTHG0nD
L
W1
const
L
W
c. Saturation Region Transconductance
region Linear )( ,L
W
m
constm
VVVCμg
VVIg
DDD0n
DG
D
SAT
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문턱전압 결정법 (선형영역, 포화영역)
I1
+V1
(K/2)1/2
VTs VG
ID1/2
I2
+V2
+V1 K
VTs VG
Gchannel
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표면 산란과 TFT 형 축적구조 MOSFET
n+ n+
p substrate
VG
ε
x
ε
y
p+ p+
++
+++++++
p substrate
n+ n+
++
-------
p substrate
-VB
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MOSFET
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TFT 구조와 전류-전압특성