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基本結構 ( n- 通道 增強型 MOSFET) ： • 空乏型與增強型 MOSFETs 結構之 主要差異 － 汲極與源極端子間( n- 型摻雜區域間) 缺乏通道。

n- 型摻雜區域. 無通道. 金屬 接點 . ( Sub Strate) 基體. p - 型基體 有時內 ↓ s. SS. 矽基板. n- 型摻雜區域. § 6-8 增強型 MOSFET. • 轉移曲線 並不由 蕭克萊方程式 所定義 。 • I D 保持截止 而直到 V GS 達到某特性值 才導通 。( n -通道裝置 → V GS >0 ). 基本結構 ( n- 通道 增強型 MOSFET) ： • 空乏型與增強型 MOSFETs 結構之 主要差異 － 汲極與源極端子間( n-

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基本結構 ( n- 通道 增強型 MOSFET) ： • 空乏型與增強型 MOSFETs 結構之 主要差異 － 汲極與源極端子間( n- 型摻雜區域間) 缺乏通道。

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Presentation Transcript

  1. n-型摻雜區域 無通道 金屬 接點 (Sub Strate) 基體 p-型基體 有時內↓ s SS 矽基板 n-型摻雜區域 § 6-8 增強型 MOSFET • 轉移曲線 並不由 蕭克萊方程式 所定義。 • ID 保持截止 而直到 VGS 達到某特性值 才導通。(n-通道裝置→VGS >0) • 基本結構 (n-通道 增強型 MOSFET)： • •空乏型與增強型MOSFETs 結構之 • 主要差異 － 汲極與源極端子間(n- • 型摻雜區域間) 缺乏通道。 • •SiO2層 將閘極金屬層 與 汲極至源 • 極間的區域 隔開，且現在 僅與一 • 段p-型材料 隔開。 1

  2. 電子被吸引至正閘極 (感應 n-通道) 缺乏p型載子(電洞)區域 (VGS>0) 絕緣層 電洞被正閘極所排斥 註：臨限電壓VGS (Th) 或VT § 6-8 增強型 MOSFET • 基本操作： • (n-通道 增強型 MOSFET) • (1)VGS= 0，VDS>0，且SS端接S端 • ＝⇒n-型區域與p-型基體間形成兩個 • 逆向偏壓之p-n接面? • ＝⇒阻止汲極與源極間電流流通 • ＝⇒ID = 0A • (2)VT >VGS>0V，VDS>0V • ⇒VG ,VD >VS (G正電位) • ⇒①p-型基體之電洞沿著SiO2層邊緣 • 離開→缺乏電洞之空乏區 • ②電子(少數載子)被吸引至正閘極 • 並靠近SiO2層表面之區域累積 • ∴VGS↑→近SiO2層表面電子濃度↑ • (3)VGS≧VT>0V，VDS>0V • ⇒電子濃度↑至 感應n-通道 • ⇒D -S 間電流流通 ⇒ ID ⇈ 2

  3. 夾止(開始) 空乏區 p-型基體 (VDS↑>0V) (VGS>VT 且定值) § 6-8 增強型 MOSFET • (4)VGS>VT 且固定，VDS↑>0V • ⇒ID 終達 飽和值 • 原因：ID 平坦化 由於 感應通道之D • 端通道變窄之 夾止過程。 • 說明：0 >VDG↑=VDS↑小－VGS(定值)大 • ⇒VGD↓> 0 • ⇒感應通道電子之吸引力↓ • ⇒有效通道寬度↓ • ⇒夾止 • 特性： • (n-通道 增強型 MOSFET) • •”增強型”名稱由來：因VGS=0V 時通 • 道不存在，需外加VGS>0V電壓而“增 • 強”謂之。 • •”增強區 “ 為唯一操作模式。 3

  4. VDS sat 之軌跡 已知 ID (on)=10mA，VGS (on)=8V 將 VGS =4V 代入 ID = 0.278 × 10-3 (VGS－2V)2 = 0.278 × 10-3 (4V－2V)2 = 0.278 × 10-3 × 4 = 1.11mA 操 作 區 § 6-8 增強型 MOSFET •VDS sat 與VGS 關係：VDS sat↑＝VGS↑－VT(定值) •VGS <VT ⇒ID = 0mA(圖VT =2V) •VGS≧VT時，ID 與 VGS 之 非線性關係：ID ＝k (VGS－VT )2， 其中，k 項為一常數，是與裝置結構有關。 ID (on)與VGS (on)為裝置特性曲線上某一特殊點。 4

  5. 圖解法 操 作 區 § 6-8 增強型 MOSFET • 轉移 (輸出入關係) 特性曲線： • 汲極特性曲線 畫出轉移曲線 • (1) VGS <VT ⇒ ID = 0mA • (2) 對 n-通道 (感應)裝置 而言，VGS≧VT > 0 ⇒ ID > 0 • (3) 僅用到 飽和值 • (4) 操作區域 被限制於 VDS>VDS sat 5

  6. § 6-8 增強型 MOSFET • 利用 特定k與 VT值 畫出轉移曲線 • ∵k = 0.5×10-3；VT = 4V ⇒汲極電流方程式 ID = 0.5×10-3(VGS －4V)2 • (a) 在VGS = 0 ~ 4V 畫出 ID = 0mA 之水平線。 (因VGS ≦VT ⇒ID = 0mA) • (b) 將 VGS>VT 值 代入 ID 方程式。 (例：VGS = 5V) • ID = 0.5×10-3(5V－4V)2 = 0.5mA • (c) 代入 其他 VGS= 6V,7V,8V 值 ⇒ID= 2mA,4.5mA,8mA 6

  7. VGS≦VT 愈負 → ID↑ VGS愈負 → ID↑ 結構 轉移特性曲線 汲極特性曲線 § 6-8 增強型 MOSFET • p-通道 增強型 MOSFET： (與 n-通道 比 ) • (a) 結構相反，即有 n-型基體 且D 與 S 連接處 為 p-型區域。 • 所有 電壓極性 與 電流方向 均相反。 • (b) VGS之變號 將導致 轉移特性 (對於ID 軸) 鏡像反射。 • • VDG(p3)、VDS sat , ID, k (p4)方程式 仍可適用。 7

  8. n-通道 p-通道 § 6-8 增強型 MOSFET • 符號： • •符號 反映 裝置之真實結構。 • •D-S 間 虛線 反映 無偏壓情況下 通道不存在。(此為 空乏型 與 增強型 符號差異) • •每種型態的通道 有 兩種符號，此反映某些情況下 基體可外接。 8

  9. 2N4351 外殼22-03, 形態2 TO-72 (TO-206AF) 3 汲極 4 外瞉 2 閘極 1 源極 MOSFETs 切換式 n-通道－增強型 § 6-8 增強型 MOSFET • 規格表 與 外殼結構：(摩托羅拉 n-通道 增強型 MOSFET) 9

  10. 小 VGS (on) ← 由 上述資料 可得 經由 ID ＝k (VGS－VT )2 來 給定VGS 得 ID ⇒ 轉移曲線 § 6-8 增強型 MOSFET 10

  11. § 6-8 增強型 MOSFET 11

  12. 解： a. b.①在VGS = 0~3V(VT ) ⇒ID = 0mA ②ID ＝k (VGS－VT )2 ＝0.061×10-3(VGS －3V)2 VGS = 5V時， ID＝0.061×10-3(5V－3V)2 ＝0.061×10-3(4V) =0.244mA ③代入VGS = 8V,10V,12V及14V 得ID=1.525mA,3mA,4.94mA 及7.38mA 將①~③部份繪製曲線→右圖轉移曲線 ③ ③ ③ ③ ② ① § 6-8 增強型 MOSFET 例題 6.4：由上述規格表中提供的數據 及 VGS (Th)=3V 之平均臨限電壓，求： a. MOSFET 之 k值。 b. 轉移特性曲線。 12

  13. § 6-9 MOSFET 之處理 •問題：由於 SiO2 層非常薄，若有足夠靜態電荷累積 而 建立跨於薄層的電位 差 ⇒ 使薄層崩潰 並 建立經過薄層之導通路徑 方法：須使裝置端子短路在一起 且 一直到裝置插入系統中 •當電源導通時 取出或加入裝置 通常會在網路中導致暫態 (電壓或電流之急遽 變化)，因此 安裝時須先關掉電源。 •為保證VGS (max) 在正負極性均不會被超過 (可能由於暫態效應) 的方法 則為 引 進兩個曾納二極體。[如圖] 13

  14. 外接源極端點 通道之有效長度 (基體) 較寬的通道 § 6-10 VMOS •起因：MOSFET 缺點為 功率較低 (小於1W)。 •結構模式 為 垂直結構。 “ 垂直 ” 因通道是在垂直方向形成。 “ V ” 為通道在半導體基板上之外表。 •操作原理：VDS>0，VG≧0 ⇒ ⅰ.ⅱ.⇒ R⇊ ⇒ 功率消耗 P↓=I2 R↓或 P =I2↑R↓ ⅰ. p-型區域中 產生 感應 n-型通道，通道長度 (p-型區域之垂直高度) 小。 ⅱ. 通道與 n+區域間的 接觸面積 ⇈且 有兩導通路徑 •特性： ⅰ.有較低通道電阻及較高 之電流與功率額定。 ⅱ.有正溫度係數，可對抗 熱逃脫之可能性。 (T↑→R↑→ID↓→P↓=ID2↓R) ⅲ.電荷儲存值降低，故有 較快速的切換時間。 14

  15. “導通” 時 “導通” 時 n-通道 MOSFET p-通道 MOSFET n-型基體 § 6-11 CMOS (互補式 Complementary MOSFET) •可在同一基體上 建立 p-通道 及 n-通道，故 結構 稱為 互補式。 •特性：具 相當高輸入阻抗、極快切換速度、低消耗功率。 •應用：於 電腦邏輯設計，如 反相器---可作為 開關電晶體。 15

  16. -5V ∥ VT >0= I洩漏 p-通道 MOSFET (高) off on (低) ≅ 5 V (1-態) on (0-態) (0-態) 5 V (1-態) (低) n-通道 MOSFET off (高) (1-態) on 0 V (0-態) Vi= off ∥ VT >0 § 6-11 CMOS CMOS 反相器 16

  17. 較濃摻雜的 n-型區 較淡摻雜的 n-型區 p-型區 改善動作 金屬 (鎢) 基體 [基本結構] § 6-12 MESFETs (金屬-半導體場效電晶體) •蕭特基障壁 是以置入一金屬 (如: 鎢) 在 n-型通道上 所建立的障壁。 •G-n表面間 有 較低值的殘餘電容 ⇒ 高頻靈敏性↓ •GaAs材料 可支援更多 高移動率的載子。 •典型通道長度 介於 0.1μm ~ 1μm 之間，可供 高速率應用。 • n-通道 空乏型 MESFET： • •操作： • 1.VG<0 ⇒電子相斥 離開n 吸引進 p • ⇒通道中載子數目↓ • ∴VG愈負⇒ID↓ • 2.VG>0⇒電子吸引 進通道 ⇒ID↑ • •汲極與轉移特性相似空乏型MOSFET 17

  18. [符號 與 基本偏壓佈置] [特性] § 6-12 MESFETs (金屬-半導體場效電晶體) 18

  19. 較濃摻雜的 n-型區 基體 金屬 [符號] [結構] § 6-12 MESFETs (金屬-半導體場效電晶體) • n-通道 增強型 MESFET： • •反應與特性 相同於 增強型MOSFET。 • •由於 閘極的蕭克萊障壁⇒VT 限制在 • 0V~0.4V。( 因蕭特基障壁二極體的 • “啟通” 電壓 約是0.7V) • 結論： • •空乏型與增強型MESFET 是製造具有 • 介於汲極與源極之間的通道，故僅 n- • 型MESFETs 具商業可用性。 19

  20. § 6-13 摘要表 20

  21. § 6-13 摘要表 21

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