多晶硅薄膜晶体管(poly-Si TFT)在有源矩阵液晶显示(AMLCD)和静态随机存取存储器等应用中发挥越来越重要的作用。Poly-Si TFT较单晶硅器件呈现出更复杂的电学特性,主要原因在于多晶硅材料具有复杂的晶粒间界及相关的结构缺陷。因此,合理地构建poly-Si TFT器件的电学模型,特别是阐明poly-Si TFT的漏电流和栅电容的物理机制,给出与器件特性相一致的函数关系,将为poly-Si TFT显示器件的制备和电路仿真提供理论依据,而且对促进和发展AMLCD产业及集成电路产业都具有深远的意义。 本文的研究目标是详细地对poly-Si TFT器件的物理机理进行系统研究,且基于表面势对poly-Si TFT的漏电流特性和栅电容特性建立紧凑模型,并使该模型具备嵌入电路仿真器的条件。 高密度的陷阱态对poly-Si TFT的电学特性起着重要的影响。能带中连续的、单一指数分布的模型,也称为"V型”指数分布模型,是poly-Si TFT陷阱态密度分布的一个有效描述。通过对poly-Si TFT进行二维数值器件仿真,模拟的I-V特性表明“V型”指数分布是更贴近实际的小晶粒poly-Si TFT陷阱态密度分布的一个假设。本文提出的poly-Si TFT表面势的计算、漏电流和栅电荷的推导都是基于陷阱态密度的“V型”指数分布的描述。 基于表面势的方法提供了基于物理的建模思路。本文通过在泊松方程中考虑陷阱浓度,建立了关于表面势的隐含方程。该隐含方程描述了表面势跟栅压的函数关系,然而由于这个关系是用超越方程描述的,运用传统的数学方法只能得到迭代运算的数值解。迭代运算消耗大量的计算机资源,不适合应用到电路仿真器中。本文提出了根据数学变换和运用Lambert W函数,准确且非迭代地求解亚阈值区和强反型区的表面势。非迭代的表面势计算大大地减少仿真时间,为模型的仿真器嵌入提供了实现的条件。 基于表面势的概念和陷阱态的“V型”指数分布,本文建立了poly-Si TFT的直流(DC)模型,其中包括亚阈值区模型、强反型区模型和泄漏区模型。亚阈值区模型成功地解释了陷阱态对亚阈值区特性的影响,特别是在高漏源电压下出现的亚阈值区斜率减小的现象。同时,本文对亚阈值区特性随温度和晶粒尺寸大小的变化进行了分析,推导了平带电压附近由沟道电阻主导的关态电流的表示式。模型与不同漏源偏置、晶粒尺寸、温度和沟长的实验IDS-VG特性进行比较,结果证明了提出的亚阈值区模型可以准确地解释多晶硅TFT亚阈值区的漏电流特性。当施加的栅压较高,沟道中的陷阱态几乎被载流子填充完毕,此时沟道中的自由电荷的数目越来越多,poly-Si TFT进入强反型区。本文提出了描述强反型区漏电流特性的模型,包括在饱和区中对poly-Si TFT影响较大的翘曲(kink)效应。另外,研究发现poly-Si TFT中的迁移率由于陷阱态的存在表现出与其它器件不相同的行为,为此本文提出基于物理的迁移率模型,该模型能较好地预测迁移率随栅压的变化关系。结合提出的亚阈值区模型和强反型区模型,推导了完整的、统一的漏电流表达式。该统一的漏电流模型与不同沟长的实验IDS-VG和IDS-VDS特性进行了比较,从而验证了模型的有效性。 高密度陷阱态上的发射产生导致poly-Si TFT显示出异常大的泄漏电流。结合考虑陷阱发射机制和Poole-Frenkel效应的影响,本文提出了场增强发射率比与电场的解析关系。该关系和其一阶导数都是连续的,且不需要数值积分计算,这对模型嵌入到仿真器上的应用尤其重要。同时,场增强发射率比的计算适用电场范围广,并用于确定泄漏电流。由于泄漏电流的建模需要计算电场,本文考虑了高密度的陷阱态后建立了电场的计算方法。模拟结果与不同偏压和温度条件下测量的实验数据进行了比较,结果显示了提出的泄漏模型的有效性。 此外,本文提出了适用于泄漏区、亚阈值区和强反型区的统一栅源电容和栅漏电容模型。统一的电容模型基于统一的表面势计算。表面势的求解适用所有正向工作区,且精确度非常高,与数值迭代结果比较,绝对误差范围只在10-8V数量级。电容模型考虑了kink效应、泄漏产生效应和短沟道效应,成功地解释了泄漏区中栅源电容的反常增大和饱和区中栅漏电容随偏置的增加而增大的实验现象。对实验数据进行拟合发现,提出的模型与实验数据符合得较好,能准确地预测poly-Si TFT的栅电容特性。 综上所述,提出的直流模型和电容模型都是以poly-Si TFT工作的物理机制为基础、并以表面势为函数的方程。模型参数与器件参数之间的关系简单,并且只要改变沟道长度和宽度的参数值,模型能对不同尺寸器件的电学特性都能较好地拟合。模型需要的计算量少,模型的数学表示式和其一阶导数都是连续的,满足嵌入电路仿真器的条件。与多种不同尺寸器件的实验数据进行拟合,结果证明了直流模型和栅电容模型的有效性。