Báo cáo bài tập lớn vật lý bán dẫn

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
KHOA KHOA HỌC ỨNG DỤNG

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN
VẬT LÝ BÁN DẪN

NHĨM 18
GVHD: Thầy Trần Hồng Qn
MSSV

Họ và tên

2010945

Nguyễn Văn Thanh Chánh

2012380

Phan Lê Tuấn Tú

2011963

Phạm Mạnh Quỳnh

2012304

Lâm Khánh Trung

Ngày 31 tháng 10 năm 2021

Mục Lục
TÓM TẮT BÁO CÁO............................................................................2
I. MOSFET............................................................................................3
II. HIỆU ỨNG THỨ CẤP CỦA MOSFET..........................................5
1. BÃO HÒA VẬN TỘC (VELOCITY SATURATION)...............5
2. HIỆU ỨNG THÂN (BODY EFFECT HAY BACK GATE
EFFECT)...............................................................................................7
3. HIỆU ỨNG GIẢM RÀO CẢN Ở MIỀN DRAIN (DRAIN
INDUCED BARRIER LOWERING , DIBL)...................................9
4. HIỆU ỨNG RÒ RỈ DÒNG ĐIỆN (LEAKAGE CURENT)......10
5. ĐIỀU CHẾ ĐỘ DÀI KÊNH DẪN (CHANNEL LENGTH
MODULATION)................................................................................12
6. HIỆU ỨNG NHIỆT (TEMPERATURE EFFECTS)................15
KẾT LUẬN............................................................................................16
LỜI CẢM ƠN.......................................................................................16
TÀI LIỆU THAM KHẢO....................................................................17

1


TĨM TẮT BÁO CÁO
Vật lí bán dẫn là một mơn học không thể thiếu của mọi sinh viên khoa Điện-Điện
Tử. Các kiến thức về lí thuyết và các buổi thực hành về các linh kiện bán dẫn là nền tảng
cho sau này để mọi sinh viên có thể thân thuộc hơn với các linh kiện bán dẫn.
Trong linh kiện bán dẫn, thì MOSFET là một linh kiện cơ bản và được sử dụng
rộng rãi, phổ biến. Việc phân biệt từng loại MOSFET khác nhau, sẽ có được cách sử
dụng cũng như hiệu ứng khác nhau và mối liên hệ giữa các hiệu ứng. Từ đó, chúng ta có
thể sử dụng một cách hợp lý và hiệu quả.
Bài báo cáo nhóm em gồm 6 phần về hiệu ứng thứ cấp chính của MOSFET.

2


I.

MOSFET

Mosfet, viết tắt của "Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor" trong
tiếng Anh, là Transistor hiệu ứng trường (Metal Oxide Semiconductor Field Effect
Transistor) tức một Transistor đặc biệt có cấu tạo và hoạt động khác với Transistor thơng
thường. Mosfet có ngun tắc hoạt động dựa trên hiệu ứng từ trường để tạo ra dịng điện,
là linh kiện có trở kháng đầu vào lớn thích hợp cho khuyếch đại các nguồn tín hiệu yếu.
Mosfet có khả năng đóng nhanh với dịng điện và điện áp khá lớn nên nó được sử
dụng nhiều trong các bộ dao động tạo ra từ trường. Vì do đóng cắt nhanh làm cho dịng
điện biến thiên. Nó thường thấy trong các bộ nguồn xung và cách mạch điều khiển điện
áp cao.
Cấu tạo
Mosfet có cấu trúc bán dẫn cho phép điều khiển bằng điện áp với dòng điện điều
khiển cực nhỏ.

Cấu tạo của Mosfet ngược Kênh N
G (Gate): cực cổng. G là cực điều khiển được cách lý hoàn toàn với cấu trúc bán dẫn cịn
lại bởi lớp điện mơi cực mỏng nhưng có độ cách điện cực lớn dioxit-silic
S (Source): cực nguồn
D (Drain): cực máng đón các hạt mang điện
Mosfet có điện trở giữa cực G với cực S và giữa cực G với cực D là vô cùng lớn, còn
điện trở giữa cực D và cực S phụ thuộc vào điện áp chênh lệch giữa cực G và cực S ( U GS )
Khi điện áp U GS = 0 thì điện trở R DS rất lớn, khi điện áp U GS > 0 do hiệu ứng từ trường
làm cho điện trở R DS giảm, điện áp U GS càng lớn thì điện trở R DSS càng nhỏ.

Phân loại
3


Hiện nay các loại mosfet thông dụng bao gồm 2 loại:
● N-MOSFET: chỉ hoạt động khi nguồn điện Gate là zero, các electron bên trong
vẫn tiến hành hoạt động cho đến khi bị ảnh hưởng bởi nguồn điện Input.
● P-MOSFET: các electron sẽ bị cut-off cho đến khi gia tăng nguồn điện thế vào
ngỏ Gate
Nguyên lí hoạt động
Mosfet hoạt động ở 2 chế độ đóng và mở. Do là một phần tử với các hạt mang
điện cơ bản nên Mosfet có thể đóng cắt với tần số rất cao. Nhưng mà để đảm bảo thời
gian đóng cắt ngắn thì vấn đề điều khiển lại là vấn đề quan trọng .
Mạch điện tương đương của Mosfet. Nhìn vào đó ta thấy cơ chế đóng cắt phụ
thuộc vào các tụ điện ký sinh trên nó.
● Đối với kênh P : Điện áp điều khiển mở Mosfet là U GS = 0. Dòng điện sẽ đi từ S
đến D
● Đối với kênh N : Điện áp điều khiển mở Mosfet là U GS > 0. Điện áp điều khiển
đóng là U GS ≤ 0. Dòng điện sẽ đi từ D xuống S.
Do đảm bảo thời gian đóng cắt là ngắn nhất: Mosfet kênh N điện áp khóa là U GS =
0 V cịn kênh P thì U GS ≈ 0.

4


II.
HIỆU ỨNG THỨ CẤP CỦA MOSFET
1. BÃO HÒA VẬN TỘC (VELOCITY SATURATION)
Vận tốc bão hòa là vận tốc lớn nhất mà hạt tải điện trong chất bán dẫn , nói chung
là electron , đạt được khi có điện trường rất cao. Khi điều này xảy ra, chất bán dẫn được

cho là ở trạng thái bão hòa vận tốc. Các vật mang điện tích thường di chuyển với tốc độ
trơi trung bình tỷ lệ với cường độ điện trường mà chúng trải qua theo thời gian. Hằng số
tỷ lệ được gọi là độ linh động của chất mang, là một thuộc tính vật chất. Một dây dẫn tốt
sẽ có giá trị độ linh động cao đối với vật mang điện tích của nó, có nghĩa là vận tốc cao
hơn, và do đó giá trị dịng điện cao hơn đối với cường độ điện trường nhất định. Mặc dù
vậy, có một giới hạn đối với quá trình này và ở một số giá trị trường cao, chất mang điện
tích khơng thể di chuyển nhanh hơn nữa, khi đã đạt đến vận tốc bão hòa, do các cơ chế
cuối cùng hạn chế chuyển động của các hạt tải điện trong vật liệu. Điều này là do tốc độ
va chạm và tán xạ hạt tải điện tăng lên. Hiện tại không tăng với tốc độ mong đợi. Đúng
hơn, dịng điện tăng rất ít, nếu có.
Điểm mấu chốt để hiểu ảnh hưởng của độ bão hịa vận tốc là tuyến tính của vận
tốc trơi chỉ đúng với các giá trị thấp của điện trường tác dụng. Sự biến thiên thực tế của
vận tốc trôi đối với điện trường tác dụng được thể hiện trong hình 6.

Hình 6: Sự biến thiên của vận tốc trơi của điện trường áp dụng w.r.t electron
Cơng thức chính xác cho vận tốc trơi có thể được đưa ra như sau:
v d=

μE
1+ E/ Ec

được gọi là điện trường tới hạn. Ở đây điện trường E bằng
, tức là điện áp bên
được áp dụng trên kênh chia cho chiều dài kênh hiệu dụng. Chúng ta có thể thấy rằng đối
với các thiết bị kênh lớn, công thức vận tốc trôi đơn giản hóa thành v d=μE . Do đó, đây
cũng là hiệu ứng kênh ngắn vì điện trường bên cao hơn trong trường hợp thiết bị kênh
ngắn cho dải điện áp từ nguồn đến nguồn tương tự được áp dụng.

5

Nếu chúng ta giải quyết dòng chảy bằng cách xem xét giá trị đã nêu ở trên của vận
tốc trôi, chúng ta nhận được:
I D=

μ n W C ox
1
2
[2(V GS−V T ) V Dsat −V Dsat ]
2L
1+V DS / Ec L

Đây chính xác là cơng thức trước đây của chúng tôi cho hệ số hiện tại với một
1

thuật ngữ bổ sung được gọi là K (V DS )= 1+V / E L
DS
c
Bây giờ khi chúng tôi tiếp tục tăng
, điện trường bên bắt đầu tăng. Sau một
thời điểm nhất định, vận tốc trơi sẽ bão hịa, làm cho dịng thốt bão hòa. Thực tế, dòng
điện bão hòa này xảy ra ở giá trị
thấp hơn
.

Hình 7: So sánh giữa sự bắt đầu bão hòa trong thiết bị kênh ngắn và kênh dài
Giả sử giá trị này của
tại đó bão hịa xảy ra được cho bởi
. Sau đó, chúng
tơi nhận được dịng điện cuối cùng của chúng tơi trong vùng bão hịa là:

I D=

μ n W C ox
2
[2(V GS−V T )V Dsat −V Dsat ] K (V DS)
2L

Lưu ý rằng sự bão hịa này trong giá trị của dịng thốt là do sự bão hịa của vận
tốc trơi của điện tử và không phải do hiệu ứng chụm đã được thảo luận trước đó. So sánh
giữa các đặc tính IV cho thiết bị kênh ngắn và thiết bị kênh dài được thể hiện trong hình
7. Chúng ta phải ln ghi nhớ rằng dịng điện bão hịa có thể xảy ra do nhiều lý do tùy
thuộc vào kích thước của MOSFET.

6


2. HIỆU ỨNG THÂN (BODY EFFECT HAY BACK GATE EFFECT)
Trước đây, khi nhắc về các đặc tính lý tưởng I- V chúng ta đều cho rằng miền
source và miền body nối chung và nối đất. Nhưng trong các ứng dụng thực tế, ta có thể
lựa chọn khơng nối chung miền source với đất.
Ví dụ, NMOS chúng ta đang sử dụng có miền source khơng nối đất mà nối với
một nguồn hoặc một MOSFET khác. Trong trường hợp đó, sự khác biệt điện thế giữa
phần thân và phần nguồn sẽ gây ra sự thay đổi điện áp ngưỡng của MOSFET. Hiệu ứng
thay đổi điện áp ngưỡng này được gọi là hiệu ứng thân hoặc là hiệu ứng cổng sau.
● Hiện tượng vật lý
- Chúng ta sẽ cố gắng có một cái nhìn trực quan hơn về hiện tượng vật lý gây ra
hiệu
ứng
thân.

Giả sử chúng ta có một NMOSFET như hình trên, có V SB khác 0 trong cấu hình
này. Điều này có nghĩa là miền body có điện thế thấp hơn miền source. Và kết quả của
việc đó chính là các lỗ trống của phần miền body bị hút về cuối gần miền body đồng thời
các điện tử bị đẩy về phía lớp oxit.
Từ các phương trình tụ điện MOS, người ta có thể hiểu rằng điện áp ngưỡng của
MOS cũng tỷ lệ với mật độ của các electron trong lớp suy giảm.
Do đó, khi chúng ta tích lũy ngày càng nhiều electron dưới lớp oxit, thì giá trị của
điện áp ngưỡng sẽ tăng lên. Ta có thể hiểu điều này bởi thực tế là miền Gate làm bởi kim
loại sẽ cố gắng phản chiếu độ lớn của điện tích có ở mặt bên kia của oxit. Do đó, chúng ta
sẽ cần nhiều điện tích hơn, điện áp ở miền Gate cao hơn để đưa transistor ra khỏi trạng
thái cắt.

7


● Cơng thức tính tốn
Biểu thức tính tốn sự thay đổi điện áp ngưỡng được tính tốn dựa trên tụ điện MOS
do hiệu ứng thân gây nên là:

Trong đó là điện thế bề mặt được cấp bởi sự thay đổi mức năng lượng fermi giữa
miền body và lớp oxit.
chính là điện thế bề mặt khi không xảy ra body bias (V SB = 0).
Khi xảy ra body bias, điện thế bề mặt sẽ trở thành:

Hệ số

được gọi là hệ số body bias và được tính bằng:

Cuối cùng, phương trình điện áp ngưỡng trong hiệu ứng thứ cấp body effect là:

Với loại MOSFET thơng thường, ta có hệ số body bias
và điện thế bề
mặt
. Phần gần miền body có thể dùng để kiểm sốt sự hình thành của lớp
nghịch đảo, trong khi giữ điện áp của miền Gate không đổi. Do đó hiện tượng này cịn
được gọi là hiện tượng cổng sau (Back gate).

8


3. HIỆU ỨNG GIẢM RÀO CẢN Ở MIỀN DRAIN (DRAIN INDUCED
BARRIER LOWERING , DIBL)
Trước đây để xảy ra sự dẫn điện tử, ta sử dụng một điện thế dương từ miền drain
tới miền source. Ta thử đặt một vùng năng lượng điện tử thấp quanh miền drain sau đó
tiếp tục tăng năng lượng thì năng lượng electron trên MOSFET thay đổi, được thể hiện ở
hình sau:

Khi tăng VDS, ta thấy rằng mình cần ít điện áp dương hơn tại miền gate để tiến
hành quá trình dẫn điện. Vì vậy hiệu ứng DIBL cũng được xem là một hiệu ứng điều
chỉnh điện áp ngược giống như hiệu ứng thân được đề cập trong bài tập lớn. Một công
thức thể hiện sự biến đổi điện áp ngưỡng này là:

Tham số
phụ thuộc vào độ dài kênh dẫn. Khi độ dài kênh L tăng lên, giá trị
của tham số sẽ tăng theo cấp số nhân. Như vậy DIBL cũng là một hiệu ứng kênh ngắn.
Sự phụ thuộc giảm dần theo cấp số nhân của tham số vào độ dài kệnh là do thực về với
các kênh nhỏ, nhiều phần hơn tổng số kênh sẽ bị ản hưởng hơn khi đặt tại miền drain

9

4. HIỆU ỨNG RỊ RỈ DỊNG ĐIỆN (LEAKAGE CURENT)
Có một số hiệu ứng khơng lý tưởng dẫn đến rị rỉ một số dịng điện khơng mong
muốn trong MOSFET. Những hiệu ứng khơng lý tưởng này rất quan trọng trong việc ước
tính năng lượng tiêu thụ hoặc hiệu quả năng lượng của mạch bao gồm một số lượng lớn
transistors. 
Sơ đồ hình 10 cho thấy các hiệu ứng rò rỉ hiện tại khác nhau có NMOS transistor.

●
Dẫn truyền dưới ngưỡng (Sub-threshold Conduction)
Để xảy ra dẫn truyền ta cần V GS lớn hơn V T . Nhưng, điện áp ngưỡng này được tính
tại điểm mà khu vực bên dưới các oxit đã đi vào đảo ngược mạnh. Từ kết quả thử
nghiệm, có thể quan sát thấy rằng vẫn còn một số dòng điện chảy từ cống này sang nguồn
khác ngay cả khi chúng đang hoạt động tại một khu vực có V GS ngưỡng). Điều này xảy ra bởi vì, chất nền gần oxit nằm trong "Đảo ngược yếu". Tại thời
điểm này, nếu chúng ta áp dụng một tích cực, sẽ có một dịng trơi nhỏ I D

10


●

Đường hầm cổng (Gate Tunneling)

Trong trường hợp lý tưởng, người ta cho rằng dòng điện đi vào bằng với dòng
điện ra khỏi nguồn. Vì lớp oxit là một vật liệu cách điện, khơng có dịng điện nào có thể
chảy vào kênh từ đầu đến cuối cống. Điều này thực sự đúng nếu độ dày oxit "đủ lớn".
Tuy nhiên, để có tốc độ hoạt động tăng thì phải giảm độ dày của lớp oxit để có
điện dung cao trên một đơn vị chiều dài, điều này sẽ dẫn đến dòng bão hòa cao.
Nhưng có một giới hạn mà chúng ta có thể giảm độ dày lớp oxit. Ngay cả đối với

các thiết bị kênh ngắn, khi tiếp tục giảm kích thước của các thiết bị, thì cũng cần thu nhỏ
độ dày của oxit. Do đó, xác suất một electron đào hầm qua lớp oxit và đi vào kênh đảo
ngược tăng lên. Trên thực tế, chúng ta có thể có độ dày oxit là khoảng 1,5 nm, để tránh
bất kỳ hiện tượng đường hầm nào.

11


5. ĐIỀU CHẾ ĐỘ DÀI KÊNH DẪN (CHANNEL LENGTH MODULATION)
Khi ta tiếp tục tăng VDS , vùng mà điện tích nghịch đảo bằng 0 tiếp tục tăng với giá
trị không đổi là VGS được duy trì. Do đó, độ dài kênh của chúng tiếp tục giảm. Hiện tượng
này được gọi là điều chế độ dài kênh.
Một số người trong chúng ta có thể quen thuộc với một hiệu ứng tương tự trong
trường hợp BJT được gọi là “Điều chế độ rộng nền”. Do đó, chúng ta nhận được số hạng
VDS trong biểu thức cho ID ngay cả khi ta đang hoạt động trong vùng bão hịa.
Nói chung, việc chế tạo các thiết bị MOSFET được thực hiện theo cách mà sự thay
đổi về độ dài được cho bởi ΔL = L - L' là thấp với sự thay đổi trong VDS.

Hình 1: Giảm độ dài kênh do điều chế độ dài kênh
Mơ hình điều chế độ dài kênh dẫn
Để lập mơ hình điều chế độ dài kênh, ta sử dụng các cấu trúc sau:
∆L
=λ.VDS ; với λ là một tham số được sử dụng để định lượng hiệu ứng điều chế độ dài
L
kênh. Chúng ta luôn hướng tới việc giữ cho λ nhỏ nhất có thể.

Giải ra, ta được

L'
=1−λ V DS ; sau đó, sử dụng xấp xỉ nhị thức, ta nhận được

L

12


1
≈ 1+ λ V DS
1−λ V DS

Do đó:

1
=1+ λ V DS
L'

Thay kết quả trên vào phương trình hiện tại cho chế độ bão hòa, chúng ta nhận được:
I D=

μ n W C ox 2
¿ ](1+ λ V DS)
2L

Do đó từ phương trình ta có thể thấy quan hệ của I D với VGS là parabol và với VDS
là tuyến tính đối với hoạt động vùng bão hịa.

 
Hình 2: Đặc tuyến I-V tổng thể của transistor NMOS xem xét điều chế độ dài
kênh
Trong biểu đồ của hình 2, chúng ta có thể thấy tác dụng của Điều chế độ dài kênh,
ở đây ngay cả khi VDS> VGS – VT . Sự gia tăng ID là tuyến tính đối với VDS trong vùng bão

hòa.
Lý tưởng nhất là chúng ta muốn dòng điện bão hòa khi điện áp từ nguồn đến
nguồn vượt quá điện áp q mức. Do đó, sự thay đổi dịng điện trong vùng bão hịa càng
ít thì chất lượng hoạt động của transistor càng tốt. Tham số λ độ dốc của đường cong hiện
tại trong vùng bão hịa. Vì vậy, nên ta muốn λ càng nhỏ càng tốt (nhớ lại rằng trong

13


trường hợp lý tưởng, nó bằng 0). Thực tế λ tăng lên khi độ dài kênh (L) của chúng ta tăng
lên

Điện áp Early ( Early Voltage)

Giả sử chúng ta lấy các đường cong I-V khác nhau trong vùng bão hòa của chúng
và ngoại suy chúng về phía trục âm cho V DS. Chúng ta sẽ quan sát thấy rằng các đường
ngoại suy này cắt trục V DS tại một giá trị nhất định được cho bởi

−1
1
. Đại lượng
còn
λ
λ

được gọi là điện áp sớm VA. Vì vậy, nhiều hơn là điện áp sớm V A, tốt hơn là hiệu suất của
MOSFET của chúng ta trong vùng bão hòa.

14

6. HIỆU ỨNG NHIỆT (TEMPERATURE EFFECTS)
Điện áp ngưỡng V t và độ linh động μn , p sẽ thay đổi nếu nhiệt độ thay đổi, cụ thể:
+ Điện áp ngưỡng V t sẽ giảm 2-mV đối với 1o C tăng lên 🡪 Dòng điện I D sẽ giảm.
+ Độ linh động μn , p sẽ thay đổi có thể tăng hoặc giảm, do độ linh động phụ thuộc vào
chiều dài kênh và độ tán xạ của nó.
Sự phụ thuộc của các hiệu ứng khác vào nhiệt độ:
+ Sự rò rỉ ở các ngã giao (Junction Leakage): sẽ tăng lên khi nhiệt độ tăng
+ Độ bão hòa vận tốc (Velocity Saturation): sẽ diễn ra sớm hơn với nhiệt độ cao
+ Dẫn truyền dưới ngưỡng (Sub-threshold conduction): Tăng theo cấp số nhân theo cấp
số nhân với nhiệt độ. Điều này có nghĩa là ở nhiệt độ thấp, điện áp ngưỡng thấp hơn có
thể được sử dụng.
🡪 Hầu hết các hiệu ứng thứ cấp đều phụ thuộc vào nhiệt độ, vì vậy các transistor đáng tin
cậy hơn khi ở nhiệt độ thấp.

15


KẾT LUẬN
Trong bài báo cáo này, chúng ta đã thấy được một số hiệu ứng thứ cấp khác
nhau ở MOSFET. Ta thấy được rằng những đặc tính khơng lý tưởng này ảnh
hưởng không nhỏ đến đặc tuyến I-V. Để hiểu rõ và sử dụng MOSFET cho việc thiết
kế mạch sau này, ta cần phải lưu ý đến các hiệu ứng thứ cấp, vì những hiệu ứng thứ
cấp này có thể làm giảm hiệu suất của mạch và các thiết bị.

LỜI CẢM ƠN
Qua việc thực hiện và hoàn thành bài tập lớn chúng em nhận thấy được đây
là một giai đoạn quan trọng trong q trình học tập nghiên cứu mơn học Vật lí bán
dẫn của chúng em. Nó giúp chúng em rèn luyện và trao dồi khả năng làm việc
nhóm, giải quyết vấn đề và thực hiện đề tài đồng thời là tiền đề cho chúng em sau

này khi thực hiện những chuyên đề, đồ án hay luận văn được tốt hơn. Nhóm chúng
em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Hồng Qn đã tận tình giúp đỡ, cung cấp
kiến thức lí thuyết để chúng em có nền tảng Vật lí bán dẫn vững chắc và vận dụng
vào chủ đề này. Do chỉ mới là sinh viên năm nhất còn non trẻ, lượng kiến thức và
kinh nghiệm còn mỏng nhẹ, nên chúng em kính mong sự đóng góp và nhận xét từ
q thầy cơ để chúng em có thể hồn thiện bản thân mình từ đó là tốt hơn trong
những đề tài khác. Một lần nữa chúng em xin chân thành cảm ơn thầy.

16


TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1]

SLIDE bài giảng thầy Hồ Trung Mỹ.

[2]

Bài viết học thuật về hiệu ứng thứ cấp />
[3]

Diễn đàn trao đổi về hiệu ứng thứ cấp
/>
[4]

Tài liệu Bk-Elearning.

17