金刚石二维电导和场效应管研究新进展

金刚石表面沟道场效应管以氢终端金刚石表面的二维空穴气2DHG(Two-Dimensional Hole Gas)作为沟道实现输入电压对输出电流的控制,是目前金刚石电子器件的主流结构.该2DHG面电导具有可大范围调控的面电荷密度和较高空穴饱和漂移速度.本文回顾了金刚石场效应管器件在直流、频率和功率特性的研究进展,揭示了低迁移率是制约金刚石低功耗高速数字电路、高频器件和高功率微波器件发展的主要因素.从理论和实验总结了金刚石表面电导出现的类调制掺杂的新掺杂机理,尤其实现了室温下2DHG霍尔迁移率提升到680 cm^(2)/Vs,材料方阻从10 kΩ/sq数量级降低到1.4 kΩ/sq电导性能的突破.相信这将会引起金刚石场效应管性能极大提升和器件的快速发展.

双沟槽SiC金属-氧化物-半导体型场效应管重离子单粒子效应

本文针对第四代双沟槽型碳化硅场效应晶体管升展了不同源漏偏置电压下208 MeV锗离子辐照实验,分析了器件产生单粒子效应的物理机制.实验结果表明,辐照过程中随着初始偏置电压的增大,器件漏极电流增长更明显;在偏置电压为400 V时,重离子注量达到9×10^(4)ion/cm^(2),器件发生单粒子烧毁,在偏置电压为500 V时,重离子注量达到3×10^(4)ion/cm^(2),器件发生单粒子烧毁,单粒子烧毁阈值电压在器件额定工作电压的34%(400 V)以下.对辐照后器件进行栅特性测试,辐照过程中偏置电压为100 V的器件泄漏电流无明显变化;200 V和300 V时,器件的栅极泄漏电流和漏极泄漏电流都增大.结合TCAD仿真模拟进一步分析器件单粒子效应微观机制,结果表明在低偏压下,泄漏电流增大是因为电场集中在栅氧化层的拐角处,导致了氧化层的损伤;在高偏压下,辐照过程中N-外延层和N+衬底交界处发生的电场强度增大,引起显著的碰撞电离,由碰撞电离产生的局域大电流密度导致晶格温度超过碳化硅的熔点,最终引起单粒子烧毁.

碲基金修饰场效应管型二氧化氮传感器

NO_(2)作为机动车尾气和工业排放中最常见的污染物之一,其预警监测对于环境与人体健康有着重要意义。工业生产与人民生活的智能化趋势对传感器在高性能、微型化、集成化等方面提出了更高要求。场效应管作为一种重要的电学器件结构,由于与MEMS工艺兼容,在器件的小型化和集成化方面具有巨大优势,因而基于新结构与新材料开发高性能场效应管型NO_(2)传感器具有重要研究价值。本工作通过水热法合成了碲纳米带沟道材料,通过表征证实了材料的条带状形貌与单晶结构,并在此基础上完成了碲基场效应管的制备。为进一步提升器件的响应特性,对沟道表面进行了金修饰,并对比测试金修饰前后的气敏特性。金修饰后器件响应恢复速率加快,基线漂移得到改善,检测下限拓宽至100ppb,同时传感器表现出良好的选择性与重复性。从载流子迁移、Au与Te的金属-半导体接触、器件比表面积与化学吸附氧的作用几个角度对气敏机理进行分析,建立了碲基场效应管型NO_(2)传感器敏感机理模型。本工作为场效应管型有毒有害气体传感器的设计制备与增敏提供了一种有效策略。

Trench型N-Channel MOSFET低剂量率效应研究

基于抗辐射100V Trench型N-Channel MOSFET开展了不同剂量率的总剂量辐射实验并进行了分析,创新性提出了器件随低剂量率累积以及不同偏置状态下的变化趋势和机理,给出了器件实验前后的转移曲线和直流参数,进行了二维数值仿真比较,证明了实验和仿真的一致性。研究表明:随高剂量率的剂量增加,器件阈值电压(V_(TH))发生了明显负向漂移现象,导通电阻(R_(DSON))出现5%左右的降低,击穿电压(BV_(DS))保持基本不变;低剂量率下总剂量效应与高剂量率有明显不同,阈值电压漂移量减小,同时出现正向漂移现象;此时导通电阻(R_(DSON))和击穿电压(BV_(DS))较高剂量率变化量进一步下降。研究认为,低剂量率下器件界面缺陷电荷增加变多,使得阈值电压的漂移方向发生改变,同时低剂量率实验周期是高剂量率的500倍,退火效应也较高剂量率的明显,导致器件参数辐射前后差异性减小。

不同栅压下Si-n型金属氧化物半导体场效应管总剂量效应的瞬态特性仿真

为了实现半导体器件在电离辐射环境中电学特性的动态退化过程,本文基于总剂量效应中陷阱对载流子的俘获/发射过程,建立了Si-n型金属氧化物半导体场效应管总剂量效应的瞬态特性数值模型.仿真了不同栅极偏压下,器件电学特性随累积总剂量的上升而造成的器件退化效应,并提取了Si/SiO_(2)界面和栅氧化层中陷阱电荷的变化.仿真发现,随着累计总剂量的上升,两个位置处陷阱电荷的数量都趋向于饱和.当辐照中栅极偏压为正时,器件阈值电压的退化幅度显著高于辐照偏压为负时的退化幅度.无论是辐照过程中栅极加正偏压还是反偏压,都表现出阈值电压的退化幅度随着偏压幅值上升先上升再下降的趋势.栅极偏压对器件辐照后的退火效应也有一定的影响,在退火过程中如果栅极偏压不为零,器件退火后的电学特性恢复幅度比零偏压下的要低一些.

N型MOSFET器件总剂量效应通用测试系统设计

抗辐照电机驱动器研发需要准确获取电桥电路金属-氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)器件的总剂量效应失效阈值,电流-电压、电容-电压等离线测试方法,无法真实反映器件开关性能随累积剂量增加的连续变化过程。因此,针对MOSFET器件总剂量效应的在线测试需求,设计了基于高速信号采集及存储的通用化测试系统,具备被测样品驱动、高频信号采集、高速数据存储、数据模块管理等功能。利用典型商用MOSFET器件开展了总剂量效应测试,结果显示,当吸收剂量达598.08±41.54 Gy(Si)时,样品采集方波波形开始出现异常,低电平电压升高至0.82 V,高电平电压始终正常;随着累积剂量的增大,低电平电压持续性升高至1.08 V,并进一步升高至1.24 V,但器件开关功能保持正常;当累积剂量达1775.41±219.68 Gy(Si)时,采集波形跳变为2.93 V的直线,无方波信号输出,经判断MOSFET开关功能完全受损。

SiC MOSFET的质子单粒子效应

SiC金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)在深空探测领域具有广阔的应用前景,但空间质子引发的单粒子效应(SEE)对航天器稳定运行造成了严重威胁。对平面栅结构与非对称沟槽栅结构的SiC MOSFET进行了能量为70、100与200 MeV的质子辐照实验。实验结果表明,两种SiC MOSFET的单粒子烧毁(SEB)阈值电压均大于额定漏源电压的75%;SEB阈值电压随质子能量升高而降低。对两种器件进行辐照后栅应力测试发现,两种结构的器件由于沟道不同而对栅应力的响应存在差异;不同的质子能量会在栅极引入不同程度的辐射损伤,低能质子更容易在栅氧化层发生碰撞而引入氧化物潜在损伤。该研究可为揭示SiC MOSFET质子SEE机理和评估抗辐射能力提供参考。

沟槽型MOSFET放大器γ射线辐照效应研究

研发高抗辐照性能的金属氧化物半导体场效应晶体管(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor,MOSFET)放大器等电子器件对于核环境作业机器人至关重要。用^(60)Co-γ射线对三个商用沟槽型MOSFET放大器进行了原位辐照测试,研究了辐照前后的电学性能变化。结果表明:三个MOSFET放大器分别在累计辐照总剂量达到982.6 Gy、986.2 Gy和1082.4 Gy后失效。将光学显微镜观察、热发射显微技术失效定位、聚焦离子束技术解剖制样、扫描电镜和透射电镜的微观结构和微区成分表征等方法结合起来,对MOSFET放大器的芯片进行了失效分析,揭示了当MOSFET放大器在带电工作状态下受到γ射线辐照时,栅极氧化物捕获电荷的聚集会导致阈值电压和击穿电压降低,高剂量^(60)Co-γ射线辐照引入的电子-空穴对在电场作用下,大量积聚所引起的局部区域高电场和高热的叠加作用,使源极铝金属局部发生熔融并产生烧蚀缺陷区,最终引起栅极与源极之间短路而导致其失效的机理。

重离子源类别对SiC MOSFET单粒子效应的影响

SiC金属−氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为第三代航天器用半导体器件,在应用前须经过抗单粒子效应试验评估。文章探究重离子加速器恒定式和脉冲式束流源这两种不同类别的辐照源对SiC MOSFET单粒子效应的影响。试验结果表明两种束流源对SiC MOSFET漏电退化影响不同。采用TCAD对SiC MOSFET单粒子效应进行仿真的结果显示,当2个离子在相差100 ps的间隔时间内轰击器件时,离子间会发生相互作用,使得电场增强,对器件的栅氧化层造成损伤。尽管这种相互作用对器件发生单粒子烧毁的阈值电压无显著影响,但漏电退化现象有明显差异。研究结果可为SiC MOSFET的单粒子效应试验提供参考。

基于场效应管可变电阻特性的振幅调制及非线性失真矫正

依据场效应管可变电阻特性设计了语音信号的振幅调制(Amplitude Modulation,AM)与传输系统。针对栅源电压与漏源电阻间固有的非线性关系会导致调幅信号非线性失真与调幅度较低的问题,采取了基于单片机动态拟合的非线性矫正方法。结果显示,在栅源输入信号电压1.7 V时,失真度从52%下降至2.8%,在失真度不影响语音信号接收的前提下,调幅度从18%提高到47%。该调幅方法具有结构简单、易于集成和非线性失真小等特点,在通信系统集成与信号高保真传输等领域具有重要应用前景。

单层SnS场效应晶体管的第一性原理研究

基于硅基材料的逻辑器件由于其短沟道效应,使摩尔定律失效,二维半导体材料被认为是继续缩小晶体管尺寸以生产更多摩尔电子器件的潜在沟道材料.最近在实验上突破了技术瓶颈的限制,实现了二维场效应晶体管突破亚1 nm沟道极限,并且表现出优异的器件性能.这极大地鼓舞了在理论上进一步探索二维器件的性能.二维SnS具有较高的载流子迁移率和各向异性的电子性能,且材料性能环境稳定.本文应用第一性原理研究了亚5 nm SnS场效应晶体管的量子输运特性,鉴于SnS的各向异性,本文将器件沿单层SnS的armchair和zigzag两个方向进行构造,发现p型zigzag方向的器件性能优于其他类型(包括n型、p型的armchair方向和n型的zigzag方向).p型zigzag方向器件的开态电流在栅长缩短到1 nm也能满足国际半导体技术路线图的高性能(HP)器件要求,其值高达1934μA/μm.这在目前报道的1 nm栅长上的器件材料性能方面处于领先.

碳纳米管场效应晶体管重离子单粒子效应研究

碳纳米管场效应晶体管(CNT FET)具备优良的电学性能和稳定的化学结构,表现出较强的恶劣环境耐受能力,但其抗辐射性能仍缺乏充足的试验验证。以超薄CNT为沟道材料、HfO2为栅介质层的CNT FET为对象,研究了209Bi重离子辐射引起的器件单粒子效应(SEE)。研究结果表明,在重离子辐射条件下,栅极单粒子瞬态电流大多处于10-11 A数量级,少数达10-10 A数量级;由于CNT FET具有纳米级超薄CNT沟道,漏极电流对单粒子辐射不敏感,漏极单粒子瞬态电流几乎可以忽略,无单粒子烧毁效应(SEB);得益于HfO2栅介质层,CNT FET未发生单粒子栅穿效应(SEGR),表现出较强的抗单粒子能力。

大功率场效应管（MOSFET）脉冲斩波器

本文在分析现有大功率斩波器基础上，结合大功率场效管（ＭＯＳＦＥＴ）器件的发展，提出了一种新型脉冲新波器的设计方法。

功率金属-氧化物半导体场效应晶体管静电放电栅源电容解析模型的建立

在实际静电放电测试时,发现各种功率金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的静电放电测试结果均呈现出正反向耐压不对称现象,而人体与器件接触时的静电放电过程是不区分正反向的.正反向耐压差异较大对于功率MOSFET或作为静电放电保护器件来说都是无法接受的,其造成器件失效的问题格外凸显.本文通过建立SGT-MOSFET,VUMOSFET和VDMOS在静电放电正反向电压下的栅源电容解析模型,对比分析了三种功率MOSFET器件静电放电正反向耐压不对称及其比值不同的原因,为器件的静电放电测试及可靠性分析提供了理论依据.

氧化钛栅介质离子敏场效应管pH传感器的研制

为了满足微量溶液的检测需求以及解决部分pH传感器灵产品敏度低、尺寸较大以及抗干扰性差的问题,研制了一种氧化钛(TiO_(2))栅介质离子敏场效应管pH传感器。该传感器的沟道层为铟镓锌氧化物(InGaZnO)薄膜,顶栅介质为氧化钛(TiO_(2))薄膜,源极和漏极均为金属铝(Al)薄膜;InGaZnO薄膜和TiO_(2)薄膜均由射频磁控溅射工艺制成,Al薄膜由电子束蒸发沉积工艺制成,3种薄膜材料均通过光刻、刻蚀工艺图形化。传感器具有体积小、灵敏度高、抗干扰性强的优点,尺寸仅为10 mm×15 mm,在室温(25±1)℃条件下,用半导体参数测试仪测得器件在不同pH值(4~10)溶液中的平均灵敏度为63.25 mV/pH,在K^(+)、Cl^(-)、Na^(+)、SO_(4)^(2-)离子干扰下的电压漂移量为相同浓度H^(+)离子干扰下的3%,满足当前生物医学、食品加工等领域的pH值检测需求。

基于场效应管纳米传感器检测肿瘤衍生外泌体的应用进展

肿瘤衍生外泌体(Tumor-Derived Exosome,TEX)以蛋白质、核酸的形式携带丰富的肿瘤特异信息,在早期、多参数的癌症诊断方面具有潜力。然而传统外泌体检测技术仍面临设备昂贵、灵敏度低、程序复杂等问题。随着纳米医学的发展,基于场效应管(Field Effect Transistor,FET)的生物传感技术结合纳米材料具有快速实时、高灵敏、免标记等优点,在TEX检测中有广阔的应用前景,为癌症的早期诊断提供了新的手段。本文综述了TEX的概念和检测现状、FET纳米传感器的工作原理和优势及在TEX检测领域的最新应用进展,并初步探讨其局限性和应对策略,旨在为临床应用FET纳米传感器快速诊断癌症患者提供一定的理论依据。

吸尘器电源的场效应管失效分析与改进

电子产品高质量发展的核心任务是提高产品的可靠性,对电子元器件的失效分析成为半导体技术的研究热点。以某吸尘器电源控制板故障为例,对场效应管进行失效分析,提出相应的改进方案。

中波固态发射机场效应管MOSFET的正确使用与测试

场效应管是一种新型的半导体器件，它是利用极电压（G极）所产生的电场来改变导电沟道的宽窄，从而达到控制电流的目的，称为电压控制器件。

考虑弛豫效应的SiC MOSFET阈值电压测量方法研究

碳化硅(SiC)MOSFET栅极氧化层中的陷阱造就了其独特的阈值电压弛豫效应的特性,使得SiC MOSFET的阈值电压定义和测量成为一个棘手的问题。首先基于弛豫效应的饱和现象,提出了“预偏置+测量”组合的测量方法,一共需要测量两次阈值电压,以确定阈值电压漂移的上下限,并以其平均值定义为阈值电压。然后设计实验测量电路,对某型号SiC MOSFET器件在不同预偏置条件下进行实验测量,分析预偏置电压和脉冲持续时间对测量结果的影响,结果表明合理选择预偏置阶段的实验条件可以确保弛豫效应达到饱和,并可得到重复性的阈值电压测量结果。

基于场效应管的恒流源设计

为了提高恒流源的精度及稳定性,提出一种基于mos场效应管的恒流源原理及其制作过程,电路采用闭环反馈控制,在0 mA～5 000 mA电流连续可调,在设计中对电路关键元件场效应管、采样电阻的选取进行了必要的说明;分析了影响恒流源稳定性的各种因素,针对器件的焊接提出了具体指导意见,同时深入探讨了实际设计中出现的功耗与散热问题。通过实际测试,本恒流源电流稳定度优于0.5%,可应用于计量与检测领域。