第21卷 第5期2006年10月
液 晶 与 显 示
Chinese Jour nal of L iquid Cry st als and Displays
Vol 121,No 15Oct.,2006
文章编号:1007-2780(2006)05-0515-06
ZnO 基薄膜晶体管的研究
程松华,曾祥斌
(华中科技大学电子科学与技术系,湖北武汉 430074,E -m ail:hai_pen g1234@https://www.doczj.com/doc/e94950667.html,)
摘 要:Z nO 是一种宽带隙的光电半导体材料,能应用于很多领域,如可用在压敏变阻器、声表面波器件、气敏元件、紫外光探测等。ZnO 也可以作为有源层应用于薄膜晶体管(T FT )中。ZnO 基薄膜晶体管具有以下突出优势:对于可见光部分平均具有80%以上的透射率,迁移率可以高达36cm 2/V #s,开/关电流比大于106,可在较低温度(甚至室温)下制备。基于这些优点,Z nO T F T 具有取代有源矩阵液晶显示器中常规a -Si T F T 的趋势。同时对ZnO T F T 的研究也推动了透明电子学的发展。本文阐述了ZnO T F T 优越的电学性能,指出了其目前尚存在的不足,并对其发展前景进行了展望。
关 键 词:ZnO T F T ;迁移率;开/关电流比;有源矩阵液晶显示器;开口率中图分类号:T N 141;T N 386.2 文献标识码:A
收稿日期:2006-02-27;修订日期:2006-04-22
1 引 言
21世纪在显示领域是平板显示的时代,而绝大多数的平板显示器件,都是有源矩阵液晶显示器件(AM LCD)。有源矩阵液晶显示技术是微电子技术与液晶显示技术相结合的平板显示技术。在LCD 像素中由于引入薄膜晶体管(TFT )开关元件和存贮电容,可大大提高显示器件性能,实现高清晰度显示。在AM LCD 中使用的T FT 主要有两种,一种是多晶硅(poly -Si)TFT,一种是非晶硅(a -Si)TFT 。由于a -Si TFT 易于在低温下大面积制备,技术成熟,是目前使用最广的技术。但a -Si 材料是不透明的,它将占用像素中的一定面积,使有效显示面积减小,通常用像素开口率这一指标来描述,即开口率不能达到100%。这样光不能全部通过像素,为了获得足够的亮度,就需要增加光源光强,从而增加功率消耗。另一个问题是a -Si 材料带隙为1.7eV,在可见光范围内是光敏材料,在可见光照射下可产生额外的光生载流子,使TFT 性能劣化。因此每一像素单元TFT 必须对光屏蔽,即增加不透明金属掩膜板(黑矩阵)来阻挡光线对TFT 的照射。这将增加TFT -LCD 的工艺复杂性,提高成本,降低可靠性[1]。
对于上述问题,在AMLCD 中采用透明T FT 将是一个有效解决途径。若用全透明TFT 代替a -Si TFT 作为像素开关,而存储电容也用透明材料制备,将大大提高有源矩阵的开口率,从而提高亮度,降低功耗。因此世界各地的研究者开始对ZnO TFT 进行大量的研究。
研究ZnO T FT 的另一重要意义在于推动透明电子学的研究。ZnO TFT 的实现对透明电子学来说是一个富有成效的进展,具有里程碑的意义,为制造电路和系统创造了条件。由于ZnO TFT 可以用来制备CM OS 电路,因此可以用来制备多种集成电路与功能模块,使整个电路模块透明化,为透明电子学的研究与应用开辟广阔空间。这些透明电路可应用于光电子器件、镜片、车窗等。
本研究采用过滤真空电弧淀积(FCVA)法在低温下制备性能优良的ZnO 薄膜,研究ZnO 薄膜的晶体结构、电学特性和光学性能及与制备工艺的关系,以期获得高性能ZnO TFT ,并对其薄膜生长规律、载流子输运行为、掺杂规律等进行深入研究,为研究透明氧化物半导体材料的相关理论问题奠定基础。研究了栅介质的选择及对降低ZnO TFT 漏电流的作用,研究了O 2等离子后续处理工艺以降低ZnO 晶粒界面对TFT 性能的影
516液晶与显示第21卷
响,并采用稀释的H Cl及Cl2/A r和CH4/H2/A r 等离子体对ZnO的刻蚀进行了初步研究。
2为何选择ZnO作为透明T FT的沟道材料
首先,ZnO是Ⅱ-Ⅵ族的化合物半导体,它的带隙宽度可达3.35eV[2],对于可见光具有很高的透明度,很适合用于制作高透明度的TFT。同时ZnO材料无毒,原材料价格便宜,化学稳定性好,可以在低温下用多种方法大面积生长,像磁控溅射法[3,4]、RF磁控溅射法[5,6]、离子体分子束外延(M BE)法[7]、so-l gel法[8]、M OCV D法[9]、等离子体反应淀积法[10]等等。
此外ZnO也是优良的电光、压电材料,可用于集成光学[8]、压敏电阻器[11]、声学示波器件[12]、气敏器件[13],也是潜在的UV和蓝光材料[14]。
随着淀积技术的进步,ZnO材料的结构性能不断提高[15],多晶甚至外延单晶材料都已获得。目前P型导电材料的掺杂技术获得重大突破,而在降低本底电子浓度方面也获得进展,使得采用ZnO可以获得N沟与P沟半导体器件[16,17],从而为采用ZnO制备透明半导体器件和电路扫清了障碍。这也使得ZnO材料在透明材料中脱颖而出,成为制备透明TFT和其他半导体器件的首选。理论上能够用ZnO制备CM OS电路,即能够实现外围电路的集成,这是非晶硅T FT所不能实现的。外围电路集成可以减小有源矩阵显示器的体积,减少互连线数目,从而提高显示器的可靠性与稳定性。这也是有源矩阵显示器的重要发展方向之一,即SOC(System o n chip),目前是多晶硅TFT(具有比非晶硅T FT大2个数量级的载流子迁移率)努力的方向。非晶硅T FT的迁移率通常为0.1~ 1.0-1cm2/V#s,多晶硅TFT目前可以达到100cm2/V#s以上,ZnO晶体载流子迁移率可达200cm2/V#s[18],目前ZnO TFT器件的迁移率可以达到36cm2/V#s[19],通过对薄膜制备技术和材料结构与特性的深入研究,迁移率还可进一步增大。如果能够用透明ZnO TFT制备外围电路,同时又作为像素开关元件应用于有源矩阵,这将使有源矩阵显示器性能大大提高。3ZnO T FT的具体优势及其研究现状
3.1透明度高
R.L.H offm an等人[20]制作的ZnO T FT结构如图1
所示。
图1ZnO T F T器件结构示意图
Fig.1T y pical structure of ZnO T FT
制作出来的ZnO T FT具有非常高的透明度。ZnO TFT源、漏和沟道区的光学透射谱如图2所示。插入的小图显示的是在一个2.54cm(1in)的衬底上垂直排列的3个TFT,通过它可以很清楚地看见下面的文字。如图所示电磁波谱中,晶体管对于可见光部分的平均透射率为75%,而一片没覆盖任何东西的玻璃的透射率为92%,所以ZnO T FT上的薄膜层仅使得光的透射率减小17%。
E.Fortunato,P.Barquinha等人[19]研制出的ZnO TFT
对于可见光也具有很高的透明度。
图2ZnO T F T源、漏和沟道区的光学透射谱
F ig.2T ransmission of so ur ce,dr ain and channel sectio n
第5期程松华,等:ZnO 基薄膜晶体管的研究517
图3中给出了ZnO T FT 在光波长在200~2500nm 范围的光学透射谱。ZnO T FT 在可见光范围内的平均透射率为80%,而没有覆盖任何薄膜的玻璃的透射率为93%
。
图3 整个ZnO T FT 结构包括玻璃衬底的光学透射率Fig.3 Optical tr ansmissio n spectra fo r the entire Z nO
T F T structure including the glass substr ate
如果这种高透明度的TFT 应用于AM LCD 中将能大大提高开口率、降低功耗、降低成本。3.2 电学性能好
图4中给出了H offm an 等人的ZnO TFT 在沟道宽长比为10B 1,V DS =10V 时栅源电压V GS 分别与漏电流I D 、栅电流I G 的关系,从图中可明显看出漏电流的最大开/关比能达到107
。
图4 ZnO T F T 的直流传输特性F ig.4 T ransfer characters (dc)o f ZnO T F T
这种晶体管是增强型器件,需要施加一个正
的栅压才能形成导电沟道。而且,一旦达到饱和,
电流将非常稳定,也就代表ZnO 沟道层中的载流子能被有效地控制。进一步的分析显示,ZnO 层中电子的迁移率为0.35~ 2.50cm 2/V #s,与用a -Si 或有机材料制成的T FT 中载流子的迁移率不相上下。
Juny a N ishii 等人[21]在ZnO 沟道层和a -SiN x 栅绝缘层之间用CaH fO x 做一缓冲层来改善沟道/栅绝缘层的界面特性。沟道层和缓冲层是用激光脉冲淀积的方法生长的。在不同条件下生长的ZnO 膜的各类器件的场效应迁移率如图5所示,在各种生长温度和脉冲淀积频率下,同没有CaH fO x 缓冲层结构的器件相比较,具有CaH fO x 缓冲层结构的器件的迁移率L FE 具有显著的提高。同时它也将膜的生长温度扩宽到了一个更低的温度范围。具有缓冲层结构的器件与不具有此结构的器件相比,其沟道/栅绝缘层的界面特性得到了很大的改善。这种ZnO TFT 的场效应迁移
率L
FE 可以高达7cm 2
/V #s 。图5 ZnO T FT 的迁移率F ig.5 M obility o f ZnO T F T
P.Barquinha 等人
[22]
研制出的ZnO T FT 结
构与图1所示的R.L.H offman 等人的器件结构相似,只不过其源、漏电极用的是Ga 掺杂的ZnO 透明导电薄膜。这种TFT 也具有相当好的电学性能:其开/关电流比为9@105左右,足够TFT
开关器件的正常工作;迁移率约为8cm 2/V #s,与常规a -Si T FT s 比较起来已经足够高;阈值电压V T 比较高,在22.5V 左右,这与半导体的厚度、电阻率以及半导体/绝缘层界面的缺陷浓度有关,需要进行优化。这种ZnO TFT 的输出及传输
518 液 晶 与 显 示第21
卷
图6
T F T s 的典型输出(a)与传输(b)特性曲线
Fig.6 T ypical output (a)and transfer (b)char act eris -tics of t he T FT s
特性曲线如图6所示。3.3 制造温度低
P. F.Carcia 等人[23]制造出的ZnO T FT ,其中ZnO 膜由RF 磁控溅射在接近室温下生成。制作出的样品的I -V 特性曲线如图7所示,(a)为栅压从0~50V 变化时I d -V d 曲线关系,(b)为V d 固定在20V 时的I d -V g 曲线。从图中可看出器件具有大的开/关电流比(>106),同时经过测量可知其具有较高的场效应迁移率(1.2cm 2/V #s)。
最近H ua -Chi Cheng 等人
[18]
采用低温化学
电镀方法制备ZnO TFT 。将制作TFT 的玻片浸入Zn(NO 3)2#6H 2O 和一种称为DMBA 物质的60e 水溶液中,ZnO 薄膜就能够在所需的区域内生成。将玻片在空气中100e 下烘干即可,并不需要进一步的热处理。这种T FT 是底栅结构的,栅绝缘层为SiO 2,ZnO 沟道为n 型。经测
试知道器件的开/关电流比高于105
,迁移率为
图7 ZnO T F T 的I -V 特性曲线Fig.7 I -V cur ves of ZnO T FT
0.248cm 2
/V #s 。同时这种化学电镀的方法由于其能在低温下完成,并且具有简单、成本低的优势,在TFT 的制造中将是一种具有吸引力的技术。
由上述可知,随着制作工艺的不断改进,新方法的不断引入,我们可以将T FT 的制造温度控制在较低的范围内,这样就可以使用塑料等聚合物做衬底(要求工艺温度低于150e ),从而可以
制得柔韧性好、质轻的器件。
4 前景展望
K.N omura 等人
[16,24]
制作的透明晶体管的
主要特色是高迁移率。在他们的报告中给出了晶体管工作中的沟道极限迁移率可达80cm 2
/V #s 。虽然,K.Nomura 等人的晶体管的沟道材料是单晶的,透明导体的掺杂浓度也很低(估计的载流子浓度为1013
cm
-3
),这就使得制作工艺比较特殊、
复杂,尚不适合于目前的工业生产。但是,这至少说明了ZnO T FT 可能有非常高的迁移率,在将来的研究中通过改进工艺、器件结构等还能使器件的电学性能进一步改善。同时随着淀积技术的不断发展,生长出来的薄膜性能也越来越好,ZnO TFT 的透明度还有望更进一步的提高,淀积温度不断的降低也将越来越适合柔韧性好的器件的制作。
5 结束语
ZnO TFT 具有透明度高,电学性能好,制造工艺温度低等突出优点而具有取代常规a -Si
第5期程松华,等:ZnO基薄膜晶体管的研究519
TFT的趋势,它也可用来制造柔韧性好,质轻的器件。它的研制成功同时推动了透明电子学的发展。当然,目前在研制ZnO TFT过程中也有一些需要解决的问题:第一,需要解决器件性能及其稳定性问题,使其能够重复制造并用于工业生产中;第二,在降低工艺温度的同时提高各膜层之间的兼容性;第三,在保证器件性能及稳定性的条件下促使工艺简单,尽可能降低器件的制造成本。为了获得透明度高、性能稳定、低制造温度、低成本的ZnO T FT还需要投入更多的研究来寻找合适的工艺条件。只有解决了这几个问题,ZnO TFT才有可能应用于工业生产中成为下一代光电器件,真正取代常规a-Si T FT。目前主要是一些国外的学者在从事ZnO T FT的研究,国内这个领域的研究才刚刚起步,但考虑到ZnO T FT 的这些卓越的优点以及工业应用的前景,相信在不久的将来关于ZnO TFT的研究无论国内还是国外都会有长足的发展。
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Study on ZnO-based Thin Film Transistors
CH ENG Song-hua,ZEN G Xiang-bin
(Dep artment of Electronic S cience and T ech nology,H uaz hong Univ ersity of S cience and T echn olog y,
W uhan430074,China,E-mail:hai_p eng1234@163.c om)
Abstract
Zinc ox ide is a w ide band gap optoelectronic semico nducto r material,it can be applied in many fields,such as v ar istors,surface acoustic w aves,g as sensor s,U V detectors and so on.Zinc ox ide can also be used in thin film transistors as an active lay er.ZnO TFT has m any ex cellent characteristics. The average optical transmission in the visible par t of the spectrum is more than80%.The field effect mo bility is as large as36cm2/V#s.I on/I off ratio is more than106.ZnO TFT can be manufac-tured at a low temperature(o r even at room temperatur e).T herefore,ZnO T FT has the potential to take the place of co nv entio nal a-Si T FT in active-m atrix liquid cry stal displays.M eanw hile,study on ZnO TFT has motivated co nsiderable development on tr ansparent electronics.In this paper,electr ical advantages,as w ell as so me defects of ZnO T FT are described,and then an ex pectatio n of its future application is g iven.
Key words:ZnO TFT;mo bility;current on/off ratio;active-matr ix liquid crystal display;aperture ratio
作者简介:程松华(1980-),男,湖北宜昌人,硕士研究生,主要从事微电子器件方面的研究。
场效应管工作原理（1） 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109?）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 一、场效应管的分类 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS 功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。 按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。见下图。 二、场效应三极管的型号命名方法 现行有两种命名方法。第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D是结型N沟道场
薄膜晶体管的定义： Thin Film Transistor (薄膜场效应晶体管)，是指液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度高亮度高对比度显示屏幕信息。TFT属于有源矩阵液晶显示器。 补充：TFT（ThinFilmTransistor）是指薄膜晶体管，意即每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色显示设备之一，其效果接近CRT显示器，是现在笔记本电脑和台式机上的主流显示设备。TFT的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制，是有源像素点。因此，不但速度可以极大提高，而且对比度和亮度也大大提高了，同时分辨率也达到了很高水平。 TFT ( Thin film Transistor，薄膜晶体管）屏幕，它也是目前中高端彩屏手机中普遍采用的屏幕，分65536 色及26 万色，1600万色三种，其显示效果非常出色。 平板显示器种类： 经过二十多年的研究、竞争、发展，平板显示器已进入角色，成为新世纪显示器的主流产品，目前竞争最激烈的平板显示器有四个品种： 1、场致发射平板显示器（FED）； 2、等离子体平板显示器（PDP）； 3、有机薄膜电致发光器（OEL）； 4、薄膜晶体管液晶平板显示器（TFT-LCD）。 场发射平板显示器原理类似于CRT，CRT只有一支到三支电子枪，最多六支，而场发射显示器是采用电子枪阵列（电子发射微尖阵列，如金刚石膜尖锥），分辨率为VGA（640×480×3）的显示器需要92.16万个性能均匀一致的电子发射微尖，材料工艺都需要突破。目前美国和法国有小批量的小尺寸的显示屏生产，用于国防军工，离工业化、商业化还很远。 等离子体发光显示是通过微小的真空放电腔内的等离子放电激发腔内的发光材 料形成的，发光效应低和功耗大是它的缺点（仅1.2lm/W，而灯用发光效率达80lm/ W以上，6瓦/每平方英寸显示面积），但在102～152cm对角线的大屏幕显示领域有很强的竞争优势。业内专家分析认为，CRT、LCD和数字微镜(DMD)3种投影显示器可以与PDP竞争，从目前大屏幕电视机市场来看，CRT投影电视价格比PDP便宜，是PDP最有力的竞争对手，但亮度和清晰度不如PDP，LCD和DMD投影的象素和价格目前还缺乏竞争优势。尽管彩色PDP在像质、显示面积和容量等方面有了明显提高，但其发光效率、发光亮度、对比度还达不到直观式彩色电视机的要求，最重要的是其价格还不能被广大家用消费者所接受，这在一定程度上制约了彩色PDP 市场拓展。目前主要在公众媒体展示场合应用开始普遍起来。 半导体发光二极管（LED）的显示方案由于GaN蓝色发光二极管的研制成功，从而一举获得了超大屏幕视频显示器市场的绝对控制权，但是这种显示器只适合做户外大型显示，在中小屏幕的视频显示器也没有它的市场。 显示器产业的专家一直期望有机薄膜电致发光材料能提供真正的象纸一样薄的 显示器。有机薄膜电致发光真正的又轻又薄，低功耗广视角，高响应速度（亚微妙）
膜材料发展前景与展望 一、国内外经济对膜产业的重大需求 近几十年发展起来的膜技术是以具有选择透过性的膜材料作为核心，在膜两侧推动力下，实现混合物分离、提纯、浓缩的分离技术。与过滤、精馏、萃取、蒸发等传统分离技术相比，膜技术具有能耗低、分离效率高、设备简单、无相变、无污染等优点，因此被称为新型高效分离技术。作为一种高新技术，膜技术并不是高不可攀的，实际上，它就在我们身边。比如，随处可购买到的纯净饮用水绝大部分采用膜技术净化得到；为保持乳品的营养价值及水果的风味，牛奶、酸奶、奶酪等也可以采用膜技术进行除菌、浓缩及杂质去除。 在21世纪的多数工业中，膜技术将扮演重要角色，在水资源、能源、环境、传统产业改造等领域发挥重大作用。 在缓解水资源短缺方面，预计到2050年，我国缺水总量将达4000亿m3，因缺水而导致的工业总产值损失大约2000亿元，农业总产值损失大约1500亿元。膜法海水淡化技术、膜法水质净化技术、膜及其集成技术将成为解决我国北方资源性缺水、南方水质性缺水和城市缺水的有效手段。 在化工与石油化工领域，分离过程能耗占到了总能耗的70％左右，分离效率低还导致了严重的环境污染问题。膜分离技术可以高效低能耗地实现高精度分离，是过程工业节能降耗的共性技术之一。譬如，膜法精密过滤代替蒸发，可节能40％以上，减少溶剂消耗量30%以上；膜法渗透汽化技术代替精馏，进行有机物脱水，可节能50％
以上；膜技术是过程工业减排的关键支撑技术，采用膜法处理油田回注水、焦化废水等，可实现工业废水循环利用，减少废水排放量；采用膜法可以实现废酸、废碱资源化利用，实现废液零排放。 此外，膜技术还是改造传统产业、推进相关行业技术进步的高新技术，可以说，膜技术的发展得到了全球范围的高度重视，美国、日本、欧洲等多国政府将膜技术作为21世纪高新技术进行研究与开发，制定了相应的研究开发计划，促进了膜技术和产业的强劲发展。我国政府对膜技术的研究和开发同样十分重视，自“六五”以来，已连续六个五年计划都把膜技术作为重点项目进行支持。2010年出台《国务院关于加快培育和发展战略性新兴产业的决定》将高性能膜材料列入战略性新兴产业，为膜技术和膜产业的自身发展，膜应用市场的培育带来了前所未有的机遇。 经过5O多年的发展．中国膜产业逐渐走向成熟。特别是近20年来，中国膜产业高速增长，总产值从1993年2亿元人民币上升到20O8年200亿元(膜行业总产值是指膜制品、膜组件、膜附属设备及相关工程的总值，膜制品与膜组件是整个行业的核心)。 在21世纪的许多工业中，都将膜技术的重要性提升到了战略高度。2009年我国膜产业总产值约240亿元，2010年约300亿元。按照目前年均30%的增幅，未来5年我国膜产业有望突破1000亿元。可以预见，膜技术将迎来产值大幅增加的黄金十年，它所带动的相关产业产值总量更是不可估量。膜技术将在水资源、能源、环境、传统产业改造等领域发挥重大作用。
如何理解场效应管的原理，大多数书籍和文章都讲的晦涩难懂，给初学的人学习造成很大的难度，要深入学习就越感到困难，本人以自己的理解加以解释，希望对初学的人有帮助，即使认识可能不是很正确，但对学习肯定有很大的帮助。 场效应管的结构 场效应管是电压控制器件，功耗比较低。而三极管是电流控制器件，功耗比较高。但场效应管制作工艺比三极管复杂，不过可以做得很小，到纳米级大小。所以在大规模集成电路小信号处理方面得到广泛的应用。对大电流功率器件处理比较困难，不过目前已经有双场效应管结构增加电流负载能力，也有大功率场管出现，大有取代三极管的趋势。场效应管具有很多比三极管优越的性能。 结型场效应管的结构 结型场效应管又叫JFET，只有耗尽型。 这里以N沟道结型场效应管为例，说明结型场效应管的结构及基本工作原理。图为N沟道结型场效应管的结构示意图。在一块N型硅，材料(沟道)上引出两个电极，分别为源极(S)和漏极(D)。在它的两边各附一小片P型材料并引出一个电极，称为栅极(G)。这样在沟道和栅极间便形成了两个PN结。当栅极开路时，沟道相当于一个电阻，其阻值随型号而不同，一般为数百欧至数千欧。如果在漏极及源极之间加上电压U Ds，就有电流流过，I D将随U DS的增大而增大。如果给管子加上负偏差U GS时，PN结形成空间电荷区，其载流子很少，因而也叫耗尽区(如图a中阴影区所示)。其性能类似于绝缘体，反向偏压越大，耗尽区越宽，沟道电阻就越大，电流减小，甚至完全截止。这样就达到了利用反向偏压所产生的电场来控制N型硅片(沟道)中的电流大小的目的。 注：实际上沟道的掺杂浓度非常小，导电能力比较低，所以有几百到几千欧导通电阻。而且是PN结工作在反向偏置的状态。刚开机时，如果负偏置没有加上，此时I D是最大的。 特点：1，GS和GD有二极管特性，正向导通，反向电阻很大 2：DS也是导通特性，阻抗比较大 3：GS工作在反向偏置的状态。 4：DS极完全对称，可以反用，即D当做S，S当做D。 从以上介绍的情况看，可以把场效应管与一般半导体三极管加以对比，即栅极相当于基极，源极相当于发射极，漏极相当于集电极。如果把硅片做成P型，而栅极做成N型，则成为P沟道结型场效应管。结型场效应管的符号如图b所示。
薄膜材料的应用与发展 薄膜材料的发展以及应用，薄膜材料的分类，如金刚石薄膜、铁电薄膜、氮化碳薄膜、半导体薄膜复合材料、超晶格薄膜材料、多层薄膜材料等。各类薄膜在生产与生活中的运用以及展望。 1 膜材料的发展 在科学发展日新月异的今天，大量具有各种不同功能的薄膜得到了广泛的应用，薄膜作为一种重要的材料在材料领域占据着越来越重要的地位。 自然届中大地、海洋与大气之间存在表面，一切有形的实体都为表面所包裹，这是宏观表面。生物体还存在许多肉眼看不见的微观表面，如细胞膜和生物膜。生物体生命现象的重要过程就是在这些表面上进行的。细胞膜是由两层两亲分子--脂双层膜构成，它好似栅栏，将一些分子拦在细胞内，小分子如氧气、二氧化碳等，可以毫不费力从膜中穿过。膜脂双层分子层中间还夹杂着蛋白质，有的像船，可以载分子，有的像泵，可以把分子泵到膜外。细胞膜具有选择性，不同的离子须走不同的通道才行，比如有K＋通道、Cl－通道等等。细胞膜的这些结构和功能带来了生命，带来了神奇。 2 膜材料的应用 人们在惊叹细胞膜奇妙功能的同时，也在试图模仿它，仿生一直以来就是材料设计的重要手段，这就是薄膜材料。它的一个很重要的应用就是海水的淡化。虽然地球上70％的面积被水覆盖着，但是人们赖以生存的淡水只占总水量的2.5％～3％，随着人口增长和工业发展，当今世界几乎处于水荒之中。因此将浩瀚的海水转为可以饮用的淡水迫在眉睫。淡化海水的技术主要有反渗透法和蒸馏法,反渗透法用到的是具有选择性的高分子渗透膜,在膜的一边给海水施加高压,使水分子透过渗透膜,达到膜的另一边,而把各种盐类离子留下来,就得到了淡水。反渗透法的关键就是渗透膜的性能,目前常用有醋酸纤维素类、聚酰胺类、聚苯砜对苯二甲酰胺类等膜材料.这种淡化过程比起蒸法法,是一种清洁高效的绿色方法。 利用膜两边的浓度差不仅可以淡化海水,还可以提取多种有机物质。工业生产中，可用膜法过滤含酚、苯胺、有机磺酸盐等工业废水，膜法过滤大大节约了成本,有利于我们的生存环境。 膜的应用还体现在表面化学上面。在日常生活中,我们会发现在树叶表面,水滴总是呈圆形,是因为水不能在叶面铺展。喷洒农药时,如果在农药中加入少量的润湿剂(一种表面活性剂),农药就能够在叶面铺展,提高杀虫效果,降低农药用量。 更重要的，研究人员还将膜材料用于血液透析，透析膜的主要功能是移除体内多余水份和清除尿毒症毒素，大大降低了肾功能衰竭患者的病死率[1] 3 膜材料的分类 近年来,随着成膜技术的飞速发展,各种材料的薄膜化已经成为一种普遍趋势。 薄膜材料种类繁多,应用广泛,目前常用的有：超导薄膜、导电薄膜、电阻薄膜、半导体薄膜、介质薄膜、绝缘薄膜、钝化与保护薄膜、压电薄膜、铁电薄膜、光电薄膜、磁电薄膜、磁光薄膜等。目前很受人们注目的主要有一下几种薄膜。 3.1金刚石薄膜 金刚石薄膜的禁带宽，电阻率和热导率大，载流子迁移率高，介电常数小，击穿电压高，是一种性能优异的电子薄膜功能材料，应用前景十分广阔。 近年来,随着科技的发展,人们发展了多种金刚石薄膜的制备方法,比如离子束沉积法、磁控溅射法、热致化学气相沉积法、等离子化学气相沉积法等.成功获得了生长速度快、具有较高质量的膜,从而使金刚石膜具备了商业应用的可能。
场效应管工作原理 MOS场效应管电源开关电路。 这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。 MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP 型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。
为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图6所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P 型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。 对于场效应管（见图7），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图7a）。当有一个正电压加在N沟道的MOS场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在
薄膜技术在能源材料中的应用——薄膜太 阳能电池 一概述 能源和环境是二十一世纪面临的两个重大问题，据专家估算，以现在的能源消耗速度，可开采的石油资源将在几十年后耗尽，煤炭资源也只能供应人类使用约200年。太阳能电池作为可再生无污染能源，能很好地同时解决能源和环境两大难题，具有很广阔的发展前景。照射到地球上的太阳能非常巨大，大约40 min照射到地球上的太阳能就足以满足全球人类一年的能量需求。因此，制备低成本高光电转换效率的太阳能电池不仅具有广阔的前景，而且也是时代所需。 太阳能电池行业是21世纪的朝阳行业，发展前景十分广阔。在电池行业中，最没有污染、市场空间最大的应该是太阳能电池，太阳能电池的研究与开发越来越受到世界各国的广泛重视。 太阳能电池种类繁多，主要有硅太阳能电池、聚光太阳能电池、无机化合物薄膜太阳能电池、有机薄膜太阳能电池、纳米晶薄膜太阳能电池和叠层太阳能电池等几大类[1]。 二薄膜太阳能电池。 1、薄膜硅太阳能电池 薄膜硅太阳能电池(硅膜厚约50μm)的出现，相对晶体硅太阳能电池，所用的硅材料大幅度减少，很大程度上降低了晶体硅太阳能电池的成本。薄膜硅太阳能电池主要有非晶硅(a—Si)、微晶硅(μc—Si)和多晶硅(p-Si)薄膜太阳能电池，前两者有光致衰退效应，其中μc—Si薄膜太阳能电池光致衰退效应相对较弱但μc-Si薄膜沉积速率低(仅1.2 nm/s) ，光致衰退效应致使其性能不稳定，发展受到一定的限制，而后者则无光致衰退效应问题，因此是硅系太阳能电池
的发展方向[1]。 太阳能电池是制约太阳能发电产业发展的瓶颈技术之一。目前主要的研究工作集中在新材料、新工艺、新设计等方面，其目的是为了提高电池转换效率和降低电池制造成本。制造太阳能电池的材料主要有单晶硅、多晶硅、非晶硅以及其他新型化合物半导体材料，其中非晶硅属直接转换型半导体，光吸收率大，易于制成厚度0．5微米以下、面积l平方米以上的薄膜，并且容易与其他 原子结合制成对近红外高吸收的非晶硅锗集层光电池，这是目前的主攻方向之一；另一种是非晶硅和多晶硅混合薄膜材料，它转换率高、用材省，是新世纪最有前途的薄膜电池之一。 2、无机化合物薄膜太阳能电池 选用的无机化合物主要有CdTe，CdS，GaAs，CulnSe2(CIS)等，其中CdTe的禁带宽度为1．45 eV(最佳产生光伏响应的禁带宽度为1．5 eV)，是一个理想的半导体材料，截止2004年，CdTe电池光电转化效率最高为16．5％；CdS的禁带宽度约为2．42 eV，是一种良好的太阳能电池窗口层材料，可与CdTe、SnS和CIS等形成异质结太阳能电池；GaAs的禁带宽度为1．43 eV，光吸收系数很高，GaAs单结太阳电池的理论光电转化效率为27％，目前GaA/Ge单结太阳电池最高光电转换效率超过20％，生产水平的光电转换效率已经达到19～20％，其与GalnP组成的双节、三节和多节太阳能电池有很大的发展前景；CIS薄膜太阳能电池实验室最高光电转化效率已达19．5％，在聚光条件下(14个太阳光强)，光电转化效率达到21．5％，组件产品的光电转化效率已经超过13％；CIS 薄膜用Ga部分取代In，就形成Culn1-x Ga x Se2 (简称CIGS)四元化合物，其薄膜的禁带宽度在1．04～1．7 eV范围内可调，这为太阳能电池最佳禁带宽度的优化提供了机会，同时开发了两种新的材料，用Ga完全取代In形成CuGaSe2，用S完全取代Se形成CulnS2，以备In、Se资源不足时可以采用。但是，Cd和As是有毒元素，In和Se是稀有元素，严重地制约着无机化合物薄膜太阳能电池的大规模生
薄膜晶体管液晶显示器技术简介 15英吋的TFT-LCD 薄膜晶体管液晶显示器英文名是Thin Film Transistor-Liquid Crystal Display,TFT-LCD 是英文字头的缩写。薄膜晶体管液晶显示器技术是一种微电子技术与液晶显示器技术巧妙结合的技术。把单晶上进行微电子精细加工的技术，移植到在大面积玻璃上进行薄膜晶体管（TFT）阵列的加工，再将该阵列基板与另一片带彩色滤色膜的基板，利用与业已成熟的液晶显示器（LCD）技术，形成一个液晶盒，再经过后工序如偏光片贴覆等过程，最后形成液晶显示器件。 TFT-LCD（薄膜晶体管液晶显示器, Thin film transistor liquid crystal display）是多数液晶显示器的一种，它使用薄膜晶体管技术改善影象品质。虽然TFT-LCD被统称为LCD，不过它是种主动式矩阵LCD。它被应用在电视、平面显示器及投影机上。 简单说，TFT-LCD皮肤可视为两片玻璃基板中间夹着一层液晶，上层的玻璃基板是与彩色滤光片（Color Filter）、而下层的玻璃则有晶体管镶嵌于上。当电流通过晶体管产生电场变化，造成液晶分子偏转，藉以改变光线的偏极性，再利用偏光片决定像素（Pixel）的明暗状态。此外，上层玻璃因与彩色滤光片贴合，形成每个像素（Pi xel）各包含红蓝绿三颜色，这些发出红蓝绿色彩的像素便构成了皮肤上的图像画面。 TFT-LCD结构。薄膜晶体管液晶显示器由显示屏、背光源及驱动电路三大核心部件组成。TFT-LCD显示屏，包括阵列玻璃基板、彩色滤光膜以及液晶材料。 阵列玻璃基板制备工艺是：用三个光刻掩膜板，首先在玻璃基板上连续淀积ITO膜（厚20～50n m）和Cr膜（厚50～100nm），并光刻图形，然后连续淀积绝缘栅膜SiN：（厚约400n m），再本征a-Si（厚50～100n m）和n＋a-Si层，并光刻图形（干法）淀积Al 膜，光刻漏源电极，最后以漏源电极作掩膜，自对准刻蚀象素电极上的Cr膜和TFT源漏之
场效应管工作原理
场效应管工作原理 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 一、场效应管的分类 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；此外还有PMOS、NMOS和VMOS功率场效应管，以及最近刚问世的πMOS场效应管、VMOS功率模块等。 按沟道半导体材料的不同，结型和绝缘栅型各分沟道和P沟道两种。若按导电方式来划分，场效应管又可分成耗尽型与增强型。结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管。而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。见下图。 二、场效应三极管的型号命名方法 现行有两种命名方法。第一种命名方法与双极型三极管相同，第三位字母J代表结型场效应管，O代表绝缘栅场效应管。第二位字母代表材料，D是P型硅，反型层是N沟道；C是N型硅P沟道。例如,3DJ6D
“薄膜晶体管的制备及电学参数”调研报告 （青岛大学物理科学学院，应用物理系） 摘要：20世纪平板显示技术的出现，把人类带入了信息社会，人类社会从此发生了质的飞跃。而平板显示的核心元件就是薄膜晶体管TFT(nlin Film Transistor)，一种在掺杂硅片或玻璃基底上通过薄膜工艺制作的场效应晶体管器件。将半导体氧化物作为有源层来制作TFT用于平板显示中，不仅能获得较高迁移率，器件性能优越，而且制造工艺简单、低温下可以获得，显示出了巨大的应用前景。本文综述了薄膜材料的制备方法，薄膜晶体管的发展历程与应用以及其结构、工作原理和测试表征方法。 关键词：薄膜材料，薄膜晶体管，制备，表征方法 Abstract:In the 20th century,the emergence of the flat panel display technology has brought human beings into the information society．Since then the human society happened a qualitative leap．The core component of flat panel display is the thin film transistor(TFT)，it is a field effect transistor device produced by thin film technology on the doped-silicon or glass．If we use the semiconductor oxide as the active layer，not only we can get a higher mobility，bu also the device performance call be enhanced．And the manufacturing process is simple，low temperatures also can be obtained,which shows a great prospect．The preparation method of thin film materials is reviewed in this paper, the development and application of thin film transistor and its structure, working principle and test method are characterized, Keywords: Thin film materials, thin film transistor, manufacture, characterization methods 前言 薄膜材料是指厚度介于单原子分子到几毫米间的薄金属或有机物层。当固体或液体的一维线性尺度远远小于它的其他二维尺度时，我们称这样的固体或液体为膜。薄膜材料具有良好的韧性、防潮性和热封性能，应用非常广泛。例如：双向拉伸聚丙烯薄膜（BOPP）、低密度聚乙烯薄膜（LDPE）、聚酯薄膜（PET）、镀铝薄膜、半导体氧化物薄膜等等。近几年来，以氧化锌、氧化铟、氧化锡等半导体氧化物及其合金为有源层的透明薄膜晶体管备受关注，并已取得了突破性进展。这些氧化物是优异的光电材料，具有高光学透过率、生长温度低、击穿电压高、电子迁移率高等优点，从而可以获得更好、成本更低的薄膜晶体管，并且也为新型薄膜晶体管的发展带来了契机。氧化物薄膜晶体管作为极具发展潜力的新型薄膜晶体管，具备了许多传统TFT无法比拟的优点，但是也存在诸多问题有待进一步解决。例如，如何解决外界环境对器件性能的影响，优化工艺从而降低成本，如何制作出性能优越、具有实用价值的器件等，这些都是现在研究面临的问题。本文的主要调研对象，包括氧化锌以及有机薄膜作为有源层的薄膜晶体管。 薄膜晶体管的发展历程 1925年，Julius Edger Lilienfeld首次提出结型场效应晶体管(Field
第六章 薄膜材料及其应用（1） 主要内容 一、超硬薄膜 二、智能薄膜 三、纳米薄膜 四、三族元素氮化物薄膜 五、巨磁和庞磁薄膜 六、铁电薄膜 七、红外敏感薄膜 八、人工周期调制材料 一、超硬薄膜 材料的硬度不仅取决于材料的宏观性质（弹性和塑性），而且 也取决于材料的微观性质（原子间的相互作用力）。合成超硬材料对于了解原子间相互作用的微观特性与宏观特性间的基本关系，以及纯技术的应用都十分重要。 超硬材料（包括已有超硬材料和理论预言超硬材料）可以分为三类： 1. 由周期表中第2、3周期的轻元素所形成的共价和离子-共价化合物； 2. 特殊共价固体，包括各种结晶和无序的碳材料； 3. 与轻元素形成的部分过渡金属化合物，如：硼化物、碳化物、氮化物和氧化物。 超硬材料的特点 1. 超硬材料在正常条件下大多是亚稳相； 2. 绝大多数超硬材料都是共价型或离子型固体； 3. 过渡金属化合物超硬材料具有共价键和金属键； 4. 超硬材料在元素周期表中都由位于中间位置的主族元素组成，这些元素具有最小离子、共价或金属半径，且固态中的原子间具有最大的结合能； 5. 元素中电子壳层的周期填充使固体中的原子半径或分子体积呈规律性变化； 6. 元素固相在变化时，如具有最小摩尔体积，则具有最大的体弹性模量、最大的结合能和最高的熔点。满足Aleksandrov 关系： k 为体弹性模量，Vm 为摩尔体积，Ec 为结合能 对单一元素的固体， 绝大多数在1-4； （一）由原子序数较小的元素形成的超硬化合物 这些超硬材料由位于第2、3周期中的元素如：铍、硼、碳、氮、氧、铝、硅、磷 的化合物组成。它们能形成三维刚性点阵、原子间具有较强的共价键。典型的离子-共价化合物例子是氧化物，如：刚玉Al2O3，超石英（SiO2的高压相）。 这些超硬化合物主要有：BeO 、B6O 、P2O5、Al-B-O 系统、CNx 、SiC 、Be2C 、Si3N4及其它硼碳化合物、硼磷化物、硼硅化物等。 （二）碳材料 由于C 原子间存在不同类型的化学键合，所以C 存在大量的同素异构体和无序相。如 sp3 C 杂化键合形成的金刚石，是最硬的的已知材料。所以可将碳划到特殊材料。 单晶金刚石的维氏硬度达70-140GPa 。另一sp3 C 杂化键合形成的六方金刚石具有与金刚石类似的力学性质。近年来，利用各种沉积技术，制备了高sp3 键合度的非晶碳膜，也称类金刚石薄膜。它的显微硬度达到70GPa 。足球烯C60是有C 的sp2 原子键合形成m c V E k ∝160.5/E kV c m -≡
薄膜技术发展历程(一)：镀膜发展史 化学镀膜最早用于在光学元件表面制备保护膜。随后，1817年，Fraunhofe在德国用浓硫酸或硝酸侵蚀玻璃，偶然第一次获得减反射膜，1835年以前有人用化学湿选法淀积了银镜膜它们是最先在世界上制备的光学薄膜。后来，人们在化学溶液和蒸气中镀制各种光学薄膜。50年代，除大快窗玻璃增透膜的一些应用外，化学溶液镀膜法逐步被真空 镀膜取代。 真空蒸发和溅射这两种真空物理镀膜工艺，是迄今在工业撒谎能够制备光学薄膜的两种最主要的工艺。它们大规模地应用，实际上是在1930年出现了油扩散泵---机械泵抽气系统之后。 1935年，有人研制出真空蒸发淀积的单层减反射膜。但它的最先应用是1945年以后镀制在眼镜片上。1938年，美国和欧洲研制出双层减反射膜，但到1949年才制造出优质的产品。1965年，研制出宽带三层减反射系统。在反射膜方面，美国通用电气公司1937年制造出第一盏镀铝灯。德国同年制成第一面医学上用的抗磨蚀硬铑膜。在滤光片方面，德国1939年试验淀积出金属—介质薄膜Fabry---Perot型干涉滤光片。 在溅射镀膜领域，大约于1858年，英国和德国的研究者先后于实验室中发现了溅射现象。该技术经历了缓慢的发展过程。1955年，Wehner 提出高频溅射技术后，溅射镀膜发展迅速，成为了一种重要的光学薄膜工艺。现有两极溅射、三极溅射、反应溅射、磁控溅射和双离子溅射等 淀积工艺。 自50年代以来，光学薄膜主要在镀膜工艺和计算机辅助设计两个
方面发展迅速。在镀膜方面，研究和应用了一系列离子基新技术。1953年，德国的Auwarter申请了用反应蒸发镀光学薄膜的专利，并提出用离子化的气体增加化学反应性的建议。1964年，Mattox在前人研究工作的基础上推出离子镀系统。那时的离子系统在10Pa压力和2KV的放电电压下工作，用于在金属上镀耐磨和装饰等用途的镀层，不适合镀光学薄膜。后来，研究采用了高频离子镀在玻璃等绝缘材料上淀积光学薄膜。70年代以来，研究和应用了离子辅助淀积、反应离子镀和等离子化学气相等一系列新技术。它们由于使用了带能离子，而提供了充分的活化能，增加了表面的反应速度。提高了吸附原子的迁移性，避免形成柱状显微结构，从而不同程度地改善了光学薄膜的性能，是光学薄膜制造 工艺的研究和发展方向。 实际上，真空镀膜的发展历程要远远复杂的多。我们来看一个这个 有两百年历史的科技历程： 19世纪 真空镀膜已有200年的历史。在19世纪可以说一直是处于探索和预研阶段。探索者的艰辛在此期间得到充分体现。1805年, 开始研究接触角与表面能的关系(Young)。1817年, 透镜上形成减反射膜(Fraunhofer)。1839年, 开始研究电弧蒸发(Hare)。1852年, 开始研究真空溅射镀膜(Grove;Pulker)。1857年, 在氮气中蒸发金属丝形成薄膜(Faraday;Conn)。 1874年, 报道制成等离子体聚合物(Dewilde;Thenard)。1877年,薄膜的真空溅射沉积研究成功(Wright)。1880年, 碳氢化合物气相热解(Sawyer;Mann)。1887年, 薄膜的真空蒸
场效应管工作原理 这是该装置的核心，在介绍该部分工作原理之前，先简单解释一下MOS 场效应管的工作原理。MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor （金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N沟道型，PNP型也叫P 沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N 型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P 型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。为解释MOS场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P 饱和漏源电流。是指结型或耗尽型绝缘栅场效应管中，栅极电压U GS=0时的漏源电流。 2、UP 开启电压。是指增强型绝缘栅场效管中，使漏源间刚导通时的栅极电压。 4、gM 对漏极电流I D的控制能力，即漏极电流I D变化量与栅源电压UGS变化量的比值。gM 是衡量场效应管放大能力的重要参数。
5、BUDS 最大耗散功率。也是一项极限参数，是指场效应管性能不变坏时所允许的最大漏源耗散功率。使用时，场效应管实际功耗应小于PDSM并留有一定余量。 7、IDSM UGS=0时的漏极电流。UP —夹断电压，使ID=0对应的UGS的值。P沟道场效应管的工作原理与N沟道类似。我们不再讨论。下面我们看一下各类绝缘栅场效应管(MOS场效应管)在电路中的符号。§3 场效应管的主要参数场效应管主要参数包括直流参数、交流参数、极限参数三部分。 一、直流参数 1、饱合漏极电流IDSSIDSS是耗尽型和结型场效应管的一个重要参数。定义：当栅、源极之间的电压UGS=0，而漏、源极之间的电压UDS大于夹断电压UP时对应的漏极电流。 2、夹断电压UPUP也是耗尽型和结型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，使ID减小到某一个微小电流(如1μA， 50μA)时所需UGS的值。 3、开启电压UTUT是增强型场效应管的重要参数。定义：当UDS一定时，漏极电流ID达到某一数值(如10μA)时所需加的UGS 值。 4、直流输入电阻RGSRGS是栅、源之间所加电压与产生的栅极电流之比，由于栅极几乎不索取电流，因此输入电阻很高，结型为106Ω以上，MOS管可达1010Ω以上。 二、交流参数
薄膜材料制备原理、技术及应用知识点1 一、名词解释 1. 气体分子的平均自由程:自由程是指一个分子与其它分子相继两次碰撞之间，经过的直线路程。对个别分子而言，自由程时长时短，但大量分子的自由程具有确定的统计规律。气体分子相继两次碰撞间所走路程的平均值。 2. 物理气相沉积（PVD）：物理气相沉积(Physical Vapor Deposition，PVD)技术表示在真空条件下，采用物理方法，将材料源——固体或液体表面气化成气态原子、分子或部分电离成离子，并通过低压气体(或等离子体)过程，在基体表面沉积具有某种特殊功能的薄膜的技术。物理气相沉积的主要方法有，真空蒸镀、溅射镀膜、电弧等离子体镀、离子镀膜，及分子束外延等。发展到目前，物理气相沉积技术不仅可沉积金属膜、合金膜、还可以沉积化合物、陶瓷、半导体、聚合物膜等。 3. 化学气相沉积（CVD）：化学气相沉积(Chemical vapor deposition，简称CVD)是反应物质在气态条件下发生化学反应，生成固态物质沉积在加热的固态基体表面，进而制得固体材料的工艺技术。它本质上属于原子范畴的气态传质过程。 4. 等离子体鞘层电位：等离子区与物体表面的电位差值ΔV p即所谓的鞘层电位。 在等离子体中放入一个金属板，由于电子和离子做热运动，而电子比离子的质量小，热速度就比离子大，先到达金属板，这样金属板带上负电，板附近有一层离子，于是形成了一个小局域电场，该电场加速了离子，减速电子，最终稳定了以后，就形成了鞘层结构，该金属板稳定后具有一个电势，称为悬浮电位。 5. 溅射产额：即单位入射离子轰击靶极溅出原子的平均数，与入射离子的能量有关。 6. 自偏压效应：在射频电场起作用的同时，靶材会自动地处于一个负电位下，导致气体离子对其产生自发的轰击和溅射。 7. 磁控溅射：在二极溅射中增加一个平行于靶表面的封闭磁场，借助于靶表面上形成的正交电磁场，把二次电子束缚在靶表面特定区域来增强电离效率，增加离子密度和能量，从而实现高速率溅射的过程。 8. 离子镀：在真空条件下，利用气体放电使气体或被蒸发物部分离化，产生离子轰击效应，最终将蒸发物或反应物沉积在基片上。结合蒸发与溅射两种薄膜沉积技术而发展的一种PVD方法。 9. 离化率：被离化的原子数与被蒸发气化的原子数之比称为离化率.一般离化装置的离化率仅为百分之几,离化率较高的空心阴极法也仅为20～40% 10. 等离子体辅助化学气相沉积（PECVD）技术：是一种用等离子体激活反应气体,促进在基体表面或近表面空间进行化学反应,生成固态膜的技术。等离子体化学气相沉积技术的基本原理是在高频或直流电场作用下，源气体电离形成等离子体，利用低温等离子体作为能量源，通入适量的反应气体，利用等离子体放电，使反应气体激活并实现化学气相沉积的技术。 11. 外延生长：在单晶衬底（基片）上生长一层有一定要求的、与衬底晶向相同的单晶层，犹如原来的晶体向外延伸了一段，故称外延生长。 12. 薄膜附着力:薄膜对衬底的黏着能力的大小，即薄膜与衬底在化学键合力或物理咬合力作用下的结合强度。 二、填空： 1、当环境中元素的分压降低到了其平衡蒸气压之下时，元素发生净蒸发。反之，元素发生净沉积。 2、在直流放电系统中，气体放电通常要经过汤生放电阶段、辉光放电阶段和弧光放电阶段三个放电过程，其中溅射法制备薄膜主要采用辉光放电阶段所产生的大量等离子体来形成溅射。 3、溅射仅是离子轰击物体表面时发生的物理过程之一，不同能量的离子与固体表面相互作用的过程不同，不仅可以实现对物质原子的溅射，还可以在固体表面形成沉积现象和离子注入现象。 4、溅射法所采有的放电气体多为Ar气，主要原因是惰性气体做为入射离子时，物质溅射产额高，从经济方面考虑，多使用Ar做为溅射气体。 5、直流溅射要求靶材具有良好的导电性，否则靶电流过小，靶电压过高，而射频溅射方法以交流电源提供高频电场，高频电场可经由其它阻抗形式进入沉积室，不再要求电极一定是导电体，使溅射过程摆脱对靶材导电性的要求。 6、磁控溅射存在的缺点。 1 微观永远大于宏观你永远大于人类今天永远大于永远■■■■■■■■纯属个人行为，仅供参考■■■■■■■■勿删■■■■■■■■■
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性 场效应管(MOSFET)是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。它的输入电阻可高达1015W，而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。场效应管也称为MOS管，按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。 绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。每种又有增强型和耗尽型两类。下面简单介绍它们的工作原理。 1、增强型绝缘栅场效应管 2、图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。 在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区，并用金属铝引出两个电极，称为漏极D和源极S如图6-38(a)所示。然后在半导体表面覆盖一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称为栅极G。另外在衬底上也引出一个电极B，这就构成了一个N沟道增强型MOS管。它的栅极与其他电极间是绝缘的。图6-38(b)所示是它的符号。其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。 图6-38 N沟道增强型场效应管 场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。从图 6-39(a)可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。当栅-源电压UGS=0时，即使加上漏-源电压UDS，而且不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID≈0。 若在栅-源极间加上正向电压，即UGS＞0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图6-39(b)所示。UGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子就增多，当UGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层，且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称为反型层，如图6-39(c)所示。UGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底
P通道为空穴流，N通道为电子流，所以场效应三极管也称为单极性三极管。FET 乃是利用输入电压(Vgs)来控制输出电流(Id)的大小。所以场效应三极管是属于电压控制元件。它有两种类型，一是结型（接面型场效应管）(JFET)，一是金氧半场效应三极管，简称MOSFET，MOSFET又可分为增强型与耗尽型两种。 N沟道，P沟道结型场效应管的D、S是由N(或P)中间是栅极夹持的通道，这个通道大小是受电压控制的，当然就有电流随栅极电压变化而变。可以看成栅极是控制电流阀门。 增强型是指：当VGS=0时管子是呈截止状态，加上正确的VGS后，多数载流子被吸引到栅极，从而“增强”了该区域的载流子，形成导电沟道。耗尽型则是指，当VGS=0时即形成沟道，加上正确的VGS时，能使多数载流子流出沟道，因而“耗尽”了载流子，使管子转向截止。栅极电压高低决定电场的变化，进而影响载流子的多少，引起通过S、D电流变化。 MOS管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数管子在出厂前已连接好)。增强型MOS管的漏极d和源极s之间有两个背靠背的PN结。 主板上的PWM(Plus Width Modulator，脉冲宽度调制器)芯片产生一个宽度可调的脉冲波形，这样可以使两只MOS管轮流导通。当负载两端的电压(如CPU需要的电压)要降低时，这时MOS管的开关作用开始生效，外部电源对电感进行充电并达到所需的额定电压。当负载两端的电压升高时，通过MOS管的开关作用，外部电源供电断开，电感释放出刚才充入的能量，这时的电感就变成了“电源”，当栅-源电压vGS=0时，即使加上漏-源电压vDS，而且不论vDS的极性如何，总有一个PN结处于反偏状态，漏-源极间没有导电沟道。 MOS管 MOS管的英文全称叫MOSFET(Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor)，即金属氧化物半导体型场效应管，属于场效应晶体管中的绝缘栅型。因此，MOS管有时被称为场效应管。在一般电子电路中，MOS管通常被用于放大电路或开关电路。而在主板上的电源稳压电路中，MOSFET扮演的角色主要是判断电位，它在主板上常用“Q”加数字表示。 一、MOS管的作用是什么？ 目前主板或显卡上所采用的MOS管并不是太多，一般有10个左右，主要原因是大部分MOS管被整合到IC芯片中去了。由于MOS管主要是为配件提供稳定的电压，所以它一般使用在CPU、AGP插槽和内存插槽附近。其中在CPU与AGP插槽附近各安排一组MOS管，而内存插槽则共用了一组MOS管，MOS管一般是以两个组成一组的形式出现主板上的。 二、MOS管的性能参数有哪些？ 优质的MOS管能够承受的电流峰值更高。一般情况下我们要判断主板上MOS 管的质量高低，可以看它能承受的最大电流值。影响MOS管质量高低的参数非常多，像极端电流、极端电压等。但在MOS管上无法标注这么多参数，所以在MOS 管表面一般只标注了产品的型号，我们可以根据该型号上网查找具体的性能参数。 还要说明的是，温度也是MOS管一个非常重要的性能参数。主要包括环境温度、管壳温度、贮成温度等。由于CPU频率的提高，MOS管需要承受的电流也随