横河测试测量：低维半导体材料研究中栅极电压的重要性

暖暖的阳光 · 发表于 2020-11-13 09:44:53

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　　首先，我们来看一下传统的硅基半导体材料器件，典型的代表是BJT(双极结型晶体三极管)、MOSFET(绝缘栅型场效应管)以及IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，这些器件目前广泛应用于日常生活中的家用电源、工业生产、电气化交通、新能源技术等方面。
　　

　　MOSFET的基本原理图

　　上图中，源极和漏极一定是跟同种掺杂的半导体相连的，图中是N型。而栅极是通过一个由氧化物构成的绝缘层(主要是SiO2)与P型半导体间接相连。P型半导体把源极和漏极隔绝开来，两者的多数载流子是不同的，因此在没有电压的情况下，源极和漏极之间是没有电流通过的。这是MOSFET的截止状态。

　　对于MOSFET来说，氧化物上面的电极相当于电容器的上极板，P型半导体靠近氧化物的部分相对于下极板，而氧化物就相当于两个极板之间的电介质。当正电压施加于栅极时，p型氧化物中也会感生出电子。这些电子会集中到靠近氧化物的区域内，看起来像一个沟道一样，宏观上，这部分p型半导体变成了n型半导体。这样源极和栅极中红色区域n型半导体中的大量电子就可以通过这个沟道导通了，这是MOSFET的导通状态。

　　从能级的角度来说，漏极的电子想到源极去，就需要翻过一座很高的山：栅极的p型半导体。只有能量特别高的电子才能成功翻过这座山。而当有外界电压加到栅极时，相当于人为地把这座山给削平了，这样大量能量一般的电子，也能成功翻越了。这就是MOSFET的截止和导通。

　　低维半导体材料研究中最重要的低温电子输运就是类似这样一个过程——使用新型低维材料为基底，施加栅极电压，研究磁场对于电子输运的影响，从而改善新型半导体材料性能，提高电子输运效率。此过程中需要将电子态控制在某个状态，并且试验时间可能长达一两周，器件对电压极其敏感，所以对栅极电压的稳定性要求极高，如果栅极电压不稳定，出现突变的情况下，可能会导致器件击穿，从而损毁器件。

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