晶体管、MOS器件

N2003-7815-1 0316841复合型有机发光晶体管=复合型有机发光夕〔汇,日〕/池上加余子//信学技报,Vol.100,No,650.-1～5(L) 0316842一种电流放大型自旋晶体管〔刊〕/葛永华//上海大学学报(自然科学版)。-2003,9(2)。-162～166,171(C) 该文提出了一种电流放大型自旋晶体管设计思想,并对其电流放大系数作了一定的分析讨论。自旋晶体管中的电流放大系数主要取决于注入基区的自旋极化电子的极化程度,基区中自旋的驰豫时间及基区的宽度。参8     

自旋阀中的极化输运与相关自旋新材料及结构研究

电子既是电荷的载体又是自旋的载体。电子作为电荷的载体,使二十世纪成为了微电子学的天下。而随着1988年巨磁电阻(GMR)效应发现以来,通过操纵电子的另一量子属性——自旋,使新一代的电子器件又多了一维控制手段。电子自旋的研究涵盖了金属磁性多层膜、磁性氧化物、磁性半导体等众多体系,探寻这些体系中自旋输运的基本原理是研究的重点。目前,基于传统自旋阀中极化输运及自旋电子学的发展,对新材料和新结构的研究尚不成熟,还有众多科学问题亟待解决,诸如:如何在室温下获得更大的巨磁电阻变化率、提高器件的稳定性及灵敏度、自旋阀中交换偏置场产生的物理根源、实现自旋同半导体完美结合的材料、结构及方法等。因此,基于国内外自旋电子学研究的重点,首先围绕最基本的自旋阀纳米多层膜结构,开展了自旋阀多层膜制备、设计、结构优化、自旋阀交换偏置核心结构物理机制探索等研究;其次,提出了三种异质结新结构,并以大自旋极化率Fe3O4磁性半金属为核心材料,开展了自旋阀、新异质结研究;最后,在理论与材料研究的基础上,对自旋器件进行了设计与实验研究,获得了一些有益的结果:(1)理论方面,基于自旋电子器件进一步发展对新结构、新材料发展的需求,提出了磁性半导体/半导体、磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料的新自旋异质结模型。理论分析发现,利用磁性半导体/半导体异质结,在负偏压的作用下可实现自旋电子的极化输运,而利用磁性半导体/磁性半导体、自旋滤波材料/自旋滤波材料异质结可实现趋于100%的磁电阻变化率。另外通过计算,对可实现的磁阻效应及对材料的要求进行了详细研究,为新材料的应用奠定了一定的理论基础。(2)虽然基于自旋阀核心结构的自旋电子器件研究已开展了多年,但如何进一步提高自旋电子器件的磁电阻效应、灵敏度、工作范围、工作稳定性和解决这些问题的物理机制,仍是自旋电子学中的一个热点。因而,首先基于Mott二流体模型发现自旋阀巨磁电阻受磁性材料、非磁性材料、自旋极化率、自旋扩散长度、厚度、尺寸、电阻率等影响明显,因而可通过改善制备工艺条件及各层的材料、厚度改善自旋阀的性能,探寻提高巨磁电阻变化率、灵敏度等的有效途径。其次,以理论分析为指导,实验上首先制备Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn传统自旋阀多层膜,研究了自由层、隔离层、钉扎层、反铁磁层厚度对巨磁电阻效应的影响,找到了最佳的制备工艺;其次,研究了缓冲层材料对自旋阀灵敏度、巨磁电阻效应的影响。发现由于缓冲层元素表面自由能的影响导致了自旋阀灵敏度的改变,指出选择适当表面自由能的缓冲层,可有效改善自由层薄膜的性能,为提高器件的灵敏度提供了有效的途径;最后,基于室温磁场下制备自旋阀交换偏置场较小、工作范围较窄的问题,通过对传统结构的改进,提出了新型双交换偏置场自旋阀模型,为增大器件工作稳定性、人为调制器件工作范围,提供了有效手段。(3)交换偏置在自旋电子器件中具有核心地位,但到目前为止,其产生的物理根源、影响其大小的因素仍是未解决的难题。因而,基于自旋阀的核心结构——铁磁/反铁磁交换偏置效应,研究了NiFe/FeMn双层膜钉扎层、被钉扎层厚度、材料微结构、底钉扎、顶钉扎结构等对交换偏置的影响,分析了交换偏置产生的物理根源;研究了制备磁场大小对钉扎场大小的影响,发现了利用大磁场可实现提高交换偏置的新方法,并利用52kA/m(650Oe)的大磁场在1~2nm的NiFe钉扎层中实现了接近48kA/m(600Oe)的交换偏置场。(4)基于自旋阀测试,研究了初始测试磁场平行与反平行于交换偏置场方向,测试电流的大小对交换偏置场的影响。并用大脉冲电流,在初始测试磁场反平行于交换偏置场方向的样品中,首次实现电流矩在电流沿膜面流动自旋阀结构中对钉扎场的翻转,为铁磁/反铁磁双层膜体系产生交换偏置的机理提供了新的研究途径,并对自旋阀的应用提出了新的挑战。(5)为探寻高自旋极化率的新材料,开展了半金属磁性材料Fe3O4薄膜制备工艺的研究。通过改变溅射功率、退火温度、缓冲层、磁场沉积等,在200W溅射功率、300℃的退火温度、24kA/m(300Oe)沉积磁场的最佳条件下获得了高晶粒织构、成分单一的Fe3O4薄膜,并通过对氧气氛的调节,实现了无缓冲层高性能Fe3O4薄膜的制备。(6)利用所制备的Fe3O4薄膜,进行了基于Fe3O4自旋阀的制备,发现Fe3O4薄膜同其它金属材料间电阻率的失配,是造成巨磁电阻效应低的原因;另外,基于理论提出的磁性材料/半导体异质结,制备了Fe3O4/n-Si纳米结,初步实现了磁性材料到半导体的自旋注入与输运。     

基区复合对nSi/pSi_(1-x)Ge_x/nSi晶体管共射极电流增益的影响

采用二维数值模拟方法详细分析了基区复合电流对nSi/pSi1-xGex/nSi应变基区异质结双极晶体管(HBT)共射极电流放大系数β的影响,给出了Si1-xGexHBT的Gummel图、平衡能带图.得出在靠近发射结附近基区的复合电流是引起β下降的主要因素,并给出了减小基区复合电流的Ge分布形式.     

新型基区结构高反压功率晶体管的优化

依据电参数指标要求,针对高压-高增益硅功率晶体管基区结构和终端结构进行优化研究。提出了一种可用于改善集电极-发射极击穿电压(V_(BRCEO))和电流放大倍数(β)矛盾关系的带埋层的新型基区结构,并针对埋层基区结构对高压-高增益硅功率晶体管电性能及可靠性的影响进行了研究。仿真结果表明:新型基区结构不仅可以很好地折中晶体管β与V_(BRCEO)之间的矛盾关系,而且还能在较大的埋层基区宽度、埋层基区掺杂峰值浓度范围内使晶体管获得较低且一致性较好的饱和压降;具有新型基区结构的晶体管在改善正偏的情况下抗二次击穿能力具有明显优势。由仿真得到的器件结构参数,研制出的样片的β,V_(BRCEO)和集电极-基极击穿电压(V_(BRCBO))均满足电参数指标要求。     

双极晶体管表面1/f噪声的研究

本文从表面载流子数涨落机构出发,建立了双极晶体管表面i/f噪声电流的完整理论关系式.测量了噪声与双极晶体管的基区表面势、表面复合电流、发射区周长和电流放大系数等主要参数的依赖关系.理论规律与实验结果符合良好.     

晶体管放大电路入门：单管放大器

怎样把晶体管的电流放大作用转换成电压放大作用?这就必需外接元件构成放大电路,其中最简单的就是单管放大器。基本单管放大器的电路如图1所示.其中晶体管T作电流放大,将输入基极电流放大p倍产生输出集电极电流。R_B叫基极偏置电阻,由电源Ec通过R_B产生直流基极电流I_(BQ)     

双离子注入低频低噪声晶体管

低发射极浓度(LEC)晶体管2G213是一种NPN双极型低频低噪声晶体管。用硼离子注入形成基区、磷离子注入形成发射区并实现LEC结构。表面用二氧化硅-磷硅玻璃-氮化硅钝化。在一千赫时噪声系数0.5分贝。共发射极电流放大系数500～2000。     

一种新的自旋量子效应——电流感应磁化翻转

电流感应的磁化翻转效应是近年来继巨磁阻效应(GMR)和隧道磁阻效应(TMR)之后提出的一种nm尺度下新的自旋相关效应,在无外加磁场的情况下,垂直于铁磁层平面的自旋极化电流就能引起铁磁层的磁化翻转。该效应有望被用于制作新型的电流操纵磁存储器件。报道了该效应的理论和实验的研究进展。     

Si/SiGe/Si双异质结晶体管(HBT)的负阻特性

同质结硅双极晶体管在共射极状态下工作中,在高集电极--发射极电压、大电流下,由于热电正反馈,容易发生热击穿,这限制了晶体管的安全工作区域.本文报道了在大电流下,由于热电负反馈,重掺杂基区Si/SiGe/HBT出现了负阻特性,并对这一现象进行了新的解释,认为这是由于大电流下耗散功率增加,基区俄歇复合导致电流增益随温度增加而减小的结果.这一现象有利于改善大电流下双极晶体管的抗烧毁能力,证明Si/SiGe/HBT适于大功率应用.     

HPT型Ge量子点红外探测器

异质结光敏晶体管(HPT)是一种具有内部电流增益的光电探测器,且与异质结双极晶体管(HBT)的制作工艺完全兼容.利用超高真空化学气相淀积(UHV/CVD)方法在HBT晶体管的基区和集电区间加入多层Ge量子点材料作为光吸收区.TEM和DCXRD测试结果表明,生长的多层Ge量子点材料具有良好的晶体质量.为了提高HPT的发射...     

集电极偏置电流对硅npn晶体管γ辐照效应的影响

对硅npn双极晶体管(C2060)室温下不同集电极偏置电流条件下γ辐照的总剂量效应进行了研究.结果表明,npn晶体管的辐照损伤程度随着辐照总剂量的增加而增加;尤其是实验中发现:在相同的辐照总剂量下随着辐照时集电极偏置电流的增加,晶体管的辐照损伤程度却在减轻.空间电荷模型的观点并不能很好地解释辐照损伤与辐照集电极偏置电流的关系.文章对空间电荷模型进行了修正,认为除氧化物俘获电荷和界面俘获电荷外,还会在外基区Si-SiO2界面附近形成电中性的电偶极子.利用修正后的理论可以很好地解释所有的实验结果.     

集电极偏置电流对硅npn晶体管γ辐照效应的影响

对硅npn双极晶体管(C2060)室温下不同集电极偏置电流条件下γ辐照的总剂量效应进行了研究.结果表明,npn晶体管的辐照损伤程度随着辐照总剂量的增加而增加;尤其是实验中发现:在相同的辐照总剂量下随着辐照时集电极偏置电流的增加,晶体管的辐照损伤程度却在减轻.空间电荷模型的观点并不能很好地解释辐照损伤与辐照集电极偏置电流的关系.文章对空间电荷模型进行了修正,认为除氧化物俘获电荷和界面俘获电荷外,还会在外基区Si-SiO2界面附近形成电中性的电偶极子.利用修正后的理论可以很好地解释所有的实验结果.     

晶体管的散弹噪声

晶体管散弹噪声理论已在早先的文章中发表了,对硅晶体管考虑的发射极空间电荷区陷井效应也作了修正。本文旨在讨论此修正。让 I_e 和 I_c 分别为发射极和集电极的直流电流,于是;I_c=α_(dc) I_e (I_c)_(sat)(1)式中,α_(dc)是直流电流放大系数,(I_c)_(sat)是集电极饱和电流。在硅晶体管中(I_c)_(sat)≈O,所以α_(dc)=I_c/I_e。故低频电流放大系数α_0为;     

与发光管集成在一起的异质结晶体管

最近,异质结光电晶体管(HPT)在响应速度和带宽方面的改进,激发了把这种器件应用到长波长光纤系统中去的兴趣。HPT噪声特性的分析表明,在使用dc偏置的应用中,带宽和信噪比可以最佳化。因为基区的信号电流是光生的,所以以前报导的大多数HPT都利用浮置基极结构,即没有基极接触。这种结构有消除基极接触电容的优点,同时也去除了提供dc偏置电流的能力,在本文中,我们介绍一种用发光二极管(LED)提供光偏置的结构,而这支发光管又和InP/InGaAs-HPT集成在同一芯片上。     

两端联有铁磁电极的A-B环中的双量子点自旋极化输运

运用Keldysh格林函数方法,研究了两端联有铁磁电极的A-B环中的双量子点自旋极化输运.研究结果显示,系统的隧穿电流、自旋向上电流、自旋向下电流以及自旋累积明显的受自旋极化强度、外加电压和磁通的影响,并且随着极化强度的增大,在平行与反平行组态下的隧穿电流都减小,另外还出现了自旋分流现象.通过改变磁通,能明显地观察到两条通道的干涉现象.反平行组态下的自旋累积会随着极化强度的增大而增大.     

Si／SiGe／Si双异质结晶体管（HBT）物负阻特性

同质结硅双极晶体管在共射极状态下工作中,在高集电极－发射极电压、大电流下,由于热电正反馈,容易发生热击穿,这限制了晶体管的安全工作区域。本文报道了在大电流下,由于热电负反馈,重掺杂基区Si/SiGe/HBT出现了负阻特性,并对这一现象进行了新的解释,认为这是由于大电流下耗散功率增加,基区俄歇复合导致电流增益随温度增加而减小的结果。这一现象有利于改善大电流下双极晶体管的抗烧毁能力,证明Si/SiGe/HBT适于大功率应用。     

一种单基极引出结构的硅晶体管

为研究单基极薄基区晶体管的特性,设计了一种单侧基极引出结构薄基区的晶体管,在p型SOI衬底上全离子注入实现了基区宽度为80nm的npn纵向结构,基区的平均浓度为1018cm-3.经过版图设计和工艺流片,在2μm实验工艺线上研制了这种器件.基极采用电压输入,Vbe在1.1V附近,跨导和电流增益都达到峰值,小信号电流增益βac(ΔIc/ΔIb)=2.7,小信号跨导gmac(ΔIc/Δvbe)=0.45mS,且gmac/gm(Ic/Vbe)比βac/β(Ic/Ib)大得多,跨导比电流增益更能准确地描述器件特性,这种器件更倾向于电压控制型器件,特别适用于数字电路的开发和应用.     

自旋场效应晶体管的电学特性研究(英文)

用非平衡格林函数方法研究一种自旋场效应晶体管的电子输运特性。结果表明,不考虑自旋散射的作用,当漏极电压比较小时该器件能达到很高的磁阻比率。对该器件在考虑自旋散射和不考虑自旋散射下的输出电流进行对比,发现在铁磁平行(反平行)的条件下,考虑自旋散射时的输出电流要比不考虑自旋散射时的输出电流小(大)。研究结果揭示了该器件的物理机制,为该器件的优化设计提供了理论指导。     

电子束退火对非离子注入硅晶体管电特性的影响

本文论述一项迄今未见文献报道的试验。作者将能量在20KeV以下的电子束退火试用于非离子注入的硅低频大功率晶体管和高频小功率晶体管,发现这种低能电子束辐照在某种条件下可以大幅度地降低晶体管的电流放大系数,而在另一种条件下又可以提高晶体管的电流放大系数。不但对浅结晶体管,而且对深结晶体管都有这种效应。研究了放大系数的变化与电子束辐照各工作参数的关系。实验证明:电子束流下降的速率对放大系数降低的幅度有显著的影响。电子束辐照引起电流放大系数下降的同时晶体管的击穿电压BV_(ebo)和BV_(cbo)并不降低,BV_(ceo)还有所提高。在晶体管制造工序中加入电子束辐照,降低了大功率晶体管“云雾”击穿的发生率,提高了产品的合格率。     

低温下双极型晶体管电流增益和基区杂质浓度的新关系

<正>近年来,低温(77K)微电子器件和电路的研究得到了国际上广泛重视,已成为半导体学科十分重要和活跃的领域之一.本文建立了低温下双极型晶体管电流增益和基区杂质浓度的新关系,这将成为低温双极型晶体管设计的重要理论依据.以n~+pn型晶体管为例进行分析,当基区杂质浓度N_B小于N_0=1×10~(17)cm~(-3)时,基区中无禁带变窄效应的存在,此时电流增益H_(FE)将随基区杂质浓度N_B上升而下降.