CN105470313A - 基于接触起电的背栅场效应晶体管 - Google Patents

基于接触起电的背栅场效应晶体管 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于接触起电的背栅场效应晶体管。该背栅场效应晶体管包括：导电基底；绝缘层，形成于导电基底的正面；场效应晶体管组件，包括：沟道层、漏极、源极和栅极；以及摩擦发电组件，包括：静止摩擦层，形成于栅极的下表面；可移动摩擦层，与静止摩擦层隔开预设距离相对设置；以及第二导电层，形成于可移动摩擦层的外侧，其电性连接至源极；其中，静止摩擦层和可移动摩擦层位于摩擦电极序的不同位置，在外力的作用下，静止摩擦层和可移动摩擦层能够在分离状态和接触状态之间往复切换。本发明利用摩擦发电机产生的静电势作为背栅场效应晶体管的门极门信号，实现对半导体中载流子输运特性的调控。

Description

基于接触起电的背栅场效应晶体管
技术领域
本发明涉及电子行业电子元器件技术领域，尤其涉及一种基于接触起电的背栅场效应晶体管。
背景技术
场效应晶体管是基于通过利用门电压来控制元件中的电流输运过程的晶体管器件。基于背栅SOI结构的金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)具有结构简单、低电场、高跨导和良好的短沟道特性，其背衬底可作为背栅极，利用背栅电压来调控顶层硅中的导电沟道宽度。虽然场效应晶体管技术十分成熟，但鉴于器件单元的三端结构，需要专门提供栅极电源，集成具有复杂性，并且基于此类技术制成的压力传感器件缺乏外界环境与电子器件直接作用交互的机制。
近年来，中国科学院北京纳米能源与系统研究所和美国佐治亚理工学院王中林院士开创的压电电子学受到了学术界的广泛关注。压电效应是压电材料在应力作用下产生形变时出现的一种内部电势现象。对于氧化锌、氮化镓、硫化镉等压电半导体材料，压电效应可以改变金属-半导体的界面势垒和p-n结的输运性质，这就是压电电子学效应，是压电效应和半导体效应的结合。压电电子学效应被用来将器件受到的机械作用转化为局域电子控制信号，实现了利用压电势作为栅极电压调控及由应变、应力或压强驱动和控制电子器件、微纳机电器件和传感器的新方法。压电电子学晶体管与传统场效应晶体管有不同的工作原理和结构。在原理上，传统场效应晶体管是利用外加电压作为控制信号，而压电电子学晶体管是利用机械形变来产生电子控制信号；在结构上，传统场效应晶体管是三端器件，而压电电子学晶体管是两端器件，其虚拟的第三端由外加压力代替，实现对传输特性的控制。压电电子学晶体管的这些特点，减少了传统晶体管中门电极的制备，实现了机械压力与电子器件的直接交互，其应用范围将涵盖人工智能、人机交互、生物医疗和通信等领域。但是压电电子学晶体管必须用压电材料来制备，其产生的压电电势的可调控性，以及在材料的选择和应用上受到很多限制。
纳米发电机也是王中林院士及其团队近年来的研究热点。其中，摩擦发电机利用了接触起电和静电感应的原理，将两种镀有金属电极的高分子聚合物薄膜贴合在一起组成器件，在外力作用下器件产生机械形变，导致两层聚合物膜之间发生相互摩擦，从而产生电荷分离并形成电势差。该电势差既能作为自供能主动式压力传感器，又能作为半导体器件的控制信号。
发明内容
(一)要解决的技术问题
鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于摩擦接触起电的背栅场效应晶体管，将摩擦起电效应和金属-氧化物-半导体场效应晶体管相结合，利用摩擦发电机产生的静电势作为门极门信号，实现对半导体中载流子输运特性的调控。
(二)技术方案
本发明基于接触起电的背栅场效应晶体管包括：导电基底10；绝缘层20，形成于导电基底10的正面；场效应晶体管组件30，包括：沟道层31，形成于绝缘层20的上方；漏极32和源极33，形成于沟道层31的上方，两者之间隔开预设距离，并保持预设的电势差；栅极34，形成于导电基底10的背面；以及摩擦发电组件40，包括：静止摩擦层41，形成于栅极34的下表面；可移动摩擦层42，与静止摩擦层41隔开预设距离相对设置；以及第二导电层44，形成于可移动摩擦层42的外侧，其电性连接至源极33；其中，静止摩擦层41和可移动摩擦层42位于摩擦电极序的不同位置，在外力的作用下，静止摩擦层41和可移动摩擦层42能够在分离状态和接触状态之间往复切换。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明基于接触起电的背栅场效应晶体管具有以下有益效果：
(1)将摩擦起电效应和背栅场效应晶体管相结合，利用摩擦发电机产生的静电势作为门极门信号，实现对半导体中载流子输运特性的调控，具有良好的调控特性；
(2)利用摩擦发电机产生的静电势作为门极门信号，替代了传统晶体管中门电极的供电电压，实现机械压力与电子器件的直接交互，相比压电电子学晶体管具有更广泛的半导体材料选择；
(3)整个场效应晶体管基于SOI硅片和摩擦发电机，结构简单，易于制作与集成，易于实现器件的微型化和阵列化；
(4)摩擦发电机的其中一个摩擦层作为承载压力的部件，而SOI衬底和栅极、源极等并不直接承载压力，而可移动摩擦层和SOI衬底之间可以采用弹性部件连接，因此背栅场效应晶体管整体上可承受较大的机械形变，相比压电电子学晶体管具有更宽的外力传感范围。
附图说明
图1为根据本发明第一实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管的结构示意图；
图2为图1所示场效应晶体管的工作原理图；
图3给出了对于第一实施例，源漏电压VD为5V时，源漏电流ID随可移动摩擦层与栅极间距d1的变化曲线；
图4为根据本发明第二实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管的结构示意图；
图5为根据本发明第三实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管的结构示意图；
图6为图5所示场效应晶体管的工作原理图；
图7给出了对于第三实施例背栅场效应晶体管，源漏电压VD为5V时，源漏电流ID随可移动摩擦层与静止摩擦层间距d1的变化曲线；
图8为根据本发明第四实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管的结构示意图。
【本发明主要元件符号说明】
10-导电基底；
20-绝缘层；
30-场效应晶体管组件；
31-沟道层；32-漏极；
33-源极；34-栅极；
40-摩擦发电组件；
41-静止摩擦层；42-可移动摩擦层；
43-弹性部件；44-第二导电层。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。
本发明将摩擦发电机和背栅场效应晶体管相结合，将摩擦发电机的一摩擦层与背栅场效应晶体管的栅极固定或者将两者合为一个部件，利用外力使另一摩擦层与该摩擦层接触起电并产生栅极电势，从而实现对半导体中载流子输运特性的调控。
一、第一实施例
在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种基于接触起电的背栅场效应晶体管。图1为根据本发明第一实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管的结构示意图。如图1所示，本实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管包括：导电基底10；绝缘层20，形成于导电基底10的正面；场效应晶体管组件30，包括：沟道层31，形成于绝缘层20的上方；漏极32和源极33，形成于沟道层31的上方，两者之间隔开预设距离，并保持预设的电势差；栅极34，形成于导电基底10的背面；摩擦发电组件40，包括：静止摩擦层41，与导电基底10保持相对静止，所述栅极34作为该静止摩擦层；可移动摩擦层42，与静止摩擦层41隔开预设距离相对设置；第二导电层44，形成于可移动摩擦层42的外侧，并且，该第二导电层44与静止摩擦层41电性绝缘，其电性连接至源极33；其中，所述静止摩擦层41和可移动摩擦层42位于摩擦电极序的不同位置，在外力的作用下，静止摩擦层41和可移动摩擦层42能够在分离状态和接触状态之间往复切换。
对于本实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管而言，在接触状态，静止摩擦层41和可移动摩擦层42相互接触，产生摩擦电荷，在随后的分离状态，静止摩擦层41和可移动摩擦层42分开，摩擦电荷使第二导电层44和源极33之间产生电势差，使第二导电层44的电子朝向源极33流动，进而在源极33和栅极34之间产生电势差，改变了沟道层31的沟道宽度，从而起到了调节源漏之间电流大小的作用。
以下对本实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管的各个组成部分进行详细说明。
本实施例采用SOI基板，该SOI基板的Si衬底进行p型重掺杂，作为上述的导电基底10；Si衬底上方的SiO2层作为上述的绝缘层20。其中，Si衬底的厚度h1为500μm，经由p型重掺杂后，电阻率小于0.1Ω·cm。SiO2层的厚度h2为150nm。本实施例采用商用的SOI基板，可以节约背栅场效应晶体管的制备步骤，提高产品的成品率。
此外，除了SOI基板之外，还可以采用其他类型的材料来实现导电基底10和绝缘层20。其中，导电基底10还可以采用金属导体材料制备，例如：Cu、Al、Au、Ag和Pt，或者采用n型重掺杂的Si材料，只要满足电阻率小于0.1Ω·cm的要求即可。该导电基底10的厚度h1的可选范围为：300μm≤h1≤1mm。此外，绝缘层20的材料也不局限于SOI基板上的SiO2材料，其还可以是其他绝缘材料，例如：SiN、Al2O3等。该绝缘层20的厚度h2可选的范围为：2nm≤h2≤200nm。
本实施例中，沟道层31为p型掺杂的Si层，简称为顶层硅。该顶层硅31通过对Si薄膜进行p型掺杂而形成。经过p型掺杂，该顶层硅31的电阻率ρ满足：1Ω·cm≤ρ≤100Ω·cm，其厚度h3为2μm。此外，该沟道层还可以是其他的p型掺杂半导体材料，如Ge等，厚度h3的可选范围为：1μm≤h3≤100μm。
在沟道层31的上方，由金属材料Al制备形成相互分离的漏极32和源极33。该漏极32和源极33与沟道层31的接触为欧姆接触或肖特基接触。源极33接地，漏极32的电压比源极33的电压高5V。需要说明的是，本领域技术人员还可以合理调整两者的电势差V，一般情况下，该电势差V满足：1V≤V≤10V。
本实施例中，源极和漏极之间的间距L1为200μm，在本发明其他实施例中该间距L1的可选范围为：100nm≤L1≤1cm；源级33与栅极34在垂直方向的重合面积S1为200μm×300μm，最大范围是重合，最优范围：重合面积为栅极34面积的25％-50％，在本发明其他实施例中该重合面积S1的可选范围为100nm×100nm≤S1≤1cm×1cm。
在SOI衬底的背面，由金属材料Al制备栅极34。该栅极34与SOI衬底的p型重掺杂的Si衬底之间形成欧姆接触。
本领域技术人员应当清楚，除了Al材料之外，漏极32、源极33和栅极34还可以由其他金属材料制备，例如：Al、Au、Pt、Cu等，甚至还可以采用具有金属材料性质的非金属材料来制作源极和漏极，例如：ITO(氧化铟锡)、AZO(掺铝氧化锌)等。
本实施例中，摩擦发电组件40包括：静止摩擦层41，所述场效应晶体管的栅极同时作为该静止摩擦层，可移动摩擦层42，通过弹性部件43与静止摩擦层41隔开预设距离并电性绝缘；第二导电层44，制备于可移动摩擦层的外侧，其电性连接至源极33。该可移动摩擦层42由聚酰亚胺(Kapton)有机高分子材料制备。
本实施例中，弹性部件43由弹性橡胶材料制备。此外，弹性部件还可以采用弹簧或MEMS工艺制备的简支梁构建。只要能够保证静止摩擦层和可移动摩擦层能够在分离状态和接触状态之间切换。本领域技术人员应当很清楚该弹性部件43的制备和布置方式，此处不再对其进行详细说明。
本实施例中，在静止摩擦层41和可移动摩擦层42之间设置弹性部件43，使静止摩擦层41和可移动摩擦层42隔开预设距离并且在外力作用下能够在分离状态和接触状态之间往复切换。但是，这并不形成对本发明的限制，在其他实施例中，也可以通过其它方式实现静止摩擦层41和可移动摩擦层42隔开预设距离，并且在外力作用下在分离状态和接触状态之间往复切换。可移动摩擦层42和第二导电层44可以为弹性结构，静止摩擦层41通过弹性或者非弹性部件与可移动摩擦层42之间隔开预设距离。或者，静止摩擦层41和可移动摩擦层42之间可以不进行连接，只在可移动摩擦层42和第二导电层44上设置连接部件，用于使静止摩擦层41和可移动摩擦层42之间隔开预设距离，并且使静止摩擦层41和可移动摩擦层42在外力作用下能够在分离状态和接触状态之间往复切换，这样结构的晶体管器件可以与其他器件联用。
本实施例中，第二导电层由Al材料制备。本领域技术人员应当清楚，也可以采用其他金属或类金属的导体材料来制备该第二导电层，例如：Au、Ag、Pt，ITO、AZO等等，本发明并不对此进行限制。
需要说明的是，本实施例分别采用Al层和聚酰亚胺有机高分子材料制作静止摩擦层和可移动摩擦层。然而，该静止摩擦层和可移动摩擦层可以采用任意的两种处于摩擦电极序不同位置的材料制备。
静止摩擦层41与可移动摩擦层42之间的材料在摩擦电极序中的位置不同。这里的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互接触的瞬间，在接触面上正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电极序中极性较正的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要进一步说明是，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接触即可。其中，上述的“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触摩擦并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度不过约为10nm。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。
本实施例中，由于静止摩擦层41同时为栅极34，因此，该静止摩擦层需要采用导体材料制备。相对于绝缘体，导体均具有容易失去电子的摩擦电特性，在摩擦电极序的列表中常位于末尾处。常用的导体包括金属、导电氧化物或导电高分子，其中金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，以及由上述金属形成的合金；导电氧化物常用的如铟锡氧化物AZO、ITO等。由于导电材料本身就可以作为导电元件使用，因此当静止摩擦层使用导电材料时，可以将导电元件和静止摩擦层合二为一使用。
本实施例中，除了采用聚酰亚胺(Kapton)有机高分子材料制备可移动摩擦层之外，还可以采用其他导体或绝缘材料等与第一摩擦材料接触起电后带负电的材料来制备该可移动摩擦层。该导体可以是与静止摩擦层41材料不同的导体材料即可，如果是绝缘材料的话，此处列举一些常用的绝缘材料并按照摩擦电极序由正极性到负极性排序：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺11、聚酰胺6-6、羊毛及其编织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯(涤纶)、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT和派瑞林AF4。
另外，半导体和金属具有不同的摩擦电特性，半导体材料也可以作为制备可移动摩擦层的原料。常用的半导体包括硅、锗；第III和第V族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第II和第VI族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由III-V族化合物和II-VI族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO2和Y2O3。
限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的材料供人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。
图2为图1所示场效应晶体管的工作原理图。以下结合图2来介绍本实施例场效应晶体管的工作原理：
1、请参照图2中(a)所示，栅极34与可移动摩擦层42形成一对摩擦面，初始状态其间距为d0，漏极32和源极33外接电源，在沟道层31中形成电流ID；
2、请参照图2中(b)所示，在外力F作用下，可移动摩擦层42与栅极34接触产生摩擦，由于不同的电子束缚能力，可移动摩擦层42带负电，栅极34带正电。
3、请参照图2中(c)所示，当外力F逐渐撤去时，栅极34与可移动摩擦层42逐渐分离，其间距为d1(d1＜d0)，此过程电子从第二导电层44流向源级33以达到电平衡。源极33带负电，与栅极34形成了垂直方向的内电场；
4、请参照图2中(d)所示，当外力F完全撤去后，可移动摩擦层42与栅极34完全分离，其间距恢复为d0，此时源极33带与栅极34几乎等量的负电荷，以形成电平衡，垂直方向的内电场达到最大。此过程中，沟道层31在内电场作用下产生电荷极化，使得沟道层31下表面吸引电子、排斥空穴，产生耗尽层，减小了沟道层31中的导电沟道宽度，从而降低了沟道层31中电流ID的大小，起到了调控半导体载流子输运的作用；
5、请参照图2中(e)所示，当外力F再次作用时，可移动摩擦层42与栅极34逐渐接近，其间距为d1(d1＜d0)，此过程电子从源级33流向第二导电层44以达到电平衡。源级33带的负电逐渐减小，与栅极34形成的垂直方向的内电场也逐渐减小，此过程沟道层31中的导电沟道宽度变大，电流ID变大。
当外力F完全作用时，可移动摩擦层42与栅极34再次接触，源极33带的负电几乎全部流回第二导电层44，以形成电平衡，垂直于电流ID方向的内电场达到最小，回到了如图2中(b)所示的状态。
由以上原理说明可知，在本实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管中，外力F可以调控垂直于半导体中电流方向的静电场大小，起到栅极电压的作用，从而可实现对半导体中电流大小的调控。
基于接触起电的背栅场效应晶体管中，由于绝缘层20的厚度远小于顶层硅31的厚度，且SOI基底10具有很低的电阻率，因此，对于本实施例，栅极电压随可移动摩擦层42与栅极34间距的增加而变大，形成的栅极电压最大值可近似表示为：
V G = Q 0 · ϵ K · d 0 · d Si ϵ Si · S 1 · ( ϵ K · d 0 + ϵ 0 · d K ) - - - ( 1 )
其中，Q0和d0分别为可移动摩擦层42与栅极34接触摩擦产生的电荷量及分离的间距，S1为源极33与栅极34在垂直方向上的重合面积，dK和εK分别为可移动摩擦层42的厚度和介电常数，dSi和εSi分别为顶层硅31的厚度和介电常数，ε0为空气的介电常数。
图3给出了对于第一实施例，源漏电压VD为5V时，源漏电流ID随可移动摩擦层与栅极间距d1的变化曲线。图3中，横坐标为两个摩擦层隔开的距离，纵坐标为流过沟道层的电流，可见随着静止摩擦层和栅极间距的d1增大，流过沟道层的电流逐渐减小，而通过两个摩擦层的往复运动，在源极和栅极之间产生电势差，改变了沟道层的沟道宽度，从而起到了调节源漏之间电流大小的作用。
静止摩擦层41和可移动摩擦层42隔开预设距离L的优选范围为：0≤L≤800μm，更优选为0≤L≤80μm。
尤其需要说明的是，上述的静止摩擦层和可移动摩擦层均是相对的，可以将两摩擦层其中之一作为静止摩擦层，而把其中另一作为摩擦层，而并不是通常意义上的“静止”和“可移动”。
从上述实施例的介绍可以看出，本实施例的场效应晶体管结构简单，易于制作与集成，易于实现器件的微型化和阵列化。
二、第二实施例
在本发明的第二个示例性实施例中，还提供了另一种基于接触起电的背栅场效应晶体管。图4为根据本发明第二实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管的结构示意图。请参照图4，本实施例与第一实施例的结构类似，区别仅在于：沟道层31由n型掺杂的Si材料制备。
本领域技术人员应当理解，本实施例背栅场效应晶体管的电流变化趋势与图3所示的曲线相反，即随着可移动摩擦层和静止摩擦层距离的增大，流过沟道层的电流逐渐增大。
本实施例与第一实施例具有共同点：摩擦发电机的其中一个摩擦层作为承载压力的部件，而SOI衬底和栅极、源极等并不直接承载压力，而可移动摩擦层和SOI衬底之间可以采用弹性部件连接，因此背栅场效应晶体管整体上可承受较大的机械形变，相比压电电子学晶体管具有更宽的外力传感范围和更广泛的半导体材料选择。
三、第三实施例
在本发明的第三个示例性实施例中，还提供了另一种基于接触起电的背栅场效应晶体管。图5为根据本发明第三实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管的结构示意图。如图5所示，本实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管与第一实施例的结构类似，区别在于：静止摩擦层由聚酰亚胺高分子材料制备，固定于栅极34上，可移动摩擦层为一铝板，其与静止摩擦层之间通过弹簧隔离，并且，该铝板直接通过导线电性连接至源极33。
图6为图5所示背栅场效应晶体管的工作原理图。以下结合图6来介绍本实施例场效应晶体管的工作原理：
1、如图6中(a)所示，可移动摩擦层42与聚酰亚胺高分子聚合物薄膜41形成一对摩擦面，初始状态其间距为d0。漏极32和源级33外接电源，在沟道层31中形成电流ID；
2、如图6中(b)所示，在外力F作用下，可移动摩擦层42与静止摩擦层41接触产生摩擦，由于不同的电子束缚能力，静止摩擦层41带负电，可移动摩擦层42带正电；
3、如图6中(c)所示，当外力F逐渐撤去时，可移动摩擦层42与静止摩擦层41逐渐分离，其间距为d1(d1＜d0)，此过程电子从源级33流向可移动摩擦层42以达到电平衡。源极33带正电，与静止摩擦层41形成了垂直方向的内电场；
4、如图6中(d)所示，当外力F完全撤去后，静止摩擦层41与可移动摩擦层42完全分离，其间距恢复为d0，此时源极33带有与高可移动摩擦层42几乎等量的正电荷，以形成电平衡，垂直方向的内电场达到最大。此过程中，沟道层31在内电场作用下产生电荷极化，使得沟道层31下表面吸引空穴、排斥电子，产生增强层，增加了沟道层31中的载流子浓度，从而提高了沟道层31中电流ID的大小，起到了调控半导体载流子输运的作用；
5、如图6中(e)所示，当外力F再次作用时，可移动摩擦层42与静止摩擦层41逐渐接近，其间距为d1(d1＜d0)，此过程电子从可移动摩擦层42流向源级33以达到电平衡。源级33带的正电逐渐减小，与静止摩擦层41形成的垂直方向的内电场也逐渐减小，此过程沟道层31中的载流子浓度变小，电流ID变小；
6、当外力F完全作用时，可移动摩擦层42与静止摩擦层41再次接触，源极33带的正电几乎全部流回可移动摩擦层42，以形成电平衡，垂直于电流ID方向的内电场达到最小，回到了如图6中(b)所示的状态。因此，外力F可以调控垂直于半导体中电流方向的静电场大小，起到栅极电压的作用，从而可实现对半导体中电流大小的调控。
基于接触起电的背栅场效应晶体管中，二氧化硅绝缘层20的厚度远小于沟道层31的厚度，且SOI基底层11具有很低的电阻率，因此，对于增强模式，外力F形成的栅极电压最大值可近似表示为：
V G = - Q 0 · ϵ K · d 0 · d Si ϵ Si · S 1 · ( ϵ K · d 0 + ϵ 0 · d K ) - - - ( 2 )
其中，Q0和d0分别为静止摩擦层41与可移动摩擦层42接触摩擦产生的电荷量及分离的间距，S1为源极33与栅极34在垂直方向上的重合面积，dK和εK分别为静止摩擦层41的厚度和介电常数，dSi和εSi分别为沟道层31的厚度和介电常数，ε0为空气的介电常数。
图7给出了对于第三实施例背栅场效应晶体管，源漏电压VD为5V时，源漏电流ID随可移动摩擦层与静止摩擦层间距d1的变化曲线。由图7可知，随着静止摩擦层和可移动摩擦层间距的d1增大，流过沟道层的电流逐渐增大，而通过两个摩擦层的往复运动，在源极和栅极之间产生电势差，改变了沟道层的沟道宽度，从而起到了调节源漏之间电流大小的作用。
静止摩擦层41和可移动摩擦层42隔开预设距离的优选范围为0-800微米，更优选为0-80微米。
四、第四实施例
在本发明的第四个示例性实施例中，还提供了另一种基于接触起电的背栅场效应晶体管。图8为根据本发明第四实施例基于接触起电的背栅场效应晶体管的结构示意图。请参照图8，本实施例与第三实施例的结构类似，区别仅在于：沟道层31由n型掺杂的Si材料制备。
本领域技术人员应当理解，本实施例背栅场效应晶体管的电流变化趋势与图7所示的曲线相反，即随着可移动摩擦层和静止摩擦层距离的增大，流过沟道层的电流逐渐增大。
至此，已经结合附图对本发明四个实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于接触起电的背栅场效应晶体管有了清楚的认识。
此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
综上所述，本发明基于接触起电的背栅场效应晶体管将摩擦发电机和金属-氧化物-半导体场效应晶体管相结合，将摩擦发电机的一摩擦层与背栅场效应晶体管的栅极固定或者将两者合为一个部件，利用外力使另一摩擦层与该摩擦层接触起电并产生栅极电势作为门极门信号，实现对半导体中载流子输运特性的调控，具有调控特性良好、传感范围大、易于制作和集成等优点，可广泛应用于传感器、人机交互、微机电系统、纳米机器人和柔性电子学等领域，具有良好的应用前景。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种基于接触起电的背栅场效应晶体管，其特征在于，包括：
导电基底(10)；
绝缘层(20)，形成于所述导电基底(10)的正面；
场效应晶体管组件(30)，包括：沟道层(31)，形成于所述绝缘层(20)的上方；漏极(32)和源极(33)，形成于所述沟道层(31)的上方，两者之间隔开预设距离，并保持预设的电势差；栅极(34)，形成于所述导电基底(10)的背面；以及
摩擦发电组件(40)，包括：静止摩擦层(41)，形成于所述栅极(34)的下表面；可移动摩擦层(42)，与所述静止摩擦层(41)隔开预设距离相对设置；以及第二导电层(44)，形成于所述可移动摩擦层(42)的外侧，其电性连接至所述源极(33)；
其中，所述静止摩擦层(41)和可移动摩擦层(42)位于摩擦电极序的不同位置，在外力的作用下，所述静止摩擦层(41)和可移动摩擦层(42)能够在分离状态和接触状态之间往复切换。
2.根据权利要求1所述的背栅场效应晶体管，其特征在于：
在接触状态，所述静止摩擦层(41)和可移动摩擦层(42)相互接触，产生摩擦电荷；
在随后的分离状态，所述静止摩擦层(41)和可移动摩擦层(42)分开，所述摩擦电荷使所述第二导电层(44)和源极(33)之间产生电势差，使所述第二导电层(44)与所述源极(33)之间产生电子流动，在所述源极(33)和栅极(34)之间产生电势差，改变所述沟道层(31)的沟道宽度，从而调节所述源极(33)和漏极(32)之间电流大小。
3.根据权利要求1所述的背栅场效应晶体管，其特征在于，所述静止摩擦层(41)和可移动摩擦层(42)其中之一的材料为金属材料、金属合金材料或导电氧化物材料。
4.根据权利要求3所述的背栅场效应晶体管，其特征在于，所述栅极(34)的材料为金属材料、金属合金材料或导电氧化物材料，其兼做所述静止摩擦层(41)。
5.根据权利要求3所述的背栅场效应晶体管，其特征在于，所述可移动摩擦层的材料为金属材料、金属合金材料或导电氧化物材料，其兼做所述第二导电层(44)。
6.根据权利要求3所述的背栅场效应晶体管，其特征在于：
所述金属材料为：金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬；
所述导电氧化物材料为：氧化铟锡(ITO)或掺铝氧化锌(AZO)；
所述金属合金材料为以下材料中的至少两种制成的合金：金、银、铂、铝、镍、铜、钛和铬。
7.根据权利要求3所述的背栅场效应晶体管，其特征在于，所述静止摩擦层和可移动摩擦层其中另一的材料为绝缘材料或者半导体材料。
8.根据权利要求7所述的背栅场效应晶体管，其特征在于，所述绝缘材料为以下材料中的一种或几种：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺11、聚酰胺6-6、羊毛及其编织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2，6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯、派瑞林，包括派瑞林C、派瑞林N、派瑞林D、派瑞林HT和派瑞林AF4；
所述半导体材料为下列材料中的一种或几种：硅、锗、第III和第V族化合物、第II和第VI族化合物、由III-V族化合物和II-VI族化合物组成的固溶体、玻璃半导体、有机半导体、半导体氧化物和复杂氧化物。
9.根据权利要求1所述的背栅场效应晶体管，其特征在于，所述可移动摩擦层(42)与所述静止摩擦层(41)隔开预设距离，具体为：
在所述静止摩擦层(41)和可移动摩擦层(42)之间设置弹性部件(43)；
或者，所述可移动摩擦层(42)和第二导电层(44)为弹性结构，在所述静止摩擦层(41)与可移动摩擦层(42)之间设置弹性或者非弹性部件；
或者，在所述可移动摩擦层42和第二导电层44上设置连接部件，使所述移动摩擦层(42)与所述静止摩擦层(41)隔开预设距离。
10.根据权利要求9所述的背栅场效应晶体管，其特征在于，所述弹性部件为：弹性橡胶部件、弹簧或简支梁结构。
11.根据权利要求1至10中任一项所述的背栅场效应晶体管，其特征在于，所述导电衬底(10)的电阻率小于0.1Ω·cm。
12.根据权利要求11所述的背栅场效应晶体管，其特征在于：
所述绝缘层(20)为SOI基板上层的SiO2；
所述导电基底(10)为所述SOI基板下层的Si材料经n型或p型掺杂形成。
13.根据权利要求1至10中任一项所述的背栅场效应晶体管，其特征在于，所述沟道层(31)为p型掺杂或n型掺杂的半导体材料；
该p型掺杂或n型掺杂的半导体材料的电阻率ρ满足：1Ω·cm≤ρ≤100Ω·cm。
14.根据权利要求1至10中任一项所述的背栅场效应晶体管，其特征在于，所述沟道层(31)的厚度h3满足：1μm≤h3≤100μm。
15.根据权利要求1至10中任一项所述的背栅场效应晶体管，其特征在于，所述漏极(32)和源极(33)的材料为金属或非金属导体材料；
所述源极(33)和漏极(32)与沟道层的接触为欧姆接触或肖特基接触，所述源极(33)接地，所述漏极的电压V满足：1V≤V≤10V。
16.根据权利要求1至10中任一项所述的背栅场效应晶体管，其特征在于，所述静止摩擦层(41)和可移动摩擦层(42)隔开的预设距离L满足：0≤L≤800μm。
17.根据权利要求16所述的背栅场效应晶体管，其特征在于，所述静止摩擦层(41)和可移动摩擦层(42)隔开的预设距离L满足：0≤L≤80μm。
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