CN110556305A - 一种基于拓展栅晶体管结构的表面电位测量方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于仪器仪表技术领域，具体为一种基于拓展栅晶体管结构的表面电位测量方法。本发明的表面电位测量方法，采用如下部件构成的测试系统：电压源、电流表、晶体管、测试端；电压源用于给晶体管施加源漏偏压；电流表用于测试晶体管源漏偏压下的沟道电流；测试端与晶体管栅极电连接构成拓展栅晶体管结构，用于与待测物间产生静电感应；测试时，对晶体管施加恒定的源漏偏压，将待测物在垂直方向上靠近测试端；测量特定源漏偏压下测试端与待测物不同间距下晶体管源漏电流，经过数据拟合，即获得待测物的表面电位值。本发明方法操作简单，计算方便，精度可靠，可用于各类导体、半导体、绝缘体表面电位的测量。

Description

一种基于拓展栅晶体管结构的表面电位测量方法
技术领域
本发明属于仪器仪表技术领域，具体涉及一种基于拓展栅晶体管结构的表面电位测量方法。
背景技术
表面带电是日常生活及工业生产中的常见现象。各类导体、半导体及绝缘体材料及器件表面带电后对外展现表面电位(表面势)，如孤立的导电金属棒在接通电压源后会产生表面静电位；化纤衣服与人体摩擦、毛皮与玻璃摩擦等的摩擦生电，这都是表面电位的体现。不同的日常生活及工业生产活动对表面电位有着不同的要求，比如在高精度电学测试时，要求尽量降低周围环境物体表面电位对测试系统的影响，因而需要进行必要的接地处理；而在激光打印过程中，则需要对纸张进行静电处理，以便墨粉吸附在纸张表面。本发明开发了一种简单易操作的基于拓展栅晶体管结构的表面电位测量方法，可实现对各类导体、半导体、绝缘体表面电位的测量。
发明内容
本发明的目的在于开发一种简单易行的基于拓展栅晶体管结构的表面电位测量方法。
本发明提出的基于拓展栅晶体管结构的表面电位测量方法，采用如下部件构成的测试系统(如图1所示，其晶体管配置为底栅顶接触)：电压源、电流表、晶体管、测试端；其中：电压源用于给晶体管施加源漏偏压；电流表用于测试晶体管源漏偏压下的源漏电流；测试端通过导电线或其它导电带与晶体管栅极电连接构成拓展栅晶体管结构，用于与待测物间产生静电感应；该系统可以实现待测物表面电位的测量。
该系统中，测试端采用一导电片；其材质可为金属、导电聚合物、导电氧化物等导电材料；测试端面积大于100μm2，一般可为100μm2-1cm2。
该系统中，测试端与晶体管距离为1cm到2m，可调。
本发明中，所述测试端与待测物的间距可在1mm到10cm之间变化。
本发明中，晶体管配置可以为底栅顶接触，还可为底栅底接触、顶栅顶接触、顶栅底接触等。半导体层可由各类可构建晶体管器件的半导体材料，包括：硅半导体、氧化物半导体、有机半导体、二维半导体等。根据半导体材料的不同，半导体层的制备工艺也各不相同，如有机半导体可采用溶液法或真空热沉积法制备；氧化物半导体可采用真空方法或溶液法制备；等。介质层可采用各类具有绝缘性能的有机或无机材料制备。源漏栅电极可为各类金属、导电氧化物、导电聚合物等材料，可采用真空工艺或者打印工艺等各种可能的加工工艺制备。晶体管沟道可采用硬掩模或光刻等工艺制备。
测试时，对晶体管施加恒定的源漏偏压(例如5-15V)，将待测物在垂直方向上靠近测试端，由于静电感应，在测试端诱导出异号电荷，从而在远离测试端的栅极端感应出同号电荷，相当于在栅极上额外施加一栅极电压，从而调控源漏电流；测量特定源漏偏压下测试端与待测物不同间距下晶体管源漏电流，经过公式拟合，即获得待测物的表面电位值。
表面电位的测试原理如下：
对于晶体管器件本身，在理想情况且在饱和近似条件下，晶体管源漏电流Ids可表示为公式(1)形式：
式中，W和L为晶体管沟道的宽度和长度；μ为半导体层的载流子迁移率，可由晶体管特性获得；Ci为介质层单位面积电容，Vg为晶体管栅压，Vt为晶体管阈值电压，可由晶体管特性曲线获得。在图1所示拓展栅晶体管结构中，Ci包含两部分的贡献：晶体管介质层电容C介质层以及待测物与测试端之间气隙电容C气隙。根据平行板电容器公式，最终Ci可表示为
式中，d介质层和d气隙分别为介质层和气隙的厚度，(介电常数)。ε介质层和ε气隙分别为介质层和气隙的介电常数；d气隙为待测物与测试端间距。在实际表面电位测试时，d气隙值在1mm到10cm之间取值，远大于介质层厚度d介质层(通常为小于几个微米)。因而，公式(2)可近似表述为代入公式(1)中可得：
式中，Vsp为待测物的表面电位值。需要指出，公式(3)是基于理想晶体管的公式推导，在实际情况下，晶体管难以被完全关断，在关态存在栅漏电情况，因而公式(3)中可进一步加入栅漏电项I漏电，如公式(4)所示:
根据公式(4),Ids与呈线性关系，由曲线斜率，可定量分析待测物的表面电位值。
需要时，I漏电值可由电流表测得。实际测量时，待测物在垂直方向上靠近拓展栅晶体管的测试端，测量待测物与测试端多个间距(d气隙范围1mm到10cm)下的Ids值，对所测结果绘制曲线，并对曲线进行线性拟合。由公式(4)，所得斜率值k对应于公式(4)中的因子项由此可求解表面电位值Vsp。
本发明方法操作简单，计算方便，精度可靠，可用于各类导体、半导体、绝缘体表面电位的测量。
附图说明
图1为本发明所涉及的拓展栅晶体管表面势测量装置的结构示意图(以底栅顶接触为例)。
图2为基于掺钨氧化铟薄膜构建的氧化物薄膜晶体管的转移特性曲线。
图3为基于拓展栅氧化物晶体管结构，测得的不同间距下摩擦带电聚四氟乙烯塑料棒导致的晶体管源漏电流的改变。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰明白，以下结合具体实施例，对本发明做进一步详细说明，此处所描述的实例仅仅是本发明的一部分，而不是全部的实例，同时通过实例用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例介绍基于掺钨氧化铟(IWO)氧化物薄膜晶体管的构建。在n型重掺硅上采用湿法氧化工艺生长300nm厚的致密二氧化硅层作为衬底，衬底先后经丙酮、乙醇、去离子水超声清洗10分钟。采用射频磁控溅射工艺在衬底上沉积50nm厚的IWO氧化物半导体薄膜，溅射工艺参数如下：Ar/O2气流比(28sccm/2sccm)，总压强0.6Pa,溅射功率50W。随后采用磁控溅射工艺及硬掩模工艺在IWO上沉积源漏电极形成晶体管沟道。源漏电极为80nm厚的ITO(氧化铟锡)薄膜，溅射工艺参数为：Ar流速50sccm，总压强0.6Pz，溅射功率60W。沟道区长度和宽度分别为60um和0.5mm。器件制备完成后，测试其转移特性其曲线如附图2所示，由曲线可获得晶体管参数如下：迁移率20.97cm2V-1s-1，阈值电压-3.6V。
实施例2
本实施例介绍经由上述构建的氧化物薄膜晶体管，构建适用于表面电位测量的拓展栅晶体管结构，并由此测试摩擦带电的聚四氟乙烯(PTFE)塑料棒的表面电位。
将导电铜胶带裁剪成宽2mm，长10cm，一端粘贴在上述制备的氧化物晶体管的栅极重掺硅上，并确保优良的电连接；另一端则做为测试端，用于表面电位的测试。待测物体为一根直径3mm的PTFE棒，测试前，PTFE棒与尼龙布摩擦20秒。
表面电位测试时，施加恒定的源漏偏压10V，PTFE棒与测试端的间距分别为10,15,20,25和30mm。在每个间距下测到的Ids电流值如附图3所示。经由线性拟合，计算得出PTFE棒的表面电位为-496V。

Claims (6)

1.一种基于拓展栅晶体管结构的表面电位测量方法，其特征在于，采用如下部件构成的测试系统：电压源、电流表、晶体管、测试端；其中，电压源用于给晶体管施加源漏偏压；电流表用于测试晶体管源漏偏压下的源漏电流；测试端通过导电线或其它导电带与晶体管栅极电连接构成拓展栅晶体管结构，用于与待测物间产生静电感应；该系统可以实现待测物表面电位的测量；
测试时，对晶体管施加恒定的源漏偏压，将待测物在垂直方向上靠近测试端，由于静电感应，在测试端诱导出异号电荷，从而在远离测试端的栅极端感应出同号电荷，相当于在栅极上额外施加一栅极电压，从而调控源漏电流；测量特定源漏偏压下测试端与待测物不同间距下晶体管源漏电流，经过数据拟合，即获得待测物的表面电位值。
2.根据权利要求1所述的表面电位测量方法，其特征在于，所述测试端采用一导电片；其材质为金属、导电聚合物或导电氧化物；测试端面积大于100μm2。
3.根据权利要求2所述的表面电位测量方法，其特征在于，所述测试端与晶体管距离为1cm到2m，可调。
4.根据权利要求3所述的表面电位测量方法，其特征在于，所述测试端与待测物的间距在1mm到10cm之间变化。
5.根据权利要求4所述的表面电位测量方法，其特征在于，所述晶体管配置为底栅顶接触、底栅底接触、顶栅顶接触或顶栅底接触。
6.根据权利要求1-5之一所述的表面电位测量方法，其特征在于，待测物的表面电位值的计算方法如下：
在理想情况且在饱和近似条件下，晶体管源漏电流I ds 表示形式为：
（1）
式中，W和L为晶体管沟道的宽度和长度；μ为半导体层的载流子迁移率，由晶体管特性获得；V t 为晶体管阈值电压，由晶体管特性曲线获得；V sp 为待测物的表面电位值；ε 气隙 为气隙的介电常数；d 气隙 为待测物与测试端间距；I 漏电 为栅漏电；
根据公式（1），I ds 与呈线性关系，由I ds -曲线斜率，可定量分析待测物的表面电位值；测量时，对所测结果绘制I ds -曲线，并对曲线进行线性拟合；由公式（1），所得斜率值k对应于公式（1）中的因子项，由此求解得表面电位值V sp 。
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