Бп на транзисторах: Лабораторный блок питания на транзисторах

Лабораторный блок питания на транзисторах

Лабораторный блок питания БП является важным устройством в радиолюбительской практике наряду с паяльным оборудованием и измерительным (тестером). Схема блока питания (БП) на транзисторах, приведëнная на рисунке 1, является, по сути, модернизированной версией схемы, предложенной Борисовым В. в книге «Юный радиолюбитель» [1]. Она собой представляет двухполупериодный выпрямитель со стабилизатором и регулятором выпрямленного напряжения, с узлом защиты от короткого замыкания.

Трансформатор питания Tr1 обмоткой I подключается к электрической сети напряжением 220 В.Обмотка  II трансформатора  и диоды диодной сборки VD1 образуют двухполупериодный выпрямитель. К выпрямителю подключается электролитический конденсатор C1, частично сглаживающий пульсации выпрямленного напряжения. С него выпрямленное напряжение подается к нагрузке R5 через стабилизатор напряжения, выполняющий роль фильтра питания. Ток в цепи, а значит, напряжение на нагрузке зависит от состояния транзистора VT2, включенного в эту цепь. Состоянием же этого транзистора управляет транзистор VT1, который в свою очередь управляется напряжением, подаваемым на его базу с движка переменного резистора R2. Управляющую цепь стабилизатора образуют резистор R1, стабилитрон VD2 и подключенный к нему переменный резистор R2. Благодаря стабилитрону и конденсатору С2 на переменном резисторе R2 действует постоянное напряжение, равное напряжению стабилизации Uст используемого в блоке стабилитрона. В описываемом блоке это напряжение равно 15 В. Когда движок переменного резистора находится в крайнем нижнем (по схеме) положении, транзистор VT1 закрыт, так как напряжение на его базе (относительно эмиттера) равно нулю. Транзистор VD2 в это время тоже закрыт. По мере перемещения движка переменного резистора вверх на базу транзистора VT1 подается открывающее отрицательное напряжение и в его эмиттерной цепи появляется ток. Одновременно отрицательным напряжением, падающим на эмиттерном резисторе R3 транзистора VT1, открывается транзистор VT2, и во внешней цепи блока питания появляется ток. Чем больше отрицательное напряжение на базе транзистора VD1, тем больше открываются транзисторы, тем больше напряжение на выходе блока питания и ток в его нагрузке.

Наибольшее напряжение на выходе блока равно напряжению стабилизации стабилитрона. При изменении тока в нагрузке от нескольких миллиампер до 250 – 280 напряжение на нагрузке остается постоянным.

Рис. 1. Схема электрическая принципиальная

 

Резистор R2 должен быть группы А, т. е. резистор, у которого сопротивление между выводом движка и любым из крайних выводов прямо пропорционально углу поворота оси. Важно, чтобы резистор был с выключателем. Это предохранит подключенное к выходу БП устройство от случайной подачи на него напряжения выше требуемого.  Коэффициент h31э транзисторов может быть небольшим – 15-20. Электролитические конденсаторы могут быть номиналом больше, указанного на схеме, что лучше скажется на сглаживании выпрямленного тока, с рабочим напряжением не менее 25 В. Стабилитрон – с напряжением стабилизации 15 В.

Роль трансформатора питания Tr1выполняет трансформатор ТПП-252-50 [2]. В трансформаторах ТПП252 возможно последовательное и параллельное согласное соединение вторичных обмоток. Последовательное включение различных вторичных обмоток позволяет подобрать необходимое выходное напряжение, параллельное — повысить мощность на выходных обмотках. При последовательном включении обмоток с разными допустимыми токами ток через обмотки не должен превышать минимально допустимого. Параллельное соединение допускается только для тех обмоток, напряжение на зажимах которых одинаковы. В нашем случае все обмотки соединены последовательно и объединены в одну обмотку с выводом от средины. Напряжение обоих половин обмотки должно быть одинаковым. Допустимый ток в таком подключении вторичных обмоток трансформатора будет равным – 1,94 А. Выпрямленное напряжение составит 16 В. Наибольший прямой ток диодов сборки S20420C – 20А, а  транзистора КТ819Г – 15 А. Наибольший ток, потребляемый нагрузкой на выходе БП равно току вторичной обмотки трансформатора.  Схема позволяет использовать трансформатор  и большей мощности, исходя из характеристик выпрямительных диодов и транзистора VT2.

Монтируя детали БП, особое внимание уделяют правильной полярности включения диодов, электрических конденсаторов и выводов транзисторов. Закончив монтаж, проверяют по схеме на отсутствие ошибок. После этого устройство подключают к сети. В положении движка переменного резистора R2 в крайнем верхнем (по схеме) положении оно должно соответствовать номинальному напряжению стабилитрона (в нашем случае 15 В) и плавно уменьшаться до нуля при вращении оси переменного резистора против направления движения часовой стрелки. Если, наоборот, при таком вращении оси резистора напряжение увеличивается, то меняют местами проводники, идущие к крайним выводам этого регулятора выходного напряжения БП.

Затем в разрыв цепи стабилитрона, отмеченный на схеме крестиком, включают миллиамперметр и, подбирая резистор R1, устанавливают в этой цепи ток, равный 12 – 15 мA. При подключении к выходу выпрямителя нагрузки (резистор 100 – 200 Ом) ток через стабилитрон должен уменьшаться до 8 – 10 мA, а выходное напряжение оставаться практически неизменным.

В стабилизаторе БП работают транзисторы, а они не выдерживают перегрузок. Наиболее опасно короткое замыкание между выходными зажимами или токонесущими проводниками конструкции, подключенной к блоку. Поэтому, схему целесообразно дополнить узлом защиты на VT3, R4, C3 (на схеме выделено красным цветом).

Элементы монтируют на печатной плате размерами 70Х35 мм – рис. 2. Транзистор VT2 и диодную сборку S20C40C крепят к плате, подставив под них алюминиевый уголок, который соединяют с металлической частью корпуса БП для отвода тепла. Транзистор КТ819Г и диодную сборку S20C49C изолируют с помощью слюдяных прокладок.

а)

 

б)

 

в)

Рис. 2. Печатная плата блока питания: а – топология проводников;  б – расположение элементов;  в – плата в собранном виде

 

Возможная конструкция блока питания показана на рис. 3.

Рис. 3. Лабораторный блок питания

Печатную плату в расширении .lay можно скачать здесь

Литература

1.Борисов В. Юный радиолюбитель. – М. «Энергия», 1979 г.

2.https://www.radiolibrary.ru/reference/transformers-tpp/tpp252.html

Автор: Владимир Марченко, г. Умань, Украина

БП НА ТРАНЗИСТОРАХ С РЕГУЛИРОВКОЙ

Схема этого блока питания очень простая и интересная, но имеет свои тонкости в настройке. Поэтому многие её повторяют и натыкаясь на грабли пишут, что схема плохая или просто забрасывают её. Мне же она очень понравилась как для БП простого и надёжного для начинающих. До полноценного лабораторного она конечно не дотягивает, но это уже уровень выше. Если хотите собирать БП с точной регулировкой тока и напряжения, плюс хорошая стабильность выхода, то только на микросхемах.

В общем очень понравился гибрид параметрического и компенсационного стабилизатора напряжения. Благодаря этому в данной схеме можно применить практически любые стабилитроны, без подбора, примерно на 8-24 В, и подбором делителя на выходе подобрать выходное напряжение.

Сначала спаял на макетной плате. Стабилизация напряжения желала лучшего. Защита от КЗ вообще не работала. Спалил пару диодов, стабилитронов, но хоть ни одного силового транзистора.

Решил всё же разобраться. Промоделировал в Мультисиме. Разобрался что к чему и затем реализовал в железе — всё прекрасно работает. Схема оказалась вполне стоящая.

Самое важное в ней это узел защиты от КЗ на двух диодах, о которую все спотыкаются. Здесь надо правильно подобрать диоды защиты. Диод, который идёт на базу транзистора, должен имень меньшее падение напряжение на нём. Проверяется элементарно цифровым прибором в режиме прозвонки. Я выяснил, что оптимально установить германиевый типа Д9. А второй кремниевый, типа КД522.

Для улучшения стабилизации выходного напряжения нужно стабилизировать узел опорного напряжения или применить ГСТ (генератор стабильного тока), или использовать TL431. Исходил из имеющихся в наличии радиодеталей и простоты схемы.

Сделал ГСТ на двух КТ315. Самый простой вариант. Регулировку по току или узел ограничения по току пока не стал делать. Для этого блока это не даст качественной и точной настройки ограничения по току, но усложнит схему. Поэтому оставил только узел полной защиты от КЗ. Он точно нужен, особенно для начинающих или для гаража, где коротнут раз десять за день. Плата получилась маленькая и компактная.

Ещё одной особенностью схемы является Uмин на уровне 1-2 В (из-за диодов защиты). Можно подбором диодов добиться Uмин 0,7-0,8 В, но думаю для очень простого БП этого вполне хватит.

При КЗ силовой транзистор надёжно закрывается и на выходе 0 В и почти 0 мА, где то на уровне 20-200 мкА. В таком состоянии схема может находится бесконечно долго, а после устранения КЗ всё возвращается в нормальное состояние. Иногда нужно лишь кратковременно отключить нагрузку (это тоже особенность этой схемы, иногда с подключенной нагрузкой не запускается).

Резисторы R2 и R6 являются частью узла стабилизации совместно со стабилитроном. Они образуют делитель напряжения для установки максимального выходного напряжения. Оно будет равно примерно (Uст+Uled) + (Uст+Uled) х (R2/R6) – (UкэQ1+ UкэQ3). (13+2) + (13+2) х (5,1/4,7) — (1,3+0,65) = 29,33 В. Это приблизительный расчёт.

Я рассчитывал делитель на Uвых = 32 В при Uст = 15 В. Резисторы R2 = 5K6 и R6 = 4K3. От суммарного сопротивления этих резисторов зависит и ток холостого хода (без нагрузки) и выделяемая на них мощность. При Uвых = 32 В и R2 = 5K6 и R6 = 4K3 на них выделяется мощность 61 mW и 47 mW соответственно. Можно применять резисторы 0,25 Вт (1/4W) или даже 0,125 Вт (1/8W).

При делителе 390/390 Uвых будет Uст*2 — 2Uкэ, то есть примерно в два раза больше напряжения стабилизации стабилитрона Uвых = 5 х 2 — 2 х 0,65 = 28,65 В. Ток через делитель будет порядка Iд = 36 мА и выделяемая мощность на этих резисторах будет порядка 515 mW. То есть нужно применять резисторы мощностью 1 Вт

Вывод: подбором резисторов делителя можно подбирать Uвых.макс, для уменьшения нагрева нужно их выбирать в килоОмах.

Вот скриншоты для примера:

Сила тока должна оставаться на уровне установленного, но она тоже будет плавать. На счёт защиты при КЗ. Всё зависит от мощности питающего трансформатора, ёмкости фильтрующего конденсатора и силового транзистора. При напряжении 20 В и токе 3 А при замыкании на силовом транзисторе будет мгновенно 60 Вт выделяемой мощности плюс кратковременный бросок (импульс) тока с фильтрующего конденсатора (20 х 1,41 х 3 = 84,6 Вт), а это для большинства транзисторов китайских полный тепловой или токовый пробой. Даже наши советские типа КТ803, КТ805, КТ809 и так далее, через 10-20 секунд пробьются. А может и быстрее…

Для линейной схемы напряжением до 24-28 В, лучше брать ток не более 1,5-2 А, дабы не рисковать сжечь транзисторы. Вот как вариант:

Ограничение тока будет на уровне 3-х ампер. А полная мощность будет равна мощности потребляемой нагрузкой плюс остальное будет в виде тепловых потерь выделяться на силовом транзисторе. При КЗ вся мощность, которую сможет выдать трансформатор, выделится в виде тепла на силовом транзисторе. Автор материала TohaT.

   Форум по блоку питания

   Форум по обсуждению материала БП НА ТРАНЗИСТОРАХ С РЕГУЛИРОВКОЙ

Импульсный блок питания на четырех транзисторах (6В при 0,5А)

Принципиальная схема несложного импульсного блока питания, который выдает на выходе 6В при токе нагрузки 0,5А. Импульсные источники питания, в отличие от обычных, с силовым понижающим трансформатором, при одинаковой выходной мощности, отличаются меньшимигабаритами, меньшим весом и, не всегда, но, как правило, более высоким КПД.

Блоки питания с регулируемым выходным напряжением обычно изготавливают с применением силового понижающего трансформатора, работающего на частоте сети переменного тока 50 Гц и линейного или импульсного стабилизатора выходного напряжения постоянного тока.

Импульсные источники питания с регулируемым выходным напряжением, преобразователь сетевого напряжения которых работает на высокой частоте, распространены мало из-за их повышенной сложности.

Не обязательно изготавливать такой источник питания с чистого листа, для значительного упрощения и ускорения сборки можно применить уже готовый импульсный БП на фиксированное выходное напряжение, который после несложной доработки станет регулируемым.

Принципиальная схема

На рис. 1 показана схема импульсного БП от одной из «зарядок», маркированный как СТ-1В. Выходное стабилизированное напряжение этого БП около 6,2 В при токе нагрузки до 0,5 А. Принципиальная схема была составлена по монтажной плате.

Высоковольтная часть этого БП выглядит традиционно — узел преобразователя напряжения собран на популярном мощном высоковольтном транзисторе MJE13003, на транзисторе Q4 собран узел защиты от перегрузки Q1. Также, Q4 участвует в схеме стабилизации выходного напряжения.

Отличительной особенностью этого БП является наличие ещё одного узла защиты от перегрузки, реализованного на Q2, R8, R9. При увеличении тока нагрузки до 0,5…0,6 А, подключенной к выходу БП, напряжение на выводах резистора R8 достигает 0,5…0,6 В, транзистор Q2 открывается, ток через светодиод оптрона U1 увеличивается, фототранзистор оптрона открывается сильнее, что приводит к большему открывания Q4, который частично шунтирует эмиттерный переход Q1, выходное напряжение БП понижается.

При уменьшении тока нагрузки выходное напряжение БП стремится увеличиться, ток через стабилитрон ZD1 возрастает, что так же приводит к увеличению тока через светодиод оптрона U1. Зелёный кристалл сдвоенного светодиода LED1 светит при наличии выходного напряжения.

Рис. 1. Принципиальная схема импульсного источника питания на транзисторах.

Красный кристалл светит в полную яркость при подключении к выходу БП нагрузки. Стабилитрон ZD2 защищает подключенную нагрузку от повышенного напряжения при неисправности преобразователя напряжения. При отключении узла защиты на транзисторе Q2 выходной ток БП ограничивают на уровне около 1 А при напряжении сети 220 В узел на Q4 и датчик тока на R10.

Схема доработки

Чтобы в этом импульсном источнике питания появилась возможность регулировать выходное напряжение, он был доработан по схеме, показанной на рис. 2. Модернизированный БП рассчитан на выходное напряжение 3,3…9 В при токе нагрузки до 0,5 А. Нумерация дополнительно установленных элементов продолжает нумерацию элементов, установленных изготовителем БП.

На входе блока питания был установлен дополнительный RC фильтр C10R3L4C11, который понижает уровень помех, как поступающих из сети питания, так и проникающих в питающую сеть от работающего импульсного преобразователя напряжения. Резистор R16 ограничивает пусковой ток БП, а также, выполняет предохранительные функции.

Пусковой ток при включении питания также ограничивается сопротивлением обмоток дросселей L3, L4. Конденсатор С1 был установлен ёмкостью 2,2 мкФ вместо 1 мкФ, а на место C3 припаян конденсатор ёмкостью 4,7 мкФ вместо 1 мкФ. Резистор R10 установлен сопротивлением 3,9 Ом вместо 3,3 Ом.

Это снизило ток срабатывания защиты от перегрузки до 0,8 А вместо 1 А. Конденсатор С7 удалён. Конденсатор С8 установлен ёмкостью 1000 мкФ вместо 220 мкФ. Конденсатор С9 установлен на 470 мкФ вместо 220 мкФ. Параллельно этим двум конденсатором припаяно по SMD керамическому конденсатору емкостью по 10 мкФ.

На место диода D8 вместо FR103 установлен более мощный диод FR203. Поскольку размах амплитуды напряжения на обмотке III превышает 50 В, диод Шотки на место D8 было решено не устанавливать. Резистор R8 установлен сопротивлением 0,5 Ом вместо 1 Ом. Стабилитроны ZD1 и ZD2 удалены.

Выходное напряжение БП регулируют переменным резистором R20. Этот резистор используется в реостатном включении, чтобы в случае обрыва в цепи его подвижного контакта, на выходе БП было минимальное напряжение. Чем ниже по схеме положение движка R20, тем больше выходное напряжение БП. R19 и С13 устраняют самовозбуждение микросхемы регулируемого стабилитрона DA1.

Рис. 2. Схема доработки блока питания для возможности регулировки напряжения.

Узел индикации тока подключенной нагрузки был модернизирован. Вместо кремниевого р-п-р транзистора типа SS9015 установлен германиевый МП25Б и изменена схема его включения. Теперь для этого узла на Q5 не требуется отдельный датчик протекающего тока, роль которого ранее выполнял кремниевый диод D3.

В новой схеме резистор R8 является датчиком тока как для кремниевого Q2, так и для германиевого Q5. При выходном напряжении 5 В свечение красного кристалла светодиода становится хорошо заметным при токе подключенной нагрузки около 60 мА.

При токе нагрузки 0,35 А свечение красного кристалла полностью перекрывает свечение зелёного кристалла светодиода, при токе 0,45 А яркость свечения красного кристалла светодиода достигает максимума.

На выход блока питания установлен дополнительный LC фильтр L5C15. Амплитуда напряжения пульсаций и шумов на выходе БП 20…40 мВ. Резистор R13 установлен сопротивлением 1 кОм вместо 560 Ом, а R1 680 Ом вместо 470 Ом.

Рис. 3. Продолжение доработанной схемы блока питания (выходная часть).

Микросхема KIA431 установлена на место, где раньше был припаян светодиод. Вместо такой микросхемы можно применить TL431, AZ431, LM431, выполненную в трёхвыводном корпусе ТО-92. Вместо неисправного транзистора MJE13003 можно применить MJE13005.

К высоковольтному транзистору нужно прикрепить дюралюминиевый теплоотвод с площадью охлаждающей поверхности около 8 см.кв, это значительно повысит надёжность устройства. Теплоотвод с помощью тонкой слюдяной прокладки и ПВХ трубки или втулки должен быть надёжно электрически изолирован от коллектора Q1, иначе он станет эффективной излучающей антенной.

Детали

Вместо транзистора ВС847 подойдёт любой из серий 2SC1815, 2SC945, ВС548, SS9014, КТ315, КТ3102, КТ645, КТ6111. Транзистор 2SA733 можно заменить на SS9012, SS9015, ВС557, ВС558, 2SA708, КТ361, КТ209, КТ3107, КТ6112, КТ6115.

Вместо германиевого транзистора МП25Б подойдёт любой из серий МП20, МП21, МП25, МП26, МП39 — МП42. Рекомендованные в вариантах замен транзисторы имеют отличия в типах корпусов и цоколёвке выводов. Диоды 1N4007 можно заменить на 1 N4005, 1 N4007, UF4005 -UF4007, 1N4937GP, 11DF4, КД 209Б, КД243Д, КД247Г.

Вместо диода FR107 может работать любой из UF4007, 1N4937GP, 1 N5399, RG2M, КД247Д. Диод FR203 можно заменить на любой из FR202 — FR207, FR302 -FR307, SRP300D SRP300K, КД226А -КД226Е. Вместо диода 1N4148 можно установить 1SS176S, 1SS244, 1 N914, КД510А,

Дроссели L3, L4 малогабаритные промышленного изготовления, намотанные на Н-образных ферритовых сердечниках. Подойдут любые индуктивностью от 100 мкГн и сопротивлением обмоток 10…

100 Ом. Дроссель L5 двухобмоточный, содержит несколько витков сложенного вдвое многожильного монтажного провода на кольце из низкочастотного феррита или пермаллоя, чем больше индуктивность и чем меньше сопротивление обмоток этого дросселя, тем лучше. Конденсаторы C10, С11 керамические высоковольтные.

Переменный резистор R20 подключают к схеме экранированным проводом минимальной длины, металлический экран переменного резистора должен быть соединён с минусом С9. Резистор R16 желательно применить невозгораемый или разрывной. Светодиод любой двухкристальный с общим катодом, например, серий L-119, L-293.

Вместо такого светодиода можно применить и два обычных светодиода непрерывного свечения. Оптрон РС817 можно заменить на любой из PS817, LTV817, EL817, SFH617A-2, PS2501-1, РС814, РС120, РС123, выполненный в стандартном четырёхвыводном корпусе.

Все детали модернизированного блока питания размещены в коробке из полистирола размером 80x50x44 мм от сетевого адаптера для игровой приставки «Денди». Контактные штыри для подключения к сетевой розетке удалены с корпуса, вместо них используется гибкий сетевой шнур с вилкой, что гораздо удобнее. Вес устройства в сборе 110 грамм.

Узел на германиевом транзисторе Q5 смонтирован на отдельной небольшой плате. Дроссель L5 приклеен к корпусу полимерным клеем «Квинтол». При сборке следите за тем, чтобы провода «горячей» высоковольтной части схемы не перехлёствывались с проводами и узлами её низковольтной части. В режиме холостого хода БП потребляет от сети ток 2 мА при напряжении сети 240 В переменного тока и 24 мА при выходном напряжении 9 В при токе нагрузки 0,5 А. Таким образом, КПД этого источника питания составляет около 78 %.

Бутов А. Л. РК-2015-08.

Литература:

1. Бутов А.Л. Доработка зарядного устройства STA-U12RD. РК-2013-03.
2. Бутов А.Л. Импульсный блок питания из старого видеоплеера. РК-2014-12.
3. Бутов А.Л. Высоковольтный стабилизатор напряжения постоянного тока. РК-2010-11.

Простой блок питания с регулировкой напряжения и тока. — Радиомастер инфо

Довольно распространенная схема такого блока питания выполнена на двух транзисторах, силовом p-n-p КТ818 и усилителе КТ815. Схема для начинающих и они часто задают вопрос, можно ли выполнить эту схему на более распространенном силовом n-p-n транзисторе. Сделать можно, результаты даже лучше, чем на КТ818. О том, как это сделать рассказано в этой статье.

Для начала приведу, базовую, назовем ее так, схему простого блока питания на силовом p-n-p транзисторе КТ818.

Схема простого блока питания состоит из понижающего трансформатора Tr1, двухполупериодного выпрямителя на четырех диодах 1N4007, конденсатора фильтра С1, резистора R1, ограничивающего ток стабилитрона VD1, регулятора напряжения R4, усилителя на Т2, силового транзистора Т1, цепи регулировки тока R5 с ограничителем R2, диода развязки тока базы Т2 и резистора, повышающего стабильность работы схемы при разных токах нагрузки R3.

Максимальное выходное напряжение определяется напряжением вторичной обмотки трансформатора, рабочим напряжением стабилитрона VD1, допустимым напряжением транзисторов Т1 и Т2.

Максимальный ток нагрузки определяется мощностью трансформатора Tr1, соответственно диаметром провода вторичной обмотки, током диодов выпрямителя, максимальным током К-Э транзистора Т1, его коэффициентом усиления и как следствие, его током базы и параметрами транзистора Т2, который должен увеличить малый ток от стабилитрона до необходимого значения тока базы силового транзистора Т1, иначе Т1 полностью не откроется и на выходе не будет увеличения напряжения и тока при повороте соответствующих регуляторов (R4, R5).

Учитывая изложенный выше принцип работы схемы, был изготовлен вариант на силовом транзисторе n-p-n по следующей схеме.

В качестве транзисторов были опробованы несколько вариантов:

Т1 – КТ819, КТ805, КТ829, КТ8109, КТ8101

Т2 – КТ814, КТ816, КТ973

Сочетания транзисторов использовались разные. Наилучшие результаты получены на транзисторах Т1 КТ805БМ и Т2 КТ814В1.

Вот как выглядят детали, примененные в этой схеме:

Диапазон регулировки напряжения и тока самый широкий, падение напряжения на силовом транзисторе Т1 самое низкое и соответственно его нагрев меньше.

Что еще важно учитывать при изготовлении этой, и других подобных схем линейных стабилизаторов.

1. Так как все лишнее напряжение падает на силовом транзисторе Т1, он греется. Больше всего он греется при больших тока и низких напряжениях на выходе. Например, при входном напряжении 16В, выходном 5В и токе 2А на транзисторе Т1 будет падать напряжение 11В. При токе 2А мощность, рассеиваемая на этом транзисторе будет равна 2А х 11В = 22Вт. При приблизительной оценке площади радиатора для Т1 получаем значение более 400 см кв. Это пластина 20х20 см или ребристый радиатор с такой же площадью охлаждения.

2. Это понижает КПД устройства и делает его применение невыгодным при больших мощностях. Самый простой выход для повышения КПД, подобрать трансформатор с отводами на вторичной обмотке и поставить переключатель. В таком случае при нужном напряжении на выходе 5В на входе можно установить 7В. В этом случае, при том же токе 2А, на транзисторе Т1 будет рассеиваться мощность 4Вт. Это более чем в 4 раза меньше, чем в предыдущем случае.
3. Схема простого блока питания не имеет эффективной защиты от короткого замыкания в нагрузке и при неблагоприятных ситуациях (большом токе и нагретом Т1) силовой транзистор Т1 может выйти из строя.
4. Вывод. Данная схема удобна при использовании для токов в нагрузке до 1А. Наиболее рациональным в этом случае является изготовление металлического корпуса для блока питания и использования его в качестве радиатора для транзистора Т1. Главное достоинство – простота, отсутствие дефицитных деталей, а также плавная регулировка напряжения и тока делает схему привлекательной.

Материал статьи продублирован на видео:

МОЩНЫЙ БЛОК ПИТАНИЯ НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ

---

   Используя в схеме стабилизатора мощный полевой транзистор, можно собрать простой стабилизатор, тем не менее имеющий очень хорошие параметры. В предлагаемом стабилизаторе БП стоит полевой транзистор IRLR2905. Он имеет в открытом состоянии сопротивление канала всего 0,02 Ома, а так-же обеспечивает ток до 30 А. Мощность, рассеиваемая транзистором, может превышать 100 Вт. Принципиальная схема одного из вариантов такого стабилизатора приведена на рисунке, клик — для увеличения. 

Работа БП на ПТ

   Переменное напряжение поступает на выпрямитель и сглаживающий фильтр, и далее на сток полевого транзистора и через резистор R1 на затвор, открывая транзистор. Часть выходного напряжения через резисторный делитель подается на вход микросхемы, замыкая цепь ООС. Напряжение на выходе стабилизатора возрастает вплоть до того момента, пока напряжение на входе управления микросхемы DA1 не достигнет порогового, около 2,5 В. В этот момент микросхема открывается, понижая напряжение на затворе, таким образом, устройство входит в режим стабилизации. Чтобы получить плавную регулировку выходного напряжения (например для лабораторного блока питания) резистор R2 нужно заменить переменным.

Налаживание схемы

   Установить нужное выходное напряжение резистором. Проверить стабилизатор на отсутствие самовозбуждения с помощью осциллографа. Если самовозбуждение возникает, то параллельно конденсаторам CI, С2 и С4 следует подключить керамические конденсаторы емкостью 0,1 мкФ.

Детали стабилизатора

   Микросхема КР142ЕН19 заменима на более современную TL431. Конденсаторы любые малогабаритные. Параметры трансформатора, выпрямителя — диодного моста и электролитического конденсатора фильтра выбирают исходя из необходимого напряжения и тока. Транзистор обязательно посадить на эффективный теплоотвод. Возможно потребуется использование кулера.

Поделитесь полезными схемами

---

---

---

---

---

САМОДЕЛЬНЫЙ MP3 ПЛЕЕР     Данный MP-3 плеер поддерживает достаточно много функций, например случайное воспроизведение дорожек, навигация по дорожкам (вперед, назад, пауза), регулирование громкости звука воспроизведения. Также тут присутствует поддержка файловой системы FAT32, фрагментированных файлов. Качество звука и воспроизведения музыкальных файлов находится на очень высоком уровне.

Лабораторный блок питания на транзисторах

Лабораторный блок питания (ЛБП), представленный в этой статье, имеет простую, но в то же время надежную и хорошо повторяемую схему. В качестве основных компонентов устройства используются биполярные транзисторы. ЛБП может служить для: тестирования силовых транзисторов, питания светодиодов (LED-панелей), зарядки различных типов аккумуляторов, питания электронных устройств напряжением 0–40В и током до 2,5А.

В качестве защиты от короткого замыкания лабораторного блока питания используется стабилизация выходного тока. Порог максимального тока можно установить с помощью подстроечного резистора в пределе 0,5–2,5А. Регулировка тока нагрузки в процессе эксплуатации выполняется от нуля до установленного порога с помощью переменного резистора.

Верхний предел выходного напряжения также может быть установлен с помощью подстроечного резистора в диапазоне 10–40В. Регулировка выходного напряжения в процессе эксплуатации осуществляется переменным резистором от нуля до установленного порога.

Схема лабораторного блока питания на транзисторах

Схема ЛБП надежная и имеет хорошую повторяемость, взята она из журнала Elektor Electronics №4 1999 года. Оригинал этой статьи можно скачать в формате PDF, ссылка под данной статьей.

На схеме присутствует только блок самого стабилизатора. Отсутствие выпрямителя обусловлено неопределенностью номиналов компонентов исходя из конкретных параметров лабораторного блока питания.

Транзисторы T5 и T6 образуют дифференциальный усилитель, который сравнивает часть опорного напряжения с напряжением на выходе ЛБП. Опорное напряжение образует параметрический стабилизатор R7D2D3. Часть его отбирается переменным резистором P1. Выходное значение напряжения берется с делителя P4R5.

Когда Uвых ЛБП возрастает, то и на делителе P4R5 падение напряжения увеличивается. Когда значение на делителе станет больше чем установленное потенциометром P1, то транзистор T5 прикроется больше чем T6 и на резисторе R2 падение увеличится. Вследствие чего транзистор T4 откроется и подтянет базу T3 к общему проводу (Gnd). Транзисторы T3, T4 и силовой регулирующий транзистор T1 прикроются, уменьшив выходное напряжение лабораторного блока питания, до тех пор, пока значения на базах (T5 и T6) дифференциального усилителя не станут равными.

Транзистор T7 отвечает за стабилизацию тока. Его датчиком является резистор R4, через который протекает весть ток нагрузки. При возрастании тока на датчике R4, а, следовательно, и на цепи P3R6P2 падение напряжения также повысится. Это падение через токоограничивающий резистор R8 попадает на базу T7. При достижении определенного значения транзистор T7 открывается и подтягивает базу T3 через резистор R2 к общему проводу (Gnd) и на выходе эмиттерного повторителя напряжение начнет снижаться. Так работает стабилизация тока.

Максимальный (предельно возможный) ток ЛБП устанавливается подстроечным резистором P3. При P3=0, максимальный выходной ток составит 2,5А, а при P3=250кОм максимальное значение составит 500мА.

Регулировка тока нагрузки ЛБП выполняется вращением движка потенциометра P2.

Максимальное (предельное) напряжение на выходе ЛБП устанавливается подстроечным резистором P4. При P4=0 максимальное Uout=10В, а при P4=25кОм Uout=40В.

Регулировка выходного напряжения осуществляется потенциометром P1.

Компоненты схемы

В качестве подстроечных резисторов P3 и P4 лучше применить многооборотные компоненты типа «3296W». Причем, номиналы 250кОм и 25кОм я не нашел и вместо них поставил 200кОм и 20кОм.

Резистор R7 должен быть мощностью 0,5Вт. Шунт R4 лучше поставить мощностью 5Вт (греется здорово).

В качестве стабилитрона D2 я установил BZX55C 2V4, а в качестве стабилитрона D3 я установил 1N4740A.

Силовой транзистор 2N3055 можно заменить на более мощный NPN транзистор, например TIP35C, 2SC5200 или другой им подобный, но напрямую в плату их устанавливать нельзя, цоколевка не подходит, необходимо редактировать печатную плату, поэтому устанавливаем на проводах.

Транзисторы BC547/BC557 меняются на BC546/BC556.

Транзисторы дифференциального каскада (T5 и T6) желательно подобрать по коэффициенту передачи тока (h31э).

Печатная плата лабораторного блока питания

Печатную плату ЛБП я разводил под свои нужды и размеры компонентов, ссылка на нее под статьей. При желании вы можете ее откорректировать под свои требования.

Размер печатной платы 84×65 мм. На ней есть подписи порядковых номеров компонентов и их значения.

Обратите внимание на номера выводов переменных резисторов P1 и P2 (P2 относительно P1 развернут на угол 180⁰). У меня они устанавливаются на шлейфах, поэтому проблем с этим нет.

Потенциометры не рекомендую устанавливать через разъемы, показанные ниже на фото. При потере их контакта, может произойти скачок выходного напряжения или не работать стабилизация по току, что приведет к выходу из строя T1.

Рядом с выходом на печатной плате ЛБП имеются ножевые клеммы с надписями «black», «yellow» и «red» для подключения китайского вольтамперметра. Если вы не применяете такой вольтамперметр, то просто впаиваем перемычки между клеммами  «black» и «red».

А вообще, я не советую применять 4-разрядные китайские вольтамперметры, похожие на мой, так как у них малая частота обновления показаний. Очень неудобно им пользоваться и устанавливать необходимое значение.

Транзистор T1 соединяется с печатной платой с помощью проводов, в соответствии с цоколевкой на 2N3055.

Выпрямитель лабораторного блока питания

На схеме выпрямитель отсутствует. Автор схемы предусматривает его расчет индивидуально, под необходимые параметры.

Диодный мост я установил с токовым запасом. Мост KBU610 рассчитан на 6А 1000В, а также на его корпусе есть отверстие для крепления теплоотвода. Также подойдет и любой другой диодный мост на 4А и мощнее. При выборе рекомендую взять запас, цена от этого возрастет незначительно.

Емкость фильтра выпрямителя для лабораторного блока питания также рассчитывается индивидуально, исходя из требований пульсаций и параметров трансформатора. На моей печатной плате имеются два посадочных места под электролитические конденсаторы 3300мкФ 50В. Можно обойтись и грубым расчетом – 1000мкФ на каждый 1А.

Трансформатор, примененный мною, имеет две обмотки по 25В, и каждая обмотка рассчитана на 1,8А. Эти обмотки я соединил параллельно (соблюдая фазировку).

Вообще ток обмотки должен быть рассчитан на превышение тока нагрузки в √2 раз, то есть для нагрузки 2А обмотка должна быть рассчитана на 2,8А.

Не стоит забывать и про выпрямленное напряжение, которое после выпрямления, на холостом ходу, на конденсаторе фильтра будет иметь значение в  √2 раз больше. То есть, для трансформатора напряжением 25В после выпрямления на емкости фильтра (C4 и C5) получится примерно 35В постоянного тока.

Внимание! Для данного лабораторного блока питания я настоятельно рекомендую не применять трансформатор с напряжением вторичной обмотки более 27В. Это обусловлено напряжением перехода коллектор-эмиттер транзисторов BC547/BC557 (оно составляет 45В) и другими предельными параметрами примененных компонентов.

Охлаждение лабораторного блока питания

Самым горячим элементом лабораторного блока питания является регулирующий силовой транзистор T1. Тепло, рассеиваемое на нем пропорционально разнице между входным и выходным значениями напряжения. Транзистор 2N3055 способен рассеять максимум 115Вт.

Таким образом, если на входе стабилизатора 37В, а на выходе мы установим значение 3В, то при токе 2,5А на транзисторе рассеивается примерно (не учитывая падение на шунте R4):

P=(37В-3В)×2,5А=85Вт.

Это рядом с максимумом, учитывая, что транзистор T1 будет работать в линейном режиме и отвести от него такое количество тепла будет очень сложно. Выходом будет применение радиатора с вентилятором от ПК или применение радиатора с достаточно большой площадью поверхности (читать ниже).

При эксплуатации лабораторного блока питания с нагрузкой 1,5А – 2,5А на диодный мост можно установить небольшой теплоотвод в виде алюминиевой пластинки.

Если представить максимально тяжелый режим и на выходе лабораторного блока питания будет короткое замыкание, то в этом случае на транзисторе T1 упадет практически все напряжение (без учета падения на R4), пусть это падение будет равно 35В (берем по максимуму). При этом максимальный ток будет равен 2,5А. Мощность, рассеиваемая на транзисторе T1, будет примерно равна 80-90 Вт. Для такой мощности необходим радиатор  с площадью поверхности 1500 – 2000 см².

Запуск и налаживание лабораторного блока питания

1. Проверить все номиналы компонентов по схеме (и печатной плате) ЛБП.
2. Смыть все остатки флюса и других вспомогательных веществ.
3. Подключить трансформатор к клеммам «AC». Лабораторный блок должен быть не нагружен – режим холостого хода.
4. Ручки переменных резисторов P1 и P2 до упора повернуть по часовой стрелке (на максимум).
5. К выходу ЛБП подключить вольтметр постоянного тока, выбрав необходимый диапазон измерения.
6. Включить в сеть трансформатор и по вольтметру убедиться в присутствии напряжения на выходе лабораторного блока питания.
7. Плавно вращая движок подстроечного резистора P4 установить необходимое максимальное значение. Это будет верхний предел выходного напряжения блока питания. Я установил значение 30В.
8. Нагрузить ЛБП постоянным резистором или электронной нагрузкой так, чтобы максимально возможный ток нагрузки не превышал 500мА. Я нагрузил ЛБП резистором 60 Ом 5Вт (ставим 60-100Ом) и поместил его в ванночку с водой. Путем вращения движка подстроечного резистора P3 выставить ток 200 мА (предварительно подключить амперметр постоянного тока в разрыв нагрузки). Прогнать ЛБП на этой нагрузке в течение 10-20 минут. Понаблюдать за нагревом. Напряжение при стабилизации тока просядет до нескольких вольт, это нормально.
9. Снять нагрузку. Кратковременно замкнуть выход лабораторного блока питания перемычкой. Убедившись, что ЛБП держит короткое замыкание (КЗ), при этом, ток нагрузки остается примерно равный ранее выставленному пределу (200 мА).
10. Замыкаем выход резистором сопротивлением 4-15 Ом и плавно вращая, против часовой стрелки, движок P3 устанавливаем предельно максимальный ток ЛБП. Исходя из малых габаритов своего теплоотвода, я обошелся значением 1А. Если соблюдать все номиналы схемы, то максимум можно выставить 2,5А.
11. Опять снимаем нагрузку и снова устраиваем режим короткого замыкания, убеждаясь, что лабораторный блок его успешно терпит.

 

Пункты 8 и 9 рекомендую обязательно выполнять. Если не сработает схема стабилизации тока, и вы замкнете выход или нагрузите ЛБП больше чем положено, то моментально выйдет из строя силовой транзистор.

Печатная плата лабораторного блока питания на транзисторах СКАЧАТЬ

Оригинальная статья Elektor Electronics №4 1999 СКАЧАТЬ

Простые импульсные блоки питания » Журнал практической электроники Датагор (Datagor Practical Electronics Magazine)

Несколько раз меня выручали блоки питания, схемы которых стали уже класическими, оставаясь простыми для любого, кто хоть раз уже что-то электронное в своей жизни паял.

Аналогичные схемы разрабатывались многими радиолюбителями для разных целей, но каждый конструктор вкладывал в схему что-то свое, менял расчеты, отдельные компоненты схемы, частоту преобразования, мощность, подстраивая под какие-то, известные только самому автору, нужды…

Мне же часто приходилось использовать подобные схемы вместо их громоздких трансформаторных аналогов, облегчая вес и объем своих конструкций, которые необходимо было запитать от сети. Как пример: стерео-усилитель на микросхеме, собранный в дюралевом корпусе от старого модема.

Содержание / Contents

Описание работы схемы, коль она классическая, приводить особого смысла нет. Замечу лишь, что я отказался от использования в качестве схемы запуска от транзистора, работающего в режиме лавинного пробоя, т.к. однопереходные транзисторы типа КТ117 работают в узле запуска гораздо надежнее. Запуск на динисторе мне тоже нравится.

На рисунке представлены: а) цоколёвка старых транзисторов КТ117 (без язычка), б) современная цоколёвка КТ117, в) расположение выводов на схеме, г) аналог однопереходного транзистора на двух обычных (подойдут любые транзисторы верной структуры — структуры p-n-p (VT1) типа КТ208, КТ209, КТ213, КТ361, КТ501, КТ502, КТ3107; структуры n-p-n (VT2) типа КТ315, КТ340, КТ342, КТ503, КТ3102)
Ошибка. Диод VD1 включить наоборот!Схема на полевых транзисторах несколько сложнее, что вызвано необходимостью защиты их затворов от перенапряжения.

Ошибка. Диод VD1 включить наоборот!

Все намоточные данные трансформаторов приведены на рисунках. Максимальная мощность нагрузки, которую может запитать блок питания с трансформатором, выполненном на ферритовом кольце марки 3000НМ 32×16Х8, около 70Вт, на К40×25Х11 той же марки, — 150Вт.

Диод VD1 в обеих схемах запирает схему запуска подачей отрицательного напряжения на эмиттер однопереходного транзистора после запуска преобразователя.

Из особенностей — выключение блоков питания производится замыканием обмотки II коммутирующего трансформатора. При этом нижний по схеме транзистор запирается и происходит срыв генерации. Но, кстати, срыв генерации происходит именно по причине «закорачивания» обмотки.

Запирание транзистора в данном случае, хоть и явно происходит по причине замыкания контактом выключателя эмиттерного перехода, — вторично. Однопереходной транзистор в данном случае не сможет запустить преобразователь, который может находиться в таком состоянии (оба ключа заперты по постоянному току через нулевое практически сопротивление обмоток трансформатора) сколь угодно долго.

Правильно расчитанная и аккуратно собранная конструкция блока питания, как правило, легко запускается под требуемой нагрузкой и в работе ведет себя стабильно.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации

🌻 Купон до 1000₽ для новичка на Aliexpress

Никогда не затаривался у китайцев? Пришло время начать!
Камрад, регистрируйся на Али по нашей ссылке. Ты получишь скидочный купон на первый заказ. Не тяни, условия акции меняются.

🌼 Полезные и проверенные железяки, можно брать

Куплено и опробовано читателями или в лаборатории редакции.

 

Полевые транзисторы на основе черного фосфора с одновременным достижением почти идеального подпорогового колебания и высокой подвижности дырок при комнатной температуре

Пленки FL и объемные BP механически отслаиваются на подложке HfO ₂ (5 нм) / Si, где слой HfO ₂ был нанесен методом атомно-слоистого осаждения (ALD). Атомно-силовая микроскопия (АСМ) использовалась для прямого измерения толщины FL и объемной пленки BP, как показано на рис. 1 (a, b). Измеренные толщины — 4,50 и 41.78 нм для FL и объемной пленки BP соответственно. Согласно толщине монослоя БП 0.85 нм количество слоев ПЛ и объемного БП составляет ~ 5 и ~ 45 ²³ . На рис. 1 (c) показаны спектры комбинационного рассеяния ФЛ и объемной пленки БП при 300 К с использованием возбуждающего лазера с длиной волны 514 нм. По сравнению с пленкой FL BP, аналогично MoS ₂ и графену, объемный BP показывает меньшую интенсивность, что связано с эффектом оптической интерференции ^24,25 . Пики, B _2g , и могут быть хорошо идентифицированы при частоте комбинационного рассеяния ~ 360.25, ~ 437,79 и ~ 465,99 см ^-1 соответственно, что хорошо согласуется с ранее опубликованными результатами ¹⁶ . Рамановский режим связан с колебаниями атомов фосфора вне плоскости; Рамановские моды B _2g и связаны с колебаниями атомов фосфора в плоскости, а направления колебаний комбинационных мод B _2g находятся под нормальным углом. По сравнению с FL BP, режимы комбинационного рассеяния и B _2g объемного BP имеют небольшой сдвиг в синий цвет, равный 0.75 и 0,58 см ⁻¹ соответственно. Подобно MoS ₂ , внеплоскостной режим комбинационного рассеяния синего цвета массивного БП происходит из-за увеличения восстанавливающей силы по мере увеличения количества слоев, или режим комбинационного рассеяния вне плоскости усиливается с увеличением толщина из-за дополнительного межслоевого ван-дер-ваальсова взаимодействия ²⁶ . Сдвиг частоты рамановской моды согласуется с переходом от нескольких слоев к объемным. Что касается MoS ₂ , то комбинационная мода в плоскости имеет красное смещение при увеличении слоя, которое объясняется диэлектрическим экранированием, главным образом из-за присутствия атомов Mo.В случае BP только атомы фосфора участвуют в колебаниях, диэлектрическое экранирование должно быть незначительным, в то время как изменения структуры, вызванные пакетированием, могут доминировать ²⁷ . Как показано на рис. 1 (c), плоская комбинационная мода B _2g массивного BP имеет небольшой сдвиг в синий цвет 0,80 см ^-1 , а плоская комбинационная мода объемного BP остается почти такой же, при увеличении толщины до объемной. Это могло быть связано с уникальной анизотропной структурой БП с разными параметрами решетки в разных направлениях, которые имеют разную чувствительность к внешнему воздействию.Теоретические расчеты показывают, что параметр решетки вдоль внеплоскостного направления существенно изменяется от объемного к многослойному ДП, в то время как параметр решетки в двух других направлениях остается почти неизменным, что может быть использовано для объяснения аномального поведения колебаний BP ²⁸ . Об этом сообщается в исх. 15 видно, что режимы комбинационного рассеяния света и комбинационного рассеяния сдвигаются навстречу друг другу с увеличением толщины из-за двойного резонансного рассеяния, что может быть спектральным признаком идентификации одно- и многослойной природы БП.В исх. 29 Дж. Л. Даттатрея, режим комбинационного рассеяния света BP имеет синий сдвиг 1,6 см ^-1 по мере уменьшения толщины, но B _2g и режимы комбинационного рассеяния BP остаются неизменными. Следует отметить, что образцы БП в ссылках 15,29 расслаиваются на подложке SiO ₂ / Si. Предполагается, что нижележащая подложка (SiO ₂ или HfO ₂ ) действительно влияет на положение пика комбинационного рассеяния. Кроме того, сообщалось, что FL или однослойный BP очень чувствителен к окружающим условиям, таким как вода и кислород, как и графен и другие 2D-материалы.

Рис. 1

( a ) Изображение расслоенной чешуйки BP, полученное методом атомно-силовой микроскопии (АСМ), на котором отмечены многослойный (FL) и объемный слой BP. ( b ) Толщина пленки измерялась непосредственно с помощью АСМ в бесконтактном режиме. Измеренная толщина составляет 4,50 и 41,78 нм для пленки FL и объемной пленки BP соответственно. ( c ) Рамановские спектры при 300 К ФЛ и объемного слоя БП. Четко наблюдаются три режима активного комбинационного рассеяния, B _2g , и.

Зонные структуры для монослоя, FL и объемного BP рассчитаны с использованием ab initio теории функции плотности (DFT) с гибридным функционалом плотности HSE06.При расчете процесса оптимизации геометрической структуры использовалось приближение обобщенного градиента в Perdew, Burke и Ernzerhof (PBE) со сверхмягкими псевдопотенциалами. Для расчета однослойных и пятислойных систем мы вырезали план объемного БП <0 1 0> и настроили толщину вакуумного слоя 20 Å по оси c, используя 3 × 4 × 1 и 6 × 8 × 1 k. Сетки с точками для структурной релаксации и зонной структуры соответственно. Результаты показаны на рис. 2 (а – в). Значение прямой запрещенной зоны для монослоя, FL и объемного BP равно 1.53, 0,62 и 0,39 эВ соответственно. Зона минимальной проводимости и точка максимальной валентной зоны смещаются от точки G к точке, расположенной между G и Q, по мере увеличения толщины. Расчетная эффективная масса отверстия для монослоя и пятислойного БП составляет ~ 6,3 м _o и 0,87 м _o соответственно, что хорошо согласуется с результатами предыдущих расчетов ²⁸ . Более низкая эффективная масса отверстия по сравнению с другими 2D-материалами может способствовать более высокому току стока и более высокой скорости переключения.

Рис. 2: Зонная структура DFT-HSE06 (а) монослойной, (б) пятислойной и (в) объемной пленки БП.

Наблюдаемая прямая запрещенная зона отмечена стрелкой.

Чтобы отличить эту работу от заявленных в исх. 29 (BP / SiO ₂ ) и исследовать влияние нижележащего высокого — k HfO ₂ на сигнал комбинационного рассеяния BP, зависимые от температуры рамановские измерения FL / HfO ₂ и объемных образцов BP / HfO ₂ были проведены при температуре 80–300 K и возбуждающем лазере с длиной волны 514 нм, результаты представлены на рис.3 (а, б) соответственно. В этой части мы сосредоточимся на обсуждении положения пика как функции температуры для FL и объемного BP. Принимая во внимание БП как потенциальный материал КМОП-канала за пределами Si, важно изучить электрон-фононные взаимодействия или режимы колебаний при различных температурах с помощью неразрушающего метода комбинационного рассеяния света. Температурно-зависимые режимы рамановской вибрации БП могут иметь прямое отношение к транспортировке носителей полевых транзисторов на основе БП. При понижении температуры с 300 до 80 K все режимы комбинационного рассеяния, B _2g , а также для FL и объемной пленки BP изменяются линейно в зависимости от температуры, как показано на рис.4 (а – в). Хорошо известно, что спектроскопия комбинационного рассеяния света представляет собой четырехфононный процесс, который преобладает над тепловым расширением, так как фононный процесс в режиме комбинационного рассеяния линейно сдвигается с изменением температуры. Можно ожидать небольшого разброса точек данных для положения пика комбинационного рассеяния, и это хорошо понятно из-за небольшого изменения лазерного пятна на образце, локальной вибрации рамановской стадии или низкой мощности возбуждения на образце с последующим дополнительным затуханием. из окна холодно-горячей камеры во время измерения.Наблюдаемые данные о положении пика, полученные из лоренцевой аппроксимации для B _2g и рамановских мод в зависимости от температуры, были аппроксимированы с использованием модели Грюнайзена: ω (T) = ω ₀ + Χ T, где ω ₀ — положение пика рамановской моды при нулевой температуре Кельвина, а Χ — это температурный коэффициент первого порядка той же моды. Наклон подобранных линий дает температурный коэффициент первого порядка для конкретной рамановской моды и показан на вставке на рис.4. Округляя X до ближайших двух десятичных знаков, режимы B _2g и Рамана показывают X около -0,01 см ^-1 / K как для FL, так и для объемных образцов BP. Хотя тепловой коэффициент ( ), соответствующий, B _2g , и рамановским режимам объемного БП не сообщается в литературе, значения этих комбинационных режимов Χ для ФЛ БП (5 слоев) найдены быть сопоставимым с заявленными значениями (~ -0,01 см ^-1 / K) в исх.29. Это указывает на то, что кристаллическая структура БП на HfO ₂ остается неизменной и сопоставима с БП на SiO ₂ . Это очень важно для реализации высокопроизводительного устройства. Χ , полученное в этой работе, также аналогично тому, которое получено для монослоя и массы MoS ₂ , выращенного методом химического осаждения из паровой фазы (CVD) или расслоением в ссылках 30,31, и примерно на порядок больше, чем полученное для расслоенный монослой WS ₂ ³² .По сравнению с WS ₂ , как FL, так и объемный BP намного более чувствительны к температуре. Это может быть связано с тем, что БП имеет лучшую механическую гибкость, что объясняется его уникальной морщинистой кристаллической структурой. Кроме того, изменение положения пика комбинационного рассеяния в зависимости от температуры для образцов FL и Bulk BP объясняется температурным эффектом, который приводит к ангармонизму и тепловому или объемному расширению.

Рис. 3

Температурно-зависимые спектры комбинационного рассеяния ( a ) FL / HfO ₂ и ( b ) объемных образцов BP / HfO ₂ при 80–300 K и возбуждающем лазере с длиной волны 514 нм.

Рис. 4. Влияние изменения температуры на режимы комбинационного рассеяния ( a ), ( b ) B _2g и ( c ) для FL и объемной пленки BP.

При понижении температуры Рамановский режим усиливается или смещается в сторону более высокой частоты.

На рис. 5 (а) показана структура полевых транзисторов на БП, которые были изготовлены на подложке HfO ₂ / Si. Вид сбоку слоя БП показан на вставке на рис. 5 (а). Вид сверху изготовленных устройств показан на вставке к рис.5 (б). Изготовленные устройства с длиной затвора L 3 мкм и шириной затвора W 8 мкм были электрически измерены. Как показано на рис. 5 (b), ток утечки затвора I _G находится в диапазоне 10 ^-8 ~ 10 ^-10 А при напряжении стока -0,1 В в измеренном диапазон напряжения затвора. Как показано на рис. 5 (c), изготовленные полевые транзисторы на БП демонстрируют отношение тока включения / выключения ~ 10 ² и почти идеальный подпороговый размах SS ~ 69 мВ / декаду.Выходной ток стока в этой работе ограничен высоким контактным сопротивлением, которое может быть дополнительно увеличено с помощью техники истока / стока или техники легирования. Пороговое напряжение В _th ~ 1,7 В было извлечено с использованием метода линейной экстраполяции, который экстраполирует характеристику ( I _D — В _G ), измеренную при В _D = 0,1 В, от точки максимального наклона до точки пересечения с осью напряжения затвора.Эффективная плотность состояний границы D _it может быть оценена с помощью уравнения подпорогового колебания SS :, где k — постоянная Больцмана, T — температура в Кельвинах, q — это постоянная Больцмана. электронный заряд, это обедненная емкость BP, это емкость интерфейса BP / HfO ₂ в состоянии, а также единичная емкость затвора 0,044 Ф / м ² (5 нм HfO ₂ ). Когда приложенное напряжение затвора близко к пороговому напряжению, оно пренебрежимо мало по сравнению с, и тогда эффективная плотность состояний интерфейса D _it на интерфейсе BP / HfO ₂ может быть оценена с помощью следующего уравнения:На основе извлеченного SS ~ 69 мВ / декада, эффективная плотность состояний интерфейса D _it на границе BP / HfO ₂ рассчитана как 4,38 × 10 ¹² см ⁻² эВ ⁻¹ . Интерфейсные состояния могут быть связаны с оборванными связями из-за образования вакансий фосфора на границе BP / HfO ₂ . По сравнению с другими 2D-материалами, такими как MoS ₂ ³³ , плотность точечных дефектов (вакансий серы) была равна 1.2 × 10 ¹³ см ⁻² , что выше достигнутого в данной работе. Пиковая подвижность дырочного поля мкм ~ 413 см ² / Вс при 300 К может быть извлечена с помощью, где C _OX составляет 0,044 Ф / м ² (диэлектрическая постоянная HfO ₂ 25) и В _D = 0,1 В. Высокая подвижность дырок при комнатной температуре, достигнутая в этой работе, объясняется лучшим качеством интерфейса BP / HfO ₂ .Это подтверждается результатами XPS, показанными на рис. 6 (b, c), где связи P-O заменены связями P-Hf. Хорошее качество интерфейса BP / HfO ₂ с точки зрения низкой плотности состояний интерфейса и подавления связей P-O является основным фактором, способствующим хорошей мобильности, достигнутой в этой работе. На рис. 5 (d) выходной ток изготовленных полевых транзисторов на БП составляет около 0,4 мА при напряжении стока -1 В и затворе с избыточным возбуждением -1,0 В. Показатель достоинств, показанный на рис. ) сравнивает производительность подвижности отверстий при комнатной температуре в зависимости от SS между этой работой и недавно опубликованной работой.Наибольшая подвижность дырок мкм ~ 1000 см ² / В · с была получена в работе [5]. 14 на подложке SiO ₂ / Si, но SS составляет ~ 4,6 В / декаду, что слишком много для практического применения. Обычно SS полевых транзисторов BP, изготовленных на подложке SiO ₂ / Si, находится в диапазоне 1,5–17,2 В / декада, что связано с плохим качеством интерфейса, расположенного на границе раздела BP / SiO ₂ . С добавлением материала с высоким содержанием k (Al ₂ O ₃ , HfO ₂ и т. Д.) В качестве диэлектрика затвора, SS полевых транзисторов BP может быть дополнительно снижен до почти идеального значения ( ~ 60 мВ / декада), что указывает на то, что лучшее качество интерфейса может быть получено для интерфейса BP / high- k .По сравнению с заявленной мобильностью (0,1 ~ 368 см ² / Vs) полевых транзисторов MoS ₂ и WS ₂ ^8,34 , мобильность полевых транзисторов BP значительно выше, это может быть связано с более низким эффективная масса БП и лучшее качество границы раздела БП / оксид, что демонстрирует преимущество БП перед другими 2D-материалами в электронном приложении ²⁸ . Кроме того, присутствие диэлектрика с высоким значением k (HfO ₂ ) для полевых транзисторов BP в этой работе может повысить подвижность носителей из-за эффекта экранирования заряда, который также наблюдался в других 2D-материалах (MoS ₂ и т. Д.) на базе устройств ³⁵ .Кроме того, подвижность носителей подвижность носителей в фосфорене в основном ограничена примесями удаленного заряда, а не рассеянием фононов ³⁶ . Более низкая плотность состояний интерфейса в этой работе может снизить рассеяние состояний интерфейса с пониженными зарядами, что приводит к увеличению подвижности. В этой работе для полевых транзисторов BP на подложке HfO ₂ / Si с использованием низкотемпературного КМОП-совместимого процесса одновременно получены как высокая подвижность дырок при комнатной температуре, так и почти идеальная SS . Кроме того, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия (XPS) с высоким разрешением используется для изучения химических свойств интерфейса BP / HfO ₂ и BP / SiO ₂ , как показано на рис.6 (б, в). Пик P-O (~ 137,22 эВ) наблюдался на образце BP / SiO ₂ и был заменен пиком Hf-P (~ 135,22 эВ) в образце BP / HfO ₂ . Кроме того, пик P-P для образца BP / SiO ₂ смещен в сторону более высокой энергии связи на 0,94 эВ с 130,95 эВ (BP / HfO ₂ ) до 131,89 эВ (BP / SiO ₂ ). На основании спектров P 2p XPS, сигнал связывания PO в интерфейсе BP / HfO ₂ подавляется присутствием связи Hf-P в образце BP / HfO ₂ , что означает, что BP намного более химически устойчив к HfO. ₂ поверхности, что приводит к высокому качеству интерфейса BP / HfO ₂ ³⁵ .Другими словами, высокая подвижность, достигнутая в этой работе, в первую очередь объясняется низкой плотностью состояний интерфейса и подавлением связей P-O на интерфейсе BP / HfO ₂ .

Рис. 5

( a ) Схематический чертеж изготовленных полевых транзисторов БП, а на вставке показан вид сбоку пленки БП. ( b ) Ток утечки затвора как функция напряжения затвора для изготовленных полевых транзисторов на транзисторе, а на вставке показан вид сверху изготовленных полевых транзисторов на транзисторе. Ток утечки затвора находится в диапазоне 10 ^-8 ~ 10 ^-10 А при напряжении стока -0.1 В в измеряемом диапазоне напряжения затвора. ( c ) Линейный и логарифмический ток стока в зависимости от напряжения затвора для изготовленных полевых транзисторов на транзисторах с длиной затвора 3 мкм и шириной затвора 8 мкм. Напряжение затвора изменялось от 0 В до положительного напряжения. В этой работе был получен низкий гистерезис, что дополнительно подтверждает достижение хорошего качества интерфейса BP / HfO ₂ , поддерживаемого почти идеальным подпороговым размахом. Устройство показывает коэффициент включения / выключения ~ 10 ² .( d ) Выходные характеристики ( I _D — В _D ) изготовленных полевых транзисторов БП. Выходной ток стока составляет около 0,4 мА при напряжении стока -1 В и управлении затвором -1,0 В.

Рисунок 6

( a ) Эталонный тест производительности подвижности отверстий при комнатной температуре в зависимости от SS между этой работой и недавно опубликованными. Эта работа одновременно обеспечивает высокую подвижность отверстия при комнатной температуре и близкое к идеальному подпороговое колебание.P 2p РФЭС-спектры образцов ( b ) BP / HfO ₂ и ( c ) BP / SiO ₂ . Сигнал соединения P-O в интерфейсе BP / HfO ₂ подавляется связыванием Hf-P.

TIP29A-BP datasheet — Технические характеристики: Тип транзистора: NPN; Напряжение

SMLJ28A-TP: Tv — защита диодной цепи 28V 3000W; TVS 3000W 28V SMC Технические характеристики: Упаковка / футляр: DO-214AB, SMC; Упаковка: Лента для резки (CT); Поляризация: однонаправленная; Мощность (Вт): 3000 Вт; Напряжение — обратное противостояние (тип.): 28 В; Напряжение — пробой: 31.1В; Статус без свинца: без свинца; Статус RoHS: соответствует требованиям RoHS BZX84B4V3-E8: 43 В, 0,35 Вт, КРЕМНИЙ, ОДНОНАПРАВЛЕННЫЙ ДИОД РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ Технические характеристики: Тип диода: ДИОД РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ; Соответствует RoHS: RoHS P4KE62-GT3: 400 Вт, ОДНОНАПРАВЛЕННЫЙ, КРЕМНИЙ, ТВС ДИОД, DO-41 Технические характеристики: Конфигурация: Одиночный; Направление: однонаправленное; Пакет: ПАКЕТ ПЛАСТИКОВЫЙ-2; Количество контактов: 2; Количество диодов: 1; VBR: от 58,9 до 65,1 вольт; Соответствует RoHS: RoHS P6KE400A-T3-LF: 600 Вт, ОДНОНАПРАВЛЕННЫЙ, КРЕМНИЙ, ТВС ДИОД, DO-15 Технические характеристики: Конфигурация: Одиночный; Направление: однонаправленное; Пакет: СООТВЕТСТВИЕ ROHS, ПЛАСТИКОВЫЙ ПАКЕТ-2; Количество контактов: 2; Количество диодов: 1; VBR: от 360 до 440 вольт P6KE440A-T3: 600 Вт, ОДНОНАПРАВЛЕННЫЙ, КРЕМНИЙ, ТВС ДИОД, DO-15 Технические характеристики: Конфигурация: Одиночный; Направление: однонаправленное; Пакет: СООТВЕТСТВИЕ ROHS, ПЛАСТИКОВЫЙ ПАКЕТ-2; Количество контактов: 2; Количество диодов: 1; VBR: от 396 до 484 вольт P6KE440CA: 600 Вт, ОДНОНАПРАВЛЕННЫЙ, КРЕМНИЙ, ТВС ДИОД, DO-15 Технические характеристики: Конфигурация: Одиночный; Направление: однонаправленное; Пакет: СООТВЕТСТВИЕ ROHS, ПЛАСТИКОВЫЙ ПАКЕТ-2; Количество контактов: 2; Количество диодов: 1; VBR: от 396 до 484 вольт P6KE62CM11: 600 Вт, ДВУНАПРАВЛЕННЫЙ, КРЕМНИЙ, ТВС ДИОД, DO-15 Технические характеристики: Конфигурация: Одиночный; Направление: двунаправленное; Пакет: СООТВЕТСТВИЕ ROHS, ПЛАСТИКОВЫЙ ПАКЕТ-2; Количество контактов: 2; Количество диодов: 1; VBR: 55.От 8 до 68,2 вольт P6KE7.5C: 600 Вт, ОДНОНАПРАВЛЕННЫЙ, КРЕМНИЙ, ТВС ДИОД, DO-15 Технические характеристики: Конфигурация: Одиночный; Направление: однонаправленное; Пакет: СООТВЕТСТВИЕ ROHS, ПЛАСТИКОВЫЙ ПАКЕТ-2; Количество контактов: 2; Количество диодов: 1; VBR: от 6,75 до 8,25 В SMBJP6KE120C: 600 Вт, ОДНОНАПРАВЛЕННЫЙ, КРЕМНИЙ, ТВС ДИОД, DO-214AA Технические характеристики: Конфигурация: Одиночный; Направление: однонаправленное; Пакет: SMB, SMBJ, 2 PIN; Количество контактов: 2; Количество диодов: 1; VBR: от 95 до 105 вольт; Соответствует RoHS: RoHS 1N5238C-AP: 8.7 В, 0,5 Вт, КРЕМНИЙ, ОДНОНАПРАВЛЕННЫЙ ДИОД РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ, DO-35 Технические характеристики: Тип диода: ДИОД РЕГУЛЯТОРА НАПРЯЖЕНИЯ; Соответствует RoHS: RoHS

Насколько важен контакт металл – полупроводник Пример использования многослойного черного Фосфор?

Абстракция

Фосфор черный (BP) — недавно переоткрытая слоистая двумерная (2D) полупроводник с прямой запрещенной зоной (0,35–2 эВ), высокой подвижность дырок (300–5000 см ² / Вс) и анизотропия переноса.В этой статье мы систематически исследовали эффекты металл-полупроводник. интерфейс / контакты на работоспособность транзисторов с барьером Шоттки БП. Сначала формируется «чистый» контакт металл – БП с пассивация нитридом бора (BN). Установлено, что контактное сопротивление контакта чистого металла с БП в семь раз меньше, чем ранее сообщенные значения. В результате высокопроизводительные транзисторы БП с верхним затвором демонстрируют рекордно высокий ток стока в открытом состоянии ( I _на ) 940 мкА / мкм.Во-вторых, образуются туннельные барьеры BN на контактах истока / стока, чтобы помочь понять аномально высокий Ток стока в выключенном состоянии ( I _выкл ) в устройствах с чистыми контактами металл – БП. Этот высокий I _от объясняется туннельным током электронов от слив в канал. Наконец, I _на / I _от полевых транзисторов BP можно значительно улучшить за счет использования асимметричной контактной структуры.За счет установки тонкого туннельного барьера BN на стороне стока I _от уменьшается в ∼120 раз с снижение затрат на 20% в I _на . Этот случай изучение контактов по БП показывает важность понимания контакты металл – полупроводник для двумерных транзисторов с барьером Шоттки. в общем.

Введение

Двумерный (2D) материалы показали большой потенциал в применение нанотранзисторов, особенно для узловых технологий за пределами 5 нм. ¹⁻⁵ Среди тысяч 2D материалов черный фосфор (BP) вызвал Интенсивные исследовательские интересы благодаря уникальным свойствам материала. ^6-8 В зависимости от количества слоев ширина запрещенной зоны БП варьируется от От 0,35 до 2,0 эВ. ^9,10 Дырочная холловская подвижность БП достигает 5200 см ² / В с при комнатной температуре с гексагональной пассивация нитридом бора (h-BN). ¹¹ л. имеет сморщенную сотовую атомную структуру, что приводит к его высокой анизотропные транспортные характеристики. ^12,13 Умеренный прямая запрещенная зона и высокая мобильность носителей делают BP сильным кандидатом для высокопроизводительных транзисторных приложений. ¹⁴⁻¹⁹

Однако полевые транзисторы (FET) на основе большинства 2D полупроводники транзисторы с барьером Шоттки. ²⁰⁻²³ А именно характеристики транзистора на них существенно влияют контакты Шоттки истока / стока. Этот феномен более очевиден для устройств с коротким каналом, где контактное сопротивление даже более доминирующее, чем сопротивление канала.Таким образом, очень важно сформировать низкоомный металл-полупроводник. контакт, чтобы получить полный доступ к внутренним свойствам материала канала. Обычно контактное сопротивление 2D полупроводниковых полевых транзисторов включает три части: (i) сопротивление барьера Шоттки ( R _sb ), которое является результатом пиннинга уровня Ферми и разница между работой выхода металла и сродством к электрону полупроводника; (ii) туннельное сопротивление ( R _t ) из-за наличия физического зазора между металл и полупроводник.Физический разрыв может происходить из-за любого межфазного окись; и (iii) межслойное сопротивление ( R _inter ) при контакте от верхних слоев к нижним слоям. R _inter обычно намного меньше, чем R _sb и R _t . Однако в 2D Полевые транзисторы, R _inter нельзя игнорировать, особенно для устройства с нижним затвором из-за значительно более высокого внеплоскостного эффективная масса, которая обычно в несколько раз больше, чем в плоскости эффективная масса. ²⁴

Один недостаток БП заключается в том, что он легко реагирует с O ₂ и H ₂ O в окружающей среде, образуя оксид после скалывание от основной массы. ²⁵⁻²⁷ Существование этого фосфора оксид / кислота на поверхности делает образование чистой и низкоомной Интерфейс БП – металл сложный. ²⁸ Это наводит нас на мысль, что можно достичь гораздо лучших контактов с чистой границей раздела металл-БП, предотвращая образование оксида фосфора / кислоты.В этой работе мы демонстрируем, как минимизировать общее контактное сопротивление ( R _всего = R _сб + R _t + R _между ) с использованием нескольких стратегий, включая высокую работу функции контактный металл, пассивация BN и конструкция верхнего затвора. Это позволяет сопротивление контакта БП снизить до рекордно низкого значения 0,58 кОм · мкм, в результате чего I _на превышает 940 мкА / мкм. ¹⁵ Как следствие, I _off также увеличивается значительно в этих контактных устройствах с низким сопротивлением.Понимать аномально высокий I _off , R _t намеренно увеличен за счет добавления тонкого барьера BN к контакту. Установлено, что высокое значение I _от связано с обратным туннельным током электронов на стороне стока, который может подавляться туннельным барьером BN. Наконец, используя асимметричная контактная структура с чистым контактом металл – БП на истоке и туннельном барьере БН на стоке успешно уменьшил I _от в 120 раз только сокращение на 20% I _на .

Device Fabrication

показывает процесс изготовления устройства для изготовления полевых транзисторов БП с верхним затвором. Малоуровневый Хлопья БП расслаивались на 90 нм SiO ₂ / p ⁺⁺ Si подложку. Тонкая пленка BN была выращена на сапфире металлоорганическим методом. химическое осаждение из газовой фазы (MOCVD) толщиной 1,6 нм и среднеквадратичная шероховатость 0,1 нм. ^29,30 Родственник диэлектрическая проницаемость BN составляет около 3, что аналогично заявленной значение CVD BN. ³¹ MOCVD BN впервые передано на подложку BP – SiO ₂ –Si (подробности в разделе «Материалы и методы»).Область истока / стока был сформирован методом электронно-лучевой литографии. После этого был протравлен BN. с помощью маломощного реактивного ионного травления Ar (RIE) со скоростью травления ∼1 нм / 10 с. Толщину BN можно контролировать, регулируя время травления Ar. показано изображение травления BN, полученное с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). образец после Ar RIE в течение 10 с. Шероховатость BN увеличивается от От 0,1 нм до примерно 0,5 нм после RIE. Сразу после травления 5 нм Pt / 8 нм Ni / 30 нм Al наносили в качестве контактных металлов.Второй осажден диэлектрический слой, 4 нм Al ₂ O ₃ осаждением атомного слоя (ALD) при 200 ° C после отрыва металла процесс. Полная эквивалентная толщина оксида BN – Al ₂ O ₃ диэлектрического слоя верхнего затвора составляет около 4 нм. Ну наконец то, 20 нм Ti / 50 нм Au наносили в качестве металла верхнего затвора. Все устройства были изготовлены с током, протекающим вдоль кресла с высокой подвижностью. направление БП, которое определялось поляризационно-зависимым рамановским спектров с использованием рамановского спектрометра HORIBA LabRAM HR800 с 532.8 He – Ne-лазер с длиной волны нм. У всех устройств один и тот же канал длина 200 нм и толщина от 4 до 12 нм. Характеристика полевых транзисторов выполняли на воздухе при комнатной температуре с использованием прибора Keithley Анализатор параметров полупроводников 4200.

Технологический процесс изготовления для полевых транзисторов BP с верхним затвором и диэлектрическими / пассивирующими слоями затвора BN – Al ₂ O ₃ . Ключевые шаги включают (i) MOCVD BN, (ii) общий рост АД, (iii) отшелушивание АД, (iv) Высвобождение BN, (v) перенос BN, (vi) сухое травление BN, (vii) металлизация S / D, и (viii) ALD Al ₂ O ₃ и металлизация затвора.Шаг (iii) отшелушивание BP и этап (v) перенос BN были выполнены. в перчаточном ящике с O ₂ / H ₂ Концентрация O меньше чем 0,5 промилле.

Профиль высоты AFM и вставка изображения травления BN после Ar RIE за 10 с.

Результаты и обсуждение

Изображение поперечного сечения просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ) изготовленного контакта Al – Ni – Pt – BP. в. Резкий Интерфейс BP – Pt виден на картинке, хотя 2D кристаллическая структура БП нечеткая из-за повреждений, нанесенных во время пробоподготовка ПЭМ.b показывает анализ элементов EDS вдоль стопки Al – Ni – Pt – BP – SiO ₂ . Азот или бор не обнаружены (выше уровня обнаружения предел), подтверждая, что барьерный слой BN полностью вытравлен далеко. Вдоль стека углеродный сигнал незначителен, показывая, что органический остаток [полидиметилсилоксан (PDMS) или поли (метилметакрилат) (PMMA)] был удален из-за процесса передачи. Тем не мение, в составе фосфора все еще обнаруживается значительное количество кислорода слой, хотя БП был полностью изолирован от О ₂ и H ₂ O путем пассивации BN – Al ₂ O ₃ .Эффективность пассивации БН – Al ₂ O ₃ на АД подтверждено нестационарными рамановскими и электрическими измерениями, как показано во вспомогательной информации (ускорено данные экспериментов по деградации БП, БП – БН и БП – БН – Al ₂ O ₃ и временная зависимость I — V характеристик полевых транзисторов БП с пассивированием BN – Al ₂ O ₃ ). Между тем, гистерезис I — V также был уменьшен до 0.25 В после пассивации BN – Al ₂ O ₃ . ¹⁵ Как в результате очень вероятно, что кислород поступает, потому что воздействия воздуха между обработкой сфокусированного ионного пучка и ПЭМ изображения. Если кислородное загрязнение произошло во время отшелушивания и обработки, более высокую концентрацию кислорода можно было бы ожидать на Pt – BP чем на интерфейсе BP – SiO ₂ .

(а) Поперечное сечение ПЭМ-изображение контакта Pt – BP и диаграмма состава R _c .(б) Элемент анализ контакта Pt – BP с помощью EDS. Сигнал углерода, бора, или азот ниже предела обнаружения. (c) I — V кривые передачи полевых транзисторов BP с различными металлами контактов: Pt, Ni и Ti. (d) Сопротивление TLM БП с контактом Pt при нулевом затворе. предвзятость. Сопротивление контактов составляет 0,58 кОм · мкм, что в семь раз меньше заявленного ранее значения.

Подбор контактного металла с соответствующей рабочей функцией является критическим первым шагом к снижению R _c .Были исследованы три контактных металла с различными рабочими функциями: Pt (∼5,6 эВ), Ni (∼5,2 эВ) и Ti (∼4,33 эВ). c показывает передачу кривые полевых транзисторов БП с разными металлами истока / стока. Ясно, что Полевой транзистор с контактами BP – Pt показал лучшие результаты, тогда как BP – Ti проявил худшее. Интересно, что устройство с контактами Ti показывает симметричный транспорт электронов и дырок, что указывает на то, что фермиевский уровень на поверхности БП и работа выхода Ti совмещены около середина запрещенной зоны.Этот результат хорошо согласуется с теоретическая зонная диаграмма контакта BP – Ti, в которые E _c и E _v малослойных БП составляют примерно 4,1–4,2 и 4,5–4,7 эВ, соответственно. ¹⁹ Примечательно, что есть большой разница в пороговом напряжении ( В, , _, ) между этими устройствами с разными контактными металлами. Это результат передачи заряда с плавающего канала БП на контакт металл, где электроны стремятся перемещаться из области с высоким потенциалом (Канал БП) в область низкого потенциала (металл).Следовательно, V _t становится более положительным, когда более высокая работа выхода (т. е. с более низким потенциалом) используется металл.

Контактное сопротивление контактов BP – Pt измеряется с метод длины переноса (TLM) на образце толщиной 12 нм. На нуле смещение обратного затвора, извлеченное R _c составляет около 0,58 кОм · мкм, а сопротивление листа около 6,1 кОм / квадрат, как показано на d. Обнадеживает то, что измеренный R _c чистого контакта БП – металл составляет 1/7 от ранее измеренного. сообщил R _c для контактов BP – Pd. ³² Поскольку Pt и Pd имеют схожие рабочие функции, высота барьера Шоттки и R _сб два контакта должны быть похожими. Таким образом, значительное сокращение от общей суммы R _c за счет взноса других факторов сопротивления: R _t и R _inter , которые мы рассмотрим позже в этой статье.

Передаточные и выходные характеристики полевого транзистора на БП толщиной 7 нм. с контактом Pt показаны на а, б.Благодаря усовершенствованию R _c , устройство с длиной канала 200 нм показывает I _на до 940 мкА / мкм при В _ds из −2 В. знания, это самый высокий I _на достигнутый среди всех 2D полевые транзисторы на основе полупроводников. Однако I _на / I _от составляет примерно ∼10 ³ при небольшом смещении стока (−0,1 В) и уменьшается примерно до ∼20 при большом смещении стока (−1 В). I _off увеличивается до 200 мкА / мкм при смещении стока -2 V, а ток стока в b увеличивается почти линейно с V _ds и не достигает насыщения. Аномально высокий I _от и явления ненасыщения никогда не наблюдались. сообщается для полевых транзисторов BP. Это явление можно объяснить следующим образом. Во-первых, многослойный БП имеет небольшую ширину запрещенной зоны, приближающуюся к объемной величине 0,35 эВ, а полевые транзисторы БП являются транзисторами с барьером Шоттки, то есть наблюдаемые электрические характеристики являются результатом как канал и, что более важно, контакты.В принципе, общая ток стока транзистора с барьером Шоттки содержит (i) дырочный ток от истока к стоку и (ii) электронного тока от стока к истоку. Как видно из полосовой диаграммы в с, в состоянии ВКЛ большая часть стока current — это ток дырки, вводимый с клеммы источника. В виде пока дыры способны преодолеть исходный барьер Шоттки, их можно собирать со стороны слива. Другими словами, общая текущий уровень в основном определяется закачкой дырки в источнике.В выключенном состоянии потенциал канала снижается затвором. напряжение для уменьшения закачки в отверстие в источнике; однако эти ворота bias также снижает потенциал области канала около стока Терминал. Между тем, потенциал слива увеличивается за счет отрицательного смещение стока, которое приводит к резкому градиенту потенциала. Как результат, электроны на выводе стока могут быть введены в проводимость полосы канала путем туннелирования через треугольный барьер. В другом словами, отключив прямой дырочный ток, обратный электрон ток включается смещением верхнего затвора.Действительно, это явление универсален для всех транзисторов с барьером Шоттки с верхним затвором. Тем не мение, вероятность обратного туннелирования на стороне стока обратно пропорциональна к высоте барьера Шоттки для неосновных носителей. Вследствие этого, в узкозонных полупроводниках наблюдается высокий обратный туннельный ток. Для широкозонных 2D-полупроводников, таких как MoS ₂ , барьер Шоттки для отверстий настолько велик, что туннелирование ток можно игнорировать в выключенном состоянии.Пока что характеристики устройства были хорошо объяснены транспортной моделью. Однако для узких В устройствах с запрещенной зоной БП возникают важные вопросы: что происходит? в устройствах BP с низким значением I _off и I _on , как указано в литературе, и где это несоответствие откуда?

(а – г) Полевые транзисторы БП без барьеров туннелирования БН у истока / стока контактов и (e – h) полевые транзисторы БП с барьерами туннелирования BN на обоих контакты истока / стока.(а) кривые передачи и (б) выходные кривые BP PMOSFET толщиной 7 нм без барьеров для туннелирования BN. Ленточная диаграмма из (c) состояния ВКЛ и (d) состояния ВЫКЛ для устройств без барьеров BN. (e) Передаточные кривые и (f) выходные кривые для полевого PMOSFET BP толщиной 7 нм с двухслойными туннельными преградами из БН. Полосная диаграмма состояния (g) ON и (h) состояние ВЫКЛ для устройств с барьерами BN.

Возможное объяснение отсутствия высокого реверса туннелирование В устройствах БП, о которых сообщалось ранее, присутствует наличие туннельного барьер на интерфейсе исток / сток.Этот дополнительный туннельный барьер может происходить из-за поверхностного оксида фосфора / кислоты, образовавшегося во время изготовления. Наличие этого туннельного барьера объясняет, почему предыдущие Работы сообщили намного выше R _c чем то, что мы сообщаем в этой работе. С другой стороны, этот туннельный барьер блокирует обратный туннельный ток электронов, что приводит к низкому значению I _от . Для проверки этой гипотезы мы сфабриковали Полевые транзисторы на БП с тонким слоем BN, намеренно оставленным на истоке / стоке контакты.е, е показаны передаточные и выходные характеристики полевого транзистора BP с тонким К контактам истока / стока добавлен барьер BN (два слоя). Геометрия этого устройства такое же, как и устройство без барьера БН. Тем не мение, есть несколько явных различий между электрическими характеристиками из этих двух устройств: (i) во включенном состоянии I _на устройства с контактами BN в 10 раз ниже, чем прибор без БН. Уменьшение I _на связано с дополнительным сопротивлением туннельного барьера R _t .(ii) В линейной области кривая устройства I _d — V _d с BN более линейно, чем устройство без BN из-за уровня Ферми депиннинг. ^33,34 г показана ленточная диаграмма устройства с Контакты BN во включенном состоянии. Высота барьера Шоттки становится меньше с депиннингом по уровню Ферми, и кривые I _d — V _d становятся более линейными. Однако R _т значительно увеличивается с введение барьера БН в контакты.В результате всего R _c ( R _t + R _sb + R _inter ) устройство с BN намного больше, чем устройство без Б.Н. Это также говорит нам о том, что линейные кривые I _d — V _d не обязательно указывают на то, что был достигнут омический контакт. (iii) В насыщении области, ток достигает насыщения при В _ds < −0.5 В. Ниже этого напряжения падение на туннельном барьере становится доминирующим. Увеличение V _d больше не улучшает ток стока. (iv) В выключенном состоянии I _off уменьшается в 400 раз при V _ds , равном −1 V, из-за наличия барьера BN. на выводе стока, что уменьшает обратное туннелирование электронов Текущий. час показана ленточная диаграмма устройства с контактами BN в выключенном состоянии. Короче говоря, наличие туннельного барьера на контактах исток / сток уменьшает I _на , приводит к линейному I — В (депиннинг уровня Ферми), приводит к току насыщение ( В _d падение на контактах), и уменьшает I _off (блокирует обратное туннелирование Текущий).Все эти наблюдения с наших аппаратов БП с барьерами БН. хорошо согласуются с характеристиками ранее сообщенных Устройства БП, в которых не использовался какой-либо метод пассивации, чтобы избежать образование окисления фосфора на контактах. ^{7,8,14,16,21,32} В результате для Шоттки барьерные транзисторы, крайне важно различать вклад контактов и собственного канала в общие электрические характеристики.

Воспользовавшись преимущества наличия чистого БП – металла контакт (высокий I _на ) и барьерный контакт BN (низкий I _от ), мы продемонстрировали асимметричный структура контактов исток / сток для улучшения I _{по сравнению с} , при сохранении высокого уровня I _на насколько возможно.Хорошо известно, что в полевых транзисторах , , _и в основном контролируется электростатикой источника. Терминал. Асимметрия между истоком и стоком может использоваться для подавления либо электронный, либо дырочный ток, в зависимости от знака напряжение стока. ³⁵⁻³⁷ Для транзистора с барьером Шоттки БП большинство ток (т.е. прямой дырочный ток) определяется потенциалом барьер от металла до области контакта с источником. Обратный электрон ток можно подавить, добавив туннельный барьер на стоке терминал без потери слишком большого тока отверстия.a – c показывает схематическую диаграмму и конфигурация измерения для полевого транзистора БП без барьеров БН (прибор A) и полевой транзистор на БП только с одним барьером из BN (толщина двухслойного слоя) на стоке (устройство B) или истоке (устройство B ‘). Устройство А и устройство B (B ‘) были изготовлены из той же чешуйки BP для уменьшить потенциальную изменчивость между хлопьями. Вывод и передача кривые устройства A показаны на d, g. I _на и I _на составляют около 638 ​​и 84 мкА / мкм, соответственно, при V _ds −1.6 V для прибора без БН. С туннельным барьером БН на стоке сбоку, I _off уменьшается в раз от 120 до 700 нА / мкм при В _ds из −1,6 В, тогда как I _на все еще составляет около 80% устройства без барьера БН. Поскольку I _на в основном определяется контактом источника, барьером BN на сток существенного влияния не оказывает. f, i показывает вывод и передачу кривые устройства B ‘, которое имеет барьер BN на выводе источника.Как и ожидалось, устройство показывает гораздо меньшие I _на 153 мкА / мкм и также имеет ток насыщения. Мы пришли к выводу, что ток обратного туннелирования электронов или высокий ток I _от полевых транзисторов BP может быть значительно уменьшено за счет асимметричной структуры контакта истока / стока и контакта инженерное дело.

Устройство A: нет туннельного барьера BN на истоке / стоке. Устройство B: с двухслойный туннельный барьер БН только на сливе. Устройство B ′: с Туннельный барьер БН только у источника.Принципиальная схема для (а) устройства A, (b) устройство B и (c) устройство B ‘. Выходные кривые для устройства (d) A, (e) устройство B и (f) устройство B ‘. Кривые передачи и полосы схемы для (g) устройства A, (h) устройства B и (i) устройства B ‘. Устройство A и устройство B (B ‘) были изготовлены из одинаковых хлопьев BP.

В целом используемые стратегии в этой работе может быть применен к другие полевые транзисторы типа Шоттки. Стратегии (i) включают BN или другие эффективные пассивация экологически чувствительных материалов; (ii) выберите контакт металлы с подходящей работой выхода для переноса электронов или дырок; и (iii) управление / подавление электронного или дырочного тока путем настройки контактный туннельный барьер.В качестве примера BP мы успешно использовали эти методы для улучшения электрических характеристик БП. Полевые транзисторы.

(PDF) Механизмы колебаний тока в амбиполярных полевых транзисторах с черным фосфором

4 Q. Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, J. N. Coleman и

M. S. Strano, Nat. Нанотехнологии, 2012, 7, 699–712.

5 K. F. Mak, C. Lee, J. Hone, J. Shan, T. F. Heinz, Phys.

Rev. Lett., 2010, 105, 136805.

6 H. Wang, L.Yu, Y. Lee, W. Fang, A. Hsu, P. Herring,

M. Chin, M. Dubey, L. Li, J. Kong and T. Palacios, 2012

IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM ), 10–13

, декабрь 2012 г.

7 А. Рай, А. Валсарадж, HCP Movva, А. Рой, Р. Гош,

С. Сонд, С. Канг, Дж. Чанг, Т. Триведи , R. Dey, S. Guchhait,

S. Larentis, LF Register, E. Tutuc и SK Banerjee, Nano

Lett., 2015, 15, 4329–4336.

8 Б. Радисавлевич, А.Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti и

A. Kis, Nat. Нанотехнологии, 2011, 6, с. 147–150.

9 H. Wang, L. Yu, Y.-H. Ли, Ю. Ши, А. Сюй, М. Л. Чин,

L.-J. Ли, М. Дубей, Дж. Конг и Т. Паласиос, Nano Lett., 2012,

12, 4674–4680.

10 Д. Красножон, Д. Лембке, К. Найфеллер, Ю. Леблебичи и

А. Кис, Nano Lett., 2014, 14, 5905–5911.

11 R. Cheng, S. Jiang, Y. Chen, Y. Liu, N. Weiss, H.-C. Cheng,

H. Wu, Y. Huang и X.Дуан, Нат. Commun., 2014, 5, 5143.

12 X. Li, L. Yang, M. Si, S. Li, M. Huang, P. Ye and Y. Wu, Adv.

Материалы, 2015, 27, 1547–1552.

13 Д. Дж. Лейт, Ю.-К. Хуанг, Б. Лю, Дж. Ачарья, С. Н. Широдкар,

Дж. Луо, А. Ян, Д. Чарльз, У. В. Вагмаре и

В. П. Дравид, ACS Nano, 2013, 7, 4879–4891.

14 X. Ling, H. Wang, S. Huang, F. Xia and M. S. Dresselhaus,

Proc. Нати. Акад. Sci. США, 2015, 112, 4523–4530.

15 л.Ли, Ю. Ю, Г. Дж. Е, К. Ге, Х. Оу, Х. Ву, Д. Фэн,

Х. Х. Чен, Ю. Чжан, Nat. Nanotechnol., 2014, 9, 372–

377.

16 H. Liu, AT Neal, Z. Zhu, Z. Luo, X. Xu, D. Tománek и

PD Ye, ACS Nano, 2014, 8 , 4033–4041.

17 L. Kou, C. Chen, S. C. Smith, J. Phys. Chem. Lett., 2015,

6, 2794–2805.

18 F. Xia, H. Wang и Y. Jia, Nat. Commun., 2014, 5, 4458.

19 Л. Ли, Г. Дж. Е, В. Тран, Р. Фей, Г. Чен, Х.Wang, J. Wang,

K. Watanabe, T. Taniguchi и L. Yang, Nat. Нанотехнологии,

2015, 10, 608–613.

20 X. Chen, Y. Wu, Z. Wu, Y. Han, S. Xu, L. Wang,

W. Ye, T. Han, Y. He, Y. Cai и N. Wang, Nat . Commun.,

2015, 6, 7315.

21 N. Gillgren, D. Wickramaratne, Y. Shi, T. Espiritu, J. Yang,

J. Hu, J. Wei, X. Liu, Z. Мао и К. Ватанабэ, 2D Mater.,

2015, 2, 011001.

22 С.П. Кениг, Р.А. Доганов, Х.Schmidt, A.C. Neto и

B. Oezyilmaz, Appl. Phys. Lett., 2014, 104, 103106.

23 H. Wang, X. Wang, F. Xia, L. Wang, H. Jiang, Q. Xia,

M. L. Chin, M. Dubey and S.-J. Han, Nano Lett., 2014, 14,

6424–6429.

24 Н. Харатипур, М. К. Роббинс и С. Дж. Кестер, IEEE

Письма в электронном устройстве, 2015, 36, 411–413.

25 Дж. Д. Вуд, С. А. Уэллс, Д. Джаривала, К.-С. Чен, Э. Чо,

В. К. Сангван, Х. Лю, Л. Дж. Лаухон, Т.Дж. Маркс и

М. К. Херсам, Nano Lett., 2014, 14, 6964–6970.

26 Л. Хан, А. Т. Нил, С. Менгвей, Д. Ючен и П. Д. Йе,

IEEE Electron Device Lett., 2014, 35, 795–797.

27 W. Zhu, M. N. Yogeesh, S. Yang, S.H. Aldave, J.-S. Ким,

С. Сонд, Л. Тао, Н. Лу и Д. Акинванде, Nano Lett., 2015,

15, 1883–1890.

28 I. Heller, S. Chatoor, J. Männik, M. A. G. Zevenbergen,

J. B. Oostinga, A. F. Morpurgo, C. Dekker and S.G. Lemay,

Nano Lett., 2010, 10, 1563–1567.

29 А. Н. Пал, С. Гхатак, В. Кочат, Э. Снеха, А. Сампаткумар,

С. Рагхаван и А. Гош, ACS Nano, 2011, 5,2075–2081.

30 Я. Чжан, Э. Э. Мендес, Х. Ду, ACS Nano, 2011, 5,

8124–8130.

31 Г. Лю, С. Румянцев, М. Шур, А. А. Баландин, Прил.

Phys. Lett., 2012, 100, 033103.

32 А. Каверзин, А. С. Майоров, А. Шитов, Д. Хорселл, Phys.

Ред.B: Конденс. Дело, 2012, 85, 075435.

33 Баландин А.А., Нац. Нанотехнологии, 2013, 8, 549–555.

34 С. Румянцев, Г. Лю, В. Стилман, М. Шур и

А. Баландин, J. Phys .: Condens. Дело, 2010, 22, 395302.

35 Я.-М. Лин и П. Авурис, Nano Lett., 2008, 8, 2119–2125.

36 A. N. Pal, A. Ghosh, Appl. Phys. Lett., 2009, 95, 082105.

37 J. Na, M.-K. Джу, М. Шин, Дж. Ха, Ж.-С. Kim, M. Piao,

J.-E. Джин, Х.-К. Янг, Х.Дж. Чой и Дж. Х. Шим, Nanoscale,

2014, 6, 433–441.

38 J. Renteria, R. Samnakay, S. L. Rumyantsev, C. Jiang,

P. Goli, M. S. Shur, A. A. Balandin, Appl. Phys. Lett.,

2014, 104, 153104–153108.

39 VK Sangwan, HN Arnold, D. Jariwala, TJ Marks,

LJ Lauhon and MC Hersam, Nano Lett., 2013, 13, 4351–

4355.

40 J. Na, YT Lee, JA Lim , DK Hwang, G.-T. Ким,

W. K. Choi and Y.-W. Сонг, ACS Nano, 2014, 8, 11753–

11762.

41 Й. Ду, Х. Лю, Й. Дэн и П. Д. Е, ACS Nano, 2014, 8,

10035–10042.

42 А. Д. Франклин, Science, 2015, 349, aab2750.

43 Д. Дж. Перелло, С. Х. Чае, С. Сонг и Ю. Х. Ли, Nat.

Commun., 2015, 6, 7809.

44 SM Sze и KK Ng, Physics of Semiconductor Devices,

John Wiley & Sons, 2006.

45 S. Das, M. Demarteau и A. Roelofs, ACS Нано, 2014, 8,

11730–11738.

46 F. Hooge, IEEE Trans. Электронные устройства, 1994, 41, 1926–1935.

47 L. Vandamme, X. Li и D. Rigaud, IEEE Trans. Электрон

Приборы, 1994, 41, 1936–1945.

48 L. K. Vandamme и F. Hooge, IEEE Trans. Электрон

Приборы, 2008, 55, 3070–3085.

49 BC Wang, YY Lu, SJ Chang, JF Chen, SC Tsai,

CH Hsu, CW Yang, CG Chen, O. Cheng и

PC Huang, IEEE Electron Device Lett., 2013, 34, 151– 153.

50 W. Chengqing, J. Yu, X. Yong-Zhong, Z. Xing, N. Singh,

SC Rustagi, L. Guo-Qiang и K. Dim-Lee, IEEE Electron

Device Lett., 2009, 30, 1081–1083.

51 Я. Лай, Х. Ли, Д. К. Ким, Б. Т. Диролл, К. Б. Мюррей и

К. Р. Каган, ACS Nano, 2014, 8, 9664–9672.

Paper Nanoscale

3578 | Nanoscale, 2016,8, 3572–3578 Этот журнал © Королевское химическое общество, 2016 г.

Опубликован 8 января 2016 г. Загружен Huazhong University of Science & Technology 29.06.2018 8 : 14: 55 утра.

Комплементарные низковольтные инверторы на основе ионно-гелевых транзисторов ReS2 и BP

Особенности

•

Комплементарные низковольтные инверторы изготавливаются с использованием ReS ₂ и хлопьев BP.

•

Высокая емкость ионного геля обеспечивает работу при низком напряжении ниже 2 В.

•

Поляризуемость ионного геля на больших расстояниях обеспечивает копланарную геометрию затвора инвертора.

Abstract

Мы продемонстрировали изготовление низковольтных комплементарных инверторов на основе транзисторов из двухмерных материалов с ионным гелевым затвором.Механически расслоенный ReS ₂ был использован в качестве полупроводника типа n . Сверхвысокая емкость (6 мкФ / см ² ) и дальнодействующая поляризуемость диэлектрического слоя затвора ионного геля обеспечивали работу при низком напряжении ниже 2 В и позволяли компланарную конфигурацию транзисторов с затвором. Ионно-гелевые транзисторы ReS ₂ показали отличные характеристики устройства, включая подвижность электронов 6,7 см ² / В · с и отношение тока включения-выключения ∼10 ⁴ .Механизм переноса заряда и контактные свойства устройства систематически исследовались путем измерения электрических свойств, зависящих от температуры. Механически расслоенный черный фосфор (BP) или WSe ₂ был использован в качестве полупроводников-аналогов типа p для изготовления дополнительного инвертора. Полученный в результате двухмерный комплементарный инвертор показал работу при низком напряжении ниже 2 В с четкой инверсией сигнала. Предлагаемый низковольтный ионно-гелевый комплементарный инвертор на основе 2D-материалов открывает новые возможности для реализации будущей электроники на основе 2D-материалов.

Ключевые слова

Дополнительный инвертор

ReS ₂

Черный фосфор

WSe ₂

Низкое напряжение

Рекомендуемые статьи Цитирующие статьи (0)

Полный текст

© 2017 Elsevier B.V. Все права защищены.

Рекомендуемые артикулы

Цитирующие статьи

Транзисторы 4 шт. 2STF2360 ST PNP-транзистор 60V 3A 1,4W SOT89 NEW #BP Электрооборудование и принадлежности

4 PC 2STF2360 ST PNP-транзистор 60V 3A 1,4W SOT89 NEW #BP

4 шт. 2STF2360 ST PNP-транзистор 60V 3A 1,4W SOT89 NEW #BP

YUNY Женская толстовка с капюшоном с открытой передней частью, бархатная верхняя одежда со средней длиной и карманом, зеленая L: Одежда, разработанная и профессионально напечатанная командой Wellcoda, упакована в атласный мешочек для украшений, Пляжные шорты Quick Dry Swim Shocks, 30 дней Гарантия 100% удовлетворение: 100 % без риска.Купите оригинальный антенный питающий кабель Hyundai 96230-3Y100: антенна — ✓ БЕСПЛАТНАЯ ДОСТАВКА возможна при определенных покупках. ✅Эта небольшая банка — идеальный консервный нож для вашей семьи: этот набор для открывания банок и открывалок для бутылок станет отличным помощником для пожилых людей. Отлично подходит для занятий фитнесом для наращивания мышечной силы и кардио-выносливости. Я люблю фильмы ужасов и мою собаку, высокое качество и изысканная упаковка, 4 ПК 2STF2360 ST PNP транзистор 60V 3A 1,4W SOT89 NEW #BP , полная гарантия удовлетворения и 30-дневный возврат без проблем, В пакет включено: x Слот-площадки для ворот Коврики для автомобильных чашек Нескользящие дверные коврики Вкладыши для Dodge Charger 015 016 017 018 01 (серый).Наше превосходство в обслуживании Нагрудные значки изготовлены из настоящего австрийского кристалла толщиной 3 мм. YAZILIND Женское Ожерелье Ретро Коренастый Нагрудник Кружевной Кристалл Разноцветный Горный Хрусталь Медный Войлок Ткань Этнические Ювелирные Изделия Колье: Одежда, 100% новый бренд и высокое качество. Стиль продукта: обычная шею. Дата первого упоминания: 4 февраля. Покупайте ProSphere Blank и другие толстовки Active Sweatshirts при отсутствии влаги и грязи сквозь подкладку. Accuform SHRPK541STF Маркер Snap Tite «AGUA NO POTABLE» для труб с наружным диаметром от 5-1 / 4 до 6 дюймов. 4 шт 2STF2360 ST PNP Транзистор 60V 3A 1,4W SOT89 NEW #BP .Сэкономьте более 90% энергии. Подобно выбору правильного стиля и отделки, купите мужское обручальное обручальное кольцо с черным карбидом вольфрама AZYOUNG High Polish с бриллиантовой огранкой. Вам просто нужно убедиться, что она прямая. Дополнительная объемная подошва означает много места для чувствительных ног. Просто снимите спину и приклейте. Материал: плетеная шляпа из 100% бумаги. неровности и подтеки) и для того, чтобы иметь сильный внешний вид. Размер бриллиантов составляет примерно 3 мм. Выбрать атласную резинку можно по образцам цветов. 4 шт. 2STF2360 ST PNP Transistor 60V 3A 1,4W SOT89 NEW #BP , Коврики для кружек First Crush (набор из 6). Доставка по USPS в течение 1-3 рабочих дней с момента оплаты. Добавьте немного искусства в офис или любую комнату. Алюминиевые трубы имеют прочное порошковое покрытие, устойчивое к сколам и не подверженное коррозии. Лимон Eureka — наиболее распространенный сорт, который можно найти в продуктовых магазинах. Селина-Джейн Робинс Limited Edition Designer Treat Tin. Я обернул его серебром Argentium Sterling Silver (устойчивым к потускнению) и добавил биконусы Swarovski для украшения и сияния.Имейте в виду, что размер отпечатка лучше всего подходит для вашего помещения. В нашем магазине есть кольцевые калибры. Моя серьга daith отправлена ​​в красивой подарочной упаковке, 4 шт. 2STF2360 ST PNP Транзистор 60V 3A 1,4W SOT89 NEW #BP . Из-за статуса малого бизнеса в соответствии с разделом 19 UStG, Великобритания => 1-3 рабочих дня. женские рабочие брюки Добро пожаловать в TARASCOMMON, добро пожаловать в DecalTrend 🙂 Здесь вы можете найти все виды настенных наклеек, подходящие для вашей гостиной. Если у вас возникнут какие-либо проблемы во время установки.** Эта наклейка идеально подходит для персонализации или добавления забавных штрихов к вашим вещам. пожалуйста, просто отправьте нам сообщение о ваших требованиях, измерения длины внутренней подошвы :. • Изготовлен из органического трикотажа, сертифицированного GOTS. Обратите внимание, что для минимизации отходов мы стараемся не использовать пластик при транспортировке. 4 шт 2STF2360 ST PNP Транзистор 60V 3A 1,4W SOT89 NEW #BP .

Термостабильные полевые транзисторы с черным фосфором за счет эффективного подавления рассеяния фононов на атомарном слое, нанесенном на нитрид алюминия

Черный фосфор (BP) показывает большой потенциал в электронных и оптоэлектронных приложениях; однако поддержание стабильной работы устройств BP при повышении температуры по-прежнему является сложной задачей.Здесь демонстрируется новый полевой транзистор (FET) БП, изготовленный на атомном слое, нанесенном на подложку AlN / SiO ₂ / Si. Результаты электрических измерений показывают, что полевые транзисторы BP на подложке из AlN обладают лучшими электрическими характеристиками по сравнению с таковыми, изготовленными на традиционной подложке SiO ₂ / Si. Он демонстрирует большой коэффициент включения / выключения, равный 5 × 10 ⁸ , низкий подпороговый размах <0,26 В / дек и высокую нормализованную полевую подвижность носителей 1071 см ² В ⁻¹ с ⁻¹ в интервале температур от 77 до 400 К.Однако эти стабильные электрические характеристики не обнаруживаются у полевых транзисторов BP на подложке SiO ₂ / Si при повышении температуры до 400 K; вместо этого электрические характеристики полевых транзисторов на основе транзистора на подложке SiO ₂ / Si резко ухудшаются. Кроме того, чтобы получить физическое представление о стабильной работе полевых транзисторов BP на подложке из AlN, был проведен анализ низкочастотного шума, который показал, что пленка AlN играет значительную роль в подавлении решеточного рассеяния и эффектов захвата заряда при высоких температурах. .

1 Введение

Двумерные материалы, такие как графен и дихалькогениды переходных металлов, рассматривались как многообещающие кандидаты для электронных устройств следующего поколения [1], [2], [3], [4], [5], [6], [7] ], [8]. Графен обладает чрезвычайно высокой подвижностью носителей; однако его применение в схемах с низким энергопотреблением сильно ограничено из-за отсутствия собственной энергетической запрещенной зоны [1], [2], [3]. С другой стороны, полевые транзисторы (FET) на основе дихалькогенидов переходных металлов с умеренной шириной запрещенной зоны (например,грамм. MoS ₂ , WSe ₂ и WS ₂ ) всегда страдают низкой полевой подвижностью из-за несовершенства металлических контактов исток / сток [4], [5], [6]. В последнее время черный фосфор (БФ) вызывает большой интерес из-за его уникальных физических и электрических свойств. БП является наиболее стабильным аллотропом фосфора, и, в отличие от графена, он имеет прямую запрещенную зону, изменяющуюся от 0,3 эВ для объема до 1,8 эВ для монослоя [7]. В настоящее время типичные полевые транзисторы BP демонстрируют высокую подвижность несущей до 1000 см ² V ⁻¹ с ⁻¹ , отношение тока включения / выключения более 10 ⁵ , демонстрируя их большой потенциал для будущих приложений в электронные и оптоэлектронные устройства [7], [8], [9], [10], [11], [12], [13], [14], [15], [16], [17], [18] ], [19], [20], [21].

Тем не менее, БП легко реагирует с водой и кислородом; таким образом, на производительность и стабильность полевых транзисторов BP в значительной степени влияют условия окружающей среды [22]. В настоящее время предложено несколько подходов для повышения устойчивости БП к воде и кислороду, например, покрытие БП путем укладки h -BN [23], укрытие Al ₂ O ₃ [24], [25], [26], [27], атомистическое фторирование [28], координация поверхности лиганда [29], [30] и ковалентная функционализация арилдиазония [31].Однако свойство границы раздела между БП и оксидом затвора привлекает меньше внимания, хотя оно также является одним из критических факторов, ограничивающих производительность и стабильность устройства. Теоретически собственная подвижность дырок многослойного БП при комнатной температуре может превышать 5000 см ² В ⁻¹ с ⁻¹ , а собственная подвижность электронов также может достигать 1000 см ² В ⁻¹ с ⁻¹ [32], хотя достигаемая на практике полевая подвижность была намного меньше теоретического предсказания.Подобные наблюдения также сообщаются в других двумерных материалах [33], [34], [35], [36], [37], [38], [39], [40]. В настоящее время понимание этой деградации подвижности состоит в том, что движение носителей ограничено в области толщины атомного слоя, на которую легче влияет состояние поверхности, чем у объемных материалов. Следовательно, необходимо изучить лучший интерфейс, чтобы решить эту критическую проблему, которая влияет на электрические характеристики и применение полевых транзисторов BP.

До сих пор кулоновское рассеяние и рассеяние на решетке считались двумя основными факторами, которые ослабляют транспорт носителей и подвижность полевого эффекта [33], [34], [35], [41]. Следовательно, чтобы уменьшить ухудшение подвижности носителей, одним из подходов является улучшение качества интерфейса, что может быть достигнуто за счет уменьшения примесей и дефектов интерфейса между материалом канала и диэлектрическим слоем. Между тем, улучшенный материал и диэлектрический слой также помогают уменьшить влияние решеточного рассеяния за счет выбора материалов подложки или защитного слоя с более высокой энергией поверхностных фононов.В предыдущих исследованиях материал с высокой энергией поверхностных фононов, такой как гексагональный нитрид бора ( h -BN), который имеет энергию поверхностных фононов 101 мэВ [35], рассматривался как идеальная подложка для многих двумерных материалов. Однако приготовление высококачественных пластин размером h -BN является очень сложной задачей. Другие материалы с высокой энергией поверхностных фононов, такие как алмазоподобный углерод и SiC, энергия поверхностных фононов которых превышает 100 мэВ, также были ограничены высокой стоимостью и незрелой технологией получения.Хотя нитрид алюминия (AlN) обладает более высокой энергией поверхностных фононов, чем обычные подложки, такие как SiO ₂ и Al ₂ O ₃ [33], [35], его можно выращивать путем осаждения атомных слоев или распыления в масштаб пластины, который хорошо совместим с существующим основным процессом [33], [42], [43], [44], [45], [46]. Все эти достоинства делают AlN привлекательной подложкой для высокопроизводительной электроники БП.

Низкочастотный шум (LFN) является важным показателем для оценки производительности устройства, и очень важно понять механизм, лежащий в основе характеристики LFN, для получения высокочувствительных и стабильных устройств.Na et al. исследовали характеристики переноса заряда полевых транзисторов BP до и после пассивации Al ₂ O ₃ путем измерения шума 1/ f , модель флуктуаций носителей, связанная с процессом захвата / удаления заряда, была применена для объяснения поведения LFN n- и p-ветви устройств БП [47], [48], [49], [50]. В данной работе мы изготовили полевые транзисторы БП на подложках AlN / SiO ₂ / Si, после чего были охарактеризованы электрические характеристики при различных температурах, чтобы оценить его интерфейсные свойства и стабильность.Чтобы изучить основной механизм превосходной стабильности полевых транзисторов БП на подложках из AlN, был проведен низкочастотный шум для изучения доминирующих флуктуаций шума тока. Кроме того, плотности межфазных зарядов как функция температуры также оцениваются количественно для сравнения двух различных границ раздела.

2 Экспериментальная часть

Сильнолегированные кремниевые пластины p-типа (удельное сопротивление <0,005 Ом · см) с термическим оксидом 285 нм использовались в качестве стандартной подложки SiO ₂ / Si, а тонкая пленка AlN была выращена на подложке SiO ₂ / Si. методом атомно-слоистого осаждения (ALD, Beneq TFS200) при 200 ° C с использованием Beneq TFS200.Многослойные хлопья БП механически отслаивались от основной массы БП (чистота = 99,998%, Smart Elements) и переносились на субстрат с использованием полидиметилсилоксана для уменьшения остатков. Затем полиметилметакрилат был покрыт центрифугированием в качестве фоторезиста для электронно-лучевой литографии (EBL, 6300FS, JEOL) для определения контактов истока и стока, а электроды из Ni (20 нм) / Au (80 нм) были сформированы с использованием электронно-лучевой литографии (EBL, 6300FS, JEOL). испарение пучка с последующим отрывом. Пассивация 30 нм ALD Al ₂ O ₃ была закрыта на задней стороне канала BP для образования изоляции между BP и окружающей атмосферой.Отжиг не проводился. Шероховатость пленок AlN и толщину БП измеряли с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ, Bruker Icon). Измерение состава пленок AlN проводили с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS, AXIS Ultra DLD, Shimadzu). Электрические характеристики полевых транзисторов БП при низких температурах измерялись на анализаторе параметров полупроводников (Keysight B1500A) с криогенной зондовой станцией в вакууме. Измерения низкочастотного шума проводились с помощью Industry’s Fast 1/ f Noise System (PDA NC300A).Рамановские спектроскопические измерения были выполнены с использованием LabRAM HR800 (Horiba Jobin Yvon) с длиной волны возбуждения 532 нм при комнатной температуре в окружающем воздухе, где спектральное разрешение комбинационного рассеяния составляло 1,1 см ^-1 .

3 Результаты и обсуждение

На рис. 1A – D показаны оптические и АСМ изображения полевых транзисторов BP, изготовленных на голых подложках SiO ₂ (285 нм) / Si и AlN (10 нм) / SiO ₂ (285 нм) / Si (далее именуемые «Устройство S»). и устройство A соответственно).Структуры вышеупомянутых устройств БП схематически показаны на рисунке S1. Толщина извлеченных каналов BP обоих устройств сопоставима, то есть 7,8 нм для устройства S и 7,6 нм для устройства A, что было подтверждено АСМ. Емкость затвора гибридной подложки примерно на 1,3% меньше, чем у подложки SiO ₂ ; следовательно, влияние на плотность несущих, модулированную электростатически заданным смещением затвора, может быть незначительным. Кроме того, измерения АСМ двух подложек также показывают сравнимую шероховатость поверхности, как показано на рисунке S1, что указывает на превосходную однородность пленки AlN.Это важно для исключения влияния шероховатости поверхности на электрические характеристики. На рис. 1E показан спектр комбинационного рассеяния многослойного БП в исходном состоянии, который согласуется с предыдущими наблюдениями [51], [52], [53]. XPS-анализ подложки AlN (рис. 1F) показал пики спектра Al 2 p при 73,9 эВ и N 1 s при 397,0 эВ, что соответствует связям Al-N [54]. Атомное отношение элементов Al / N составляет 1,2, рассчитанное как площадь пика, разделенная на коэффициенты относительной чувствительности, что близко к химическому стехиометрии AlN.Пленка Al ₂ O ₃ 30 нм была закрыта через ALD на задней стороне канала BP по двум причинам: (i) для защиты полевых транзисторов BP от деградации, вызванной O ₂ и H ₂ O в окружающей среде и (ii) изолировать захват заряда от окружающей среды.

Рисунок 1:

Характеристики изготовленных устройств BP с помощью АСМ, комбинационного рассеяния света и XPS.

Изображение с оптического микроскопа изготовленных устройств на подложках (A) AlN / SiO ₂ / Si и (C) SiO ₂ / Si.Изображение с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) и извлеченная толщина канала БП для устройств на подложках (B) AlN / SiO ₂ / Si и (D) SiO ₂ / Si. (E) Рамановский спектр расслоенного многослойного черного фосфора; отчетливо видны одна внеплоскостная мода (A _1g ) и две плоские моды (A _2g и B _2g ) многослойного БП. (F) РФЭС пленки AlN, осажденной атомным слоем.

Чтобы определить разницу между устройством S и устройством A, были проведены электрические измерения в зависимости от температуры.Показано, что оба полевых транзистора BP показали отличные характеристики в низкотемпературной области, то есть высокий рабочий ток ( I _на ) 1 мкА / мкм, низкий ток покоя ( I _на ). 5,13 × 10 ⁻¹⁰ мкА / мкм и высокий коэффициент включения / выключения более 1,3 × 10 ⁹ . Кроме того, наблюдалось очень маленькое подпороговое колебание (SS) менее 0,26 В / дек, превосходящее большинство когда-либо описанных полевых транзисторов BP [5], [6], [7], [55]. Как видно на рис. 2A и B, оба устройства продемонстрировали амбиполярные транспортные характеристики.По сравнению с устройством S, устройство A показало более слабый перенос n-типа при всех температурах, а максимальный ток проводимости p-типа был на 4 порядка больше, чем ток проводимости n-типа при 77 К. Устройство S, однако, показало одинаковый порядок максимального тока в проводимости n- и p-типа. По мере повышения температуры текущий минимум устройства A смещается в сторону более положительной области смещения, что означает, что его проводимость p-типа склонна к ухудшению. Похоже, что подложка из AlN облегчает транспортировку дырок и, таким образом, подходит для реализации униполярных полевых транзисторов.

Рисунок 2:

Температурно-зависимые электрические характеристики полевых транзисторов БП на двух подложках.

I _d — V _g Характеристики в зависимости от температуры от 77 до 400 K для полевых транзисторов BP на (A) AlN / SiO ₂ / Si и (B) голом SiO ₂ / Si подложки.

Резкое ухудшение электрических характеристик устройства S наблюдается в области высоких температур выше 250 К. I _на устройства S уменьшается в 30 раз при повышении температуры с 77 до 400 K (~ 0,05 мкА / мкм), тем самым уменьшая коэффициент включения / выключения с 5 × 10 ⁸ до менее 5 , как показано на рис. 3A и C. Напротив, I _на устройства A остается достаточно стабильным до высокой температуры 400 K (~ 1 мкА / мкм). Между тем, устройство A также демонстрирует стабильно более низкое значение I _от во всем диапазоне температур по сравнению с устройством S, как показано на рисунке 3B.Отношение тока включения / выключения устройства A при 400 K больше 400, примерно в сто раз больше, чем у устройства S. Более того, SS устройства A показывает лучшую производительность по сравнению с устройством S, как показано на рисунке 3D. . Наблюдается, что SS последнего увеличивается до 27,6 В / дек при 400 К, что в 150 раз меньше наименьшего значения при 77 К. Однако температурная зависимость подвижности остается в основном неизменной, за исключением наклона при высоких температурах. Следовательно, резкое различие между устройством S и устройством A в основном связано с ловушками для заряда, которые вносят экспоненциальный член с температурой из-за теплового возбуждения носителей в зоне проводимости.

Рисунок 3:

Параметры устройства для полевых транзисторов БП в зависимости от температуры.

Изменение температуры (A) на токах, (B) токах в выключенном состоянии, (C) соотношении тока включения и выключения и (D) подпороговом колебании полевых транзисторов BP на различных подложках, извлеченных из I _d — V _г кривых.

На рисунке 4 показана полевая подвижность ( μ _FE ) двух типов устройств в зависимости от температуры в диапазоне от 77 до 400 К.Контактное сопротивление рассчитывается и отделяется от общего сопротивления [56], предполагая, что каналы были полностью проводящими при высоком уровне В _gs . μ _FE полевых транзисторов BP можно оценить с помощью следующего уравнения [6], [7], [27]: μ FE знак равно грамм м L W C бык V ds , где L и W представляют длину и ширину канала соответственно.Крутизна ( g _м ) равна Δ I _ds / Δ V _gs , C _ox составляет 11,95 нФ / см ^{2 _{для AlN 2 и 12,11 нФ / см 2 для чистого SiO 2 . При 77 K максимальное значение μ FE , наблюдаемое для гибридных и голых подложек SiO 2 , составляет 1071 и 721 см 2 V −1 s −1 соответственно. В настоящее время считается, что подвижность может быть ограничена рассеянием кулоновских примесей (КИ), рассеянием на решетке, ловушками заряда и дефектами, что аналогично подвижности других двумерных материалов [33], [34], [57] .При температуре ниже 120 K CI-рассеяние играет доминирующую роль в ограничении подвижности полевых транзисторов BP, тогда как при высокой температуре выше 120 K доминирует поверхностное фононное рассеяние (или решеточное рассеяние) [41]. Подвижность обоих полевых транзисторов BP ухудшается с повышением температуры; в частности, устройство S претерпевает заметное ухудшение подвижности почти на 2 порядка при высоких температурах. Напротив, устройство A демонстрирует ухудшение менее чем на 1 порядок. Подвижность подавлялась из-за рассеяния фононов, которое соответственно ограничивает перенос дырок величиной μ FE ~ T — θ , где показатель степени θ зависит от доминирующего механизма рассеяния.Пунктирные линии соответствуют μ FE ~ T — θ , где θ = 0,2 ~ 0,3 при низких температурах (77–250 K) и быстро увеличивается при высоких температурах, предполагая, что рассеяние фононов между носителями и решеткой усиливается с повышением температуры. θ устройства A меньше, чем у устройства S, что означает умеренную интенсивность рассеяния на границе раздела между AlN и BP. Интенсивное рассеяние между носителями и решеткой при высокой температуре сильно ухудшает подвижность.Обратите внимание, что необратимое ухудшение характеристик устройства может быть незначительным при высокой температуре, что можно увидеть на рисунке S2. Учитывая свойства пленки AlN с высокой диэлектрической проницаемостью 9,14 и энергией поверхностных фононов 83,6 мэВ, что относительно больше, чем у SiO 2 (3,9 и 59 мэВ) [33], [35], гораздо более высокая подвижность носителей заряда Device A при высоких температурах можно объяснить высокой энергией поверхностных фононов и меньшим количеством ловушек заряда и дефектов в пленке AlN [33], [43].}}

Рисунок 4:

Полевая подвижность ( μ _FE ) полевых транзисторов BP на подложках AlN / SiO ₂ / Si и SiO ₂ / Si в зависимости от температуры. Подвижность подавлялась из-за ограниченного транспорта фононного рассеяния, который следует за μ _FE ~ T ^{— θ} , где показатель степени зависит от доминирующего механизма рассеяния. Пунктирными линиями показаны результаты аппроксимации в соответствии с этим законом, где θ составляет около 0.2 ~ 0.3 при низких температурах в пределах 77–250 К и быстро возрастает при высоких температурах, что указывает на интенсивное рассеяние фононов между носителями и решеткой. θ для полевых транзисторов BP на подложке AlN намного меньше, чем на подложке SiO ₂ , что предполагает умеренную интенсивность рассеяния на границе раздела между AlN и BP.

Мы также реализовали измерения LFN для двух типов устройств при высоких температурах выше 300 K. LFN, также известный как шум 1/ f , является важным способом измерения производительности устройства, особенно его интерфейсных свойств.Спектральная плотность мощности текущего шума S _I для шума 1/ f имеет общий вид [58]:

(1) S я знак равно K я β ж γ

, где K — постоянное значение, β — текущий показатель степени ~ 2, а S _I пропорционален 1/ f ^γ с γ в диапазоне от 0.От 7 до 1,3 [58]. Передаточные характеристики этих двух устройств показаны на рисунке S3. На рисунке S4 показана характеристика LFN устройства A и устройства S при различных напряжениях затвора в диапазоне от -40 до 40 В ( В _ds = 0,5 В) при комнатной температуре. Видно, что измеренные кривые S _{I d} / I _d ² хорошо согласуются с 1/ f . Такие же измерения были выполнены и при температурах 325–400 К. γ был извлечен из наклона аппроксимирующих линий при различных температурах и смещениях затвора, как показано на рисунке 5. Наблюдается, что устройство A показывает гораздо меньшее изменение температуры, что указывает на более стабильную работу по сравнению с устройством S. Значение γ указывает местоположение ловушки, т. е. γ <1 указывает, что плотность ловушек вероятна вблизи границы раздела каналов, и наоборот для γ > 1 [58], [59]. При повышении температуры более одного раза наблюдается γ устройства S, что позволяет предположить, что глубокие ловушки в диэлектрике SiO ₂ были активированы.Однако γ устройства A остается почти неизменным.

Рисунок 5:

Характеристики LFN полевых транзисторов БП в зависимости от частоты и температуры.

Значение γ , извлеченное из наклона аппроксимирующих линий LFN для полевых транзисторов BP на (A) AlN / SiO ₂ / Si и (B) SiO ₂ / Si при различных температурах и смещениях затвора.

Существует два широко распространенных механизма, объясняющих шум 1/ f в полевых транзисторах [60], [61].Одна, связанная с флуктуациями подвижности носителей, известна как модель шума Хоуге [58], [60], а другая, связанная с флуктуациями числа носителей, известна как модель Маквортера [58], [61]. Наши результаты показывают, что в p-ветви обоих типов полевых транзисторов BP LFN в подпороговой области подчиняется модели флуктуаций числа носителей, тогда как в области лайнера он следует флуктуациям модели подвижности носителей. Напротив, в n-ветви полевых транзисторов BP на подложках SiO ₂ LFN в основном вызывается флуктуацией подвижности носителей, как показано на рисунках S5 и S6.На основании этих наблюдений мы разделили область на линейную и подпороговую части для дальнейшего обсуждения.

Шумовое поведение pFET-транзисторов в подпороговых (рис. 6A и B) и линейных (рис. 6C и D) областях было исследовано количественно. При различных температурах уровень шума устройства A был более постоянным, чем уровень шума устройства S. Уровень шума последнего изначально аналогичен уровню шума устройства A при комнатной температуре, но он увеличивается на несколько порядков при высокой температуре.Флуктуация подвижности носителей в основном вызывается решеточным или фононным рассеянием носителей, и часто хорошо согласуется в линейной области следующим образом [60], [61]:

Рисунок 6:

Извлеченный γ для полевых транзисторов на БП при различных температурах и смещениях затвора.

Характеристики низкочастотного шума (LFN) полевых транзисторов БП в зависимости от частоты и температуры на подложке из (A) AlN / SiO ₂ / Si и (B) SiO ₂ / Si в подпороговой области ( V _G = −5 В), и (C) AlN / SiO ₂ / Si и (D) чистый SiO ₂ / Si в линейной области ( V _G = −40 В) .

(2) S я d я d 2 знак равно α ЧАС ж N

, где α _H — параметр Хуге, зависящий от качества кристалла. Высококачественный материал часто имеет меньшие α _H в диапазоне от 10 ⁻¹ до 10 ⁻⁷ .С участием N знак равно Q я q и Q _i = C _ox ( V _gs — V _T ), приведенное выше уравнение можно записать следующим образом:

(3) S я d я d 2 знак равно q α ЧАС ж W L C бык ( V GS — V Т )

Колебание числа несущих в основном связано с процессом захвата-снятия улавливания, который связан с подпороговой областью.Плотность ловушек ( N _t ) можно оценить с помощью следующего уравнения, полученного из модели МакВорта [58], [61]:

(4) N т знак равно S я d ж γ W L C бык 2 ( V GS — V Т ) 2 я d 2 q 2 k Т λ

, где λ — длина туннельного затухания в оксиде затвора (≈1 Å).Плотность ловушки интерфейса N _it может быть выведена с помощью N _t = λ N _it .

Параметр Хоуге в линейной области и плотность захваченного заряда в подпороговой области изображены на рисунках 7A и B, соответственно. α _H устройства A наблюдается при примерно 5 × 10 ⁻⁴ при 300 K и выше, тогда как α _H устройства S резко увеличивается при 350 K.Небольшое значение α _H указывает на небольшое рассеяние на решетке даже при высокой температуре. Точно так же N, _и в подпороговой области следует той же характеристике, что и α _H на рисунке 7A, которая остается на уровне ~ 10 ¹² при повышенной температуре, как показано на рисунке 1B. Это находится в пределах диапазона плотности ловушек на границе раздела в полупроводниках и изоляторах [47], [62], [63]. Что касается БП FTE на подложке SiO ₂ , то у N _он резко увеличивается на 3 порядка при 400 К.Эти наблюдения предполагают, что прослойка AlN с более высокой энергией поверхностных фононов и электрической постоянной подавляет эффект решеточного рассеяния и снижает влияние захвата заряда при высокой температуре, что способствует стабильной подвижности носителей.

Рисунок 7:

Сравнение рассчитанных α _H и N _it для полевых транзисторов БП на двух подложках.

Сравнение (A) параметра Хуге ( α _H ) в линейной области и (B) плотности захваченного заряда интерфейса ( N _it ) в подпороговой области полевых транзисторов BP на различных подложках, рассчитанных в соответствии с модель шума Хуге и модель МакВорта соответственно.

4 Заключение

Таким образом, показано, что полевые транзисторы BP, изготовленные на подложке AlN / SiO ₂ / Si, демонстрируют лучшие электрические характеристики по сравнению с таковыми, изготовленными на традиционной подложке SiO ₂ / Si. Первый показывает лучшее соотношение тока включения / выключения, более низкий подпороговый размах и более высокую подвижность несущей. Кроме того, он показывает, что электрические характеристики полевых транзисторов BP на подложке AlN / SiO ₂ / Si относительно стабильны даже при высоких температурах до 400 K, тогда как электрические характеристики полевых транзисторов BP на SiO ₂ Подложка / Si сильно деградирует.Улучшенные характеристики объясняются наличием пленки AlN, обладающей более высокой энергией поверхностных фононов, что эффективно подавляет эффект решеточного рассеяния при высокой температуре. Это объяснение дополнительно подтверждается анализом низкочастотного шума. Наблюдается, что полевые транзисторы BP на подложке AlN демонстрируют стабильную α _H и плотность захвата границы раздела N _it от 77 до 400 K, что указывает на то, что решеточное рассеяние и захват заряда на границе раздела нечувствительны к высокая температура.В результате в этой работе были получены полевые транзисторы на подложке из AlN с более стабильной характеристикой подвижности носителей по сравнению с таковой на подложке SiO ₂ .

Авторы хотели бы выразить признательность за финансовую поддержку Национальному фонду естественных наук Китая (№ 61774041, идентификатор финансирования: http://dx.doi.org/10.13039/501100001809), Программе исследований и разработок ключевых технологий провинции Гуандун ( № 2019B010128001) и Шанхайской программе научных и технологических инноваций (№19520711500).

Список литературы

[1] Новоселов К.С., Гейм А.К., Морозов С.В. и др. Эффект электрического поля в атомарно тонких углеродных пленках. Наука 2004; 306: 666–9. Искать в Google Scholar

[2] Новоселов К.С., Фалько В.И., Коломбо Л., Геллерт П.Р., Шваб М.Г., Ким К. Дорожная карта для графена. Природа 2012; 490: 192–200. Искать в Google Scholar

[3] Гейм А.К., Новоселов К.С. Возникновение графена. Nat Mater 2007; 6: 183–91. Искать в Google Scholar

[4] Choi W, Choudhary N, Han GH, Park J, Akinwande D, Lee YH.Последние разработки двумерных дихалькогенидов переходных металлов и их применения. Mater Today 2017; 20: 116–30. Искать в Google Scholar

[5] Кениг С.П., Доганов Р.А., Шмидт Х., Кастро Нето А.Х., Озилмаз Б. Эффект электрического поля в ультратонком черном фосфоре. Appl Phys Lett 2014; 104: 103106. Искать в Google Scholar

[6] Лю Х., Нил А.Т., Чжу З. и др. Фосфорен: неизведанный двумерный полупроводник с высокой подвижностью дырок. ACS Nano 2014; 8: 4033–41. Искать в Google Scholar

[7] Li L, Yu Y, Ye GJ, et al.Полевые транзисторы с черным фосфором. Nat Nanotechnol 2014; 9: 372–7. Искать в Google Scholar

[8] Wang QH, Kalantar-Zadeh K, Kis A, Coleman JN, Strano MS. Электроника и оптоэлектроника двумерных дихалькогенидов переходных металлов. Nat Nanotechnol 2012; 7: 699–712. Искать в Google Scholar

[9] Buscema M, Groenendijk DJ, Blanter SI, Steele GA, van der Zant HSJ, Castellanos-Gomez A. Быстрый и широкополосный фотоотклик малослойных полевых транзисторов с черным фосфором.Nano Lett 2014; 14: 3347–52. Искать в Google Scholar

[10] Engel M, Steiner M, Avouris P. Фотодетектор черного фосфора для получения многоспектральных изображений с высоким разрешением. Nano Lett 2014; 14: 6414–7. Искать в Google Scholar

[11] Viti L, Hu J, Coquillat D, et al. Фотоприемники терагерцового диапазона с черным фосфором. Adv Mater 2015; 27: 5567–72. Искать в Google Scholar

[12] Юань Х, Лю Х, Афшинманеш Ф. и др. Поляризационно-чувствительный широкополосный фотоприемник с черным фосфорным вертикальным p-n переходом.Nat Nanotechnol 2015; 10: 707–13. Искать в Google Scholar

[13] Dai J, Zeng XC. Двухслойный фосфор: влияние порядка упаковки на ширину запрещенной зоны и его потенциальные применения в тонкопленочных солнечных элементах. J Phys Chem Lett 2014; 5: 1289–93. Искать в Google Scholar

[14] Соркин В., Цай Й., Онг З., Чжан Г., Чжан Ю.В. Последние достижения в изучении фосфора и его наноструктур. Crit Rev Solid State 2017; 42: 1–82. Искать в Google Scholar

[15] Xiang Q, Yu J. Фотокатализаторы для производства водорода на основе графена.J Phys Chem Lett 2013; 4: 753–9. Искать в Google Scholar

[16] Тянь Х, Го Кью, Се Y и др. Анизотропное синаптическое устройство с черным фосфором для нейроморфных приложений. Adv Mater 2016; 28: 4991–7. Искать в Google Scholar

[17] Li LK, Kim J, Jin CH, et al. Прямое наблюдение слоистой электронной структуры фосфора. Nat Nanotechnol 2017; 12: 21–5. Поиск в Google Scholar

[18] Хуанг С.Ю., Чжан Г.В., Фан Ф.Р. и др. Регулируемые деформацией ван-дер-ваальсовы взаимодействия в многослойном черном фосфоре.Нац Коммуна 2019; 10: 2447. Искать в Google Scholar

[19] Хуанг Л., Донг Б., Гуо Х и др. Фотоприемник с черным фосфором, интегрированный в волновод, для работы в средней инфракрасной области. ACS Nano 2019; 13: 913–21. Искать в Google Scholar

[20] Chen X, Lu X, Deng B, et al. Широко настраиваемый фотодетектор среднего инфракрасного диапазона с черным фосфором. Нац Коммуна 2017; 8: 1672. Искать в Google Scholar

[21] Xia F, Wang H, Hwang JCM, Neto AHC, Yang L. Черный фосфор и его изоэлектронные материалы. Nat Rev Phys 2019; 1: 306–17.Искать в Google Scholar

[22] Favron A, Gaufrès E, Fossard F, et al. Эффекты фотоокисления и квантового ограничения в расслоенном черном фосфоре. Nat Mater 2015; 14: 826–32. Искать в Google Scholar

[23] Авсар А., Вера-Марун И.Дж., Тан Дж.Й. и др. Воздушно-стабильный транспорт в контактируемых с графеном, полностью инкапсулированных ультратонких полевых транзисторах на основе черного фосфора. ACS Nano 2014; 9: 4138–45. Искать в Google Scholar

[24] Луо X, Rahbarihagh Y, Hwang JCM, Liu H, Du Y, Ye PD.Временная и термическая стабильность Al ₂ O ₃ -пассивированных МОП-транзисторов на основе фосфора. IEEE Electr Device Lett 2014; 35: 1314–6. Искать в Google Scholar

[25] Wood JD, Wells SA, Jariwala D, et al. Эффективная пассивация транзисторов с расслоенным черным фосфором против деградации окружающей среды. Nano Lett 2014; 14: 6964–70. Искать в Google Scholar

[26] Илларионов Ю.Ю., Уолтл М., Жепа Г. и др. Долговременная стабильность и надежность полевых транзисторов с черным фосфором.ACS Nano 2016; 10: 9543–9. Искать в Google Scholar

[27] Zheng HM, Gao J, Sun SM, et al. Влияние покрытия Al ₂ O ₃ и пост-отжига на характеристики проводимости в полевых транзисторах с несколькими слоями черного фосфора. IEEE J Electron Devices Soc 2018; 6: 320–4. Искать в Google Scholar

[28] Тан X, Лян В., Чжао Дж. И др. Фторированный фосфорен: простой синтез, атомистическое фторирование и повышенная стабильность. Маленький 2017; 13: 1702739. Искать в Google Scholar

[29] Guo ZN, Chen S, Wang Z, et al.Черный фосфор, модифицированный ионами металлов, с повышенной стабильностью и характеристиками транзистора. Adv Mater 2017; 29: 1703811. Искать в Google Scholar

[30] Zhao YT, Wang HY, Huang H, et al. Поверхностная координация черного фосфора для надежной устойчивости на воздухе и в воде. Angew Chem 2016; 55: 5003–7. Искать в Google Scholar

[31] Райдер Ч. Р., Вуд Дж. Д., Уэллс С. А. и др. Ковалентная функционализация и пассивация расслоенного черного фосфора с помощью химии арилдиазония. Nat Chem 2016; 8: 597–602.Искать в Google Scholar

[32] Бхиманапати Г.Р., Лин З., Менье В. и др. Последние достижения в области двумерных материалов помимо графена. ACS Nano 2015; 9: 11509–39. Искать в Google Scholar

[33] Oh JG, Hong SK, Kim CK, et al. Высокоэффективные графеновые полевые транзисторы на подложке из нитрида алюминия с высокой энергией поверхностных фононов. Appl Phys Lett 2014; 104: 193112. Искать в Google Scholar

[34] Цуй Y, Xin R, Yu Z, et al. Высокопроизводительные однослойные полевые транзисторы WS ₂ на диэлектриках с высоким κ.Adv Mater 2015; 27: 5230–4. Искать в Google Scholar

[35] Bhattacharjee S, Ganapathi KL, Chandrasekar H, et al. Нитридные диэлектрические среды для подавления рассеяния с преобладанием поверхностных оптических фононов в высокоэффективных многослойных полевых транзисторах MoS ₂ . Adv Electron Mater 2017; 3: 1600358. Искать в Google Scholar

[36] Хуан В.С., Се З.Дж., Фань Т.Дж. и др. Моносульфид олова, аналог черного фосфора: новый оптоэлектронный двумерный материал для высокоэффективного фотодетектирования с улучшенной стабильностью в окружающих / суровых условиях.J Mater Chem C 2018; 6: 9582–93. Искать в Google Scholar

[37] Хуанг В.С., Цзян XT, Ван Ю.З. и др. Двумерные квантовые точки бета-оксида свинца. Наномасштаб 2018; 10: 20540–7. Искать в Google Scholar

[38] Xing CY, Chen X, Huang WC, et al. Двумерный монооксид свинца: легкое жидкофазное отшелушивание, отличные характеристики фотоотклика и теоретические исследования. ACS Photon 2018; 5: 5055–67. Искать в Google Scholar

[39] Хуанг В.К., Син Ц.И., Ван Ю.З. и др. Простое изготовление и определение характеристик двумерных нанолистов сульфида висмута (iii) для применения в высокопроизводительных фотодетекторах в условиях окружающей среды.Наномасштаб 2018; 10: 2404–12. Поиск в Google Scholar

[40] Хуанг В.К., Чжан И, Ю К. и др. Повышенные фотодетекторные свойства гетеропереходов теллур-селен из нанотрубок типа «рулон-к-рулону». Маленький 2019; 15: 12. Искать в Google Scholar

[41] Prakash A, Cai Y, Zhang G, Zhang Y, Ang KW. Полевой транзистор n-типа с черным фосфором со сверхвысокой подвижностью электронов за счет легирования адатомами алюминия. Маленький 2017; 13: 1602909. Искать в Google Scholar

[42] Collins AT, Lightowlers EC, Dean PJ.Спектры решеточных колебаний нитрида алюминия. Phys Rev 1967; 158: 833–8. Искать в Google Scholar

[43] Chen J, Jang C, Xiao S, Ishigami M, Fuhrer MS. Пределы внутренних и внешних характеристик графеновых устройств на SiO ₂ . Nat Nanotechnol 2008; 3: 206–9. Искать в Google Scholar

[44] Haratipour N, Robbins MCS, Koester J. P-MOSFET с черным фосфором и 7-нм диэлектриком затвора HfO ₂ и низким контактным сопротивлением. IEEE Electron Device Lett 2015; 36: 411–3. Искать в Google Scholar

[45] Ong Z, Cai Y, Zhang G, Zhang Y.Сильная анизотропия теплопереноса и модуляция деформации в однослойном фосфорене. J. Phys Chem C 2014; 118: 25272–7. Искать в Google Scholar

[46] Liu H, Neal AT, Si M, Du Y, Ye PD. Влияние диэлектрического покрытия на многослойные фосфориновые транзисторы: настройка высоты барьера Шоттки. IEEE Electron Device Lett 2014; 35: 795–7. Искать в Google Scholar

[47] Na J, Lee YT, Lim JA, et al. Малогабаритные полевые транзисторы с черным фосфором и пониженными колебаниями тока.ACS Nano 2014; 8: 11753–62. Искать в Google Scholar

[48] Li X, Du Y, Si M, et al. Механизмы флуктуации тока в амбиполярных полевых транзисторах с черным фосфором. Наномасштаб 2016; 8: 3572–8. Искать в Google Scholar

[49] Liang C, Su Y, Zhang EX, et al. Влияние суммарной ионизирующей дозы на транзисторы HfO ₂ , пассивированные черным фосфором. IEEE Trans Nucl Sci 2017; 64: 170–5. Искать в Google Scholar

[50] Na J, Park K, Kim JT, Choi WK, Song Y. Устойчивый к воздуху многослойный фототранзистор с черным фосфором для обнаружения в ближнем инфракрасном диапазоне.Нанотехнологии 2017; 28: 85201. Искать в Google Scholar

[51] Liu S, Huo N, Gan S, et al. Зависимые от толщины спектры комбинационного рассеяния света, транспортные свойства и инфракрасный фотоотклик малослойного черного фосфора. J Mater Chem C 2015; 3: 10974–80. Искать в Google Scholar

[52] Лу В., Нан Х, Хонг Дж. И др. Изготовление однослойного фосфора с помощью плазмы и его Рамановская характеристика. Nano Res 2014; 7: 853–9. Искать в Google Scholar

[53] Wu BB, Zheng HM, Ding YQ, et al.Прямое выращивание Al ₂ O ₃ на черном фосфоре путем плазменного осаждения атомных слоев. Nanoscale Res Lett 2017; 12: 282. Искать в Google Scholar

[54] Myhra S, Crossley JAA, Barsoum MW. Кристаллохимия слоистых карбидно-нитридных фаз Ti ₃ AlC ₂ и Ti ₄ AlN ₃ — определение с помощью XPS. J. Phys Chem Solids 2001; 62: 811–7. Искать в Google Scholar

[55] Xia F, Wang H, Jia Y. Новое открытие черного фосфора как анизотропного слоистого материала для оптоэлектроники и электроники.Nat Commun 2014; 5: 1–6. Искать в Google Scholar

[56] Venugopal A, Colombo L, Vogel EM. Контактное сопротивление в мало- и многослойных графеновых устройствах. Appl Phys Lett 2010; 96: 013512. Искать в Google Scholar

[57] Гуо ЗН, Чжан Х, Лу С.Б. и др. От черного фосфора до фосфора: расслоение основного растворителя, эволюция комбинационного рассеяния света и приложения к сверхбыстрой фотонике. Adv Funct Mater 2015; 25: 6996. Искать в Google Scholar

[58] Остлинг М., Хаартман М. Низкочастотный шум в современных МОП-устройствах.Нью-Йорк, США: Springer-Verlag, 2007. Поиск в Google Scholar

[59] Kim JS, Joo MK, Piao XM, et al. Влияние плазменной обработки на концентрацию носителей заряда и поверхностные ловушки в тонкопленочных транзисторах a-InGaZnO. Журнал прикладной физики 2014; 115: 114503. Искать в Google Scholar

[60] Hooge FN. 1 / ƒ шум не влияет на поверхность. Phys Lett A 1969; 29: 139–40. Искать в Google Scholar

[61] McWhorter AL. Физика поверхности полупроводников. Пенсильвания, США: Университет Пенсильвании, 1957.Искать в Google Scholar

[62] Kwon H, Kang H, Jang J, Kim S, Grigoropoulos CP. Анализ фликкер-шума в двумерных многослойных транзисторах MoS ₂ . Appl Phys Lett 2014; 104: 83110. Искать в Google Scholar

[63] Yuan HW, Shen H, Li JJ, et al. Исследование ловушек на интерфейсе MoS ₂ / Al ₂ O ₃ в nMOSFET-транзисторах низкочастотным шумом. IEEE Electron Device Lett 2016; 37: 516–8. Искать в Google Scholar

Дополнительные материалы

В онлайн-версии этой статьи есть дополнительные материалы (https: // doi.org / 10.1515 / nanoph-2020-0075).

Поступила: 2020-01-31

Пересмотрено: 26.02.2020

Принято: 26.02.2020

Опубликовано в сети: 27 марта 2020 г.

© 2020 Вэньцзюнь Лю, Цинцин Сунь и Дэвид Вэй Чжан и др., Опубликовано De Gruyter, Берлин / Бостон

Это произведение находится под международной лицензией Creative Commons Attribution 4.0.

.