MOS的表面能带弯曲
?说明:
qψS ( 表面势能) = ( 半导体内的E i ) – ( 表面处的E i );
V GS 可使表面势ψs 变化( 基本是线性变化关系) ;
Q n(y) 是沟道中的少数载流子面电荷密度.
?半导体的Fermi势ψB和表面状态:
在半导体表面处的载流子浓度决定于表面能带的弯曲程度:
n P0 = n i exp[(E F-E i)/kT] >> n i ;
p P0 = n i exp[(E i-E F)/kT] << n i .
在半导体内的Fermi势能(qψB = E i-E F ) 可用半导体内的参量来表示:
∵半导体内的平衡多子浓度p P0 = n i exp[(E i-E F)/kT] = n i exp(qψB/kT) ≈ N A ,
∴ψB =( E i-E F )/q = (kT/q) ln(N A / n i ).
可见: 在ψs = ψB时, 表面处的多子浓度将小于体内的多子浓度, 而少子浓度将多于体内的少子浓度,即表面呈现为弱反型的表面;
在ψs = 2ψB时, 表面处的多子浓度将远小于体内的多子浓度,而少子浓度将远多于体内的少子浓度,为强反型表面.
理想MOSFET的阈值电压:
?说明:
①MOSFET是“理想”的含义:
在MOS系统中不含有任何电荷状态(除栅电压在半导体表面产生的空间电荷以外, 不考虑表面态电荷和M-S功函数差).
→在栅电压V GS = 0 时, 半导体表面的能带不发生弯曲(平带状态) .
②在讨论V T时忽略了反型层中的电荷:
因为刚达到强反型时, 正好沟道中的电子浓度= p-衬底内的空穴浓度; 而且反型层仅限于表面极薄的一层,其中的电荷Q n, 比耗尽层中的电荷Q B少得多(在刚强反型时, 耗尽层宽度最大). 所以可忽略反型层中的电荷Q n .
MOS的非饱和特性
?说明:
沟道的长度(y方向)为L ;
沟道的宽度(z方向)为Z ;
沟道的厚度(x方向)为X(y) ;
沟道的截面积为A ;
沟道的电子浓度为n .
?理想MOSFET的输出伏安特性计算~
沟道电流I D是沟道中的面电荷密度Q n(y)漂移运动的结果:
I D= Z X q n μn E(y) = Q n(y) Z μn E(y) ,
代入Q n(y)与电压的关系, 并把E(y)用电压来表示为dV(y)/dy, 即有
I D= Z μn C i [V GS - V T - V(y)] dV(y)/dy ,
积分之∫I D dy = Z μn C i ∫*V GS - V T - V(y)] dV(y) ,
[ 积分限: y= 0~L , V= 0~V DS ]
则得到I D= ( Z μn C i / L ) {(V GS - 2ψB - V D/2) V DS-
(2γ/ 3)×* (V DS+ 2ψB)3/2 - (2ψB)3/2 ] },
I D≈( m Z μn C i / L ) { (V GS - V T ) V DS - V DS2 }
= m β, (V GS - V T ) V DS - V DS2 } (Sah方程) ,
其中γ≡( 2εε0 q N A )1/2 /C i称为衬偏系数; 对较小的N A , m = 1/2 .
β = Z μn C i / L .
①当V DS 较小时, 有线性特性:
I D= ( Z μn C i / L ) {V GS - 2ψB - *2εε0 q N A(2ψB)]1/2 / C i } V DS
= β (V GS - V T ) V DS∝V DS ,
当V GS= 2ψB - *2εε0 q N A (2ψB)]1/2 / C i ≡V T 时, I D = 0, 即沟道夹断, 这时
的栅电压就是阈值电压(夹断电压) .
线性区的跨导为g m= ( Z μn C i / L ) V DS .
系数( Z μn C i / L ) 称为器件的增益因子(或导电因子).
②饱和区:
由dI D / dV DS= 0 = β*(V GS - V T ) – V DS ] ,
得到饱和电压V DSat = V GS - V T.
把V DSat代入到I D表示式中, 求得饱和电流为
I DSat= (β/2) (V GS - V T ) 2 ∝V GS2 .
可见, 饱和电流与V DS无关, 而与V GS有抛物线关系; 而且饱和电压V DSat随着V GS 的增大而升高.
?长沟道MOSFET的电流饱和机理:
随着V DS的增加, 夹断点逐渐从漏端移向源端(夹断区扩大); 所增加的电压
(V DS - V D sat ) 就降落在夹断区上(使电场↑), 而未夹断的沟道上的电压基本上维
持在V D sat ; 当电子从源端漂移到夹断点时, 就被夹断区中的强电场拉到漏极, 则
漏极电流基本上由未夹断的沟道区(有效沟道长度)决定, 而有效沟道上的电压基本
不变, 故电流饱和(实际上, 由于有效沟道长度随V DS而变, 类似BJT中的Early效应, 所以电流并不完全饱和, g D≠0).
饱和电流与V GS有抛物线关系; 饱和电压与V GS之间有线性关系.
实际mos的VT
?对于实际的MOSFET,需要考虑金属与半导体功函数之差、Si-SiO2系统中电荷的影响。
所以实际MOSFET的阈值电压中将要增加“平带电压”部分。
?平带电压:
由于金属-半导体功函数差φms和Si-SiO2系统中电荷Q f 的影响, 在V G = 0 时半导体表面能带即发生弯曲. 从而需要另外加上一定的电压(平带电压) 才能使能带拉平.
对多晶硅栅电极(通常是高掺杂) , Fermi势为
ψG ≈ ±0.56 V *+用于p型, -用于n型栅].
?对V T的工艺控制问题:
目的是获得所需要的V T值和使V T值稳定.
主要技术是控制Si-SiO2系统中电荷Q f : 其中的固定正电荷(直接影响到V T值的大小) 与表面状态和氧化速度等有关(可达到<1012 cm-2); 而可动电荷(影响到V T值的稳定性) 与Na+ 等的沾污有关. 因此特别需要注意在氧化等高温工艺过程中的清洁度.
?[计算例]
对n-沟的“n+多晶硅-SiO2-Si” MOSFET, 已知N A =1016 cm-3, SiO2厚度d = 250 ?,
Q f / q = 2×1010 cm-2, φms = - 1.08 V. 计算:
①V T = ? ②若要使V T增加到1 V, 要求注入B离子的剂量F B = ?
(假定注入的受主在SiO2-Si界面上形成薄的负电荷层.)
解: 对理想MOS系统, 可求得V T = - ( Q B / C i) + 2ψB = 0.35 + 0.69 =1.04 V,
和C i=εox / d = 3.9×8.85×10-14 / 250×10-8= 1.38 ×10-7 F/cm2.
则实际的MOS系统, 可求得
V T = [ -1.08 - 2×1010×1.6×10-19 / 1.38×10-7 ] + 1.04 = - 0.063 V .
由于注入硼电荷将产生平带电压的变化为q F B / C i , 则阈值电压等于1时有:
1 = ( - 0.063 + q F B ) / 1.38 ×10-7 ,
故F B = (1.38 ×10-7 / 1.6×10-19 ) 1.063 = 9.1×1011 cm-2 .
?实际MOSFET的伏安特性:
⑴非饱和区~ 由线性特性慢慢变成亚线性特性.
⑵饱和区~ 并不饱和(因为夹断以后的有效沟道长度随着V DS的增大而减短, 致使
I D也随着增大; 同时漏区与沟道之间的耦合电容, 使得当V DS增大时将在沟道中
感应出额外的电荷, 致使沟道电导增大, 从而I D也随着增大).
⑶击穿区~ 器件击穿的特点是: 击穿电压低于单个p-n结的击穿电压; V GS越低, 沟道
的厚度X(y)也越小, 则越容易击穿; 击穿电压主要是受到沟道终点处表面附近内外电场的影响(因此, 为了提高V DS, 有必要采取各种p-n结终端技术来减弱表面附近的电场) .
?常用栅极材料的ε值:
SiO2 (3.8) ; Si3N4 (6.4) ; Al2O3 (>7.5) .
→ a) MNOFET (栅绝缘层是50~60nm SiO2 + Si3N4 );
MAOFET (栅绝缘层是50~60nm SiO2 + Al2O3) .
b) MFSFET (栅绝缘层是高ε值的薄膜材料, 如:
PZT [PbZr x Ti1-x O3], SPT [SrBi2Ta2O3],
LAO[鋁酸镧], LAON[镧鋁氧氮]) .
?材料的功函数值:
金属(独立/ 在MOS中) ~
Al (4.1 / 3.2eV), Au (5.0 / 4.1eV), Ni (4.55 / 3.65eV).
半导体(掺杂1014cm-3 和1016 cm-3) (独立/ 在MOS中) ~
n- Si (4.32, 4.20 / 3.42, 3.30eV), p- Si (4.82, 4.49 / 3.92, 4.04eV),
n- GaAs (4.44, 4.31 / 3.54, 3.41eV), p- GaAs (5.14, 5.27 / 4.24, 4.37eV) .
例如, 对Si-SiO2-Al系统: Al的功函数是3.2eV, 与各种掺杂半导体的都不同, 故热平衡时半导体表面的能带将发生弯曲.
?p-沟耗尽型FET的制作技术:
先在n型衬底的表面上作一层薄反型层;
或用Al2O3 / SiO2 复合栅, 利用膜中的负电荷效应.
?表面使沟道载流子迁移率降低的原因:
①V GS 引起的纵向电场E x 把载流子吸到表面→表面散射使迁移率↓;
②V DS 引起的横向电场E y使迁移率与电场有关,甚至速度饱和(在短沟道
的小尺寸MOSFET中重要).
?阈值电压与温度的关系:
∵V T= V FB+ 2ψB - Q B(2ψB) / C i,
则dV T/ dT ≈ , 2 - Q B / ( 2 C iψB)- (dψB / dT ) ;
而ψB= ±( kT / q ) ln( N / n i ), n i∝T3/2 exp[-E g / 2kT] ,
dψB/ dT ≈ ± ( 1 / T ) ,│ψB│- E g / 2q };
∴dV T/ dT ≈ ± ( 1 / T ) * Q B / ( 2 C iψB) - 2 ] ×
×{│ψB│- E g(T=0) / 2q }.
可见: ①在温度升高时, E F趋于E i, 则表面更容易反型, 即V T降低, dV T / dT< 0 ;
②提高衬底掺杂时, E F趋于能带边, 使得E F随着温度的变化范围增大, 从而
V T的温度稳定性差.
[ n沟: N=N A, 取+; p沟: N=N D, 取-; 而且采用E g / 2kT >> 3/2条件.] ?MOSFET的性能与温度的关系:
都可通过S值、迁移率、阈值电压的各种温度关系来进行分析. 例如I D与T的关系为:
⑴在V GS较高时~ ( V GS - V T )比较大, 则V T 影响很小, 从而μ的温度关系使得
d I D < 0 ;
⑵在V GS较低时~ ( V GS - V T )比较小, 则V T 影响大, 使得 d I D > 0 ;
⑶在V GS中等时~ V T 和μ的温度关系都起作用, 使得 d I D≈ 0 . 这时MOSFET的
温度稳定性很好.
?MOSFET的击穿电压:
有D-S击穿和G-S击穿两种. 但因无二次击穿, 故MOSFET的安全工作区比双极型
器件的要大.
?MOSFET的源-漏击穿电压BV DS :
与漏p-n+结的雪崩击穿电压和源-漏穿通电压有关, 由其中的较小者决定.(对短沟道MOSFET, 还往往出现“沟道雪崩击穿”.)
①漏p-n+结的雪崩击穿电压~ 实际上低于单个p-n+结的击穿电压, 常常只有25~40V.
(因为栅电极覆盖在漏区部分的下面附加有额外的电场, 将首先发生击穿; 而且在截止时, V GS 为负, 这更将使击穿电压下降.)
②源-漏势垒穿通电压V PT~ 当源和漏2个耗尽区相连通时, 漏结中的电场即深入到
源结, 则源区的电子可直接被拉入到漏区而形成很大的电流. V PT与衬底掺杂浓度和沟道长度有关( 对短沟道、衬底低掺杂的MOSFET, 工作电压往往受到V PT的
限制) : 根据p-n+结耗尽层宽度= * 2ε( V bi– V ) / q N A ]1/2= 沟道长度L ,
得到V PT≈ ( q N A / 2ε) L2 .
?MOSFET的源-栅击穿电压BV GS :
由栅SiO2层的耐压来决定. 当SiO2层击穿时, 在击穿点将产生高电流密度( 106 ~ 1010 A/cm2 ) 和高温( 可达到4000 K ), 使器件损坏.
(因为MOSFET的C GS很小, 若有微量的电荷即可产生很强的电场, 从而引起击穿.
故存储和使用MOSFET时要小心.)
①在SiO2层厚度T OX =1000 ~ 2000 ? 时, BV GS = 100 ~ 200 V, 有关系
BV GS = E OX T OX , SiO2层的临界击穿电场E OX = 5×106 ~ 10×1016 V/cm .
②实际上, 因为SiO2的质量差别大, 故在设计T OX时应该留有50%的安全系数.
(例如, T OX =1500 ? 时, BV GS = 75 ~ 150 V .)
?栅跨导g m : 表征栅电压对漏极电流的控制能力, 越大越好.
非饱和区~ ∵I D≈ β, (V GS - V T ) V DS - V DS2- , β = Z μn C i / L ,
∴g m= βV DS∝V DS . 在电流饱和时, g m达到最大.
饱和区~ ∵I DSat= (β/2) (V GS - V T ) 2 ,
∴g m sat= β( V GS - V T ) ≡g m max∝V GS .
最大g m与S-D电压无关, 而随栅电压线性增大.
上述结论与实际情况的偏离:
㈠V GS的影响: 当V GS高到一定时, g m sat反而下降(是由于强的栅电场使μn
降低所致).
㈡V DS的影响: 当V DS高到一定时, 沟道载流子的漂移速度饱和、迁移率下降, 从而g m降低. (在漂移速度饱和时, 电流I D将降低*1+ μn V DS/( L v s ) ] –1倍;
相应地g m也降低* 1 + μn V DS/( L v s ) ] –1 倍.)
㈢串联电阻R S和R D的影响:
R S使得加到栅极上的有效栅-源电压降低为V GS’ = V GS– I D R S ,
R S和R D使得加到沟道上的有效漏-源电压降低为V DS’ = V DS– I D (R S + R D);
则非饱和区的有效跨导为g m’ = g m [ 1 + g m R S + g D(R S + R D) ]-1 ,
而饱和区的有效跨导为g m’ = g m [ 1 + g m R S ]-1 ,
其中g D=β( V GS - V T ) 是线性区的漏电导.
提高g m的措施:
㈠结构上增大β: 加大(Z/L) [例如采用LDMOS或VDMOS结构]; 提高μn [例如采用n-MOS结构]; 增大电容C i [例如采用薄栅氧化膜和高介电常数氧化膜].
㈡提高V GS : 要求栅极耐压高, 以提高饱和跨导.
㈢提高V DS : 要求S-D击穿电压高, 以达到饱和状态而获得最大的跨导(g m sat ).
㈣减小串联电阻R S和R D : 降低S和D区的体电阻以及欧姆接触电阻等.
?衬底跨导g mb :
考虑V BS的伏安特性, 可在以下一般MOSFET的伏安特性中, 把ψS= 2ψB 用
2ψB +│V BS│来代替即可.
I D=(Z μn C i / L) { (V GS - 2ψB - V D/2) V DS-(2γ/ 3)×*(V DS+ 2ψB)3/2 - (2ψB)3/2] }.
从而可求得g mb∝[(V DS+ 2ψB +│V BS│)1/2 - (2ψB +│V BS│)1/2 ] .
?漏电导g D: 表征S-D电压对漏极电流的控制能力.
①非饱和区~ g D=β( V GS– V T – V DS ) ∝( – V DS ), g D随V DS的增大而线性减小;
当V DS很小时, 在g D表式中可略去V DS, 即得到线性区的漏电导(正好等于g m sat )
g DL = β( V GS– V T ) .
而MOSFET的导通电阻R on = V DS / I D ](V DS很小) = 1 / *β( V GS– V T )] .
可见:线性区的漏电导正好等于导通电阻R on的倒数; 有g m sat = g DL= 1/ R on.
( 实际MOSFET的导通电阻应该= R on + R S + R D .)
②饱和区~ 理想MOSFET的饱和特性与V DS无关, 则饱和区的漏电导= 0, 动态电阻
为∞ . 但实际上特性并不饱和(沟道长度调制效应和漏区电场静电反馈效应所致), 故动态电阻为有限值.
?“亚阈” 概念~
在V GS≤V T 、但ψS ≈ ψB(即表面为弱反型) 时, 器件仍通过一定的电流~ 亚阈
电流. 该状态具有低压和低功耗优点→逻辑应用很好.
?亚阈电流与栅电压的关系:
①因ψS = V GS – V T , 则I D∝exp( qψS / kT ) ∝exp( q[V GS – V T] / kT ) ;
但在V GS > V T ( 即ψS > 2ψFB ) 时, I D与V GS有线性或平方关系(非亚阈电流).
②在V DS > 3kT/q 时, I D 与V DS的关系不大.
③在实际工作电压范围内, I D 基本上决定于V GS (有指数关系).
?影响S值的有关因素:
①衬底反偏压的影响: 使C D 减小, 则S↓;
②界面陷阱的影响: 将增加一个与C D 并联的陷阱电容, 使S↑;
③温度的影响: T↑使S↑.
因此, 为了提高MOSFET的亚阈区工作速度(减小S), 就应当加上一定的衬偏电压和减小界面陷阱.
?结构设计考虑要点:
①减小沟道长度L, 以提高增益、跨导和改善频率响应;
②减小源和漏的结深r j , 以削弱短沟道效应;
③减小寄生电容等, 以提高f T ;
④增大宽长比Z/L, 以降低导通电阻、增大电流容量和提高饱和区的跨导;
⑤提高电压和电流, 以提高功率.
?HMOS (high-performance MOS) 的优点和缺点:
单注入HMOS的优点~ 用浅注入来控制V T; 等效使源和漏的结深减小, 短沟道效应减弱.
双注入HMOS的优点~ 浅注入层用来控制V T, 深注入层用来防止S-D穿通; 等效使源和漏的结深减小.
缺点~ 使半导体表面势垒电容增加, S值增大, 亚阈特性变差.
?凹沟MOSFET (recessed-channel MOSFET) 的优点和缺点:
优点~ 等效使源和漏的结深减小, 短沟道效应减弱.
缺点~ V T的控制较困难(因为V T主要决定于A和B点处的形状与SiO2层的厚度);
热电子注入到SiO2中的可能性增加.
?Schottky势垒源和漏的MOSFET的优点和缺点:
优点~ 等效使源和漏的结深→0, 短沟道效应很弱; 源和漏接触的高导电性, 使串联电阻降低; 源和漏接触的制作不需要高温退火, 保证了SiO2层的质量不变和几何图形不发生畸变; 对单极性的CdS等半导体, 可用此接触来克服制作p-n结的困难. 缺点~ 为了提高V DS, 要求表面处理工艺高; 对Si-MOSFET而言, 一般只能作成p- 沟MOSFET (因为电极材料常用的是PtSi, 与p-型Si的Schottky势垒高度只有
0.25eV, 与n-型Si的Schottky势垒高度有0.85eV).
?双扩散横向MOSFET (LDMOS) 或双注入MOSFET (DIMOS) 的优点和缺点:
这是功率MOSFET和功率IC的基本结构.
优点~ 沟长L与光刻精度无关(主要决定于杂质扩散精度或多晶硅栅掩蔽注入的精度), 则可控制L到1μm以下; 较高掺杂的p+区把源区和漏区隔开来了, 使S-D 之间不容易穿通, 则耐压提高; 轻掺杂n-区的表面导电很好, 电子容易达到饱和速度; n-区可承受较高的电压, 则提高了击穿电压; 在漏结附近, 击穿电压提高, 而电离倍增和热电子注入效应降低; 电极均在同一表面上, 容易集成.
缺点~ V T的控制较困难(V T主要决定于p+区表面的掺杂浓度); 沟道区是高掺杂区, 表面电容较大, 则S值较大, 亚阈特性较差; 管芯占用面积较大, 频率特性也受到影响.
?绝缘栅双极型晶体管(IGBT) 的优点和缺点:
优点~ p+漏区往沟道注入空穴, 使n-区表面电导调变, 导通电阻降低, 比较好的克
服了LDMOS导通电阻高的缺点; 较宽的n-区可承受很高的电压, 使耐压提高; 若把漏区再加进几个n+层,使漏结对电子的阻挡作用降低,则可进一步减小导通电阻. 缺点~ 因为有两种载流子参与导电, 则器件的工作速度将要受到少数载流子寿命的限制(少子存储使关断时间增长); 存在有寄生晶闸管——MOS栅控的p+npn+四层可控硅结构, 使得最大工作电流受到此寄生晶闸管闭锁效应的限制(可通过
短路发射结来消除).
?垂直导电扩散MOSFET (VDMOSFET) 的优点和缺点:
这也是功率MOSFET的一种基本结构.
优点~ 比LDMOSFET占用的面积小, 相应频率特性也得以改善; L与光刻精度无关, 可使L减短; n-漂移区使S-D不容易穿通, 则耐压提高; 可多个单元并联, 使电流容量增大; 采用六角形分布的图形(HEXFET), 可使沟道宽度增大, 导通电阻降低;
工艺上也与LSI多晶硅技术相容.
缺点~ 从工作原理上, VDMOSFET = MOSFET + JFET, 而n-漂移区相当于JFET 的沟道, 因此n-漂移区的宽度和掺杂浓度对器件性能的影响较大; 因为n-漂移区的电阻率较高(无电导调变), 而且p区下面有的部分未导电, 故导通电阻仍然比较大, 影响输出功率; p-n- 结的耐压以及表面击穿对器件的影响较大.
[注]: 若把漏极的n+区改换为p+区, 则成为垂直导电的IGBT, 有较小的导通电阻; 但是开关速度却有所降低.
?垂直导电V形槽MOSFET ( V V - MOSFET) 的优点和缺点:
优点~ 基本上与VDMOSFET的相同.
缺点~ 导通电阻仍然是比较大(理由相同); V形槽的顶端存在很强的电场, 对器件的基础电压有很大影响; V形槽的腐蚀不容易控制, 而且栅氧化层是曝露的, 容易受到离子沾污, 使阈值电压不稳, 可靠性降低.
[改进的结构]: (着眼于降低导通电阻)
①采用U形槽(为VU-MOSFET) : 电流在n-漂移区的扩展较好, 导通电阻较低,
电流容量大(但仍然在p区下面有部分区域未导电); 而且U形槽的腐蚀也不容易控制, 而且栅氧化层也是曝露的.
②把漏极的n+区改换为p+区, 则成为垂直导电的V形槽或U形槽IGBT, 具有很小的
导通电阻.
[注]:制作V形槽或U形槽的工艺技术~ Si衬底片采用(100)晶面,腐蚀出的沟槽表面为(111)晶面( 两种晶面的夹角为54.74 O C ) .
?埋沟MOSFET的特点:
①在沟道区注入与衬底相反型号的杂质(设注入剂量为N I) 而构成
→ 沟道在体内→ 迁移率μ较高;
②沟道区内有2个耗尽区: 表面耗尽区受栅压控制, 下面的耗尽区受衬偏电压控制,
其间是导电沟道(设沟道中单位面积的电子电荷为Q n);
③多作成耗尽型(也可实现增强型).
小尺寸MOS效应
?[注] 不讨论L< 0.1μm 的MOSFET ~
在L< 0.1μm时, 因载流子的渡越时间和散射持续时间, 都与载流子的平均自由
时间相当, 则问题变得很复杂: 经典输运方程失效; 强电场产生瞬态输运; 衬底较
高掺杂和栅SiO2 层较薄, 导致沟道电子的表面量子化.
?阈值电压的短沟道效应:
* 物理本质~表面沟道下的耗尽层与p-n+结的耗尽层有部分重叠→部分电荷“共享”
→使V T 降低(沟道越短, 共享电荷所占的比例越大, 则V T 降低得越多).
* Poon-Yau模型~
因沟道下梯形耗尽区中的电荷为:
Q B = (沟道下矩形耗尽区中的电荷) -(2个三角形中的电荷)
= q N A d { 1 - ( r / L ) [ ( 1 + 2d / r )1/2 - 1 ] } ,
则V T= V FB+ 2ψB + Q B / C i= …… ;
V T 的降低: ΔV T = - [ q N A d / (C i L) ] · { ( 1 + 2d / r )1/2 - 1 } .
?阈值电压的窄沟道效应:
* 物理本质~ 栅极的“边缘场”使场氧化层下的表面耗尽区的空间电荷有所增加
(产生额外电荷ΔQ ) → V T增大. 栅极宽度Z越小, ΔQ占总空间电荷的比例越大,
NWE的影响越大.
* Jeppson简单模型~ 认为ΔQ是(ξd ) 部分的电荷(ξ= 1.2~1.5), 则
ΔV T = ( q N Aξd2 ) / ( C i Z ) ,
V T= V FB+ 2ψB + q N A d / C i+ ( q N Aξd2 ) / ( C i Z) .
* Akers模型~
对正方形ΔQ = 2 q N A d 2 ,
对三角形ΔQ = q N A d 2 ,
对1/4圆形ΔQ = q N Aπd 2 / 2 ;
V T= V FB+ 2ψB + q N A d ( 1 +ξd / Z ) / C i,
ξ= 2 (正方形), 1 (三角形), π/2 (1/4圆形) .
?DIBL效应:
* 要点~
①L减小、V DS 增加→ 漏与源的耗尽区靠近→ 电力线可从漏穿越到源
→源端势垒降低→从源注入到沟道的电子增加→ I D 增加~ DIBL 效应.
②L越小, DIBL越显著.
③短沟MOSFET工作在阈值电压附近时, DIBL很严重.
④在分析时, 除要考虑电场E y , 还要考虑E x ( V GS 和V BS 的共同作用),
则是一个二维问题.
* DIBL效应的影响~
①使阈值电压V T 降低:
ΔV T = -ηV DS , η称为DIBL系数(亚阈区) .
②限制着小尺寸MOSFET 进一步缩小尺寸: 因为当L很小, I D 增加很大→
器件不能关断( DIBL是限制MOSFET尺寸缩小的一个基本因素).
?空间电荷限制的漂移电流J SP ~
∵d E / dy = - q n / (εε0 ) ,
则J SP = - q n μn E= εε0μn E ( d E / dy ) ,
E= - { 2 J SP y / (εε0μn ) + E0 }1/2≡- dV / dy ,
E0 是源端的电场(可略去) ;
∴J SP= q εε0μn V DS2 / ( 8 L3 ) ∝V DS2 / L3 .
?[注]: x s 是注入深度; W m是表面耗尽层厚度;
D I = (N S-N B) x s 是均匀掺杂时的注入剂量;
对非均匀掺杂时的注入剂量, 需用[N(x)-N B] 的积分来计算.
?几种典型的沟道掺杂情况:
①浅注入(x s< 界面的正电荷减少q D I→ 平带电压增加q D I / C i, 产生ΔV T = q D I / C i . ②深注入((x s>>W m): 表面反型层和耗尽层都在注入区内→相当于衬底掺杂浓度 提高→ 使V T↑和I D↓, 故一般不用深注入. ③实际上常常是x s≈W m情况: 可把耗尽层分为注入区和非注入区来分析, 使V T↑ .?短沟道MOSFET的速度饱和效应: 经验的速度-电场关系为: 当E y< E C时, v = μn E y / ( 1 + E y / E C) ; 当E y> E C时, v = v s . ( E C 是速度饱和临界电场[对Si约为5×104V/cm].) 计入速度饱和效应, 电流将减小( 1 + V DS / L E C ) 倍: I D = (Z / 2 L) μn C i(2 V’GS - V DS2 ) ( 1 + V DS / L E C ) -1, ( V’GS 是夹断饱和电压) ; 速度饱和电流( E y(L) = E C 时) 为 I’Dsat = (Z / 2 L) μn C i(2 V’GS - V’Dsat2) ( 1 + V’Dsat / L E C ) -1 = Z v s C i(2 V’GS - V’Dsat ) . ∴速度饱和电压为V’Dsat= ( V’GS L E C ) / ( L E C + V GS’ ) ; I’Dsat = Z v s C i V’GS2 / ( L E C + V’GS ) . ?MOSFET的饱和机理: ①对长沟器件, L E C >> V’G , 则为夹断饱和: V’Dsat= V’G, I’Dsat ∝V’GS2; 如在沟道未夹断饱和前就已速度饱和, 则失去平方关系. ②对短沟器件, L E C << V’GS ,则为速度饱和: V’Dsat =L E C , I’Dsat = Z v s C i V’GS ( “速度饱和电流= 沟道电荷×饱和速度”, 可忽略电荷沿沟道的变化). ?[计算例] 对n沟道-MOSFET, 已知W = 30μm, L = 1 μm, μn = 750 cm2/ V-s, C i = 1.5×10-7 F/cm2, V T = 1 V . 计算: ①对长沟道器件, 在V GS = 5 V 时的I Dsat = ? g m = ? ②对速度饱和时的器件, I Dsat = ? g m = ? 解: 对长沟道器件有: I Dsat= ( W μn C i / 2L ) ( V GS - V T )2= 2.7×10-2 = 27 mA , g m = ( W μn C i / L ) ( V GS - V T ) = 1.35×10-2 S . 对速度饱和( v s = 9×106 cm/s ) 的情况有: I Dsat = W v s C i( V GS - V T ) = 1.6×10-2 = 16 mA , g m = W v s C i= 4.05×10-3 S . ?短沟道MOSFET的速度饱和区: 该区电场强, 不能用缓变沟道近似. 采用准二维分析给出: ①饱和区输出电阻R0随V DS而增加(但实际上由于热电子效应和DIBL效应, R0 将 有所降低); ②漏端的电场E m 与E C 和V DS有关, 对短沟器件, 易出现E m >> E C 情况: E m≈ ( V DS - V’Dsat ) / λ, λ反映了速度饱和区的长度, 与SiO2层厚度d ox 和结深X j 有关, 经验关系为 λ≈ 0.22 d ox1/3X j1/3(对d ox > 15nm ); λ≈ 0.017 d ox1/8X j1/3 L1/5(对d ox < 15nm, L < 0.5μm ). E m 很强→漏端附近形成热电子, 碰撞电离→产生较大的衬底电流和热电子 注入SiO2层→器件性能变坏. ?热电子效应: 现象~ 漏端高电场→ 热电子→ ①碰撞电离→电子进入I D, 空穴流入衬底而形成衬底电流I b →可用I b 来监控沟道热电子和漏区电场的情况; ②电子注入栅SiO2层→形成I G 和引起界面陷阱(使V T变化, g m↓和S↑) →器件性能退化与I G有关(与较大的I b 无关) . 影响~ ①I b 流过衬底而产生压降→使源-衬底结正偏→形成“源-衬底-漏”(n-p-n) 的寄生晶体管→与原来的MOSFET并联→使短沟器件易发生漏源击穿和I-V曲线回滞; 在CMOS电路中将导致闭锁效应. ②热电子注入栅极将严重影响MOS-LSI的可靠性~ 热电子退化(热电子打断界面 上的Si-H键, 产生界面陷阱→随着H往SiO2中扩散, 界面态密度N it随时间增加, 直到LSI失效) . ?MOSFET性能的热电子退化: ⑴热电子退化的检测: ∵I b = C1 I D exp (- E i / q Eλ) *碰撞电离过程] , I G = C2 I D exp (- E b / q Eλ) *越过界面势垒的注入过程] , ∴( I G / I D ) = C2 ( I b / [ C1 I D ] ) p , p = E b / E i . 故通过检测I b , 可知道MOSFET的性能退化情况. ⑵热电子退化的MOSFET寿命τ : 类似热氧化速率过程, 有N it = C3 { t ( I D / Z ) exp (- E t / q Eλ) -n , E t≈ 界面势垒激活能3.2eV + Si-H键离解能0.3eV, n = 0.5~0.75 ; τ是N it 或ΔV T (∝N it ) 达到某个失效标准时的时间. 选n=2/3, E t / E i =2.9 , 得τ= F ( Z / I D ) ( I b / I D )-2.9(ΔV T )1.5 ; 又根据I b = ( M - 1 ) I D , 有τ∝( Z / I D ) ( M - 1 )- m , m = 2.9 . ?沟道(雪崩)击穿现象: 在短沟道MOSFET中, V DS在沟道中建立起强的电场, 可使沟道中的载流子通过碰 撞电离和雪崩倍增而产生大量的电子-空穴对(在漏端夹断区更明显); 从而导致I D剧 增(对n-沟器件, 倍增出的电子被漏极吸收所致) 而击穿, 并同时产生一部分寄生衬 底电流(空穴被衬底吸收所致). ?沟道雪崩注入效应: ①现象: 在沟道中, 由于漏结雪崩击穿或沟道击穿倍增出的载流子, 若在2次碰撞之 间积累起的能量足以跨越Si-SiO2界面势垒(电子势垒=3.15eV, 空穴势垒=3.8eV), 则这些热载流子就有可能注入到栅氧化层中去(电子注入的几率比空穴要高3个数 量级~ 因为电子与空穴的平均自由程不同). ②p-沟器件的雪崩注入现象要强于n-沟器件: 对p-沟器件, 当漏结雪崩击穿时, 栅电位高于漏电位, 则电场方向由栅氧化层指向半导体表面, 因此对电子注入起促进作用, 而对空穴注入起抑制作用; 对n-沟器件, 电场的方向和作用恰巧相反. ③S-D击穿特性蠕变(Walk-out): 载流子注入到栅氧化层→栅氧化层电荷屏蔽栅电 场而使漏电场减弱→为了使漏电场维持临界击穿电场, 就必须提高漏电压→击穿 电压向更高方向移动(击穿时电流越大, 注入到栅氧化层的电荷越多, 移动就越快). ④重要应用: 制作浮置栅雪崩注入MOS器件, 用于存储器中, 并制成了可擦除、 可编程的只读存储器(EPROM) 等. ?浮置栅雪崩注入MOS器件(FAMOS ) : 结构~ 采用p-MOSFET结构, 只是增加一个多晶硅浮栅; 该浮栅由优质SiO2包围之, 可保存电荷. 工作~ 常态为截止状态(无沟道). 当V DS足够大( 如-30V ) 时, 漏结发生雪崩击穿, 倍增出大量的电子-空穴对; 其中空穴进入衬底, 而部分高能电子可越过势垒注入浮栅; 当浮栅所带的负电荷足够多时, 即使半导体表面反型而形成沟道, 从而使器件导通. 这就是说, 器件开始时是截止的, 发生雪崩注入后才导通. 存储在浮栅中的电子可用紫外光照射来释放(因电子吸收光子后可越过势垒进入SiO2层, 然后再进入衬底而释放). ?叠栅雪崩注入MOS器件(SAMOS) : 结构~ 在FAMOS的浮栅之上的SiO2层表面上, 再加上一个控制栅即构成. 工作~ 常态亦为截止状态(无沟道). 当增大V DS使漏结发生雪崩击穿时,可在控制栅上加正电压以加强电子往浮栅的注入; 则可在较低的V DS电压下, 注入较多的电荷到浮栅中而使器件导通. 因此, SAMOS的工作电压较低. SAMOS浮栅中的电子, 可通过在控制栅上加较大的偏压迫使它们通过外栅释放出来. ?高介电栅材料(高K材料) 举例: 现在受到较大关注的高k材料是HfO2 和HfAlO, 但仍未付诸实用。 其他有如PZT(PbZr x Ti1-x O3), LAO(鋁酸镧), SBT(SrBi2Ta2O3), LAON(镧鋁氧氮)等. ?互补NeuMOSFET在IC中应用的长处: 可以大大提高集成度, 例如: 3bit A/D转换器~ 用16个NeuMOSFET(原来用174个MOSFET)。 8输入XOR(异或)电路~ 用20个NeuMOSFET(原用2千多个MOSFET)。 ?CMOSFET: ①重要性~ 用短沟MOSFET构成的CMOS结构, 是逻辑电路、存储器和微处理器 等LSI中的基本单元. ②工作~ 当输入V in是0或小的正值时, p-管导通, n-管截止(输出高电平); 当V in 是 大的正值(V DD) 时, p-管截止, n-管导通(输出低电平). ③优点~ a) 因在电源V DD和地之间的2个FET, 在任何逻辑状态时总有一个是截止 的→ 稳态电流总是很小的泄漏电流(只有在开关过程中2个FET都处于导通状态时才有明显的电流) → 平均静态功耗很低(mμW数量级). b) 具有宽的电源电压范围和宽的输出电压幅度(无阈值损失). c)具有高速度和高密度潜力, 与TTL兼容. ?CMOSFET的工作特性: ①当输入电压处在2个单位增益点之间时, 会放大信号噪声, 引起误差~ 噪声容限小; 故2个单位增益点之间的间隔应越小越好→传输特性最好是接近V T=0.5V DD 曲线. ②一般取V DD > 4 V T , 原因: a)使CMOS电路速度快(应当V DD >> 2 V T); b)使噪声容限不要太小(V DD 应尽量接 近2 V T ); c)作为CMOS传输门, 为了减小RC时间延迟. ?n- 阱CMOS工艺存在的问题: 有2个寄生晶体管, 构成p-n-p-n反馈回路(SCR) → 可产生闭锁效应使电路失效. 防止措施: 减小各个寄生晶体管的β, 减小衬底和n-阱的电阻(R sub, R well) → 采用 SOI-CMOS工艺. ?RF-CMOS集成电路: ①n-MOSFET的工作频率很高, p-MOSFET的较低~ 对L eff=0.25μm, n-MOST可 达40GHz, p-MOST可达20GHz; 对L eff=0.18μm, n-MOST超过了50GHz, 可与 SiGe技术相比. ②降低RF-MOSFET噪声的措施~ 要求 a) I ds适当, f↓, L g↓; b)减小栅极的寄生电阻(热噪声↓); c)MOST的最优噪声 阻抗= 源端阻抗50Ω(对0.8μm器件, 需要40个10μm长的栅条; 对0.18μm器 件, 只要5个栅条即可). 对于L g=0.15μm的n-MOST, 在2GHz下, F min <1.4dB, 最高功率增益G max达15dB; 相应的p-MOST, F min =2.8dB, G max =13dB. ③如何提高RF-CMOSFET集成电路的频率? ——主要在于提高p-MOSFET的频率: 采用应变Si/SiGe异质结, 提高空穴的迁移率→p-MOSFET的频率与n-MOSFET的 相当. ?CMOSFET的放大性能~ 跨导: a)栅氧化层厚度:按比例缩小时,为抑制短沟效应,要求栅氧化层厚度与沟道 长度L eff比例地减薄(一般,L eff / d OX = 40~50)→ 电场↑→ μ↓,速度饱和 →跨导g m增加小→ 可增大器件的宽长比来提高g m。 d OX按比例缩小时,C GS随着L eff的减小近似为常数;栅结点的等效电容约为 (2 f F / μm)。 b)跨导电流比:g m / I ds =(V GS-V T)-1; 实际上,g m / I ds还近似与L eff 成反比。 在L eff= 0.8μm时, g m / I ds = 3 V-1; 在L eff= 0.18μm时, g m / I ds = 25 V-1 ( 不可能增加到超过BJT的38 V-1 ) . ?SOI-MOSFET的结构: 有正面栅极和背面栅极; 相应有正栅氧化层和背栅氧化层; 根据Si层厚度与表面耗 尽层厚度的相对大小, 有3种类型SOI-MOSFET: ⑴厚膜SOI-MOSFET ~ 有源硅膜层较厚, 在正面耗尽层和背面耗尽层之间存在有导电的中性区. 若中性区接地, 则特性几乎与体硅MOSFET的相同; 若中性区浮空, 则S-D之间形成一个 寄生n-p-n晶体管, 影响器件特性. ⑵薄膜SOI-MOSFET ~ 若背栅加较大的负偏压或正偏压, 可有耗尽、积累和反型3类状态. 反型类器件因夹不断而不用; 耗尽类器件因具有优异的短沟特性和近似理想的亚阈斜率等优点而在VLSI中用得较多. ⑶中等膜厚SOI-MOSFET ~ 决定于不同的背栅电压, 器件可呈现为厚膜FET, 也可以呈现为薄膜FET . ?注: 正栅和背栅分别有相应的平带电压V FB 和氧化层电容C i ; 硅薄膜的一些物理量: Fermi势ψB, 单位面积电容C s = εε0 / t s , 耗尽电荷Q B = - q N A t s . ?注: ①对厚膜(体硅)SOI-MOSFET: α1 = C D / C if , C D= εε0 / X d , 其中X d 是硅薄膜表面耗尽层的最大厚度. ②对背面全耗尽的薄膜SOI-MOSFET: α2 = C S C ib / [ C if ( C S + C ib ) ] , 硅薄膜厚度t s < X d . ③对背面全积累的薄膜SOI-MOSFET: α3 = C S / C if . 在栅氧化层厚度和硅膜掺杂浓度相同的情况下有: α2< α1<α3 . ?SOI-MOSFET的亚阈区摆幅: * 厚膜SOI器件(等效于长沟MOSFET)的亚阈值斜率~ S = ( kT/q ) ( ln 10 ) dV G/ dψS = ( kT/q ) ( ln 10 ) (1 + C D / C i ) . * 薄膜SOI器件(背面全耗尽)的亚阈值斜率~ ∵dV Gf/ dψSf = 1 + C S C ib / [ C if ( C S + C ib) + ≈ 1 , ( C ib << C S , C ib<< C if) ∴S ≈ ( kT/q ) ( ln 10 ) . * 亚阈值斜率的统一表示~ S ≈ ( kT/q ) ( ln 10 ) ( 1 + α) , α2< α1<α3 . ?SOI-MOSFET中的热电子效应: 热电子主要发生在沟道夹断区(高电场区). ①促进“单晶体管的闭锁效应”~ SOI-MOSFET中的n+-p-n+寄生晶体管→ 在沟长L很小时, 可放大基极电流( 即漏端高场区碰撞电离产生的空穴电流) →使漏极增加一部分电子电流: 若漏端高场区电场强, 电离倍增因子M大, 使β( M - 1 ) > 1 , 则正反馈作用致使MOS器件无法关断~ 闭锁. ②SOI-FET的击穿电压~ 决定于寄生晶体管(基区浮空)的BV CEO : ∵寄生晶体管的击穿条件是(αnpn) M ≈ 1 - ( L2 / 2 L n2 ) M = 1 , 而倍增因子M = [ 1 - ( BV CEO / V Dsub )n ]-1 , n = 2 ~ 6 ; ∴SOI-FET的击穿电压V B = BV CEO ≈ ( 2 )-1/n V Dsub( L / L n )2/n . 可见: 当( L n > L )时, 即器件沟道很短或SOI材料的电子寿命很长时, 热电子将使器件的击穿电压降低. ( V Dsub 是漏-衬底结的击穿电压.) ③SOI-FET的热电子退化寿命τ ~ 热电子注入栅氧化层限制的器件寿命τ∝( Z / I D ) ( M - 1 )-m, m≈3, 而( M - 1 ) = ( A1 / B1 ) ( V D - V Dsub ) · exp [ - B1 L C / ( V D - V Dsub ) ] , ( 特征长度L C = t S, βC S / [ 2 C if ( 1 + α) + -; 电离常数A1≈1.4×106cm-1, B1≈26V/cm ; 背面全积累时β=1, 背面全耗尽时β=1+ C S / [ C S + C if ] ). 可见: 背面全耗尽SOI-FET的热电子退化效应较弱, 器件寿命较长. 石材的物理化学性能及分类的概述 ⑴花岗石简述 ①花岗石的物理及化学性能: a、化学成份:花岗石(麻石)属深层火成岩,其主要组成为长石、石英和少量云母,主要化学成份为SiO2,约占65%-75%,花岗石因为含有铁、铜、铬、锰、碳等元素而显现华丽的色彩。同时,部份金属化合物可以提高花岗石的抗磨性。 b、物理结构:颗粒状的天然石矿,故其质地异常坚硬;花岗石的晶体粗大而致密,抗压强度很高(120-300Mpa),硬度大(S.H75-110),优质的花岗石经细致磨光及晶硬处理后,光泽度可达110-120度。是高级的建筑装饰材料。花岗石虽然结构致密,吸水率低(0.1%-0.7%),但花岗石属于酸性岩,亲水性,水份子可以通过晶隙的毛细孔渗透,所以在有地下水或曾用大量水洗地后的花岗石地面,石与石之间接合的地方会出现明显的水痕,因此花岗石应尽量减少水份在上面停留的时间。 ②花岗石的分类:在花岗石结构中,二氧化硅形成石英晶体,其他成份形成长石晶体及云母晶体,石英非常坚硬,长石稍软,而云母属片状晶体,稍有磨擦都会脱落而形成凹入的麻点,因此花岗石的云母成份多及云母晶粒大将影响其价值。花岗石可以将其归纳为粒晶花岗石和絮晶花岗石。 a、粒晶花岗石:此类花岗石是由岩浆的核心部份,在高温高压的环境下慢慢冷却而成。粒晶花岗石的石英、长石、云母晶体分布均匀,令石面出现有规律的亮点,甚至耀斑。如果云母晶体粗,则麻点明显。粒晶花岗石硬度高,经细致的打磨及优质晶硬处理后,平滑如镜,在均匀的色调下闪闪生辉,分外堂皇、华贵。粒晶花岗石的石英晶体非常坚硬,但长石晶体较软,再加上有云母形成的麻点,如没有合理的保养,很快就会变得凹凸不平,甚至变成粗麻石,简直暴殄天物。目前最佳的保养方式是晶石处理。常见的粒晶花岗石: 大花白、印度红、四川红、万年青、啡钻、金沙黑。 b、絮晶花岗石:此类花岗石是岩浆外层,在高温高压及有地下水的环境下慢慢冷却而成。由于有地下水,所以二氧化硅形成伸展型絮状石英晶,缠绕性地分布在其他晶体之中。同时,铁、铜、铬、锰、碳等元素的化合物可以渗入晶体之间,形成变化万千的色彩和时隐时现的纹理,使絮晶花岗石兼备了花岗石的坚硬及云石的多姿多采而成为高级的建筑装饰石料。絮晶花岗石还有一个特点,石面经细致的打磨及抛光之后会出现微细的酒涡状,圆润的凹面,使地面呈现出远看明亮清晰,近看略带朦胧,经晶石处理后,给人一种浪漫的情调。絮晶花岗石的石英分布不均匀,石英越少的部位越容易磨损,如果没有合理的保养,石面很快就会变成不规则的波浪形,非常可惜。目前最佳的保养方式是晶硬处理。 物理化学基本原理在环境工程专业的应用摘要:我国环境污染越来越严重,许多环境问题急需解决,而物理化学提供了许多基本原理,我们可以运用这些原理来解决环境问题,本文中介绍了几种处理环境问题的物理化学的基本原理以及介绍了物理化学对环境保护做出的贡献。 关键字:物理化学环境工程化学固化土壤淋洗动电修复贡献 物理化学是在物理和化学两大学科基础上发展起来的。它以丰富的化学现象和体系为对象,大量采纳物理学的理论成就与实验技术,探索、归纳和研究化学的基本规律和理论,构成化学科学的理论基础。物理化学的水平在相当大程度上反映了化学发展的深度。 物理化学的研究内容大致可以概括为三个方面:化学体系的宏观平衡性质,以热力学的三个基本定律为理论基础,研究宏观化学体系在气态、液态、固态、溶解态以及高分散状态的平衡物理化学性质及其规律性。在这一情况下,时间不是一个变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学热力学。溶液、胶体和表面化学。化学体系的微观结构和性质以量子理论为理论基础,研究原子和分子的结构,物体的体相中原子和分子的空间结构、表面相的结构,以及结构与物性的规律性。属于这方面的物理化学分支学科有结构化学和量子化学。化学体系的动态性质研究由于化学或物理因素的扰动而引起体系中发生的化学变化过程的速率和变化机理。在这一情况下,时间是重要的变量。属于这方面的物理化学分支学科有化学动力学、催化、光化学和电化。随着学科的交叉,渗透与融合的不断深入,物理化学也显得越来越重要了,它不仅在化学,还在生命、材料、能源、环境等领域中也发挥着重要作用。在此,我们介绍一些物理化学基本原理在环境方面的应用。 一,环境工程中的物理化学技术 1,化学固化 在重金属污染土壤修复技术中运用化学固化,固化的方法就是加入土壤添加剂改变土壤的理化性质,通过重金属的吸附或沉淀作用来降低其生物的有效性。污染土壤中的毒害重金属被固定后,不仅可减少想土壤深层和地下水迁移,而且可能重建植被。固化方法的关键在于成功地选择一种经济而有效的固化剂,固化剂的种类很多,常用的主要有石灰、磷灰石、沸石、磷肥、海绿石、含铁氧化物材料、堆肥和钢渣等,不同的固化剂固定重金属的机理不同,如施用是非主要通过重金属自身的水解反应极其与碳酸钙的共沉淀反应机制降低土壤中的重金属的移动性,沸石是碱金属或碱土金属的水化硅酸盐晶体,含有大量的三维晶体结构、很强的例子交换能力及独特的分子结构,从而通过离子交换吸附和专性吸附降低土壤中的重金属的有效性,向土壤添加富含铁锰氧化物的物料,铁锰氧化物能专性吸附重金属,使其生物有效性降低,大多数重金属磷酸盐的溶解度很低,因此有关羟基磷灰石对重金属的固化效果、机理和影响因素报道很多。固化方法能在原位固化重金属,从而大大降低成本。但是固化方法并不是一个永久的措施,因为重金属知识改变其在土壤中的存在形态,仍留在土壤中。 2,土壤淋洗 土壤淋洗是通过逆转离子交换、吸附、沉淀等反应机制,把土壤固相中的重金属转移到土壤液相。将挖掘出的地表土经过初期筛选去除表面残渣,分散土壤大块后,与一种提取剂充分混合,经过第二步筛选分离后,用水淋洗出去残留的提取剂,处理后“干净”的土壤可归还原位被再利用,富含重金属的废水可进一步处理回收重金属和提取剂。土壤淋洗技术的关键是寻找一种提取剂,既能提取各种形态的重金属,又不能破换土壤的结构。提取剂很多,包括有机或无机酸、碱、盐等。 3,动电修复 动电修复是指在污染土壤中插入电机对,并通过低直流电,污染物在电场作用下向电机室运输,从而通过工程化的手机系统手机起来,进行集中处理。在电场作用下,污染物主要 21世纪物理化学的发展趋势 现代物理化学是研究所有物质体系的化学行为的原理、规律和方法的学科。捅盖从微观到宏观对结构与性质的关系规律、化学过程机理及其控制的研究。它是化学以及在分子层次上研究物质变化的其他学科领域的理论基础。在物理化学发展过程中,逐步形成了若干分支学科:结构化学,化学热力学,化学动力学,液体界面化学,催化,电化学,量子化学等。20世纪的物理化学随着物理科学发展的总趋势偏重于微观的和理论的研究,取得不少起里程碑作用的成就,如化学键本质、分子间相互作用、分子结构的测定、表面形态与结构的精细观察等等。目前看来有三个方面的问题:一是宏观和介观研究应该加强;二是微观结构研究要由静态、稳态向动态、瞬态发展,包括反应机理研究中的过渡态问题,催化反应机理与微观反应动力学问题等;三是应该参与到复杂性研究中去,在物质体系中化学复杂性是直接关系人类生存与进步的,也是可以用实验方法研究的。总之,留给21世纪物理化学家的问题甚多。 1.结构化学 结构化学研究从单纯为了阐明分子结构已发展到研究物质的表面结构、内部结构、动态结构等。结构分析可借助于现代波谱技术和衍射分析来进行,最直接的测定是晶体结构分析,它可分为两类,即x-射线衍射分析和显微成像方法。能“看到”原于的原子层次分辨的各种显微技术将会给结构化学家提供有力的武器,来探索生物大分子、细胞、固体表面等的结构和变化。1982年诺贝尔化学奖得主A.Klug开创了“晶体电子显微学”,并用于揭示核酸蛋白质复合物的结构。这种三维重构技术使电子显微镜的视野从二维空间发展到三维空间。A.M.Cormack发明了X-射线断层诊断仪(CT)用于医学诊断,获得1979年诺贝尔生理学或医学奖。总之在结构化学领域随着分析仪器和测定精度的日新月异,新型结构分析仪器的不断推陈出新,结构化学在21世纪将会大展宏图。生物大分子的结构研究过去主要依赖x-晶体结构分析做静态研究。由于实际上它们都是在溶液中发挥功能,而且它们的结构是易变的,所以20世纪后期用核磁共振谱法研究大分子在溶液中的动态结构引起人们重视(R.Ernst,1991年诺贝尔化学奖)。催化剂研究推动了表面结构研究,用STM或AFM以及其他谱学方法研究催化表面的结构以及催化过程,也都有重要成果。 2.化学热力学 这是物理化学中较早发展起来的一个学科。它用热力学原理研究物质体系中的化学现象和规律,根据物质体系的宏观可测性质和热力学函 “材料制备过程物理化学”研究梯队简介 梯队负责人:邢献然教授 梯队成员:邢献然,于然波,陈骏,刘桂荣 研究方向:相图与相结构,冶金热力学与冶金过程反应机理, 负热膨胀、新型功能材料与稀土材料制备过程物理化学 梯队简介: 材料制备过程物理化学是运用现代物理化学手段对冶金和材料制备过程的物相变化和反应机理进行深入研究,以期探讨物相在有价元素提取和功能化合物制备过程中的演变规律和复杂反应历程。主要成果如下: 1) 钛铁矿(FeTiO3)高温预氧化过程复杂,国际上一直争议较大。我们通过晶体结构和热力学分析发现,攀西钛铁矿(FeTiO3)高温预氧化过程,温度是制约因素,在1100oC以上空气中预氧化8个小时,可以完全转化成纯假板钛矿(Fe2TiO5),而没有任何杂相产生。钛铁矿(FeTiO3)在氧化过程中多余的Ti随机占在4c和8f位置,形成固溶化合物 (Fe,Ti)2TiO5。而(Fe,Ti)2TiO5是一种自旋玻璃态铁磁材料,实际上我们提供了一种经济、环保、大规模制备的磁性材料的新工艺。 2)在国际上率先开展PbTiO3基负热膨胀(NTE)钙钛矿材料研究。ABO3钙钛矿材料是性能丰富的功能陶瓷家族,其热膨胀调控及其与性能的关联对功能陶瓷应用至关重要。我们系统研究了从-150到1000OC时PbTiO3的热膨胀性,通过A位、B位加杂,对PbTiO3基化合物的晶体结构、电子结构、晶格动力学、电学性质、热膨胀性进行深入研究,找出TEC的变化规律,实现了热膨胀系数和铁电性质的可控制备。如我们制备出定膨胀正阻温系数的PST 功能陶瓷、NTE导电陶瓷、零膨胀陶瓷等,获国家授权专利4件,发表国际论文20余篇。 3)发展了熔盐合成方法,实现了钙钛矿材料的熔盐法可控制备。通过熔盐介质、表面活性剂、前驱体等的选取,在熔体中能够大量制备出球形、方块、棒状和纤维状的PbTiO3单晶微米粉体,反应物TiO2在NaCl熔盐介质中熔解度很小,充当模板剂作用,熔盐反应机理属“模板生成”过程。提出了一种熔盐法快速制备BiFeO3纳米晶的方法,在熔体中20分钟就可以大规模合成出常规方法难以制备的高纯BiFeO3多铁性粉体材料。 4)用共沉淀、水热等方法对系列稀土功能氧化物的尺寸和形貌进行可控合成。在简单的水热体系中,成功获得了CeO2纳米八面体颗粒和一维纳米棒,机理研究发现, Na3PO4水解引起的pH值变化影响了CeO2生长习性,使零维CeO2八面体颗粒经由团聚自组装-溶解-重结晶-定向生长的过程,实现了CeO2一维纳米结构的定向生长。 37.若为对行一级反应,A的初始浓度为;时间为t时,A 和B 的浓度分别为和。 (1)试证 (3)已知为,为,,求100 s后A 的转化率。 证:对行反应速率方程的积分形式为 转化率: 40.高温下乙酸分解反应如下: 在1089K 时,1174.3-=s k ,1265.4-=s k 。 (1)试计算乙酸反应掉99%所需的时间; (2)当乙酸全部分解时,在给定温度下能够获得乙烯酮的最大产量是多少? 解:(1)根据1k 和2k 的单位知:该反应为一级平行反应,速率方程为 t k k c c A A )(ln 210 ,+= 得s c c k k t A A 55.0ln 1 0,21=+= (2)若乙酸全部分解,则 0,A A B c c c =+ 21//k k c c A B = 联立两式解得0,0,2 12 554.0A A A c c k k k c =+= 即在给定温度下能够获得乙烯酮的最大产量是0.5540,A c 。 41. 对于两平行反应: 若总反应的活化能为E ,试证明: 证明:设两反应均为n 级反应,且指前因子相同,则反应速率方程为 上式对T 求导数 43.气相反应2HI(g)(g)H (g)I 22→+是二级反应。现在一含有过量固化碘的反应器中充入50.663 kPa 的(g)H 2。已知673.2K 时该反应的速率常数 119s kPa 109.868---??=k ,固体碘的饱和蒸汽压为121.59kPa (假设固体碘与碘 蒸气处于快速平衡),且没有逆反应。 (1)计算所加入的(g)H 2反应掉一般所需要的时间; (2)验证下述机理符合二次反应速率方程。石材的物理化学性能及分类的概述
物理化学基本原理在相关学科中的应用
物理化学所解决的问题
材料制备过程物理化学
物理化学第十一章课后题目解析