小尺寸效应
北大半导体器件物理课件第四章5MOSFET的小尺寸效应
半导体器件物理
DIBL效应
特点：
• 沟道缩短，电 子势垒下降
• VDS 增加， 电子势垒下降
半导体器件物理
DIBL效应
• 有两种作用导致了势垒的下降：
– 沟道缩短，漏、源耗尽区的相互影响 – VDS增加，漏区发出的场强线的一部分穿透到源区
• DIBL效应对MOSFET特性的影响：
– VDS增加，有效阈值电压下降 – VDS增加导致势垒降低，表面更加耗尽，使沟道更
加吸引电子，沟道导电能力增强，等效于有效阈值 电压的下降。
半导体器件物理
DIBL效应ห้องสมุดไป่ตู้
• 亚阈值特性：
– 亚阈值区导电机构主要是载流子的扩散
I Dsub
=
Z L
μnCOXη
⎛ ⎜
定量计算： 窄沟道效应
• 由于侧向扩展的不规则，定量计算比较复杂。在SPICE程 序中仅认为窄沟道效应是由于沟道宽度方向上的边缘电场 使总的耗尽电荷增加所致。 为便于计算，把
边缘场的影响夸大
成1/4圆柱体。
( ) ΔVT
=
π 2
Xd Z
γ
2φF − VBS
=π εS ε OX
DOX Z
2φF − VBS
左图：低掺杂衬底短沟 nMOST饱和区情形 反偏漏-衬pn结耗尽区的 扩展主要在p型衬底一侧
•有可能出现耗尽区宽度接近于或大于沟道长度 •起始于源区的场强线，就会有一部分终止于沟道
半导体器件物理
源漏穿通效应
• 考虑：栅源电压VGS不变，增大漏源VDS电压
– 漏-衬pn结耗尽区扩展，用于屏蔽增加的电场 – 对于终止于沟道的场强线来说，由于耗尽区已经没
纳米材料小尺寸效应的应用
纳米材料小尺寸效应的应用引言：提起“纳米”这个词，可能很多人都听说过，但什么是纳米，什么是纳米材料，可能很多人并不一定清楚，本文主要对纳米及纳米材料的研究现状和发展前景做了简介，相信随着科学技术的发展，会有越来越多的纳米材料走进人们的生活，为人类造福。
纳米技术具有极大的理论和应用价值，纳米材料被誉为“21世纪最有前途的材料”。
关键词：纳米材料小尺寸效应性质分类发展前景一、纳米材料及其性质纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料，这大约相当于10~100个原子紧密排列在一起的尺度。
从尺寸大小来说，通常产生物理化学性质显著变化的细小微粒的尺寸在０.１微米以下，即１００纳米以下。
因此，颗粒尺寸在１～１００纳米的微粒称为超微粒材料，也是一种纳米材料。
粒度分布均匀、纯度高、极好分散，其比表面高，具有耐高温的惰性，高活性，属活性氧化铝；多孔性；硬度高、尺寸稳定性好，具有较强的表面酸性和一定的表面碱性，被广泛应用作催化剂和催化剂载体等新的绿色化学材料。
可广泛应用于各种塑料、橡胶、陶瓷、耐火材料等产品的补强增韧，特别是提高陶瓷的致密性、光洁度、冷热疲劳性、断裂韧性、抗蠕变性能和高分子材料产品的耐磨性能尤为显著。
以上这些性能决定了纳米材料在表面效应、小尺寸、量子尺寸效应、量子隧道效应、电子信息领域、航天航空、环保能源等各方面均有应用，尤其是在小尺寸方面的应用。
二、纳米科技的发展现状著名科学家钱学森指出:“纳米科技是21世纪科技发展的重点，会是一次技术革命，而且还会是一次产业革命”。
随着世界发达国家对纳米研究的深入，我国对纳米材料和技术也非常重视，为推动我国纳米技术成果产业化．国家通过财政投资并带动社会投资．希望通过5—10年的努力．造就一批具有市场竞争力的纳米高科技骨干企业。
已先后安排了许多纳米科技的研究项目，并取得显著成绩，纳米技术在许多方面已达到国际领先水平。
micro-led 尺寸效应 关联机制
micro-led 尺寸效应关联机制Micro-LED是一种新兴的显示技术，它采用了比传统LED更小的发光单元，通常在几微米到几十微米的范围内。
Micro-LED显示技术具有高亮度、高对比度、低功耗和快速响应时间等优点，被认为是未来显示技术的发展方向之一。
在Micro-LED中，尺寸效应是一个非常重要的因素，它影响了Micro-LED的发光效率、亮度、颜色和稳定性等性能。
尺寸效应主要是指Micro-LED的尺寸对其光电性能的影响，包括以下几个方面：1. 发光效率：Micro-LED的发光效率与其尺寸有关。
一般来说，Micro-LED的尺寸越小，其发光效率越高。
这是因为小尺寸Micro-LED的表面积与体积比更大，可以更有效地散热，减少热损耗，从而提高发光效率。
2. 亮度：Micro-LED的亮度与其尺寸和电流密度有关。
一般来说，Micro-LED的尺寸越小，亮度越高。
这是因为小尺寸Micro-LED的发光区域更小，电流密度更大，从而发光亮度更高。
3. 颜色：Micro-LED的颜色与其尺寸和材料有关。
一般来说，Micro-LED的尺寸越小，颜色越纯。
这是因为小尺寸Micro-LED的发光区域更小，可以更精细地控制发光颜色。
4. 稳定性：Micro-LED的稳定性与其尺寸和制造工艺有关。
一般来说，Micro-LED的尺寸越小，其稳定性越差。
这是因为小尺寸Micro-LED更容易受到外界环境的影响，如温度、湿度和振动等。
关联机制主要是指这些尺寸效应是如何相互关联和影响的。
例如，Micro-LED的发光效率和亮度之间可能存在一定的正向关联，即发光效率越高，亮度也可能越高。
然而，不同尺寸的Micro-LED可能会有不同的关联机制，因此需要针对具体情况进行分析和优化。
总的来说，尺寸效应在Micro-LED中起着非常重要的作用，理解和掌握尺寸效应对于优化Micro-LED的性能和应用有着重要的意义。
纳米材料的小尺寸效应
纳米材料的小尺寸效应吴顺康四川大学生命科学学院2016级生命科学拔尖班小尺寸现象产生的原因：纳米粒子的特性当粒子的尺寸进入纳米量级时，微粒内包含的原子数仅为100 ～10000 个，其中有50 ％左右为界原子，纳米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子数导致了它的量子尺寸效应和其他一些特殊的物理性质。
小尺寸效应导致的性质（以及部分应用）由于纳米微粒的尺寸比可见光的波长还小，光在纳米材料中传播的周期性被破坏，其光学性质就会呈现与普通材料不同的情形。
例如，金属由于光反射显现各种颜色，而金属纳米微粒都呈黑色，说明它们对光的均匀吸收性、吸收峰的位置和峰的半高宽都与粒子半径的倒数有关。
⑵利用这一性质，可以通过控制颗粒尺寸制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于磁波屏蔽、隐形飞机等。
⑴此外，金属超微颗粒的光反射率极低，可低于1%，大约几毫米就可以完全消光。
可以利用此特性，高效持续的将太阳能转化为热能和电能。
在物质超细微化之后，纳米材料的熔点显著降低，犹在颗粒直径为10纳米时较为明显，例如金（Au）常规熔点在1064度；然而在颗粒尺寸减少到2纳米时仅为327度；由此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时的基片可以仅仅使用塑胶而不是高温陶瓷。
使用超细银粉，可以使膜厚均匀，覆盖面积大，省料而质量高。
纳米小尺寸效应的应用：纳米材料作为功能材料与产业技术的结合，具有很多潜在的应用价值。
小尺寸超微颗粒的磁性与大尺寸材料显著不同，在颗粒尺寸下降到0.02微米以下之后，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小尺寸，其矫顽力反而可以降到0，呈现出超顺磁性。
利用超顺磁性颗粒的矫顽力特性，可以将磁性材料制造为用途广泛的液体。
⑶21世纪的信息社会，要求记录材料高性能化和高密度化，而纳米微粒能为这种高密度记录提供有利条件。
磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图象质量，如日本松下电器公司已制出纳米级微粉录像带，其图像清晰、信噪比高、失真十分小；还可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等。
纳米材料
用途：
高密度磁记录材料、吸波隐身材料、磁流 体材料、防辐射材料、单晶硅和精密光学 器件抛光材料、微芯片导热基与布线材料、 微电子封装材料、光电子材料、电池电极 材料、太阳能电池材料、高效催化剂、高 效助燃剂、敏感元件、高韧性陶瓷材料、 人体修复材料和抗癌制剂等。
2、纳米固体材料
纳米固体材料通常指 由尺寸小于15纳米的超微 颗粒在高压力下压制成型， 或再经一定热处理工序后 所生成的致密型固体材料。
（二）、纳米材料的奇异特性
具有很高的活性 特殊的光学性质 特殊的热学性质 特殊的磁学性质 特殊的力学性质 特殊的电学性质
1、具有很高的活性
随着纳米微粒粒径减小，比表面积增大， 表面原子数增多及表面原子配位不饱和 性导致大量的悬键和不饱和键等，这就 使纳米微粒具有高的表面活性，并且粒 径越小，表面原子数所占比率越大，比 表面积越大，表面光滑程度变差，形成 凹凸不平的原子台阶，增加了化学反应 的接触面，使其具有优良的催化性能。
2.小尺寸效应
随着颗粒尺寸的量变，在一定 条件下会引起颗粒性质的质变。由 于颗粒尺寸变小所引起的宏观物理 性质的变化称为小尺寸效应。对超 微颗粒而言，尺寸变小，其比表面 积亦显著增加，从而产生一系列新 奇的性质。
小尺寸效应的主要影响：
1、金属纳米材料的电阻与临界尺寸 2、宽频带强吸收性质 3、激子增强吸收现象 4、磁有序态向磁无序态的转变 5、超导相向正常相的转变 6、磁性纳米颗粒的高矫顽力
4、特殊的磁学性质
主要表现为：超顺磁性、高矫顽力、低居里温度、 高磁化率 。小尺寸超微颗粒的磁性比大块材料 强许多倍，大块的纯铁矫顽力约为80A/m，而当 颗粒尺寸见效到20nm以下时，其矫顽力可增加 1000倍，若进一步减小尺寸，大约小于6nm时， 其矫顽力反而降低到零，表现出所谓超顺磁性
纳米小尺寸效应
纳米小尺寸效应
嘿，咱今天唠唠纳米小尺寸效应。
这玩意儿可神奇了。
你想啊，那东西小到纳米级别，就跟变魔术似的。
咱平时看的东西都是正常大小，这纳米小尺寸一出来，完全不一样了。
就好像进入了一个微型世界。
我就琢磨，这么小的东西，咋就有那么大的能耐呢？
我跟我一学霸朋友聊这事儿，我说：“你说这纳米小尺寸效应到底是咋回事啊？”他推推眼镜，一本正经地说：“嘿，这可复杂了。
这小尺寸啊，能让材料的性质都变了。
”我瞪大眼睛：“真的假的？这么厉害呢。
”
我就想象着那些纳米级的小颗粒，一个个就像小精灵似的。
在那个小小的世界里，它们发挥着大作用。
说不定以后咱的生活到处都是纳米小尺寸效应带来的神奇变化。
咱也不懂那些高深的科学原理，但就是觉得这纳米小尺寸效应太牛了。
以后肯定会有更多好玩的东西出现，想想就期待。
嘿嘿。
纳米材料四大效应及相关解释
纳米材料四大效应及相关解释四大效应基本释义及内容：量子尺寸效应：是指当粒子尺寸下降到某一数值时，费米能级附近的电子能级由准连续变为离散能级或者能隙变宽的现象。
当能级的变化程度大于热能、光能、电磁能的变化时，导致了纳米微粒磁、光、声、热、电及超导特性与常规材料有显著的不同。
小尺寸效应：当颗粒的尺寸与光波波长、德布罗意波长以及超导态的相干长度或透射深度等物理特征尺寸相当或更小时，晶体周期性的边界条件将被破坏，非晶态纳米粒子的颗粒表面层附近的原子密度减少，导致声、光、电、磁、热、力学等特性呈现新的物理性质的变化称为小尺寸效应。
对超微颗粒而言，尺寸变小，同时其比表面积亦显著增加，从而产生如下一系列新奇的性质。
表面效应：球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积（表面积/体积）与直径成反比。
随着颗粒直径的变小，比表面积将会显著地增加，颗粒表面原子数相对增多，从而使这些表面原子具有很高的活性且极不稳定，致使颗粒表现出不一样的特性，这就是表面效应。
宏观量子隧道效应：当微观粒子的总能量小于势垒高度时，该粒子仍能穿越这一势垒。
近年来，人们发现一些宏观量，例如微颗粒的磁化强度，量子相干器件中的磁通量等亦有隧道效应，称为宏观的量子隧道效应。
四大效应相关解释及应用：表面效应球形颗粒的表面积与直径的平方成正比，其体积与直径的立方成正比，故其比表面积(表面积/体积)与直径成反比。
随着颗粒直径的变小比表面积将会显著地增加。
例如粒径为10nm时，比表面积为90m2/g；粒径为5nm时，比表面积为180m2/g；粒径下降到2nm时，比表面积猛增到450m2/g。
粒子直径减小到纳米级，不仅引起表面原子数的迅速增加，而且纳米粒子的表面积、表面能都会迅速增加。
这主要是因为处于表面的原子数较多，表面原子的晶场环境和结合能与内部原子不同所引起的。
表面原子周围缺少相邻的原子，有许多悬空键，具有不饱和性质，易与其它原子相结合而稳定下来，故具有很大的化学活性，晶体微粒化伴有这种活性表面原子的增多，其表面能大大增加。
纳米材料的小尺寸效应
纳米材料的小尺寸效应吴顺康四川大学生命科学学院2016级生命科学拔尖班小尺寸现象产生的原因：纳米粒子的特性当粒子的尺寸进入纳米量级时，微粒内包含的原子数仅为100 ～10000 个，其中有50 ％左右为界原子，纳米微粒的微小尺寸和高比例的表面原子数导致了它的量子尺寸效应和其他一些特殊的物理性质。
小尺寸效应导致的性质（以及部分应用）由于纳米微粒的尺寸比可见光的波长还小，光在纳米材料中传播的周期性被破坏，其光学性质就会呈现与普通材料不同的情形。
例如，金属由于光反射显现各种颜色，而金属纳米微粒都呈黑色，说明它们对光的均匀吸收性、吸收峰的位置和峰的半高宽都与粒子半径的倒数有关。
⑵利用这一性质，可以通过控制颗粒尺寸制造出具有一定频宽的微波吸收纳米材料，可用于磁波屏蔽、隐形飞机等。
⑴此外，金属超微颗粒的光反射率极低，可低于1%，大约几毫米就可以完全消光。
可以利用此特性，高效持续的将太阳能转化为热能和电能。
在物质超细微化之后，纳米材料的熔点显著降低，犹在颗粒直径为10纳米时较为明显，例如金（Au）常规熔点在1064度；然而在颗粒尺寸减少到2纳米时仅为327度；由此，超细银粉制成的导电浆料可以进行低温烧结，此时的基片可以仅仅使用塑胶而不是高温陶瓷。
使用超细银粉，可以使膜厚均匀，覆盖面积大，省料而质量高。
纳米小尺寸效应的应用：纳米材料作为功能材料与产业技术的结合，具有很多潜在的应用价值。
小尺寸超微颗粒的磁性与大尺寸材料显著不同，在颗粒尺寸下降到0.02微米以下之后，其矫顽力可增加1000倍，若进一步减小尺寸，其矫顽力反而可以降到0，呈现出超顺磁性。
利用超顺磁性颗粒的矫顽力特性，可以将磁性材料制造为用途广泛的液体。
⑶21世纪的信息社会，要求记录材料高性能化和高密度化，而纳米微粒能为这种高密度记录提供有利条件。
磁性纳米微粒由于尺寸小，具有单磁畴结构、矫顽力很高的特性，用它制作磁记录材料可以提高信噪比，改善图象质量，如日本松下电器公司已制出纳米级微粉录像带，其图像清晰、信噪比高、失真十分小；还可制成磁性信用卡、磁性钥匙、磁性车票等。
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实验也表明（ Al ,In 等），随颗粒尺寸减小 ， T 确实有增 c
吸收纳米材料，用于屏蔽和隐形等。
（5）PbTiO3、BaTiO3等典型铁电体纳米（小于临界尺
寸）化后变为顺电体。
顺电体：纳米化后小于临界尺寸，TTC
三者的相互关系 电滞回线
铁电体 热释 电体 压 电 体 电 介 质
6 超导性——TC
当颗粒减小，低频的晶格振动受到 颗粒尺寸的限制而被截至，Tc增加。 根据 Memillan 公式：
故电子运动方程为： m * d 2 X / dt 2 Nq 2 X / N 微粒所含的导电电子数，q电子电荷 m 电子的有效质量
( N q/ m ) p
2
*1 /2
尺寸减小(增大),微粒系统所含导电电子数N减小(增多)
利用等离子共振频率随颗粒尺寸变化的性质，可以改
变颗粒尺寸，控制吸收的位移，制造具有一定频宽的
P18:金属纳米微粒后，无金属光泽，对光的反射率很低<1%，对
太阳光谱几乎全部吸收，大约几μm厚就能完全消光，被称为太 阳黑体。可用于红外敏感元件、红外隐身材料中作红外吸收 。
量子尺寸效应
4 等离子共振频率
等离子共振：考虑置于交变电场中的单个球 状颗粒，外场将导致颗粒极化，在表面产生电 荷，而表面电荷产生的同时，又有一恢复力促 使它恢复至原来状态。在一定额定的外场下将
会引起共振，导致表面等离子振荡。
共振频率：在一定额定的外场下将会引起共 振，导致表面等离子振荡的频率。
பைடு நூலகம்
设 微 粒 系 统 中 含 有 N 个 导 电 电 子 ， 电 子 相 对 于 正 电 荷 位 移 为 X ， 则 电 极 化 强 度 ： P = N q X P 由 极 化 所 引 起 的 反 向 电 场 ： -
小尺寸效应
1.定义：随着颗粒尺寸减小到与光波波长（百nm以下）、德
布罗意波长、激子玻尔半径（1-10nm）、超导相干长度（几nm 以下）等物理量相当，甚至更小：
① 内部晶体周期性边界条 件将被破坏 ② 非晶态纳米微粒的颗粒 表面层附近原子密度减小
特征光谱移动 磁有序改变 超导相破坏 结构相变(非热力学量） …
T 2 1 1 c exp( ) T 2 c(max)
N (0 ) J2 电 声耦合强度，反比于声 子谱的频率平方平均 2 M
随着颗粒尺寸减小 →
→
表面原子百分比将显著增加 → 表面声子谱频率变低
表面原子的近邻配位数减少
（软化）→
电子—声子耦合强度增加
导致 T 增大。 C
引起宏观物理性质的变化。
2.呈现新的效应举例 （1）电学性质——主要体现在量子尺寸效应里 （2）磁性质
体系磁各向异性能与热能相当或更小
V
磁晶各向异性能 E d r ani ani w
磁性对颗粒尺寸的依赖性是小尺寸效应最为直观的实例 ： 铁磁性物质（5nm），出现极强的顺磁效应。
小于Lex时，非晶与纳米晶交换耦合，各个区域的磁各向异
性能被平均而消除，导致低的矫顽力HC，高的磁导率。 与畴壁宽度相当，易形成单畴，矫顽力很大
磁化反转模式发生改变：畴壁位移→磁畴转动
3 光学性质
当尺寸小于某类玻尔半径时，发光性质发生改变；
同时激发态会以更大的几率传到同一颗粒中的发光中心， 提高材料的量子效率
体淬灭中心和同一颗粒内发光中心间的交叉驰豫的影响会 减小，材料的发光效率会得到一定程度的提高。