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博客 · TFT 特性异常与可靠性

TFT 特性异常与可靠性 #01 — 曲线走样的六种模样

2026年11月1日·浏览 4·评论 0

系列TFT 特性异常与可靠性·1 / 8篇

上一个系列《TFT 特性参数》讲的是如何读曲线。八篇文章里，我们看的是在一条转移曲线上把阈值电压定在哪里、斜率怎么量、迁移率用哪个式子取出来。那八篇底下垫着一个前提——曲线在它该在的位置上。

本系列从这个前提破掉的地方开始。实际测下来，曲线和教科书上的图不一样。斜率躺下去，高度降下来，底部抬起来，整条曲线还会横着挪开。《TFT 特性异常与可靠性》八篇追的是曲线不在原位时，器件内部究竟变了什么。

第一篇画的是地图。「不一样」这句话有几种典型的模样，每一种都指向器件内部不同的变化。我们依次看六种，但只走到「曲线看起来是这样 → 物理上意味着什么变了」为止。

正文中的条件数值是为展示计算过程而设的示例，并非某家公司的规格。引用的数值都在公开文献中核对过，出处列在文末。

曲线走样的六种模样

维基百科《Thin-film transistor》条目把薄膜晶体管（TFT）定义为通过沉积薄膜制成的场效应晶体管。把这种器件浓缩成一张图的，就是转移曲线——横轴是栅极电压，纵轴是以对数刻度表示的漏极电流。这条曲线走样的方式不是无穷多，而是收敛成六种。

  • 斜率躺下去——开启的区段变得平缓。
  • 导通电流变小——开启之后的高度降低。
  • 关断电流变大——关断那一侧的底部抬起。
  • 整条曲线左右平移——形状不变，位置挪了。
  • 出现驼峰——上升的线上多出一个肩膀。
  • 出现回滞——上扫测得的线和下扫测得的线分开了。
转移曲线走样的六种模样——斜率躺下、导通电流下降、关断电流上升、左右平移、驼峰、回滞

其一 — 亚阈值斜率躺下去

维基百科《Subthreshold conduction》条目写道，在低于阈值电压的栅极电压下，电流也不会变成 0，而是随栅极电压呈指数延续。画在对数刻度上，指数函数成为一条直线，《Subthreshold conduction》条目把这条直线的斜率称作亚阈值斜率（subthreshold slope）。

它说明把电流改变十倍需要多少栅极电压，所以单位是 mV/dec。

答案就在式子里

维基百科《Subthreshold slope》条目把这个值写成下面这样。

S = ln(10) · (kT/q) · ( 1 + Cd / Cox )

Cd 是耗尽层电容，Cox 是栅绝缘层电容，kT/q 是热电压。《Subthreshold slope》条目写道，当括号内趋近于 1 时，该值在常温（300 K）下为 60 mV/dec。这就是下限。

用话来讲是这样。加在栅极上的电压被分成两份。一部分落在绝缘层上，其余的用来移动半导体表面的电位。开启沟道的只有后面那一份。括号里的比值表示的是栅极电压里有多少漏到了别处。

所以斜率躺下去只意味着一件事——有什么东西拿走了栅极电压的一份。

拿走的那一方是被俘获的电荷

上一系列第五篇和第八篇里看过的态密度（DOS，Density of States）在这里接了上来。如果带隙中存在电子可以落座的位置，栅极拉过来的电子就有一部分不流过沟道，而是坐了下去。坐下去的电荷在电学上也像电容一样，会分走栅极电压。括号里变大，斜率躺下去。

这些位置从哪里来，是材料告诉我们的。维基百科《Amorphous silicon》条目写道，非晶硅中一部分原子带有断键（dangling bond），它可能引起反常的电学行为，而用氢填补后其密度会下降若干个数量级。

另一端由实测值呈现。arXiv 上公开的非晶 IGZO 晶体管研究报告了常温 300 K 下的SS 61 mV/dec 与低于 1011 cm−2 的界面陷阱密度。与下限 60 只差 1 mV 的器件，和几乎没有俘获位置的界面，是一起出现的。

式子里含有 kT/q 这一点，也可以照字面读。温度升高，下限本身就升高。同一个器件在更热的地方测，斜率会躺下去。

其二 — 导通电流变小

这是开启之后高度降低的情形。维基百科《MOSFET》条目所载的线性区电流式告诉我们该看哪里。

ID = μn Cox (W/L) [ (VGS − Vth) VDS − VDS2/2 ]

迁移率 μ 乘在前面。载流子变慢，同样电压下的电流就减少相应的量。看到导通电流降低的曲线而读作迁移率下降了，是很自然的。

可是同样的模样也出自电阻

问题在于电流并不只经过沟道。它从源极进入半导体，穿过沟道，再从漏极出去。进出的地方也有电阻。

维基百科《Contact resistance》条目把接触电阻定义为因接触面没有完全贴合、以及因接触面上的膜层或氧化层而产生的电阻。《Contact resistance》条目写道，这一电阻叠加在导体本身的电阻之上，并在电流较大的电路中造成相当大的电压降。

测量方法把这个结构原样呈现出来。《Contact resistance》条目介绍的传输线模型（TLM，Transmission Line Model）是把器件总电阻对沟道长度作图后外推到长度 0 来取出接触电阻的。这意味着长度为 0 时仍有电阻残留，也就是总电阻 = 沟道电阻 + 接触电阻。

接触电阻变大，所加电压就有一部分落在那个地方。实际加在沟道上的电压减少，电流也随之减少。呈现出来的结果与迁移率下降时相同——一张导通电流偏低的曲线。

本系列将反复出现的一件事，在这里第一次登场。一种模样对应多个原因。只凭导通电流偏低，分不出是沟道变慢了，还是通道口变窄了。

用电阻串联结构表示导通电流下降的同一条曲线既可能来自迁移率下降也可能来自接触电阻增大的图

其三 — 关断电流变大

这是在本该关断的区段里底部抬起的情形。维基百科《Leakage (electronics)》条目把泄漏电流定义为理想情况下本应为 0 时却流动的电流。定义本身就是答案的一半——意思是在不该流的地方开出了一条路。《Leakage (electronics)》条目把几条不同的路并列写了出来。

  • 穿透绝缘层的隧穿——《Leakage (electronics)》条目写道，绝缘区域变薄时泄漏会呈指数增长。
  • 源与漏之间——《Leakage (electronics)》条目称之为亚阈值传导。前面那条指数尾巴原样成为底部的数值。
  • 反向结——《Leakage (electronics)》条目写道，反向二极管的泄漏对温度敏感。

这里又插进来一个尺寸的因素。维基百科《Drain-induced barrier lowering》条目写道，沟道变短时漏极会近到能像栅极一样影响沟道，而当它非常短时栅极便无法把器件完全关断。底部抬起。

光也会成为一条路。前面看过的《Amorphous silicon》条目写道，加入氢之后光电导会大幅改善。这是说，受光产生载流子的性质本来就在这种材料里。维基百科《Indium gallium zinc oxide》条目写道，IGZO 晶体管略有光敏性，但这一效应只在光子能量 3 eV 以上，即深紫到紫外的波段才明显。

一张底部抬起的曲线里，同时含有穿透绝缘层的电流、沿沟道残留的电流、越过结的电流、光生的电流。在对数刻度上，它们的和跟随其中最大的那一个。所以只凭一个数值，分不出是哪条路开了。

其四 — 整条曲线左右平移

这是形状不变而位置挪动的情形，也就是阈值电压移动了的情形。

为什么会移动，直接从电容的定义里出来。维基百科《Capacitance》条目把电容定义为C = q / V，即电荷与电位差之比。反过来就是V = q / C。若栅绝缘层电容 Cox 上附着了不想要的电荷 q，换算成栅极电压，就等于已经先加上了 q/Cox。曲线便向旁边挪动这么多。

推移的方向说明电荷的符号。讨论非晶 IGZO 薄膜晶体管阈值电压漂移的研究（DOI 10.3390/mi12030327）写道，被俘获在栅绝缘层中的电子引起正向阈值电压漂移，被俘获在沟道与刻蚀阻挡层界面处的空穴引起负向阈值电压漂移。

曲线往右走，说明开启需要更多电压，意味着负电荷在积累并抵消栅极。往左则相反。

这里同样是一种模样对应多个原因

即使没有电荷积累，曲线也会往旁边挪。《Drain-induced barrier lowering》条目写道，提高漏极电压会使阈值电压降低，而在短沟道中这表现为亚阈值曲线的简单平行移动。什么都没积累，只要测量条件变了一个，同样的模样也会出现。

其五 — 出现驼峰

这是上升的线上多出一个肩膀的情形。这种模样与前面四种性质不同——因为它是曲线不止一条的信号。

讨论 ZnO/ITO 异质结薄膜晶体管驼峰特性的研究（DOI 10.3390/nano12071167）用两条电流路径来解释这一现象。这篇 Nanomaterials 论文写道，ITO 电流路径在 VON 处先开启，ZnO 电流路径在 Vhump 处开启。文中还写道，转移曲线上出现的驼峰会把器件的开启电压推向负方向。

在对数刻度上，两个电流的和跟随较大的那一方。起初由先开启的路径带着整体走，从某一点起本来的沟道超过了它。主导权交接的接缝看上去就是肩膀。原以为在看一张图，其实是两张图叠在一起。

所以驼峰说的不是「哪里坏了」，而是「还有一条阈值不同的路径」。那条路径生在哪里，并不包含在这一张曲线里。

把阈值不同的两条电流路径分别画出的曲线，以及两者相加时出现肩膀（驼峰）的样子

其六 — 上扫与下扫分开

最后是回滞（hysteresis）。维基百科《Hysteresis》条目把回滞定义为系统的状态依赖于它的历史，并写道其结果呈现为环形，数值会因另一个变量朝哪个方向变化而不同。

在转移曲线上，这有具体的形态。讨论碳纳米管薄膜晶体管回滞的研究（DOI 10.3390/nano16140847）把回滞定义为把栅极电压从 −20 V 升到 20 V 所得曲线与从 20 V 降到 −20 V 所得曲线上各自确定的阈值电压之差。

原因也由这篇 Nanomaterials 论文指出。论文写道，扫描过程中正负电荷的俘获与释放同时发生，而且这一过程在与绝缘层的界面、绝缘层表面、绝缘层内部的体缺陷、以及更深处依次进行。

这里新进来的是时间。前面五种是在一张曲线里读出的故事，而回滞要叠起两张才看得见。当俘获与释放所需的时间与扫描所需的时间相近时，测量这一行为本身就改变了器件的状态。

贯穿六者的一件事

六种模样看上去彼此无关。可是它们问的全是同样两件事——器件内部哪里有电荷，以及那些电荷移动得有多快。

  • 斜率——谁拿走了栅极电压的一份。
  • 高度——载流子有多少、有多快，通道口上有什么。
  • 底部——本该堵住的地方是否开了路。
  • 位置——积累了什么、积累了多少，符号是什么。
  • 驼峰——路径有几条。
  • 回滞——那些电荷反应得有多快。

这是同一个对象从六个方向照出的影子。正如无法用一个影子复原物体，一张曲线分不出原因。这一篇里已经看过两次——导通电流偏低既出自迁移率下降，也出自接触电阻；平移的曲线既出自被俘获的电荷，也出自漏极电压。

于是剩下的办法只有改变条件、把几张曲线叠起来看。改变温度，只有含 kT/q 的项会动；改变漏极电压，只有短沟道的效应会动；把光加进来再撤走，只有光电导产生的电流会动；改变扫描速度，只有慢慢被俘获的电荷会动。哪种条件下哪种模样跟着动——这才把原因收窄。

本系列剩下的七篇，就是这些条件。

小结

  • 转移曲线走样的方式收敛成六种——斜率躺下去、高度降低、底部抬起、整条平移、出现驼峰、上扫与下扫分开。
  • 亚阈值斜率是S = ln(10)·(kT/q)·(1 + Cd/Cox)，常温下限是60 mV/dec。斜率躺下去意味着栅极电压的一份被别的什么分走了。
  • 电流并不只经过沟道。因为总电阻 = 沟道电阻 + 接触电阻，迁移率下降与接触电阻增大在曲线上看起来是同一种模样。
  • 驼峰不是异常的信号，而是曲线有两条的信号。意思是两条阈值不同的路径正并排输运电流。
  • 六种模样都是从不同角度照出电荷的位置与速度。一张分不出原因，要改变条件、把几张叠起来看。

下一篇进入这六种中的第一种。我们会看，从亚阈值斜率这一项里如何读出被俘获电荷的密度，以及那个数值说明了什么、又没有说明什么。

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