GS200在低维半导体材料基础研究中的应用

低维半导体材料是指维数低于三维的半导体材料，包括量子点材料(零维材料)、量子线材料(一维材料)和量子阱材料(二维材料)。其中碳纳米管是典型的一维材料、石墨烯是典型的二维材料，研究这些材料的物理特性，如电子迁移率，霍尔效应，热导率，电导率，有效质量等等，是目前低维半导体物理主要的研究领域。

半导体材料的发展目前共经历了三代，第一代材料是硅和锗，第二代材料是砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP)，第三代半导体材料是以碳化硅和氮化镓为代表的宽带隙半导体材料。在不同的领域使用的半导体材料不同，各种半导体材料形成互补的关系。

随着器件小型化的不断发展和集成度的不断提高,传统的硅基半导体器件已经逼近了其极限尺寸，趋向于纳米级，到达这一尺寸后，一系列来自器件工作原理和工艺技术本身的物理限制以及制造成本大幅度提高等将成为难以克服的问题。与此同时,随着实验制备工艺和合成技术的发展,越来越多的纳米材料和纳米结构不断涌现出来，半导体材料有从三维体材料向低维材料方向发展的趋势。

目前，基于GaAs和InP基的低维材料已经发展得很成熟，而以氮化镓、碳化硅、氧化锌等为代表的第三代半导体材料也发展很快，这些材料都是宽带隙半导体材料。它具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率大、电子饱和漂移速度快、介电常数小等特征，能够在很多领域得到广泛应用。半导体纳米科学技术的应用，将从原子、分子、纳米尺度水平上，控制和制造功能强大、性能优越的人工微结构材料和基于它们的器件、电器与电路，使人类进入变幻莫测的量子世界，从而引发新的技术革命。

首先，我们来看一下传统的硅基半导体材料器件，典型的代表是BJT(双极结型晶体三极管)、MOSFET(绝缘栅型场效应管)以及IGBT(绝缘栅双极型晶体管)，这些器件目前广泛应用于日常生活中的家用电源、工业生产、电气化交通、新能源技术等方面。

MOSFET的基本原理图

上图中，源极和漏极一定是跟同种掺杂的半导体相连的，图中是N型。而栅极是通过一个由氧化物构成的绝缘层(主要是SiO2)与P型半导体间接相连。P型半导体把源极和漏极隔绝开来，两者的多数载流子是不同的，因此在没有电压的情况下，源极和漏极之间是没有电流通过的。这是MOSFET的截止状态。

对于MOSFET来说，氧化物上面的电极相当于电容器的上极板，P型半导体靠近氧化物的部分相对于下极板，而氧化物就相当于两个极板之间的电介质。当正电压施加于栅极时，p型氧化物中也会感生出电子。这些电子会集中到靠近氧化物的区域内，看起来像一个沟道一样，宏观上，这部分p型半导体变成了n型半导体。这样源极和栅极中红色区域n型半导体中的大量电子就可以通过这个沟道导通了，这是MOSFET的导通状态。

从能级的角度来说，漏极的电子想到源极去，就需要翻过一座很高的山：栅极的p型半导体。只有能量特别高的电子才能成功翻过这座山。而当有外界电压加到栅极时，相当于人为地把这座山给削平了，这样大量能量一般的电子，也能成功翻越了。这就是MOSFET的截止和导通。

低维半导体材料研究中最重要的低温电子输运就是类似这样一个过程——使用新型低维材料为基底，施加栅极电压，研究磁场对于电子输运的影响，从而改善新型半导体材料性能，提高电子输运效率。此过程中需要将电子态控制在某个状态，并且试验时间可能长达一两周，器件对电压极其敏感，所以对栅极电压的稳定性要求极高，如果栅极电压不稳定，出现突变的情况下，可能会导致器件击穿，从而损毁器件。

（2）：低噪声：GS200可提供100uVp-p(10V量程，DC～10kHz)以及3uAp-p(100mA量程，DC～10kHz)的低噪声，确保器件不会被噪声或者量程切换时候产品的脉冲噪声所影响。下图为GS200噪声的测试图。