有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管是什么-有機(jī)場(chǎng)效晶體管工作原理-基本結(jié)構(gòu)與介紹-KIA MOS管
信息來(lái)源：本站 日期：2018-03-07
場(chǎng)效應(yīng)晶體管（FieldEffectTransistorFET）是利用電場(chǎng)來(lái)控制固體材料導(dǎo)電性能的有源器件。由于其所具有體積小、重量輕、功耗低、熱穩(wěn)定性好、無(wú)二次擊穿現(xiàn)象以及安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已成為微電子行業(yè)中的重要元件之一。
目前無(wú)機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管已經(jīng)接近小型化的自然極限，而且價(jià)格較高，在制備大表面積器件時(shí)還存在諸多問(wèn)題。因此，人們自然地想到利用有機(jī)材料作為FET的活性材料。自1986年報(bào)道第一個(gè)有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFET）以來(lái)，OFET研究得到快速發(fā)展，并取得重大突破。
傳統(tǒng)的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的主要包括底柵和柵兩種結(jié)構(gòu)，其中底柵和頂柵結(jié)構(gòu)又分別包括頂接觸和底接觸兩種結(jié)構(gòu)，如圖1所示。
圖1典型的OFET結(jié)構(gòu)
OFET一般采用柵極置底的底柵結(jié)構(gòu)，即圖1（a）、（b）所示的兩種結(jié)構(gòu)，它們分別是底柵-頂接觸結(jié)構(gòu)和底柵-底接觸結(jié)構(gòu)。二者最大的區(qū)別就是有機(jī)層是在鍍電極之前（a頂接觸）還是之后（b底接觸）。頂接觸結(jié)構(gòu)的源、漏電極遠(yuǎn)離襯底，有機(jī)半導(dǎo)體層和絕緣層直接相連，在制作的過(guò)程中可以采取對(duì)絕緣層的修飾改變半導(dǎo)體的成膜結(jié)構(gòu)和形貌，從而提高器件的載流子遷移率。同時(shí)該結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體層受柵極電場(chǎng)影響的面積大于源、漏電極在底部的器件結(jié)構(gòu)，因此具有較高的載流子遷移率。底接觸型OFET的主要特點(diǎn)是有機(jī)半導(dǎo)體層蒸鍍于源、漏電極之上，且源、漏電極在底部的器件結(jié)構(gòu)可以通過(guò)光刻方法一次性制備柵極和源、漏電極，在工藝制備上可以實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)化。而且對(duì)于有機(jī)傳感器來(lái)說(shuō)，需要半導(dǎo)體層無(wú)覆蓋地暴露在測(cè)試環(huán)境中，此時(shí)利用底結(jié)構(gòu)就有較大的優(yōu)勢(shì)。而底接觸由于半導(dǎo)體層與金屬電極之間有較大的接觸電阻，導(dǎo)致載流子注入效率降低從而影響到其性能。目前這方面缺陷也有改進(jìn)，如使用鍍上聚乙撐二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸款（PEDOT：PSS）材料的金電極可以減少與有機(jī)半導(dǎo)體并五苯材料之間的接觸電阻。二者之間載流子注入的阻力由0.85eV直接降到0.14eV，導(dǎo)致場(chǎng)遷移率從0.031cm2/（V·s）增加到0.218cm2/（V·s）。
圖1（c），（d）為頂柵結(jié)構(gòu)，即首先在襯底上制作有機(jī)半導(dǎo)體層，然后制作源、漏電極，隨后再制作絕緣層，最后在絕緣層上面制作柵極。這兩種柵極位于最頂部的頂柵結(jié)構(gòu)在文獻(xiàn)報(bào)道中并不是很多。
圖2是垂直溝道OFET結(jié)構(gòu)，是以縮短溝道長(zhǎng)度為目的的一類新型場(chǎng)效應(yīng)晶體管。它以半導(dǎo)體層為溝道長(zhǎng)度，依次蒸鍍漏-源-珊電極，通過(guò)改變柵電壓來(lái)控制源、漏電極的電流變化。
圖2垂直溝道OFET結(jié)構(gòu)
這種結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是：溝道長(zhǎng)度由微米量級(jí)降低至納米量級(jí)，極大的提高了器件的工作電流，降低了器件的開(kāi)啟電壓。這類晶體管的不足之處在于漏-源-柵極在同一豎直面內(nèi)，彼此間寄生電容的存在使得零點(diǎn)電流發(fā)生漂移，一般通過(guò)放電處理后可以避免這種現(xiàn)象。
有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種基于有機(jī)半導(dǎo)體的有源器件，源極1導(dǎo)電溝道中注入電荷，漏極收集從導(dǎo)電溝道中流出的電荷，柵極誘導(dǎo)有機(jī)半導(dǎo)體與絕緣層界面產(chǎn)生電荷形成導(dǎo)電溝道。整個(gè)有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以看做是一個(gè)電容器，柵極是電容器的一個(gè)極板，位于源漏電極之間的導(dǎo)電溝道是電容器的另一極板，而夾在中間的柵絕緣層相當(dāng)于電容器的絕緣板。例如，在底柵頂接觸有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管中，當(dāng)柵壓和源漏電壓均為零的時(shí)候，器件處于關(guān)閉狀態(tài)。外加一定的柵壓（Vg），有機(jī)半導(dǎo)體層和絕緣層界面誘導(dǎo)產(chǎn)生電荷，在源漏電壓為零時(shí)，電荷均勻的分布在溝道中，施加--定的源漏電壓（Vsp），感應(yīng)電荷參與導(dǎo)電。通過(guò)調(diào)節(jié)柵壓的大小改變電容器電場(chǎng)強(qiáng)度，調(diào)節(jié)導(dǎo)電溝道中電荷密度，改變導(dǎo)電溝道的寬窄從而控制電流的大小。因此，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管是一種壓控型的有源器件。
其中，Vr是閾值電壓，Ci是絕緣層單位面積的電容，u是載流子遷移率。當(dāng)Va大于閾值電壓且固定在某-一數(shù)值時(shí)，Vsp很小（|Vspl《|VG-VT），此時(shí)，導(dǎo)電溝道中的電荷密度是線性減少，有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管處于線性工作區(qū)，漏電流可以通過(guò)方程式
（1）計(jì)算得到，隨著VSP的增大，當(dāng)［Vspl=\Va-VT|時(shí)，器件處于預(yù)夾斷狀態(tài)，Vsp進(jìn)-一步增大，當(dāng)IVspl》lVa-VT|時(shí)，預(yù)夾斷區(qū)域向源極伸展，漏極附近無(wú)感應(yīng)載流子產(chǎn)生，器件被夾斷，電流達(dá)到飽和，器件將處于飽和工作區(qū)，漏電流可有方程式
（2）計(jì)算得到，此后再加大Vsp，電流無(wú)變化。關(guān)于-一個(gè)器件到底是P型還是N型亦或是雙極性，這主要取決于所采用的有機(jī)半導(dǎo)體的性質(zhì)。其實(shí)對(duì)一一個(gè)獨(dú)特的有機(jī)半導(dǎo)體，它既擁有正的載流子又擁有負(fù)的載流子，當(dāng)正的載流子起主導(dǎo)作用的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的有機(jī)半導(dǎo)體就是P型，反之，當(dāng)負(fù)的載流子起主導(dǎo)作用的時(shí)候，對(duì)應(yīng)的有機(jī)半導(dǎo)體就是N型。另外，一個(gè)材料表現(xiàn)出P型還是N型很大程度上還與器件的結(jié)構(gòu)和應(yīng)用的環(huán)境條件有關(guān)：當(dāng)合適的注入接觸，采用無(wú)陷阱絕緣層和提供合適的環(huán)境條件，大多數(shù)有機(jī)半導(dǎo)體材料可表現(xiàn)出電子或空穴具有相同數(shù)量級(jí)的遷移率來(lái)。
柔性、可拉伸及可打印的有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管（OFETs）在可穿戴電子、生物醫(yī)學(xué)、人工智能及傳感等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。除了使用有機(jī)半導(dǎo)體，這些OFETs還往往采用多種多樣的有機(jī)高分子材料作為介電層以保證器件整體的柔性、可拉伸性及可打印性能。然而，OFETs中有機(jī)半導(dǎo)體/介電層的界面電荷捕獲效應(yīng)對(duì)器件性能有著重要的影響，而不同的高分子介電層賦予OFETs復(fù)雜多樣的界面效應(yīng)，使得器件的最終性能具有很大的不可預(yù)測(cè)性。界面電荷效應(yīng)通常被認(rèn)為是對(duì)OFETs晶體管性能的一個(gè)不利影響因素。同時(shí)，有機(jī)半導(dǎo)體/介電層的界面被隱藏在OFETs的器件內(nèi)部，使得對(duì)該界面效應(yīng)的研究一直以來(lái)都是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
同濟(jì)大學(xué)教授研究團(tuán)隊(duì)巧妙地利用光照來(lái)刺激OFETs中有機(jī)半導(dǎo)體/介電層的界面效應(yīng)，由此成功地開(kāi)展了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)并總結(jié)了有機(jī)半導(dǎo)體的側(cè)鏈分子結(jié)構(gòu)、高分子介電層的官能團(tuán)極性等參數(shù)對(duì)上述界面效應(yīng)的影響，進(jìn)一步揭示了界面效應(yīng)的深層機(jī)理。利用該機(jī)理，柔性光敏晶體管的性能可以被精確地調(diào)控與優(yōu)化，例如，該工作中光敏晶體管的光暗電流比可以通過(guò)調(diào)控界面效應(yīng)來(lái)改變1000倍以上。具有很強(qiáng)界面效應(yīng)的OFETs在脈沖光刺激下表現(xiàn)出類似突觸后電位的輸出信號(hào)，因此可應(yīng)用于人工神經(jīng)元器件中的突觸模擬器。因此，該工作展示了一種研究隱藏在OFETs內(nèi)部的界面效應(yīng)的有效方法，深入揭示了界面效應(yīng)的過(guò)程機(jī)理，提供了優(yōu)化柔性光敏晶體管性能的新策略，并由此制備了一種有機(jī)人工神經(jīng)元器件。
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