深圳市可易亚半导体科技有限公司

国家高新企业

cn en

新闻中心

有机场效应晶体管是什么-有机场效晶体管工作原理-基本结构与介绍-KIA MOS管

信息来源:本站 日期:2018-03-07 

分享到:

场效应晶体管(FieldEffectTransistorFET)是利用电场来控制固体材料导电性能的有源器件。由于其所具有体积小、重量轻、功耗低、热稳定性好、无二次击穿现象以及安全工作区域宽等优点,现已成为微电子行业中的重要元件之一。


目前无机场效应晶体管已经接近小型化的自然极限,而且价格较高,在制备大表面积器件时还存在诸多问题。因此,人们自然地想到利用有机材料作为FET的活性材料。自1986年报道第一个有机场效应晶体管(OFET)以来,OFET研究得到快速发展,并取得重大突破。


有机场效应晶体管是什么-基本结构

传统的有机场效应晶体管的主要包括底栅和栅两种结构,其中底栅和顶栅结构又分别包括顶接触和底接触两种结构,如图1所示。

图1典型的OFET结构

OFET一般采用栅极置底的底栅结构,即图1(a)、(b)所示的两种结构,它们分别是底栅-顶接触结构和底栅-底接触结构。二者最大的区别就是有机层是在镀电极之前(a顶接触)还是之后(b底接触)。顶接触结构的源、漏电极远离衬底,有机半导体层和绝缘层直接相连,在制作的过程中可以采取对绝缘层的修饰改变半导体的成膜结构和形貌,从而提高器件的载流子迁移率。同时该结构中半导体层受栅极电场影响的面积大于源、漏电极在底部的器件结构,因此具有较高的载流子迁移率。底接触型OFET的主要特点是有机半导体层蒸镀于源、漏电极之上,且源、漏电极在底部的器件结构可以通过光刻方法一次性制备栅极和源、漏电极,在工艺制备上可以实现简化。而且对于有机传感器来说,需要半导体层无覆盖地暴露在测试环境中,此时利用底结构就有较大的优势。而底接触由于半导体层与金属电极之间有较大的接触电阻,导致载流子注入效率降低从而影响到其性能。目前这方面缺陷也有改进,如使用镀上聚乙撑二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸款(PEDOT:PSS)材料的金电极可以减少与有机半导体并五苯材料之间的接触电阻。二者之间载流子注入的阻力由0.85eV直接降到0.14eV,导致场迁移率从0.031cm2/(V·s)增加到0.218cm2/(V·s)。


图1(c),(d)为顶栅结构,即首先在衬底上制作有机半导体层,然后制作源、漏电极,随后再制作绝缘层,最后在绝缘层上面制作栅极。这两种栅极位于最顶部的顶栅结构在文献报道中并不是很多。


图2是垂直沟道OFET结构,是以缩短沟道长度为目的的一类新型场效应晶体管。它以半导体层为沟道长度,依次蒸镀漏-源-珊电极,通过改变栅电压来控制源、漏电极的电流变化。

图2垂直沟道OFET结构


这种结构的主要特点是:沟道长度由微米量级降低至纳米量级,极大的提高了器件的工作电流,降低了器件的开启电压。这类晶体管的不足之处在于漏-源-栅极在同一竖直面内,彼此间寄生电容的存在使得零点电流发生漂移,一般通过放电处理后可以避免这种现象。

有机场效应晶体管是什么-工作原理

有机场效应晶体管是一种基于有机半导体的有源器件,源极1导电沟道中注入电荷,漏极收集从导电沟道中流出的电荷,栅极诱导有机半导体与绝缘层界面产生电荷形成导电沟道。整个有机场效应晶体管可以看做是一个电容器,栅极是电容器的一个极板,位于源漏电极之间的导电沟道是电容器的另一极板,而夹在中间的栅绝缘层相当于电容器的绝缘板。例如,在底栅顶接触有机场效应晶体管中,当栅压和源漏电压均为零的时候,器件处于关闭状态。外加一定的栅压(Vg),有机半导体层和绝缘层界面诱导产生电荷,在源漏电压为零时,电荷均匀的分布在沟道中,施加--定的源漏电压(Vsp),感应电荷参与导电。通过调节栅压的大小改变电容器电场强度,调节导电沟道中电荷密度,改变导电沟道的宽窄从而控制电流的大小。因此,有机场效应晶体管是一种压控型的有源器件。

其中,Vr是阈值电压,Ci是绝缘层单位面积的电容,u是载流子迁移率。当Va大于阈值电压且固定在某-一数值时,Vsp很小(|Vspl《|VG-VT),此时,导电沟道中的电荷密度是线性减少,有机场效应晶体管处于线性工作区,漏电流可以通过方程式

(1)计算得到,随着VSP的增大,当[Vspl=\Va-VT|时,器件处于预夹断状态,Vsp进-一步增大,当IVspl》lVa-VT|时,预夹断区域向源极伸展,漏极附近无感应载流子产生,器件被夹断,电流达到饱和,器件将处于饱和工作区,漏电流可有方程式


(2)计算得到,此后再加大Vsp,电流无变化。关于-一个器件到底是P型还是N型亦或是双极性,这主要取决于所采用的有机半导体的性质。其实对一一个独特的有机半导体,它既拥有正的载流子又拥有负的载流子,当正的载流子起主导作用的时候,对应的有机半导体就是P型,反之,当负的载流子起主导作用的时候,对应的有机半导体就是N型。另外,一个材料表现出P型还是N型很大程度上还与器件的结构和应用的环境条件有关:当合适的注入接触,采用无陷阱绝缘层和提供合适的环境条件,大多数有机半导体材料可表现出电子或空穴具有相同数量级的迁移率来。


利用有机场效应体管提高器件光敏性能

柔性、可拉伸及可打印的有机场效应晶体管(OFETs)在可穿戴电子、生物医学、人工智能及传感等领域有着重要的应用。除了使用有机半导体,这些OFETs还往往采用多种多样的有机高分子材料作为介电层以保证器件整体的柔性、可拉伸性及可打印性能。然而,OFETs中有机半导体/介电层的界面电荷捕获效应对器件性能有着重要的影响,而不同的高分子介电层赋予OFETs复杂多样的界面效应,使得器件的最终性能具有很大的不可预测性。界面电荷效应通常被认为是对OFETs晶体管性能的一个不利影响因素。同时,有机半导体/介电层的界面被隐藏在OFETs的器件内部,使得对该界面效应的研究一直以来都是一个重大挑战。

同济大学教授研究团队巧妙地利用光照来刺激OFETs中有机半导体/介电层的界面效应,由此成功地开展了系统研究,发现并总结了有机半导体的侧链分子结构、高分子介电层的官能团极性等参数对上述界面效应的影响,进一步揭示了界面效应的深层机理。利用该机理,柔性光敏晶体管的性能可以被精确地调控与优化,例如,该工作中光敏晶体管的光暗电流比可以通过调控界面效应来改变1000倍以上。具有很强界面效应的OFETs在脉冲光刺激下表现出类似突触后电位的输出信号,因此可应用于人工神经元器件中的突触模拟器。因此,该工作展示了一种研究隐藏在OFETs内部的界面效应的有效方法,深入揭示了界面效应的过程机理,提供了优化柔性光敏晶体管性能的新策略,并由此制备了一种有机人工神经元器件。


联系方式:邹先生

联系电话:0755-83888366-8022

手机:18123972950

QQ:2880195519

联系地址:深圳市福田区车公庙天安数码城天吉大厦CD座5C1


关注KIA半导体工程专辑请搜微信号:“KIA半导体”或点击本文下方图片扫一扫进入官方微信“关注”。

关注「KIA半导体」,做优秀工程师!


长按二维码识别关注

阅读原文可一键关注+技术总汇