有機場效應晶體管是什么-有機場效晶體管工作原理-基本結構與介紹-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2018-03-07
場效應晶體管（FieldEffectTransistorFET）是利用電場來控制固體材料導電性能的有源器件。由于其所具有體積小、重量輕、功耗低、熱穩(wěn)定性好、無二次擊穿現(xiàn)象以及安全工作區(qū)域寬等優(yōu)點，現(xiàn)已成為微電子行業(yè)中的重要元件之一。
目前無機場效應晶體管已經(jīng)接近小型化的自然極限，而且價格較高，在制備大表面積器件時還存在諸多問題。因此，人們自然地想到利用有機材料作為FET的活性材料。自1986年報道第一個有機場效應晶體管（OFET）以來，OFET研究得到快速發(fā)展，并取得重大突破。
傳統(tǒng)的有機場效應晶體管的主要包括底柵和柵兩種結構，其中底柵和頂柵結構又分別包括頂接觸和底接觸兩種結構，如圖1所示。
圖1典型的OFET結構
OFET一般采用柵極置底的底柵結構，即圖1（a）、（b）所示的兩種結構，它們分別是底柵-頂接觸結構和底柵-底接觸結構。二者最大的區(qū)別就是有機層是在鍍電極之前（a頂接觸）還是之后（b底接觸）。頂接觸結構的源、漏電極遠離襯底，有機半導體層和絕緣層直接相連，在制作的過程中可以采取對絕緣層的修飾改變半導體的成膜結構和形貌，從而提高器件的載流子遷移率。同時該結構中半導體層受柵極電場影響的面積大于源、漏電極在底部的器件結構，因此具有較高的載流子遷移率。底接觸型OFET的主要特點是有機半導體層蒸鍍于源、漏電極之上，且源、漏電極在底部的器件結構可以通過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現(xiàn)簡化。而且對于有機傳感器來說，需要半導體層無覆蓋地暴露在測試環(huán)境中，此時利用底結構就有較大的優(yōu)勢。而底接觸由于半導體層與金屬電極之間有較大的接觸電阻，導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，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半導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，導致場遷移率從0.031cm2/（V·s）增加到0.218cm2/（V·s）。
圖1（c），（d）為頂柵結構，即首先在襯底上制作有機半導體層，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構在文獻報道中并不是很多。
圖2是垂直溝道OFET結構，是以縮短溝道長度為目的的一類新型場效應晶體管。它以半導體層為溝道長度，依次蒸鍍漏-源-珊電極，通過改變柵電壓來控制源、漏電極的電流變化。
圖2垂直溝道OFET結構
這種結構的主要特點是：溝道長度由微米量級降低至納米量級，極大的提高了器件的工作電流，降低了器件的開啟電壓。這類晶體管的不足之處在于漏-源-柵極在同一豎直面內，彼此間寄生電容的存在使得零點電流發(fā)生漂移，一般通過放電處理后可以避免這種現(xiàn)象。
有機場效應晶體管是一種基于有機半導體的有源器件，源極1導電溝道中注入電荷，漏極收集從導電溝道中流出的電荷，柵極誘導有機半導體與絕緣層界面產(chǎn)生電荷形成導電溝道。整個有機場效應晶體管可以看做是一個電容器，柵極是電容器的一個極板，位于源漏電極之間的導電溝道是電容器的另一極板，而夾在中間的柵絕緣層相當于電容器的絕緣板。例如，在底柵頂接觸有機場效應晶體管中，當柵壓和源漏電壓均為零的時候，器件處于關閉狀態(tài)。外加一定的柵壓（Vg），有機半導體層和絕緣層界面誘導產(chǎn)生電荷，在源漏電壓為零時，電荷均勻的分布在溝道中，施加--定的源漏電壓（Vsp），感應電荷參與導電。通過調節(jié)柵壓的大小改變電容器電場強度，調節(jié)導電溝道中電荷密度，改變導電溝道的寬窄從而控制電流的大小。因此，有機場效應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Va大于閾值電壓且固定在某-一數(shù)值時，Vsp很?。▅Vspl《|VG-VT），此時，導電溝道中的電荷密度是線性減少，有機場效應晶體管處于線性工作區(qū)，漏電流可以通過方程式
（1）計算得到，隨著VSP的增大，當［Vspl=\Va-VT|時，器件處于預夾斷狀態(tài)，Vsp進-一步增大，當IVspl》lVa-VT|時，預夾斷區(qū)域向源極伸展，漏極附近無感應載流子產(chǎn)生，器件被夾斷，電流達到飽和，器件將處于飽和工作區(qū)，漏電流可有方程式
（2）計算得到，此后再加大Vsp，電流無變化。關于-一個器件到底是P型還是N型亦或是雙極性，這主要取決于所采用的有機半導體的性質。其實對一一個獨特的有機半導體，它既擁有正的載流子又擁有負的載流子，當正的載流子起主導作用的時候，對應的有機半導體就是P型，反之，當負的載流子起主導作用的時候，對應的有機半導體就是N型。另外，一個材料表現(xiàn)出P型還是N型很大程度上還與器件的結構和應用的環(huán)境條件有關：當合適的注入接觸，采用無陷阱絕緣層和提供合適的環(huán)境條件，大多數(shù)有機半導體材料可表現(xiàn)出電子或空穴具有相同數(shù)量級的遷移率來。
柔性、可拉伸及可打印的有機場效應晶體管（OFETs）在可穿戴電子、生物醫(yī)學、人工智能及傳感等領域有著重要的應用。除了使用有機半導體，這些OFETs還往往采用多種多樣的有機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中有機半導體/介電層的界面電荷捕獲效應對器件性能有著重要的影響，而不同的高分子介電層賦予OFETs復雜多樣的界面效應，使得器件的最終性能具有很大的不可預測性。界面電荷效應通常被認為是對OFETs晶體管性能的一個不利影響因素。同時，有機半導體/介電層的界面被隱藏在OFETs的器件內部，使得對該界面效應的研究一直以來都是一個重大挑戰(zhàn)。
同濟大學教授研究團隊巧妙地利用光照來刺激OFETs中有機半導體/介電層的界面效應，由此成功地開展了系統(tǒng)研究，發(fā)現(xiàn)并總結了有機半導體的側鏈分子結構、高分子介電層的官能團極性等參數(shù)對上述界面效應的影響，進一步揭示了界面效應的深層機理。利用該機理，柔性光敏晶體管的性能可以被精確地調控與優(yōu)化，例如，該工作中光敏晶體管的光暗電流比可以通過調控界面效應來改變1000倍以上。具有很強界面效應的OFETs在脈沖光刺激下表現(xiàn)出類似突觸后電位的輸出信號，因此可應用于人工神經(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內部的界面效應的有效方法，深入揭示了界面效應的過程機理，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人工神經(jīng)元器件。
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