[科普中國]-有機場效晶體管

有機場效晶體管（Organic field-effect transistor, OFET）是一種利用有機半導(dǎo)體組成信道的場效應(yīng)晶體管。

簡介有機場效晶體管（Organicfield-effecttransistor,OFET）是一種利用有機半導(dǎo)體組成信道的場效應(yīng)晶體管。

OFET的原料分子通常是含有芳環(huán)的π電子共軛體系。

歷史有機場效應(yīng)晶體管（OFET）最初由J.E. Lilienfeld提出，他于1930年獲得了他的想法的專利。他提出場效應(yīng)晶體管表現(xiàn)為在源極和漏極之間具有導(dǎo)電溝道的電容器。柵電極上的施加電壓控制流過系統(tǒng)的電荷載流子的量。

第一個場效應(yīng)晶體管是由Kahng和Atalla在1960年使用金屬氧化物半導(dǎo)體（MOSFET）設(shè)計和制造的。然而，近年來，材料和制造成本上升以及公眾對更環(huán)保的電子材料的興趣支持了有機電子產(chǎn)品的發(fā)展。1987年， Koezuka及其同事報道了第一種基于噻吩分子聚合物的有機場效應(yīng)晶體管。噻吩聚合物是一種能夠傳導(dǎo)電荷的共軛聚合物，無需使用昂貴的金屬氧化物半導(dǎo)體。另外，已經(jīng)顯示其他共軛聚合物具有半導(dǎo)體特性。OFET設(shè)計在過去幾十年中也有所改善。許多OFET都是基于薄膜晶體管（TFT）模型設(shè)計的，它允許器件在設(shè)計中使用導(dǎo)電性較差的材料。在過去幾年中對這些模型的改進已經(jīng)實現(xiàn)了場效應(yīng)遷移率和開關(guān)電流比。

有機場效應(yīng)晶體管的半導(dǎo)體材料用作有機場效應(yīng)晶體管的有機半導(dǎo)體材料不但應(yīng)具有穩(wěn)定的電化學(xué)特性，還應(yīng)是具有兀鍵的共扼體系，π鍵重疊的軸向應(yīng)該盡量與源漏電極之間的最短距離方向一致，從而有利于載流子的傳輸。這不僅限制了大多數(shù)有機材料，而且要求控制薄膜制備條件，使晶體的生長和取向達到最佳的形貌。按不同的化學(xué)和物理性質(zhì)有機半導(dǎo)體材料主要分為3類:一是高分子聚合物，如烷基取代的聚唾吩;二是低聚物，如唾嗯齊聚物和唾吩齊聚物等;三是有機小分子化合物，如并苯類，C60，金屬酞警化合物，蔡，花，電荷轉(zhuǎn)移鹽等，幾種有機半導(dǎo)體材料的分子結(jié)構(gòu)。有機場效應(yīng)晶體管對所用有機半導(dǎo)體材料有著特殊的要求:(1)高遷移率，(2)低本征電導(dǎo)率。高的遷移率是為了保證器件的開關(guān)速度，低的本征電導(dǎo)率是為了盡可能地降低器件的漏電流，從而提高器件的開關(guān)比，增加器件的可靠性。有機半導(dǎo)體材料的設(shè)計和合成起著決定性的作用。

高分子化合物高分子薄膜可以使用涂膜、甩膜、LB膜等方法制備，方法簡單，成本低廉。但高分子一般難于提純并且材料的有序度較低，因此高分子材料的場效應(yīng)遷移率一般都比較低。最近，通過改善高分子薄膜的有序性，使用區(qū)域有序的聚烷基唾吩制作的OFET的場效應(yīng)遷移率可達到0.1cm2(VS)，但總的來說，由于高分子材料本身固有的特點，它在有機場效應(yīng)晶體管中的應(yīng)用受到很大的限制。

低聚物與高分子聚合物相比，低聚物在用于OFET時有許多優(yōu)點，低聚物可以通過調(diào)整子的結(jié)構(gòu)和長度來控制載流子的傳輸。例如低聚唾吩系列化合物，可以通過改變唾吩鏈的長度和引人不同的官能團來改善薄膜的有序性，許多報道表明低聚唾吩場效應(yīng)遷移率隨分子鏈長的增加而增大。可以通過修飾分子以改善分子的連接形式，如齊聚唾吩的不同烷基取代可以形成不同的結(jié)構(gòu)。因此，低聚物在有機場效應(yīng)晶體管中得到廣泛的應(yīng)用。

有機小分子化合物遷移率較高的有機小分子化合物都具有一定的平面結(jié)構(gòu)，它們能形成自組裝的多晶膜，當(dāng)這些分子沉積在絕緣層上后，分子層互相平行并且垂直于絕緣層的表面，這種有序的分子膜的排列使的遷移率大大提高小分子有機物易于提純并且常用真空蒸鍍的方法來制備薄膜常用作有機半導(dǎo)體材料的小分子化合物有并五苯、酞青類化合物、花以及等并五苯是用于制備有機場效應(yīng)晶體管的最有前途的材料之一，它是個苯環(huán)并列形成的稠環(huán)化合物，從年以來其半導(dǎo)體特性得到了廣泛的研究盡管大多數(shù)基于并五苯的都是由真空沉積膜組成的一。然而與高分材料相比，并五苯比較脆，很難涂在其他材料上，只能用真空鍍膜的方式沉積，這一點是它的最大不足。酞著類化合物也是制備有機場效應(yīng)晶體管的常用材料之一酞普是第一個報道的有機半導(dǎo)體它在400℃以下比較穩(wěn)定，在真空中易蒸發(fā)形成均勻的薄膜酞背可以與不同的金屬配位形成金屬酞著化合物cPs一OFET在1970年被報道以來得到廣泛的研究。由Pcs制得的有機場效應(yīng)晶體管大多數(shù)是p型的。我們曾研究了制備方法對氨基酞普銅場效應(yīng)晶體管遷移率的影響，發(fā)現(xiàn)用LB膜技術(shù)制備的酞普銅有機場效應(yīng)晶體管比蒸發(fā)制備的OFET的遷移率高很多。

OFET的制備技術(shù)有機場效應(yīng)晶體管制備的關(guān)鍵步驟是有機半導(dǎo)體層的形成，器件特性以及性能的好壞在很大程度上取決于有機薄膜的結(jié)構(gòu)和形貌有序的分子結(jié)構(gòu)能使有機共扼分子的兀鍵在源漏電極方向上得以最大程度的重疊，從而提高載流子的傳輸因此探索新的有序分子形貌的有機場效應(yīng)晶體管制備技術(shù)，對器件性能的改善起著關(guān)鍵性的作用。

真空技術(shù)真空技術(shù)是制備OFET薄膜最普遍采用的方法之一，它主要包括真空鍍膜濺射和有機分子束外延生長技術(shù)這種技術(shù)的優(yōu)點是可以控制膜的純度和厚度，也可以通過控制沉積速度和基底的溫度來實現(xiàn)膜的高度有序許多有機半導(dǎo)體材料在溶劑中的豁度和溶解度很小，很難用溶液加工技術(shù)成膜濺射沉積膜附著力強，可用來制備OFET的電極和絕緣層并五苯是利用真空蒸發(fā)技術(shù)制備OFET的典型化合物，它的遷移率可達1.5cm2(VS)。利用真空鍍膜技術(shù)制備的OFET的遷移率一般比溶液加工技術(shù)高一個數(shù)量級?？傊鞣N真空鍍膜技術(shù)制得的OFET性能比較好，遷移率都比溶液處理成膜技術(shù)高得多，但是儀器設(shè)備復(fù)雜，成本比較昂貴，所以在工業(yè)中應(yīng)用比較困難。

溶液處理成膜技術(shù)溶液處理成膜技術(shù)被認(rèn)為是制備最有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，它適用于可溶性的有機半導(dǎo)體材料結(jié)合大面積“印章”技術(shù)和印刷技術(shù)可以大大地降低成本，利用這種技術(shù)制備的的遷移率最高僅比真空技術(shù)小一個數(shù)量級常用的溶液處理成膜技術(shù)主要包括電化學(xué)沉積技術(shù)、甩膜技術(shù)、鑄膜技術(shù)、預(yù)聚物轉(zhuǎn)化技術(shù)、一技術(shù)、分子自組裝技術(shù)、印刷技術(shù)等。

發(fā)展趨勢OFET是從20世紀(jì)末有了初步的發(fā)展，主要是因為發(fā)現(xiàn)有機材料作為半導(dǎo)體材料應(yīng)用到有機器件中。不少小組致力于研究OFET、有機發(fā)光二極管（OLED）和有機太陽能電池（OSC）等有機器件。OFET作為邏輯電路中重要器件被關(guān)注起來，特別是P型的OFET的研究成果比較多，而N型的有機材料往往因為其在空氣中容易被氧化而發(fā)展的比較慢，其中以C60為代表的N型OFET，也有著較高的遷移率，較大的開關(guān)比和低的閾值電壓，其制備工藝主要是蒸鍍。而像PCBM這類材料，其性能也具有N型的特點，其制備工藝主要為旋涂且容易成膜，且其制備成本要低。雖然有很多小組對其性能的改善做了很多研究，而進一步研究完善該材料制備成OFET性能變化也是很有意義的。筆者主要探討其應(yīng)用不同濃度的PVA容易制備成OFET，其性能相應(yīng)的變化。

應(yīng)用目標(biāo)OFET的應(yīng)用目標(biāo)包括低成本，大面積的電子產(chǎn)品和可生物降解電子設(shè)備。研究上設(shè)計出了有多種構(gòu)造形式的OFET，實際應(yīng)用的器件中最常用的構(gòu)造是底部柵極、頂部漏極和源極，因為這種構(gòu)造類似于使用SiO2的熱生長法作為柵極介電層的薄膜電晶體(TFT)。有機聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）也可以被用作電介質(zhì)。

2007年，索尼首次研制出全彩色，實現(xiàn)視頻級更新頻率的的柔性塑料顯示屏，其薄膜晶體管與發(fā)光二極管均使用有機材料。1

參考術(shù)語有機半導(dǎo)體有機半導(dǎo)體是具有半導(dǎo)體性質(zhì)的有機材料。單分子短鏈（低聚物和有機聚合物）可以是半導(dǎo)體。半導(dǎo)體小分子（芳香族烴類）包括的多環(huán)芳族化合物，并五苯，蒽，以及紅熒烯。聚合物有機半導(dǎo)體包括聚（3-己基噻吩），聚（對亞苯基亞乙烯基），以及聚乙炔及其衍生物。

有兩個主要的重疊類有機半導(dǎo)體。這些有機電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物和線性骨干的導(dǎo)電聚合物都來自聚乙炔。線性主鏈的有機半導(dǎo)體包括聚乙炔本身和它的衍生物聚吡咯和聚苯胺。至少在那里，電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物往往表現(xiàn)出類似于無機半導(dǎo)體的傳導(dǎo)機制。在這種機制的存在下產(chǎn)生的空穴和由帶隙分離的電子傳導(dǎo)層。雖然這種典型的機制很重要，不過與無機非晶半導(dǎo)體、隧道、局部狀態(tài)、流動性缺口，和聲子也能協(xié)助躍遷大大的有助于傳導(dǎo)，特別是在聚乙炔。如同無機半導(dǎo)體一樣，有機半導(dǎo)體可以摻雜。有機半導(dǎo)體容易摻雜如聚苯胺（歐明創(chuàng)）和PEDOT:PSS，因此也被稱為有機金屬。

典型的電流載流子在有機半導(dǎo)體里的空穴和電子的π鍵。幾乎所有的有機固體都是絕緣體。但是，當(dāng)其組成分子為π共軛系統(tǒng)，電子會移動通過π電子云重疊，特別是通過躍遷，隧道及相關(guān)機制。多環(huán)式芳香族烴類和酞菁鹽晶體是這種類型的有機半導(dǎo)體材料的例子。

電流載流子主要是由于流動性低，即使是未配對電子在電荷轉(zhuǎn)移復(fù)合物中可能是穩(wěn)定的。這種不成對的電子，可作為載流子。這種類型的半導(dǎo)體也可通過配對的電子給體分子與電子受體分子來獲得。

場效應(yīng)管場效應(yīng)管（英語：field-effecttransistor，縮寫：FET）是一種通過電場效應(yīng)控制電流的電子元件。

它依靠電場去控制導(dǎo)電溝道形狀，因此能控制半導(dǎo)體材料中某種類型載流子的溝道的導(dǎo)電性。場效應(yīng)晶體管有時被稱為“單極性晶體管”，以它的單載流子型作用對比雙極性晶體管。由于半導(dǎo)體材料的限制，以及曾經(jīng)雙極性晶體管比場效應(yīng)晶體管容易制造，場效應(yīng)晶體管比雙極性晶體管要晚造出，但場效應(yīng)晶體管的概念卻比雙極性晶體管早。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

曹慧慧 - 副教授 - 中國礦業(yè)大學(xué)