有机场效应晶体管工作原理和主要性能指标

有机场效应晶体管（organic fieldeffect tran-sisbor，OFET）因具有以下几个突出特点而受到研究人员的极大重视：材料来源广、可与柔性衬底兼容、低温加工、适合大批量生产和低成本等。它用途广泛，可用于全有机主动显示、大规模和超大规模集成电路、记忆组件、传感器、有机激光、互补逻辑电路和超导材料制备等。

有机场效应晶体管工作原理

有机场效应晶体管由三个电极即源极（source）漏（drain）极、栅极（gate）、有机半导体层和栅绝缘层组成。根据器件的结构，有机场效应晶体管可以分为四类：底栅底接触式、顶栅顶接触式、项栅底接触式和底栅I页接触式（图1）。底栅和顶栅是根据栅极的位置来划分，底栅是栅极沉积在栅绝缘层的下方，顶栅是栅极沉积在有机半导体和绝缘层上方;而顶接触和底接触是根据有机半导体和源漏电极的位置来划分，顶接触是有机半导体先生长在栅绝缘层再进行源漏电极的沉积，而底接触是有机半导体的基底是源漏电极和栅绝缘层。不同的器件结构会引起不同的载流子注入方式和器件性能，比如在底栅底接触中，载流子可以直接从电极边缘注入导电沟道中，而在底栅顶接触中，有机半导体把源漏电极和导电沟道隔开，从电极向导电沟道注入的载流子必须穿过有机半导体层才能到达导电沟道中，这样很有可能会增加接触电阻而导致载流子的注入效率降低，但是这种结构的器件由于电极与有机半导体的接触面积相对较大，在有机半导体层很薄的情况下，接触电阻反而变得很小：另外，由于项接触是有机半导体材料直接沉积在绝缘层上，膜的质量也比较优质，因此器件的性能比底接触的较好一些。但是从制作器件的工艺方面考虑，顶接触是源漏电极沉积在有机半导体薄膜上，很可能对有机半导体引起一些负面影响，比如破坏有机半导体的结构等：另一方面，顶接触器件尺寸和集成度不能做到比底接触的小和高，因此，顶接触不宜进行大面积的生产，在一定程度上限制了其实际应用。

以P型有机场效应晶体管（见下图）为例来说明OFET的工作原理。

有机场效应晶体管在结构上类似一个电容器，源、漏电极和有机半导体薄膜的导电沟道相当于一个极板，栅极相当于另一个极板。当在栅、源之间加上负电压从VGS后，就会在绝缘层附近的半导体层中感应出带正电的空穴，栅极处会积祟带负电的电子。此时在源、漏电极之间再加上一个负电压VDS，就会在源漏电极之间产生电流IDS通过调节VGS和Vns可以调节绝缘层中的电场强度，而随着电场强度的不同，感应电荷的密度也不同。因而，源、漏极之间的导电通道的宽窄也就不同，进而源、漏极之间的电流也就会改变。由此，通过调节绝缘层中的电场强度就可以达到调节源漏极之间电流的目的。保持VDS不变，当VGS较小时IDS很小，称为“关”态；当VGS较大时，IDS达到一个饱和值，称为“开”态。

有机场效应晶体管主要性能指标

对有机半导体层的要求主要有以下几个方面：第一，具有稳定的电化学特性和良好的π共扼体系，只有这样才有利于载流子的传输，获得较高迁移率；第二，本征电导率必须较低，这是为了尽可能降低器件的漏电流，从而提高器件的开关比。此外，OFET半导体材料还应满足下列要求：单分子的最低未占分子轨道（LUMO）或最高已占分子轨道（HOMO）能级有利于电子或空穴注入；固态晶体结构应提供足够分子轨道重叠，保证电荷在相邻分子间迁移时无过高能垒。因此，评价OFET的性能指标主要有迁移率、开—关电流比、阈值电压3个参数。场迁移率是单位电场下电荷载流子的平均漂移速度，它反映了在不同电场下空穴或电子在半导体中的迁移能力；开—关电流比定义为在“开”状态和“关”状态时一的漏电流之比，它反映了在一定栅极电压下器件开关性能的优劣。为了实现商业应用，OFET的迁移率一般要求达到0.O1cm2/（V·s），开—关比大于10。对于阈值电压，要求尽量低。OFET发展至今，电压由最初的几十甚至上百伏下降到5V甚至更低。开关电流比由102~103提高到109，器件载流子迁移率也由最初的10-5cm2/（V·s）提高到了15.4cm2/（V•s）。

器件性能通常用输出特性曲线和转移特性曲线来表征。

下图是以聚合物PDTT为半导体材料的顶结构OFET输出特性曲线（a）和转移特性曲线（b）图。从下图（a）可以看出漏电流ID在VD绝对值小于20V范围内随VD绝对值的增大而增大。下图（b）中，ID随着VG负电压绝对值的增大而增大。最终计算出该器件的迁移率为2.2x103cm2/（V·s）。

顶结构OFET输出特性曲线及转移特性曲线图