含氟有机场效应晶体管材料的研究进展_刘辉
含氟有机场效应晶体管材料的研究进展
＊
刘 辉,张 清
(上海交通大学化学化工学院,上海200240)
摘要 在空气中稳定的n 型有机半导体材料是当前有机场效应晶体管(O FET )研究的重要方向。分子中引入
氟取代基和三氟甲基/全氟烷基可能会将有机半导体材料从p 型转变成n 型,同时还可提高有机半导体材料的稳定性。从分子结构的角度出发介绍了含氟类有机半导体材料的最新进展及其在场效应晶体管中的应用,并进一步提出了该领域的研究前景。
关键词 场效应晶体管 n 型有机半导体材料 氟 稳定性 迁移率
Research Prog ress in Fluo rinated M aterials for O rganic Field -effect T ransisto rs
LIU Hui ,ZHA NG Qing
(Schoo l o f Chemistry and Chemical Engineering ,Shanghai Jiao tong U niversity ,Shanghai 200240)Abstract Air stable n -ty pe o rg anic semico nducto rs have at tracted much attentio n o n their po tential use in o r -ganic field -effect transistor s (OF ET s ).T he introduction of fluor o and trif luor omethyl /perfluo ro alkyl substituents in or ganic molecules might tr ansfer p -ty pe o rg anic semico nduc to rs to n -ty pe o rg anic semico nducto rs ,and mig ht impro ve
the stability of the materials to war ds moistur e and ox yg en .In this article ,the current prog re ss of fluorina ted o rganic semiconductor s and their applications in O F ET s are rev iewed briefly and the futur e pro spect of this kind of materials is disussed .
Key words field -effec t transistor s ,n -ty pe o rg anic semico nductor s ,fluo rine ,stability ,mobility
＊国家自然科学基金资助项目(
20674049) 刘辉:男,硕士研究生,主要研究领域为有机光电材料 E -mail :liuhui1115@tom .co m
0 引言
场效应晶体管(FE T )是微电子技术的重要组成部分。
有机场效应晶体管(OFE T )是以有机半导体材料为有源层的场效应晶体管器件,与传统的无机半导体器件相比,具有成本低、可实现大面积加工、可与柔性基底集成等优点,在液晶和有机电致发光显示器、有源驱动电路、传感器、电子标签和
互补逻辑电路中有着广阔的应用前景[1,2]
。
近年来,OFE T 的研究发展迅速,材料的主要指标迁移
率已经接近或达到了非晶硅的水平(1.0cm 2/(V ·s ))[3,4]
。目前主要存在的问题是大多数有机半导体为p 型材料,在空气中稳定的n 型有机半导体材料比较少见,原因在于它们对氧和湿度较敏感,造成场效应迁移率低和晶体管工作性能不稳定。而n 型有机半导体材料是p -n 结二极管、双极晶体管和互补CM OS 电路的重要组成部分,因此,研究新型高性能的n 型有机半导体材料具有非常重要的意义。氟是所有元素中电负性最强的元素,氟取代基和三氟甲基/全氟烷基取代基具有很强的吸电子能力(诱导效应),在分子中引入氟取代基和三氟甲基/全氟烷基取代基有利于电子的有效注入,是将有机半导体材料从p 型转变成n 型的一条有效途径。另外,与氢原子相比,氟原子具有较大的范德华半径,引入氟取代基和三氟甲基/全氟烷基取代基能够缩短分子链之间的
间距,从而降低水分和氧气对材料薄膜的渗透,提高有机半
导体材料的稳定性。
本文概述了含氟类有机半导体材料的最新进展,并介绍了该领域存在的主要问题及发展趋势。
1 含氟类有机半导体材料的最新进展
1.1 噻吩类
目前报道的低聚噻吩大多数都是p 型材料,但是可以通过引入含氟取代基将低聚噻吩从p 型变成n 型[5]。2000年Facchetti 等[6]首次将全氟烷基低聚噻吩应用于n 型半导体中,发现四聚噻吩衍生物1(见图1)薄膜晶体管的电子迁移率高达0.2cm 2/(V ·s ),同时电流开关比也高达106[7],而空气中的迁移率要比真空中的低2个数量级。为了增加含氟
低聚噻吩在空气中的稳定性,M ark s 等[8]
在四聚噻吩与烷基链之间引入酮基合成了化合物2(见图1),并研究了以化合物2作为晶体管半导体层的器件,发现真空中的电子迁移率最高可达0.6cm 2/(V ·s ),电流开关比大于107,即使在空气中也可高达0.02cm 2/(V ·s )。2004年Facchetti 等[9]研究了一系列末端带有全氟辛基的噻吩-苯低聚物薄膜晶体管,其中低聚物3(见图1)的电子迁移率和电流开关比分别高达0.074cm 2/(V ·s )和6×106。
Sakamotod 等[10,11]合成出了一系列全氟低聚噻吩4(见
图1),但有关晶体管的性能还没有报道,根据X 射线谱图推测其沿π-π堆积方向上的迁移率会有所提高。此外,噻吩和全氟芳香烃的共聚物也有n 型有机半导体的性能。Mark s 等通过改变全氟芳香烃的位置[12]和噻吩环的数目[13],合成出了一系列的含氟共聚物。其中,末端带有全氟芳香烃的四聚噻吩5(见图1)具有较好的性能,晶体管迁移率高达0.5cm 2/(V ·s ),电流开关比大于108。最近,S ainova 等[14]合成了一系列3-己基噻吩和1,4-二噻吩-2,3,5,6-四氟苯(TFT )的共聚物(见图1中6a -6e )。研究表明,这类聚合物具有较好的稳定性和溶解性。随着受体TF T 含量的增加,聚合物薄膜的无序程度逐渐增加,电子迁移率逐渐降低(3.2×10-2～7×10-4cm 2/(V ·s ))
。
图1 噻吩类的结构
Fig .1 Thiophe ne derivatives str uctur es
1.2 噻唑及噁二唑类
早在2003年Rit onga 等[15]就开始研究具有吸电子能力
的苯并噻二唑,并成功地将其应用到EL 器件中,而在OF -E Ts 中的应用却未见报道。直到2005年A khtaruzzaman 等[16]通过引入具有吸电子能力的噻唑环合成了一系列二噻唑苯并噻二唑类低聚物。研究表明,噻唑环能够很好地降低相邻环之间的空间位阻,增强分子的平面性、稳定性和分子间作用力。其中,末端带有三氟甲基苯基的化合物7(见图2)具有较好的半导体性能,其晶体管迁移率达到0.068cm 2/(V ·s )。随后,A ndo 等[17]研究了一系列含有噻唑和三氟甲基苯基衍生物的薄膜晶体管的性能。以化合物8(见图2)作为活性半导体层,未处理过的SiO 2作为衬底,晶体管电子迁移率高达0.21cm 2/(V ·s );而用OT S 处理过的SiO 2作为衬底,电子迁移率则增加到1.83cm 2/(V ·s ),这在迄今为止所报道的n 型有机半导体中很少见。
另外,噻唑并噻唑环也具有与噻唑环相似的性质。Ando 等[18]
合成了2个含氟类噻唑并噻唑衍生物9和10(见图2)。研究表明,用化合物9制作的薄膜在Si /SiO 2衬底上形成了一种无序的排列方式,没有发现任何OFET 性能;而用化合物10制作的薄膜则能够形成一种面对面的π-π排列方式,表
现出了非常好的OFET 性能,根据沉积温度的不同,其晶体
管迁移率在0.12～0.30cm 2/(V ·s )之间。最近,M am ada
等[19]合成出了一种新型的噻唑并噻唑衍生物11a 、11b (见图2)。研究表明,衍生物11a 具有很好的半导体性能,场效应迁移率最高可达0.64cm 2/(V ·s )。而衍生物11b 晶体管的迁移率则比较低,仅为3×10-4
cm 2
/(V ·s )。
图2 噻唑及噁二唑类的结构
Fig .2 T hiazole an d oxadiazole derivatives str uctu res
1.3 四羧酸二酰亚胺类
自1996年第一例苝类衍生物应用于晶体管以来[20],高迁移率和高稳定性的苝类材料就引起了研究者的广泛关注。2007年H osoi 等[21]
通过引入三氟甲基苯基合成了化合物12(见图3)。用H MDS 处理过的SiO 2作为衬底,在T dep =125℃时测得其晶体管的电子迁移率高达4.1×10-2cm 2/(V ·s ),在空气中也可达到1.7×10-2cm 2/(V ·s ),说明材料的稳
定性较高。Oh 等[22]
用OTS 处理过的S iO 2作为衬底,将化
合物12晶体管的电子迁移率提高到0.72cm 2
/(V ·s ),在空
气中放置50天后,迁移率只有轻微的下降(0.56cm 2
/(V ·
s )),稳定性有了很大的提高。Jones 等[23]
研究了核中含有氰基的含氟类苝四羧酸二酰亚胺衍生物13a (见图3)薄膜晶体管,发现衍生物13a 晶体管具有较低的阀值电压和较好的稳定性,电子迁移率高达0.64cm 2/(V ·s )。Weitz 等[24]研究合成了一系列含氟类苝四羧酸二酰亚胺衍生物,其中,衍生物13b (见图3)薄膜晶体管显示出了较好的OFET 性能,电子迁移率达到0.05cm 2/(V ·s )。最近,Li 等[25]合成出了一系列核中含有全氟烷基链的苝四羧酸二酰亚胺衍生物。研究表明,这些化合物在空气中的稳定性都很好,其中,衍生物14a (见图3)晶体管在空气中测得的电子迁移率为0.003cm 2/(V ·s ),而衍生物14b (见图3)晶体管在空气中测得的电子迁移率则高达0.052cm 2/(V ·s )。
萘四酸二酐(NTC DA )类衍生物也是一种很好的有机半导体材料。2000年Katz 等[26]
通过引入氟烷基获得了稳定性和溶解性优异的n 型有机半导体材料15a (见图3),其晶体管迁移率高达0.1cm 2/(V ·s )。2008年See 等[27]通过一步法合成出了稳定性良好的萘四羧酸二酰亚胺衍生物15b (见图3)。研究表明,衍生物15b 显示出良好的OFET 性能,在未对SiO 2衬底进行处理前,薄膜晶体管的迁移率为0.4cm 2/(V ·s ),处理后则高达0.65cm 2/(V ·s ),电流开关比也达到108
。
图3 四羧酸二酰亚胺衍生物的结构
Fig .3 Tetracarboxylic diimides derivatives stru ctures
1.4 稠环类
Bao 等[28]发现金属酞青具有相当高的电子迁移率和稳定性,特别是十六氟酞青铜(F 16CuPc )(见图4中16)晶体管的电子迁移率高达0.03cm 2
/(V ·s ),这是当时报道中迁移率最大并能在空气中稳定存在的n 型有机半导体材料。另外,F 16C uPc 还可与CuPc 制作双极性晶体管,电子和空穴迁移率为10-4cm 2/(V ·s )。2005年Ando 等[29]报道了第一例n 型蒽类有机半导体材料17(见图4),其电子迁移率达到
0.0034cm 2
/(V ·s ),但需要很高的栅极电压来启动(+75V )。
并五苯是一种非常好的p 型有机半导体材料,其晶体管
场效应迁移率最高可达5.0cm 2
/(V ·s ),通过在核中引入氟取代基可以将并五苯从p 型转变成n 型。Sakam otod 等[30]研究了全氟并五苯(见图4中18)的薄膜晶体管,采用顶接触结构,将全氟并五苯沉积在经O TS 处理过的SiO 2上得到了非常好的OFE T 性能,其电子迁移率高达0.11～0.22cm 2
/
(V ·s )。Okamoto 等[31]
通过在并五苯的末端引入三氟甲基吸电子基团,提高了材料的稳定性。研究表明,采用顶接触结构,用经OTS 处理过的S iO 2/Si 作为衬底,化合物19(见图4)作为活性半导体层制作的器件表现出了较好的p 型有机半导体的性能,迁移率最高可达0.03cm 2/(V ·s )。Okamoto 等[32]研究了2,9-双(全氟丁基)并五苯(见图4中20)薄膜晶体管,测得其电子迁移率为1.7×10-3cm 2/(V ·s )。Di 等[33]合成出了稳定性很好的三氟甲基三苯二噁嗪化合物(见图4中21),其晶体管电子迁移率高达0.07cm 2
/(V ·s )。Subra -m anian 等[34]
合成了末端带有氟取代基的蒽二噻吩衍生物23(见图4)。研究表明,含氟取代基的引入没有将材料从p 型转变成n 型,但却明显地提高了材料的结晶度,晶体管的迁移率最高可达1.5cm 2/(V ·s )。另外,衍生物23具有非常好的光热稳定性,一方面是因为活性最强的位置引入了取代基,降低了反应活性;另一方面是因为末端含氟取代基的引入使分子的电子结构发生了变化。Tang 等[35]合成出了双极性能比较好的并苯衍生物24(见图4),并测得氮气中的电子迁移率和空气中的空穴迁移率分别高达0.37cm 2/(V ·s )和0.12cm 2
/(V ·s )。2007年M iyata 等[36]
研究了氟化的芴二酮衍生物22(见图4)薄膜晶体管,但没有得到理想的n 型有
机半导体性能,其迁移率仅为2.93×10-5cm 2
/(V ·s )。N a -kagaw a 等[37]进一步研究了氟化的二吲哚吡嗪二酮25(见图
4),并发现其晶体管迁移率和电流开关比分别高达0.17cm 2/(V ·s )和107。
图4 稠杂环化合物的结构
Fig .4 Fu se d heterocyclic compoun ds structu res
2 结语
自从1997年第一个含氟类n 型有机半导体材料问世以来,含氟类有机场效应晶体管已经取得了长足的发展,不仅弥补了n 型半导体材料短缺的问题,还在一定程度上提高了材料的稳定性,为以后商业化的发展奠定了基础。尽管如此,含氟类有机半导体材料仍然存在以下问题:(1)含氟取代基的引入并不能使所有的p 型半导体材料转变成n 型,有时还达不到预期的效果;(2)并不是所有的n 型含氟类半导体材料都具有较高的稳定性,如全氟并五苯和全氟烷基低聚噻吩的稳定性就不高;(3)与性能优良的p 型半导体材料(如并五苯)相比,含氟类半导体材料整体的迁移率较低;(4)含氟取代基的引入有时会降低材料的迁移率,这些机理还有待于进一步的研究;(5)对于小分子含氟类材料的研究较多,而对于高聚物的研究却很少;(6)对于n 型含氟类半导体材料的研究较多,而对于双极性含氟类半导体材料的研究则较少,应加大对双极性材料尤其是给体-受体型含氟高聚物的研究力度;(7)有些含氟类有机半导体材料的成膜性差,不易制备器件;(8)与一般材料相比,含氟类材料的价格较高,这也是高性能含氟类材料在有机场效应晶体管商业化应用中的一
个障碍。
综上所述,含氟类有机半导体材料存在诸多问题需要解决,这也是我们研究的动力所在,相信在国内外学者的共同努力下,含氟类有机场效应晶体管的发展会日趋完善。
参考文献
1 Singh B,Sariciftci N S.A nnu Rev M ater,2006,36:199
2 A ntho ny J E.Chem Rev,2006,106:5028
3 胡卫平,徐伟,胡文平,等.化学通报,2006,6:404
4 汤庆鑫,李荣金,汪海风,等.化学进展,2006,18:1538
5 Demanze F,Y assar A,Ficho u D.Synth M e t,1999,101: 620
6 F acchetti A,Deng Y,M a rks T J,et al.A ng ew Chem, 2000,39:4547
7 Facchetti A,M ush rush M,M arks T J,et al.J A m Chem Soc,2004,126:13859
8 Yoo n M H,DiBenede tto S A,M a rks T J,et al.J Am Chem So c,2005,127:1348
9 F acchetti A,M ushrush M,M arks T J,et a l.J Chem M a-ter,2004,16:4715
10Sakamoto Y,K oma tsu S,Suzuki T.J A m Chem So c,2001, 123:4643
11O suna R M,O r tiz R P,Nav arr ete J T,et al.J Phy s Chem B,2005,109:20737
12Facchetti A,Y oon M H,M ar ks T J,e t al.A ng ew Chem Int Ed,2003,42:3900
13Y oo n M H,Facchet ti A,Stern C E,e t al.J A m Chem Soc, 2006,128:5792
14Sainova D,Janietz S,V ollmer A,et al.Chem M ater,2007, 19:1472
15Ritonga M T S,Sakurai H,Hirao T.T etrahedron L ett, 2002,43:9009
16A khta ruzzaman M,K ama ta N,Y amashita Y,et al.Chem Commun,2005,25:3183
17A ndo S,M urakami R,Y amashita Y,et a l.J A m Chem Soc,2005,127:14996
18A ndo S,Nishida J I,Yamashita Y,e t a l.J A m Chem Soc,
2005,127:5336
19M amada M,N ishida J,Y amashita Y,et al.Chem M ater, 2007,19:5404
20Ho row itz G,K ouki F,Ga rnier F,et al.A dv M a te r,1996, 8:242
21Ho soi Y,T sunami D,I shiic H,et al.Chem Phy s Le tt, 2007,436:139
22O h J H,Liu S H,Bao Z N.A ppl P hy s Le tt,2007,91: 212107
23Jo nes B A,A hrens M J,W asielew ski M R,et al.Angew Chem Int Ed,2004,43:6363
24W eitz R T,A mshar ov K,K lauk H,et al.J A m Chem So c, 2008,130:4637
25Li Y,T an L,H u W P,e t al.O r g L ett,2008,10:529
26Ka tz H E,Lov inge r A J,Dodabalapur A,et al.Na tur e, 2000,404:478
27See K C,Landis C,Sarjeant A,et al.Chem M a te r,2008, 20:3609
28Bao Z,L ovinger A J,Brow n J J.J Am Chem So c,1998, 120:207
29A ndo S,N ishida J I,Yamashita Y,et al.Chem M ater, 2005,17:1261
30Sakamoto Y,Suzuki T,To kito S,et al.M o l C ryst Liq Cry st,2006,444:225
31O kamoto T,Sena to re M L,Bao Z N,e t al.A dv M ater, 2007,19:3381
32O kamoto K,O gino K,Ikari M,et al.Bull Chem Soc Jpn, 2008,81:530
33Di C A,L i L,Zhu D B,et al.O rg Lett,2008,10:3025 34Subramanian S,Pa rk S Y,A ntho ny J E,et al.J A m Chem So c,2008,130:2706
35T ang M L,Reichardt A D,Bao Z N,e t al.J A m Chem So c,2008,130:6064
36M iy ata Y,M inari T,K oma tsu S,et al.O rg Biomo l Chem, 2007,5:2592
37N akagaw a T,K umaki D,Y amashita Y,et a l.Chem M ater, 2008,20:2615
(责任编辑 曾文婷)
(上接第83页)
9 A CI Committee546,Concrete Repair G uide(ACI546R-
04),Ame rican Concrete Institute,F arming ton Hills,M I,
2004:18
10A g gelis D G,Shiotani T.Repair ev aluatio n of co ncre te cr acks using surface and th rough-tr ansmissio n w ave mea-surements[J].Cem Concr Comps,2007,29(9):700
11A ndrzej Gar bacz,Luc Cour ard,et al.Char acte rizatio n of concrete surface roug hness and its relatio n to adhesio n in re-pair systems[J].M ater Charact,2006,56(4-5):281
12M o may ez A,e t https://www.360docs.net/doc/6c4131855.html, parison of methods fo r ev aluating bond streng th betw een concrete substr ate and repair ma te-rials[J].Cem Concr Res,2005,35(4):748
13丹治信春著(日).蒯因———整体论哲学:整体论哲学[M].
张明国,湛贵成译.石家庄:河北教育出版社,2001:11
14迈克尔.C.杰克逊[英].系统思考———适于管理者的创造性
整体论[M].北京:中国人民大学出版社,2005:3
15覃维祖.混凝土结构耐久性的整体论[J].建筑技术,2003, 34(1):19
16廉慧珍,阎培渝.土木工程中的哲理和混凝土工程技术发展的关系[J].建筑技术,2003,34(1):10
17A lex ander M V ay sburd.H olistic sy stem appro ach to desig n and implementation of co ncre te repair[J].Cem Concr Co mps,2006,28:671
18Sherif Yehia,O sama A budayy eh,Imr an F azal,e t al.A de-cision suppo r t system fo r concrete bridg e deck maintenance [J].A dv Eng So ftwa re,2008,39:202
19M or gan D R.Co mpa tibility o f co nc rete repair materials and sy stems[J].Co nstr Building M ater,1996,10(1):57
20Hassan K E,Broo ks J J,A lawi L.Co mpatibility o f repair mor tars with concrete in a hot-dry env ir onment[J].Cem Co ncr Co mpo s,2001,23:93
(责任编辑 林 芳)
参考有机场效应晶体管和研究
有机场效应晶体管的研究 摘要：有机场效应晶体管(Organic Field Effect Transistors,OFETs)是以有机半导体材料作为有源层的晶体管器件。和传统的无机半导体器件相比，由于其可应用于生产大面积柔性设备而被人们广泛的研究，在有机发光、有机光探测器、有机太阳能电池、压力传感器、有机存储设备、柔性平板显示、电子纸等众多领域具有潜在而广泛的应用前景。文中对OFET结构和工作原理做了简要介绍，之后重点讨论了最近几年来OFET中有机材料和绝缘体材料的发展状况，接着总结了OFET制备技术，最后对OFET发展面临问题及应用前景做了归纳和展望。关键词：有机半导体材料；有机场效应晶体管；迁移率;绝缘体材料；柔性面板显示 0引言 场效应晶体管( Field Effect Transistor FET)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。由于OFET具有以下突出特点而受到研究人员 的高度重视：材料来源广，工作电压低，可与柔性衬底兼容，适合低温加工，适 合大批量生产和低成本，可溶液加工成膜等。从使用共扼低聚物成功地制造出第 一个有机场效应晶体管，到全有机全溶液加工的光电晶体管的诞生，这些突破性 进展对有机半导体材料的发展无论从理论上还是工业生产上都起到了巨大的推 动作用。 1器件结构、工作原理及性能评定 1. 1有机场效应晶体管基本结构 传统的有机场效应晶体管的主要包括底栅和顶栅两种结构，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。
场效应晶体管特性
场效应管（FET）是利用控制输入回路的电场效应来控制输出回路电流的一种半导体器件，并以此命名。由于它仅靠半导体中的多数载流子导电，又称单极型晶体管。 工作原理场效应管工作原理用一句话说，就是“漏极-源极间流经沟道的漏极电流，用以栅极与沟道间的pn结形成的反偏的栅极电压控制漏极电流ID”。更正确地说，漏极电流ID流经通路的宽度，即沟道截面积，它是由pn结反偏的变化，产生耗尽层扩展变化控制的缘故。在VGS=0的非饱和区域，表示的过渡层的扩展因为不很大，根据漏极-源极间所加VDS的电场，源极区域的某些电子被漏极拉去，即从漏极向源极有电流漏极电流ID流动。从门极向漏极扩展的过度层将沟道的一部分构成堵塞型，漏极电流ID饱和。将这种状态称为夹断。这意味着过渡层将沟道的一部分阻挡，并不是电流被切断。 在过渡层由于没有电子、空穴的自由移动，在理想状态下几乎具有绝缘特性，通常电流也难流动。但是此时漏极-源极间的电场，实际上是两个过渡层接触漏极与门极下部附近，由于漂移电场拉去的高速电子通过过渡层。因漂移电场的强度几乎不变产生ID的饱和现象。其次，VGS向负的方向变化，让VGS=VGS(off)，此时过渡层大致成为覆盖全区域的状态。而且VDS的电场大部分加到过渡层上，将电子拉向漂移方向的电场，只有靠近源极的很短部分，这更使电流不能流通。 分类场效应管分为结型场效应管（JFET）和绝缘栅场效应管（MOS管）两大类。 按沟道材料型和绝缘栅型各分N沟道和P沟道两种；按导电方式：耗尽型与增强型，结型场效应管均为耗尽型，绝缘栅型场效应管既有耗尽型的，也有增强型的。 场效应晶体管可分为结场效应晶体管和MOS场效应晶体管，而MOS场效应晶体管又分为N沟耗尽型和增强型；P沟耗尽型和增强型四大类。 场效应管与双极性晶体管的比较，场效应管具有如下特点。 1. 场效应管是电压控制器件，栅极基本不取电流，它通过VGS(栅源电压)来控制ID（漏 极电流）；而晶体管是电流控制器件，基极必须取一定的电流。因此，在信号源额定电流极小的情况，应选用场效应管。 2. 场效应管是多子导电，而晶体管的两种载流子均参与导电。由于少子的浓度对温度、 辐射等外界条件很敏感，因此，它的温度稳定性较好；对于环境变化较大的场合，采用场效应管比较合适。 3. 场效应管的源极和漏极在结构上是对称的，可以互换使用，耗尽型MOS 管的栅——源电压可正可负。因此，使用场效应管比晶体管灵活。 4 . 场效应管除了和晶体管一样可作为放大器件及可控开关外，还可作压控可变线性电阻使用 特点与双极型晶体管相比，（1）场效应管的控制输入端电流极小，因此它的输入电阻很大。 （2）场效应管的抗辐射能力强； （3）由于不存在杂乱运动的电子扩散引起的散粒噪声，所以噪声低。
薄膜晶体管
薄膜晶体管的定义： Thin Film Transistor (薄膜场效应晶体管)，是指液晶显示器上的每一液晶象素点都是由集成在其后的薄膜晶体管来驱动。从而可以做到高速度高亮度高对比度显示屏幕信息。TFT属于有源矩阵液晶显示器。 补充：TFT（ThinFilmTransistor）是指薄膜晶体管，意即每个液晶像素点都是由集成在像素点后面的薄膜晶体管来驱动，从而可以做到高速度、高亮度、高对比度显示屏幕信息，是目前最好的LCD彩色显示设备之一，其效果接近CRT显示器，是现在笔记本电脑和台式机上的主流显示设备。TFT的每个像素点都是由集成在自身上的TFT来控制，是有源像素点。因此，不但速度可以极大提高，而且对比度和亮度也大大提高了，同时分辨率也达到了很高水平。 TFT ( Thin film Transistor，薄膜晶体管）屏幕，它也是目前中高端彩屏手机中普遍采用的屏幕，分65536 色及26 万色，1600万色三种，其显示效果非常出色。 平板显示器种类： 经过二十多年的研究、竞争、发展，平板显示器已进入角色，成为新世纪显示器的主流产品，目前竞争最激烈的平板显示器有四个品种： 1、场致发射平板显示器（FED）； 2、等离子体平板显示器（PDP）； 3、有机薄膜电致发光器（OEL）； 4、薄膜晶体管液晶平板显示器（TFT-LCD）。 场发射平板显示器原理类似于CRT，CRT只有一支到三支电子枪，最多六支，而场发射显示器是采用电子枪阵列（电子发射微尖阵列，如金刚石膜尖锥），分辨率为VGA（640×480×3）的显示器需要92.16万个性能均匀一致的电子发射微尖，材料工艺都需要突破。目前美国和法国有小批量的小尺寸的显示屏生产，用于国防军工，离工业化、商业化还很远。 等离子体发光显示是通过微小的真空放电腔内的等离子放电激发腔内的发光材 料形成的，发光效应低和功耗大是它的缺点（仅1.2lm/W，而灯用发光效率达80lm/ W以上，6瓦/每平方英寸显示面积），但在102～152cm对角线的大屏幕显示领域有很强的竞争优势。业内专家分析认为，CRT、LCD和数字微镜(DMD)3种投影显示器可以与PDP竞争，从目前大屏幕电视机市场来看，CRT投影电视价格比PDP便宜，是PDP最有力的竞争对手，但亮度和清晰度不如PDP，LCD和DMD投影的象素和价格目前还缺乏竞争优势。尽管彩色PDP在像质、显示面积和容量等方面有了明显提高，但其发光效率、发光亮度、对比度还达不到直观式彩色电视机的要求，最重要的是其价格还不能被广大家用消费者所接受，这在一定程度上制约了彩色PDP 市场拓展。目前主要在公众媒体展示场合应用开始普遍起来。 半导体发光二极管（LED）的显示方案由于GaN蓝色发光二极管的研制成功，从而一举获得了超大屏幕视频显示器市场的绝对控制权，但是这种显示器只适合做户外大型显示，在中小屏幕的视频显示器也没有它的市场。 显示器产业的专家一直期望有机薄膜电致发光材料能提供真正的象纸一样薄的 显示器。有机薄膜电致发光真正的又轻又薄，低功耗广视角，高响应速度（亚微妙）
第四章 场效应管习题答案
第四章 场效应管基本放大电路 4-1 选择填空 1．场效应晶体管是用_______控制漏极电流的。 a. 栅源电流 b. 栅源电压 c. 漏源电流 d. 漏源电压 2．结型场效应管发生预夹断后，管子________。 a. 关断 b. 进入恒流区 c. 进入饱和区 d. 可变电阻区 3．场效应管的低频跨导g m 是________。 a. 常数 b. 不是常数 c. 栅源电压有关 d. 栅源电压无关 4. 场效应管靠__________导电。 ) a. 一种载流子 b. 两种载流子 c. 电子 d. 空穴 5. 增强型PMOS 管的开启电压__________。 a. 大于零 b. 小于零 c. 等于零 d. 或大于零或小于零 6. 增强型NMOS 管的开启电压__________。 a. 大于零 b. 小于零 c. 等于零 d. 或大于零或小于零 7. 只有__________场效应管才能采取自偏压电路。 a. 增强型 b. 耗尽型 c. 结型 d. 增强型和耗尽型 8. 分压式电路中的栅极电阻R G 一般阻值很大，目的是__________。 a. 设置合适的静态工作点 b. 减小栅极电流 c. 提高电路的电压放大倍数 d. 提高电路的输入电阻 / 9. 源极跟随器（共漏极放大器）的输出电阻与___________有关。 a. 管子跨导g m b. 源极电阻R S c. 管子跨导g m 和源极电阻R S 10. 某场效应管的I DSS 为6mA ，而I DQ 自漏极流出，大小为8mA ，则该管是_______。 a. P 沟道结型管 b. N 沟道结型管 c. 增强型PMOS 管 d. 耗尽型PMOS 管 e. 增强型NMOS 管 f. 耗尽型NMOS 管 解答： ,c 4. a 7. b,c 8. d 、 4-2 已知题4-2图所示中各场效应管工作在恒流区，请将管子类型、电源V DD 的极性（+、-）、u GS 的极性（>0，≥0，<0，≤0,任意）分别填写在表格中。 D DD （a ）题4-2图 D DD （b ） D DD （c ）D DD （d ） D DD （e ）D DD （f ） 解：
场效应晶体管
场效应晶体管中英文介绍（field-effect transistor，缩写：FET） 场效应晶体管是一种通过电场效应控制电流的电子元件。它依靠电场去控制导电沟道形状，因此能控制半导体材料中某种类型载流子的沟道的导电性。场效应晶体管有时被称为单极性晶体管，以它的单载流子型作用对比双极性晶体管（bipolar junction transistors，缩写：BJT）。尽管由于半导体材料的限制，以及曾经双极性晶体管比场效应晶体管容易制造，场效应晶体管比双极性晶体管要晚造出，但场效应晶体管的概念却比双极性晶体管早。 历史 场效应晶体管于1925年由Julius Edgar Lilienfeld和于1934年由Oskar Heil分别发明，但是实用的器件一直到1952年才被制造出来（结型场效应管，Junction-FET，JFET）。1960年Dawan Kahng发明了金属氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-effect transistor, MOSFET），从而大部分代替了JFET，对电子行业的发展有着深远的意义。 基本信息 场效应管是多数电荷载体的设备。该装置由一个活跃的信道，通过该多数载流子，电子或空穴，从源到流向漏极。源极和漏极端子导体被连接到半导体通过欧姆接触。的通道的导电性的栅极和源极端子之间施加的电位是一个函数。 FET的三个端子是： 源极（S），通过其中的多数载流子输入通道。进入该通道，在S点的常规的电流被指定由IS。漏极（D），通过其中的多数载流子离开的通道。常规电流在D通道进入指定的ID。漏源电压VDS。 栅极（G），调制的通道的导电性的端子。通过施加电压至G，一个可以控制的ID。 场效应晶体管的类型 在耗尽模式的FET下，漏和源可能被掺杂成不同类型至沟道。或者在提高模式下的FET，它们可能被掺杂成相似类型。场效应晶体管根据绝缘沟道和栅的不同方法而区分。FET的类型有： DEPFET（Depleted FET）是一种在完全耗尽基底上制造，同时用为一个感应器、放大器和记忆极的FET。它可以用作图像（光子）感应器。 DGMOFET（Dual-gate MOSFET）是一种有两个栅极的MOSFET。 DNAFET是一种用作生物感应器的特殊FET，它通过用单链DNA分子制成的栅极去检测相配的DNA链。 FREDFET（Fast Recovery Epitaxial Diode FET）是一种用于提供非常快的重启（关闭）体二极管的特殊FET。 HEMT（高电子迁移率晶体管，High Electron Mobility Transistor），也被称为HFET（异质结场效应晶体管，heterostructure FET），是运用带隙工程在三重半导体例如AlGaAs中制造的。完全耗尽宽带隙造成了栅极和体之间的绝缘。 IGBT（Insulated-Gate Bipolar Transistor）是一种用于电力控制的器件。它和类双极主导电沟道的MOSFET的结构类似。它们一般用于漏源电压范围在200-3000伏的运行。功率MOSFET仍然被选择为漏源电压在1到200伏时的器件.
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性
绝缘栅场效应晶体管工作原理及特性 场效应管(MOSFET是一种外形与普通晶体管相似，但控制特性不同的半导体器件。它的 输入电阻可高达1015W而且制造工艺简单，适用于制造大规模及超大规模集成电路。场效应管也称为MOS t,按其结构不同，分为结型场效应晶体管和绝缘栅场效应晶体管两种类型。在本文只简单介绍后一种场效应晶体管。 绝缘栅场效应晶体管按其结构不同，分为N沟道和P沟道两种。每种又有增强型和耗尽 型两类。下面简单介绍它们的工作原理。 1、增强型绝缘栅场效应管 2、图6-38是N沟道增强型绝缘栅场效应管示意图。 在一块掺杂浓度较低的P型硅衬底上，用光刻、扩散工艺制作两个高掺杂浓度的N+区, 并用金属铝引出两个电极，称为漏极D和源极S如图6-38(a)所示。然后在半导体表面覆盖 一层很薄的二氧化硅(SiO2)绝缘层，在漏-源极间的绝缘层上再装一个铝电极，称为栅极G 另外在衬底上也引出一个电极B,这就构成了一个N沟道增强型MOS f。它的栅极与其他电 极间是绝缘的。图6-38(b)所示是它的符号。其箭头方向表示由P(衬底)指向N(沟道)。 源极s tiffiG m 引纯 ? N旳道增强型场效应管紡拘示胃图低州沟道壇强型场效应管符号 图6-38 N沟道增强型场效应管 场效应管的源极和衬底通常是接在一起的(大多数场效应管在出厂前已联结好)。从图6-39(a) 可以看出，漏极D和源极S之间被P型存底隔开，则漏极D和源极S之间是两个背靠背的PN结。当栅-源电压UGS=0寸，即使加上漏-源电压UDS而且不论UDS的极性如何，总有一个PN结处于 反偏状态，漏-源极间没有导电沟道，所以这时漏极电流ID - 0。 若在栅-源极间加上正向电压，即UGS> 0，则栅极和衬底之间的SiO2绝缘层中便产生一个垂直于半导体表面的由栅极指向衬底的电场，这个电场能排斥空穴而吸引电子，因而使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥，剩下不能移动的受主离子(负离子)，形成耗尽层，同 时P衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。当UGS数值较小，吸引电子的能力不强时，漏-源极之间仍无导电沟道出现，如图6-39(b)所示。UGS增加时，吸引到P衬底表面层的电子 就增多，当UGS达到某一数值时，这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层， 且与两个N+区相连通，在漏-源极间形成N型导电沟道，其导电类型与P衬底相反，故又称 为反型层，如图6-39(c)所示。UGS越大，作用于半导体表面的电场就越强，吸引到P衬底
基于TiO2纳米管阵列的延伸型场效应晶体管pH传感器
2018年 第10期 仪表技术与传感器 Instrument Technique and Sensor 2018 No.10 基金项目:海南省自然科学基金项目(517027);重庆医科大学哲学社会科学专项科研项目(201703) 收稿日期:2018 -03-31基于TiO 2纳米管阵列的延伸型场效应晶体管pH 传感器 廖建军1,赵 帅1,季建宇1,韩宝如2 (1.海南大学热带农林学院,海南海口 570228;2.重庆医科大学医学信息学院,重庆 400016) 摘要:基于延伸栅极型晶体管(EGFET)的pH 传感器是新型溶液pH 检测技术三该文将TiO 2纳米管阵列作为EGFET 的延伸栅极,并详细研究了EGFET 的pH 敏感特性三得益于TiO 2纳米管阵列高比表面积和良好的化学稳定性,EGFET 具有较宽的pH 响应范围pH2~pH12,灵敏度为54.2mV /pH,接近理论能斯特限值(59mV /pH),并且具有较低的迟滞(14.3mV)以及漂移率(2.2mV /h)三与传统玻璃式pH 电极相比,EGFET pH 传感器具有方便携带二快速响应二易与集成电路集成等特点,应用前景广泛三关键词:延伸栅极型晶体管;pH 传感器;TiO 2纳米管阵列 中图分类号:TN386 文献标识码:A 文章编号:1002-1841(2018)10-0014-03 TiO 2Nanotube Arrays-based Extended-gate Field-effect-transistors pH Sensors LIAO Jian-jun 1,ZHAO Shuai 1,JI Jian-yu 1,HAN Bao-ru 2 (1.College of Tropical Agriculture and Forestry ,Hainan University ,Haikou 570228,China ; 2.College of Medical Informatics ,Medical University of Chongqing ,Chongqing 400016,China ) Abstract :Extended-gate field-effect-transistors (EGFET)based pH sensors are a novel type of pH detection technology.In this paper,TiO 2nanotube array was used as an extended gate of EGFET,and the pH sensitivity of EGFET was studied in detail.Due to the high specific surface area and the chemical stability,EGFET showed a wide response to pH from 2to 12with sensitivi- ty of 54.2mV /pH,which is close to the the theoretical Nernst limit value (59mV /pH).Besides,EGFET showed a low hysteresis (14.3mV)and drift characteristics (2.2mV /h).Compared with traditional glass pH electrodes,EGFET -based pH sensors have many advantages,such as portability,fast response,and easy integration with integrated circuit,thereby leading to a widely appli-cable prospect. Keywords :extended-gate field-effect-transistor;pH sensors;TiO 2nanotube arrays 0 引言 pH 监测在环境保护和医疗健康领域极其重要三 然而传统的玻璃pH 电极由于易碎二体积大二笨拙等缺点限制了其实际应用范围[1]三因此,Bergveld 等在 1970年提出一种结构新颖的离子敏感场效应晶体管(ISFET)用于检测溶液pH 值 [2] 三ISFET 基于金属氧 化物半导体场效应晶体管(MOSFET),其中MOSFET 的栅极氧化物作为敏感膜与电解液直接接触三近年来,一种变形结构的ISFET[延伸栅极型场效应晶体管(EGFET)]引起了人们的广泛关注,主要原因在于EGFET 分体式的栅极是易于加工的,以及所采用的MOSFET 是商业可用且方便获取的[3-4] 三这种分体式 结构有利于维修时只需替换被损坏的部件,而无需制 备一个全新的器件三 迄今为止,许多金属氧化物被用作EGFET 的敏感膜材料,如:SnO 2[5],ZnO [6],TiO 2[7-8],V 2O 5[9],IG-ZO [10]等,甚至其中一些材料对溶液pH 的响应已接近理论能斯特限值(59mV /pH,25?)[7,11]三在这些候选者之中,TiO 2因其低成本二无毒和高化学稳定性的优点,被认为是一种理想的pH 敏感材料三特别是一维结构的TiO 2纳米管具有较高比表面积和较强的吸附能力,能够有效地提高传感器的灵敏度和稳定性三 电化学阳极氧化法是制备一维TiO 2纳米管阵列的简单技术,所制备的TiO 2纳米管阵列呈蜂窝状结构,并且垂直于金属钛片基底,天然地形成了肖特基接触,有利于电子的快速传输,非常适于作为pH 敏感电极[12-13]三因此,本文将TiO 2纳米管阵列作为EGFET 的延伸栅极,并详细研究了EGFET 的pH 敏感特性三结果表明,基于TiO 2纳米管阵列的EGFET pH 传感器具有较好的灵敏度二稳定性以及较低的迟滞性二漂移率,具有良好的应用前景三 万方数据
伽马射线辐照对有机场效应晶体管性能的影响研究
γ射线辐照对有机场效应晶体管性能的影响研究 黄小发张济鹏 （兰州大学核科学与技术学院兰州 730107） 摘要：通过制备有机场效应晶体管并对晶体管在γ射线下进行辐照，研究辐照对不同栅压下场效应管输出特性曲线的影响，以及辐照对场效应管转移特性曲线的影响。实验证明辐照使场效应管的阈值电压负向漂移，辐照时非零栅源电压引起的场效应管输出特性变化明显大于零栅源电压情况。 关键词：有机场效应管；制备；辐照；阈值电压漂移 1.实验 1.1有机场效应晶体管制备 以高掺杂五族元素的硅作为衬底，即作为n型杂质，硅衬底表面的SiO2厚度为1025nm。本实验在上述衬底上通过真空蒸发方法镀一层酞菁铜(CuPc)薄膜，再在酞菁铜膜上镀一层金(Au)作为源级和漏极，SiO2层作为栅极，制成有机场效应晶体管，下面详述实验过程： 1.1.1Si_n+衬底的清洁处理 将Si_n+衬底先后放入丙酮和乙醇溶液中清洗，然后用去离子水洗净，再经超声处理10~20分钟，之后用氮气(N2)吹干，放入烤箱中烘干。配制浓硫酸与双氧水的浓度比为3:1的腐蚀液(H2SO4:H2O2=3:1)，将烘干后的衬底放入腐蚀液中40分钟，达到去油污的目的。对衬底进行OTS处理，OTS是有机低介电常数材料十八烷基三氧硅烷，可以修饰SiO2表面，提高器件的场效应迁移率，同时降低器件的漏电流。 1.1.2真空蒸镀酞菁铜 作为第一个被报道的有机半导体酞菁类化合物是一种性能优越的有机小分子半导体材料，因为这类化合物具有二维共轭结构，分子间的π?π相互作用很大，这对于提高场效应迁移率非常有利，另外它还具有良好的热稳定性和易真空蒸镀成膜的特性，所以酞菁类化合物是制备有机薄膜晶体管良好的半导体材料，而其中又以酞菁铜最为常用，关于酞菁铜作为有源层的有机薄膜晶体管已有大量的报道。本实验选用酞菁铜蒸镀得到有机场效应晶体管。
第四章 场效应管(FET)及基本放大电路要点
第四章 场效应管（FET ）及基本放大电路 §4.1 知识点归纳 一、场效应管（FET ）原理 ·FET 分别为JFET 和MOSFET 两大类。每类都有两种沟道类型，而MOSFET 又分为增强型和耗尽型（JFET 属耗尽型），故共有6种类型FET （图4-1）。 ·JFET 和MOSFET 内部结构有较大差别，但内部的沟道电流都是多子漂移电流。一般情况下，该电流与GS v 、DS v 都有关。 ·沟道未夹断时，FET 的D-S 口等效为一个压控电阻（GS v 控制电阻的大小），沟道全夹断时，沟道电流D i 为零；沟道在靠近漏端局部断时称部分夹断，此时D i 主要受控于GS v ，而DS v 影响较小。这就是FET 放大偏置状态；部分夹断与未夹断的临界点为预夹断。 ·在预夹断点，GS v 与DS v 满足预夹断方程： 耗尽型FET 的预夹断方程：P GS DS V v v -=（P V ——夹断电压） 增强型FET 的预夹断方程：T GS DS V v v -=（T V ——开启电压） ·各种类型的FET ，偏置在放大区（沟道部分夹断）的条件由表4-4总结。 表4-4 FET 放大偏置时GS v 与DS v 应满足的关系 ·偏置在放大区的FET ，GS v ~D i 满足平方律关系： 耗尽型： 2 ) 1(P GS DSS D V v I i - =（DSS I ——零偏饱和漏电流） 增强型：2 )(T GS D V v k i -=*
· FET 输出特性曲线反映关系 参变量 G S V DS D v f i )(=，该曲线将伏安平面分为可变电阻区 （沟道未夹断），放大区（沟道部分夹断）和截止区（沟道全夹断）；FET 转移特性曲线反映在放大区的关系)(GS D v f i =（此时参变量DS V 影响很小），图4-17画出以漏极流向源极的沟道电流为参考方向的6种FET 的转移特性曲线，这组曲线对表4-4是一个很好映证。 二、FET 放大偏置电路 ·源极自给偏压电路（图4-18）。该电路仅适用于耗尽型FET 。有一定稳Q 的能力，求解该电路工作点的方法是解方程组： 22() [FET ()]GS D DSS d GS T P GS S D v i I v i k v V V v R i ? =-=-?? ?=-?对于增强型,用关系式 ·混合偏压电路（图4-20）。该电路能用于任何FET ，在兼顾较大的工作电流时，稳Q 的效果更好。求解该电路工作点的方法是解方程组： ??? ??-+=D s CC GS i R R R R V v 212平方律关系式 以上两个偏置电路都不可能使FET 全夹断，故应舍去方程解中使沟道全夹断的根。 三、FET 小信号参数及模型 ·迭加在放大偏置工作点上的小信号间关系满足一个近似的线性模型（图4-22低频模 型，图4-23高频模型）。 ·小信号模型中的跨导 Q GS D m v i g ??= m g 反映信号gs v 对信号电流d i 的控制。m g 等于FET 转移特性曲线上Q 点的斜率。 m g 的估算：耗尽管 D DSS P m I I V g ||2 = 增强管D m kI g 2= ·小信号模型中的漏极内阻 Ds ds D Q v r i ?= ? ds r 是FET “沟道长度调效应”的反映，ds r 等于FET 输出特性曲线Q 点处的斜率的倒 数。 四、基本组态FET 小信号放大器指标 1．基本知识 ·FET 有共源（CS ）共漏（CD ）和共栅（CG ）三组放大组态。 ·CS 和CD 组态从栅极输入信号，其输入电阻i R 由外电路偏置电阻决定，i R 可以很大。 ·CS 放大器在其工作点电流和负载电阻与一个CE 放大器相同时，因其m g 较小，|| V A
MOS管特性
MOS管开关 在使用MOS管设计开关电源或者马达驱动电路的时候，大部分人都会考虑MOS的导通电阻，最大电压等，最大电流等，也有很多人仅仅考虑这些因素。这样的电路也许是可以工作的，但并不是优秀的，作为正式的产品设计也是不允许的。 下面是我对MOSFET及MOSFET驱动电路基础的一点总结，其中参考了一些资料，非全部原创。包括MOS管的介绍，特性，驱动以及应用电路。 1，MOS管种类和结构 MOSFET管是FET的一种（另一种是JFET），可以被制造成增强型或耗尽型，P沟道或N沟道共4种类型，但实际应用的只有增强型的N沟道MOS管和增强型的P沟道MOS管，所以通常提到NMOS，或者PMOS指的就是这两种。 至于为什么不使用耗尽型的MOS管，不建议刨根问底。 对于这两种增强型MOS管，比较常用的是NMOS。原因是导通电阻小，且容易制造。所以开关电源和马达驱动的应用中，一般都用NMOS。下面的介绍中，也多以NMOS为主。
MOS管的三个管脚之间有寄生电容存在，这不是我们需要的，而是由于制造工艺限制产生的。寄生电容的存在使得在设计或选择驱动电路的时候要麻烦一些，但没有办法避免，后边再详细介绍。 在MOS管原理图上可以看到，漏极和源极之间有一个寄生二极管。这个叫体二极管，在驱动感性负载（如马达），这个二极管很重要。顺便说一句，体二极管只在单个的MOS管中存在，在集成电路芯片内部通常是没有的。 2，MOS管导通特性 导通的意思是作为开关，相当于开关闭合。 NMOS的特性，Vgs大于一定的值就会导通，适合用于源极接地时的情况（低端驱动），只要栅极电压达到4V或10V就可以了。 PMOS的特性，Vgs小于一定的值就会导通，适合用于源极接VCC 时的情况（高端驱动）。但是，虽然PMOS可以很方便地用作高端驱动，但由于导通电阻大，价格贵，替换种类少等原因，在高端驱动中，通常还是使用NMOS。 3，MOS开关管损失
有机场效应晶体管和分子电子学研究进展
进展评述 有机场效应晶体管和分子电子学研究进展 吴卫平 徐伟 胡文平 刘云圻3 朱道本33 (中国科学院化学研究所有机固体研究重点实验室 北京 100080) 吴卫平 男,博士生,25岁,现从事分子电子学的研究。 3联系人,E 2mail :liuyq @https://www.360docs.net/doc/6c4131855.html, 。 33中国科学院院士 国家自然科学基金(90206049,20472089,20421101,20571079,20527001,90401026)和科技部973计划(2001C B610507,2002C B613401)资助项目 2006202223收稿,2006202228接受 摘 要 近几年来,有机场效应晶体管在材料和器件方面都取得了长足的进展,成为分子电子学的一个 重要方向。本文从有机半导体材料设计、有机半导体器件的构筑、单分子电子器件和纳米管在电子器件中的应用等方面,简单综述了有机场效应晶体管和分子电子学的最新研究进展。关键词 有机半导体材料 有机场效应晶体管 迁移率 分子电子学 Progresses in Organic Field E ffect T ransistors and Molecular E lectronics Wu Weiping ,Xu Wei ,Hu Wenping ,Liu Y unqi 3,Zhu Daoben 33 (K ey Laboratory of Organic S olids ,Institute of Chemistry ,Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100080) Abstract In the past years ,organic materials have been extensively investigated as an electronic material for organic field effect transistors (OFETs ).In this paper ,we briefly summarize the current status of organic field effect transistors including materials design ,device physics ,m olecular electronics and the application of carbon nanotubes in m olecular electronics.Future prospects and investigations required to improve the OFET performance are als o inv olved. K ey w ords Organic semiconductors ,Organic field effect transistors ,M obility ,M olecular electronics 有机场效应晶体管(OFET )是用有机共轭分子作为活性半导体层,以无机或高分子介电物质作绝缘栅,通过栅电压调节开、关状态的一种三端器件。自从1986年第一个有机场效应晶体管问世以来[1],有机场效晶体管以其低成本、柔韧性好、可大面积制备等优点而受到广泛关注,贝尔实验室、I BM 公司等多个研究机构相继投入了研究[2,3]。近几年来,有机场效应晶体管得到了越来越深入的研究,新型有机半导体材料不断出现,器件性能不断改善,有机场效应晶体管成为有机电子学的一个热点。本文结合笔者课题组相关工作,简要综述了有机场效应材料、器件物理和分子电子学方面的最新进展。 1 有机场效应器件物理 111 有机场效应晶体管工作原理 有机场效应晶体管是一种通过绝缘栅电压在半导体2绝缘层界面处形成电荷累积层,由栅电压调节源、漏电极之间的载流子密度而实现开、关状态的器件。当源漏电压V ds =0时,由栅电容诱导的累积电荷均匀分布,当V ds
场效应管的特性
场效应管的特性 场效应管的特性 图1.1 结场效管漏极输出曲线 下面以N沟道.结型场效应管为例说明场效应管的特性. 图1.1为场效应管的漏极特性曲线。输出特性曲线分为三个区：可变电阻区、恒流区和击穿区。 （1）可变电阻区：图中VDS很小，曲线靠近左边。它表示管子预夹断前电压.电流关系是：当VDS较小时，由于VDS的变化对沟道大小影响不大，沟道电阻基本为一常数，ID基本随VGS作线性变化。当VGS恒定时，沟道导通电阻近似为一常数，从此意义上说，该区域为恒定电阻区，当VGS变化时，沟道导通电阻的值将随VGS变化而变化，因此该区域又可称为可变电阻区。利用这一特点，可用场效应管作为可变电阻器。
（2）恒流区:图中VDS较大,曲线近似水平的部分是恒流区,它表示管子预夹断后电压.电流的关系,即图1.1两条虚线之间即为恒流区(或称为饱和区)该区的特点是ID的大小受VGS可控, 当VDS改变时ID几乎不变，场效应管作为放大器使用时，一般工作在此区域内。 （3）击穿区：当VDS增加到某一临界值时，ID开始迅速增大, 曲线上翘, 场效应管不能正常工作,甚至烧毁，场效应管工作时要避免进入此区间.
（4）场效应管特性曲线的测试 场效应管的特性曲线可以用晶体管图示仪测试，也可以用逐点测量法测试。图1.2是用逐点测量法测试场效应管特性曲线的原理图。场效应管的转移特性曲线是当漏源间电压VDS保持不变，栅源间电压VGS与漏极电流ID的关系曲线，如图1.3所示： 在上图中，先调节VDD使VDS固定在某个数值上，当栅源电压VGS 取不同的电压值时（调节RW），ID也将随之改变，利用测得的数据，便可在VGS～ID直角坐标系上画出如图3.2.3的转移特性曲线。当VDS取不同的数值，便可得到另一条特性曲线。ID=0时的VGS值为场效应管的夹断电压VP,VGS=0时的ID值为场效应管的饱和漏极电流IDSS。
【CN109888102A】一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器【专利】
(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910144207.9 (22)申请日 2019.02.27 (71)申请人 合肥工业大学 地址 230009 安徽省合肥市屯溪路193号 (72)发明人 邱龙臻 赵雪 姚宏兵 魏诗语 王晓鸿 (74)专利代理机构 安徽合肥华信知识产权代理 有限公司 34112 代理人 余成俊 (51)Int.Cl. H01L 51/42(2006.01) H01L 51/46(2006.01) H01L 51/48(2006.01) (54)发明名称 一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫 外光探测器 (57)摘要 本发明公开了一种基于有机场效应晶体管 的日盲区深紫外光探测器，其有机场效应晶体管 半导体层为嵌段共轭聚合物纳米线，由嵌段共聚 物半导体材料和聚合物绝缘材料分别溶解在溶 剂中再混合形成共混溶液，通过控制嵌段共聚物 半导体材料和聚合物绝缘材料的质量比，获得不 同密度的嵌段共聚物半导体纳米线。本发明的嵌 段共聚物半导体纳米线作为有机场效应晶体管 光探测器的半导体层，能够增强对深紫外区的光 响应。本发明首次提出将共轭聚合物用于日盲区 深紫外光的响应上，并制备了高性能有机场效应 晶体管日盲区深紫外光探测器，本发明在深紫外 区域实现了良好的光选择性和光响应性，光响应 达到120A/W， 外部量子效率高达50000％。权利要求书2页 说明书6页 附图2页CN 109888102 A 2019.06.14 C N 109888102 A
1.一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，包括衬底、栅电极、栅绝缘层、有机半导体层、源电极和漏电极，其特征在于：其中的有机半导体层为制备于栅绝缘层上的嵌段共聚物半导体纳米线，嵌段共聚物半导体纳米线由嵌段共聚物制成，所述嵌段共聚物由共轭段和加入共轭段的绝缘段组成，嵌段共聚物中绝缘段由对日盲区深紫外光选择性响应的材料制成，由绝缘段作为为光感应段。 2.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：有机场效应晶体管日盲区深紫外光探测器只对深紫外光有选择性响应，对波长大于300nm的光没有响应。 3.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：所述的嵌段共聚物半导体纳米线通过刮涂法、或旋涂法、或喷墨印刷法制备于栅绝缘层。 4.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：所述的嵌段共聚物半导体纳米线厚度为7-13纳米。 5.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：所述的绝缘段通过嵌段或接枝的方法加入共轭段。 6.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：所述的共轭段为2，5-二溴-3–烷基噻吩制成，共轭段材料为一个键连接有R1的噻吩， 其化学式如下： 其中，R 1为具有1-20个C原子的直链烷基； 或者，共轭段为2，5-二溴-3–烷基噻吩并[3，2-b]噻吩材料制成，共轭段材料为一个键连接有R2的噻吩并噻吩， 其化学式如下： 其中，R 2为具有1-25个C原子的直链烷基。 7.根据权利要求6所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：共轭段的材料为2，5-二溴-3-己基噻吩，或2，5-二溴-3–辛基噻吩，或2，5-二溴-3–十二烷基噻吩并[3，2-b]噻吩材料。 8.根据权利要求1所述的一种基于有机场效应晶体管的日盲区深紫外光探测器，其特征在于：所述的绝缘段为对日盲区深紫外光选择性响应的材料，由烷基氧丙烯材料制成，绝缘段材料为氧基连接有R3的氧丙烯， 化学式如下： 权 利 要 求 书1/2页2CN 109888102 A
场效应管习题答案
第四章场效应管基本放大电路 4-1 选择填空 1．场效应晶体管是用_______控制漏极电流的。 a. 栅源电流 b. 栅源电压 c. 漏源电流 d. 漏源电压 2．结型场效应管发生预夹断后，管子________。 a. 关断 b. 进入恒流区 c. 进入饱和区 d. 可变电阻区3．场效应管的低频跨导g m是________。 a. 常数 b. 不是常数 c. 栅源电压有关 d. 栅源电压无关 4. 场效应管靠__________导电。 a. 一种载流子 b. 两种载流子 c. 电子 d. 空穴 5. 增强型PMOS管的开启电压__________。 a. 大于零 b. 小于零 c. 等于零 d. 或大于零或小于零 6. 增强型NMOS管的开启电压__________。 a. 大于零 b. 小于零 c. 等于零 d. 或大于零或小于零 7. 只有__________场效应管才能采取自偏压电路。 a. 增强型 b. 耗尽型 c. 结型 d. 增强型和耗尽型 8. 分压式电路中的栅极电阻R G一般阻值很大，目的是__________。 a. 设置合适的静态工作点 b. 减小栅极电流 c. 提高电路的电压放大倍数 d. 提高电路的输入电阻 9. 源极跟随器（共漏极放大器）的输出电阻与___________有关。 a. 管子跨导g m b. 源极电阻R S c. 管子跨导g m和源极电阻R S 10. 某场效应管的I DSS为6mA，而I DQ自漏极流出，大小为8mA，则该管是_______。 a. P沟道结型管 b. N沟道结型管 c. 增强型PMOS管 d. 耗尽型PMOS管 e. 增强型NMOS管 f. 耗尽型NMOS管 解答： ,c 4. a 7. b,c 8. d 4-2 已知题4-2图所示中各场效应管工作在恒流区，请将管子类型、电源V DD的极性（+、-）、u GS的极性（>0，≥0，<0，≤0,任意）分别填写在表格中。 解： 4-3试分析如题4-3图所示各电路能否正常放大，并说明理由。 解： (a)不能。
场效应晶体管工作原理
场效应管工作原理 MOS 场效应管也被称为MOS FET，既Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor（金属氧化物半导体场效应管）的缩写。它一般有耗尽型和增强型两种。本文使用的为增强型MOS 场效应管，其内部结构见图5。它可分为NPN型PNP型。NPN型通常称为N 沟道型，PNP型也叫P沟道型。由图可看出，对于N沟道的场效应管其源极和漏极接在N型半导体上，同样对于P沟道的场效应管其源极和漏极则接在P型半导体上。我们知道一般三极管是由输入的电流控制输出的电流。但对于场效应管，其输出电流是由输入的电压（或称电场）控制，可以认为输入电流极小或没有输入电流，这使得该器件有很高的输入阻抗，同时这也是我们称之为场效应管的原因。 为解释MOS 场效应管的工作原理，我们先了解一下仅含有一个P—N结的二极管的工作过程。如图6所示，我们知道在二极管加上正向电压（P端接正极，N 端接负极）时，二极管导通，其PN结有电流通过。这是因为在P型半导体端为正电压时，N型半导体内的负电子被吸引而涌向加有正电压的P型半导体端，而P型半导体端内的正电子则朝N型半导体端运动，从而形成导通电流。同理，当二极管加上反向电压（P端接负极，N端接正极）时，这时在P型半导体端为负电压，正电子被聚集在P型半导体端，负电子则聚集在N型半导体端，电子不移动，其PN结没有电流通过，二极管截止。 对于场效应管（见图7），在栅极没有电压时，由前面分析可知，在源极与漏极之间不会有电流流过，此时场效应管处与截止状态（图7a）。当有一个正电压加在N沟道的MOS 场效应管栅极上时，由于电场的作用，此时N型半导体的源极和漏极的负电子被吸引出来而涌向栅极，但由于氧化膜的阻挡，使得电子聚集在两个N沟道之间的P型半导体中（见图7b），从而形成电流，使源极和漏极之间导通。我们也可以想像为两个N型半导体之间为一条沟，栅极电压的建立相当于为它们之间搭了一座桥梁，该桥的大小由栅压的大小决定。图8给出了P沟道的MOS 场效应管的工作过程，其工作原理类似这里不再重复。 场效应晶体管（Field Effect Transistor缩写(FET)）简称场效应管。一般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导电,因此称为双极型晶体管,而FET仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反,也称为单极型晶体管。它属于电压控制型半导体器件，具有输入电阻高（108～109Ω）、噪声小、功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点，现已成为双极型晶体管和功率晶体管的强大竞争者。 一、场效应管的分类 场效应管分结型、绝缘栅型两大类。结型场效应管（JFET）因有两个PN结而得名，绝缘栅型场效应管（JGFET）则因栅极与其它电极完全绝缘而得名。目前在绝缘栅型场效应管中，应用最为广泛的是MOS场效应管，简称MOS管（即金属-氧化物-半导体场效应管MOSFET）；