基本介紹
- 中文名：有機場效電晶體
- 外文名：Organic field-effect transistor
- 適用領域：電子材料
- 所屬學科：電子
- 縮寫：OFET
- 定義：場效應電晶體
簡介,歷史,有機場效應電晶體的半導體材料,高分子化合物,低聚物,有機小分子化合物,OFET的製備技術,真空技術,溶液處理成膜技術,發展趨勢,套用目標,參考術語,有機半導體,場效應管,
簡介
OFET的原料分子通常是含有芳環的π電子共軛體系。
歷史
有機場效應電晶體（OFET）最初由J.E. Lilienfeld提出，他於1930年獲得了他的想法的專利。他提出場效應電晶體表現為在源極和漏極之間具有導電溝道的電容器。柵電極上的施加電壓控制流過系統的電荷載流子的量。
第一個場效應電晶體是由Kahng和Atalla在1960年使用金屬氧化物半導體（MOSFET）設計和製造的。然而，近年來，材料和製造成本上升以及公眾對更環保的電子材料的興趣支持了有機電子產品的發展。1987年， Koezuka及其同事報導了第一種基於噻吩分子聚合物的有機場效應電晶體。噻吩聚合物是一種能夠傳導電荷的共軛聚合物，無需使用昂貴的金屬氧化物半導體。另外，已經顯示其他共軛聚合物具有半導體特性。OFET設計在過去幾十年中也有所改善。許多OFET都是基於薄膜電晶體（TFT）模型設計的，它允許器件在設計中使用導電性較差的材料。在過去幾年中對這些模型的改進已經實現了場效應遷移率和開關電流比。
有機場效應電晶體的半導體材料
用作有機場效應電晶體的有機半導體材料不但應具有穩定的電化學特性，還應是具有兀鍵的共扼體系，π鍵重疊的軸向應該儘量與源漏電極之間的最短距離方向一致，從而有利於載流子的傳輸。這不僅限制了大多數有機材料，而且要求控制薄膜製備條件，使晶體的生長和取向達到最佳的形貌。按不同的化學和物理性質有機半導體材料主要分為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，如並苯類，C60，金屬酞警化合物，蔡，花，電荷轉移鹽等，幾種有機半導體材料的分子結構。有機場效應電晶體對所用有機半導體材料有著特殊的要求:(1)高遷移率，(2)低本徵電導率。高的遷移率是為了保證器件的開關速度，低的本徵電導率是為了儘可能地降低器件的漏電流，從而提高器件的開關比，增加器件的可靠性。有機半導體材料的設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塗膜、甩膜、LB膜等方法製備，方法簡單，成本低廉。但高分子一般難於提純並且材料的有序度較低，因此高分子材料的場效應遷移率一般都比較低。最近，通過改善高分子薄膜的有序性，使用區域有序的聚烷基唾吩製作的OFET的場效應遷移率可達到0.1cm(VS)，但總的來說，由於高分子材料本身固有的特點，它在有機場效應電晶體中的套用受到很大的限制。
低聚物
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構，它們能形成自組裝的多晶膜，當這些分子沉積在絕緣層上後，分子層互相平行並且垂直於絕緣層的表面，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於提純並且常用真空蒸鍍的方法來製備薄膜常用作有機半導體材料的小分子化合物有並五苯、酞青類化合物、花以及等並五苯是用於製備有機場效應電晶體的最有前途的材料之一，它是個苯環並列形成的稠環化合物，從年以來其半導體特性得到了廣泛的研究儘管大多數基於並五苯的都是由真空沉積膜組成的一。然而與高分材料相比，並五苯比較脆，很難塗在其他材料上，只能用真空鍍膜的方式沉積，這一點是它的最大不足。酞著類化合物也是製備有機場效應電晶體的常用材料之一酞普是第一個報導的有機半導體它在400℃以下比較穩定，在真空中易蒸發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年被報導以來得到廣泛的研究。由Pcs製得的有機場效應電晶體大多數是p型的。我們曾研究了製備方法對氨基酞普銅場效應電晶體遷移率的影響，發現用LB膜技術製備的酞普銅有機場效應電晶體比蒸發製備的OFET的遷移率高很多。
OFET的製備技術
有機場效應電晶體製備的關鍵步驟是有機半導體層的形成，器件特性以及性能的好壞在很大程度上取決於有機薄膜的結構和形貌有序的分子結構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電晶體製備技術，對器件性能的改善起著關鍵性的作用。
真空技術
真空技術是製備OFET薄膜最普遍採用的方法之一，它主要包括真空鍍膜濺射和有機分子束外延生長技術這種技術的優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膜的高度有序許多有機半導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成膜濺射沉積膜附著力強，可用來製備OFET的電極和絕緣層並五苯是利用真空蒸發技術製備OFET的典型化合物，它的遷移率可達1.5cm(VS)。利用真空鍍膜技術製備的OFET的遷移率一般比溶液加工技術高一個數量級。總之，各種真空鍍膜技術製得的OFET性能比較好，遷移率都比溶液處理成膜技術高得多，但是儀器設備複雜，成本比較昂貴，所以在工業中套用比較困難。
溶液處理成膜技術
溶液處理成膜技術被認為是製備最有發展潛力的技術，它適用於可溶性的有機半導體材料結合大面積“印章”技術和印刷技術可以大大地降低成本，利用這種技術製備的的遷移率最高僅比真空技術小一個數量級常用的溶液處理成膜技術主要包括電化學沉積技術、甩膜技術、鑄膜技術、預聚物轉化技術、一技術、分子自組裝技術、印刷技術等。
發展趨勢
OFET是從20世紀末有了初步的發展，主要是因為發現有機材料作為半導體材料套用到有機器件中。不少小組致力於研究OFET、有機發光二極體（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，較大的開關比和低的閾值電壓，其製備工藝主要是蒸鍍。而像PCBM這類材料，其性能也具有N型的特點，其製備工藝主要為旋塗且容易成膜，且其製備成本要低。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製備成OFET性能變化也是很有意義的。筆者主要探討其套用不同濃度的PVA容易製備成OFET，其性能相應的變化。
套用目標
OFET的套用目標包括低成本，大面積的電子產品和可生物降解電子設備。研究上設計出了有多種構造形式的OFET，實際套用的器件中最常用的構造是底部柵極、頂部漏極和源極，因為這種構造類似於使用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。
2007年，索尼首次研製出全彩色，實現視頻級更新頻率的的柔性塑膠顯示屏，其薄膜電晶體與發光二極體均使用有機材料。
參考術語
有機半導體
有機半導體是具有半導體性質的有機材料。單分子短鏈（低聚物和有機聚合物）可以是半導體。半導體小分子（芳香族烴類）包括的多環芳族化合物，並五苯，蒽，以及紅熒烯。聚合物有機半導體包括聚（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體。這些有機電荷轉移複合物和線性骨幹的導電聚合物都來自聚乙炔。線性主鏈的有機半導體包括聚乙炔本身和它的衍生物聚吡咯和聚苯胺。至少在那裡，電荷轉移複合物往往表現出類似於無機半導體的傳導機制。在這種機制的存在下產生的空穴和由帶隙分離的電子傳導層。雖然這種典型的機制很重要，不過與無機非晶半導體、隧道、局部狀態、流動性缺口，和聲子也能協助躍遷大大的有助於傳導，特別是在聚乙炔。如同無機半導體一樣，有機半導體可以摻雜。有機半導體容易摻雜如聚苯胺（歐明創）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體裡的空穴和電子的π鍵。幾乎所有的有機固體都是絕緣體。但是，當其組成分子為π共軛系統，電子會移動通過π電子云重疊，特別是通過躍遷，隧道及相關機制。多環式芳香族烴類和酞菁鹽晶體是這種類型的有機半導體材料的例子。
電流載流子主要是由於流動性低，即使是未配對電子在電荷轉移複合物中可能是穩定的。這種不成對的電子，可作為載流子。這種類型的半導體也可通過配對的電子給體分子與電子受體分子來獲得。
場效應管
場效應管（英語：field-effecttransistor，縮寫：FET）是一種通過電場效應控制電流的電子元件。
