Кіріспе

Өрістік эффектті транзистордың түрі

Органикалық өрістік эффектті транзистор (OFET) – арнасында органикалық жартылай өткізгішті пайдаланатын өрістік эффектті транзистор. OFET-тер вакуумда ұсақ молекулаларды буландыру арқылы, полимерлерді немесе ұсақ молекулаларды ерітіндіге құю арқылы, немесе қабықтанған бір кристалды органикалық қабатты субстратқа механикалық түрде ауыстыру арқылы дайындалуы мүмкін. Бұл құрылғылар төмен құнмен, үлкен аудандағы электрондық өнімдерді және биодеградацияланатын электрониканы іске асыру үшін жасалған. OFET-тер әртүрлі құрылғы геометрияларымен жасалған. Ең көп қолданылатын құрылғы геометриясы – төменгі қақпасы және жоғарғы ағызу және бастапқы электродтары бар конструкция, себебі бұл геометрия термиялық өсірілген SiO2 қақпа диэлектригі ретінде қолданылатын жұқа пленкалы кремний транзисторына (TFT) ұқсас. Органикалық полимерлер, мысалы полиметилметакрилат (ПММА) да диэлектрик ретінде қолданылуы мүмкін. OFET-тің артықшылықтарының бірі, әсіресе органикалық емес TFT-лермен салыстырғанда, олардың бұрын-соңды болмаған физикалық икемділігі, бұл биоүйлесімді қолдануларға мүмкіндік береді, мысалы болашақтағы жеке биомедицина және биоэлектроника саласындағы денсаулық сақтау саласында. 2007 жылдың мамыр айында Sony компаниясы алғашқы толық түсті, бейне жылдамдығымен, икемді, толығымен пластикалық дисплейді ұсынды, онда жұқа пленкалы транзисторлар мен жарық шығаратын пиксельдер органикалық материалдардан жасалған.

Тарих

Өрістік эффектті транзистор (ӨЭТ) тұжырымдамасын алғаш рет 1930 жылы идеясына патент алған Джулиус Эдгар Лилиенфельд ұсынды. Ол өрістік эффектті транзистордың конденсатор сияқты жұмыс істейтінін, көз және ағынды электродтар арасында өткізгіш арнасы болатынын айтты. Қақпа электродтарына қосылған кернеу жүйе арқылы өтетін заряд тасымалдаушыларының мөлшерін бақылайды. Бірінші оқшауланған қақпалы өрістік эффектті транзисторды Мохамед Атала және Давон Канг Bell Labs зертханасында металл-оксид-жартылай өткізгіш (МОЖ) технологиясын қолданып жасады: MOSFET (металл-оксид-жартылай өткізгіш өрістік эффектті транзистор). Ол 1959 жылы ойлап табылды және 1960 жылы таныстырылды. MOS транзисторы деп те аталатын MOSFET, әлемде ең көп өндірілетін құрылғы болып табылады. Жіңішке пленкалы транзистор (TFT) тұжырымдамасын алғаш рет Джон Уоллмарк ұсынды, ол 1957 жылы германий монооксидін қақпа диэлектригі ретінде пайдаланған жіңішке пленкалы MOSFET үшін патент алды. Жіңішке пленкалы транзисторды 1962 жылы Пол Веймер жасады, ол Уоллмарктің идеяларын іске асырды. TFT – MOSFET-тің ерекше түрі. Материалдар мен өндірістің құнының өсуі, сондай-ақ экологиялық таза электрондық материалдарға қоғамдық қызығушылықтың артуы соңғы жылдары органикалық электрониканың дамуына септігін тигізді. 1986 жылы Mitsubishi Electric компаниясының зерттеушілері Х. Коэзука, А. Цумура және Цунейя Андо тиофен молекулаларының полимеріне негізделген алғашқы органикалық өрістік эффектті транзистор туралы хабарлады. Тиофен полимері – зарядты өткізе алатын конъюгацияланған полимердің бір түрі, бұл қымбат металл оксидті жартылай өткізгіштерді пайдалану қажеттілігін жояды. Сонымен қатар, басқа конъюгацияланған полимерлердің де жартылай өткізгіш қасиеттері бар екені көрсетілді. OFET дизайны соңғы онжылдықтарда да жақсарды. Көптеген OFET-тер қазір жіңішке пленкалы транзистор (TFT) моделіне негізделген, бұл құрылғыларға дизайнында аз өткізгіш материалдарды пайдалануға мүмкіндік береді. Осы модельдерді жақсарту арқылы соңғы жылдары өрістік эффектті ұтқырлық және ток қосылу/күйіндегі көрсеткіштерге үлкен жетістіктер қол жеткізілді.

Материалдар

OFET материалдарының бірнеше жалпы ерекшеліктерінің бірі – орбиталық толқындық функциялардың де локализациясын жеңілдететін, ароматты немесе басқа конъюгацияланған π электрондық жүйенің болуы. Электронды тартып алушы немесе электронды донорлық топтарды қосу арқылы тесіктердің немесе электрондардың тасымалдануына мүмкіндік беруге болады. Белсенді жартылай өткізгіш қабат ретінде көптеген ароматты және конъюгацияланған материалдарды қолданатын OFET-тер туралы хабарламалар бар, олардың ішінде рубрен, тетрацен, пентацен, диинденоперилен, перилендиимидтер, тетрацианохинодиметан (TCNQ) және политиофендер (әсіресе поли(3-гексилтиофен) (P3HT), полифлуорен, полидиацетилен, поли(2,5-тиендиленвинилен), поли(п-фениленвинилен) (PPV) сияқты полимерлер кіреді. Бұл сала өте қарқынды дамып келеді, жаңа синтезделген және тексерілген қосылыстар туралы апта сайын беделді ғылыми журналдарда жарияланып тұрады. Бұл материалдардың дамуын көрсететін көптеген шолу мақалалары бар. Рубренге негізделген OFET-тер ең жоғары тасымалдаушы ұтқырлығын – 20–40 см2/(В·с) көрсетеді. Пентацен – танымал OFET материалы, ол 1980 жылдардан бері қолданылып келеді, бірақ оның ұтқырлығы рубренге қарағанда 10-100 есе төмен (субстратқа байланысты). Егер бұл конденсатор тұжырымдамасы құрылғыны жобалауға қолданылса, басқарушының – яғни қақпаның – айырмашылығына негізделген әртүрлі құрылғыларды жасауға болады. Бұл қақпа материалы, қақпаның каналға қатысты орналасуы, қақпаның каналдан қалай оқшауланғаны және қақпа кернеуінің каналға қандай тасымалдаушыны (мысалы, n-каналды құрылғыда электрондар, p-каналды құрылғыда тесіктер, ал қос инъекциялық құрылғыда электрондар мен тесіктер) индукциялауы мүмкін деген сөз. Тасымалдаушының қасиеттеріне қарай жіктелінетін FET-тің үш түрі 1-суретте схемалық түрде көрсетілген. Олар: MOSFET (металл-оксидті жартылай өткізгіштік эффектілі транзистор), MESFET (металл-жартылай өткізгіштік эффектілі транзистор) және TFT (жұқа пленкалық транзистор).

MOSFET

Қазіргі микроэлектроникада ең көп таралған және қолданылатын FET – MOSFET (металл-оксид-жартылай өткізгіш FET) болып табылады. Бұл санатта MISFET (металл-оқшаулағыш-жартылай өткізгіш өрістік эффектті транзистор) және IGFET (оқшауланған қақпалы FET) сияқты түрлері бар. MISFET-тің схемасы 1a суретте көрсетілген. Бұлақ және ағызу жартылай өткізгіш арқылы байланыстырылған, ал қақпа арнадан оқшаулағыш қабатымен бөлінген. Егер қақпаға кернеу (потенциалдар айырмашылығы) қолданылмаса, металл өткізгіштік аймағының энергия айырмашылығы және жартылай өткізгіштің Ферми деңгейі салдарынан жолақтың иілуі пайда болады. Сондықтан, жартылай өткізгіш пен оқшаулағыштың интерфейсінде тесіктердің жоғары концентрациясы қалыптасады. Қақпаға жеткілікті оң кернеу қолданылғанда, иілген жолақ тегістеледі. Егер үлкен оң кернеу қолданылса, жолақ кері бағытта иіледі және оқшаулағыш-жартылай өткізгіш интерфейсіне жақын аймақ тесіктерден босап, сарқылу аймағы пайда болады. Одан да үлкен оң кернеу кезінде жолақтың иілуі соншалықты күшті болады, Ферми деңгейі жартылай өткізгіш пен оқшаулағыштың интерфейсінде өткізгіштік аймағының төменгі жағына, валенттік аймақтың жоғарғы жағына қарағанда жақындап, электрондардың инверсиялық қабатын құрайды, бұл өткізгіш арнаны қамтамасыз етеді. Соңында, құрылғы қосылады.

МЕСФЕТ

Құрылғының екінші түрі 1b суретте сипатталған. Бұл құрылғының MISFET-тен жалғыз айырмашылығы – n типіндегі бастауыш пен шығысы n типіндегі аймақпен қосылған. Бұл жағдайда, қалыпты жағдайда өшік (off) құрылғыда, нөлдік есік кернеуінде, азайту аймағы n типіндегі арнаның бүкіл бөлігіне дейін созылады (бұл MISFET жағдайындағы үлкен оң қисыққа ұқсас). Қалыпты жағдайда қосылған (on) құрылғыда арнаның бір бөлігі азайтылмайды, демек нөлдік есік кернеуінде ток өтеді.

ТТҚ

1c суретте жұқа пленкалық транзистор (TFT) көрсетілген. Мұнда, бастапқы және ағын электродтары тікелей өткізгіш арнаға (жартылай өткізгіштің жұқа қабаты) жатқызылады, содан кейін жартылай өткізгіш пен металл қақпасы арасына оқшаулағыштың жұқа қабаты жатқызылады. Бұл құрылым құрылғыны негізден бөлетін сарқылу аймағының жоқтығын көрсетеді. Егер кернеу болмаса, жартылай өткізгіш пен металлдың Ферми деңгейінің энергия айырмашылығына байланысты электрондар беттен қуылады. Бұл жартылай өткізгіштің энергия жолақтарының иілуіне алып келеді. Бұл жағдайда бастапқы мен ағын арасында заряд тасымалдануы болмайды. Оң кернеу қолданғанда, интерфейсте электрондардың жиналуы жартылай өткізгіштің кері бағытта иілуіне және жартылай өткізгіштің Ферми деңгейіне шаққанда өткізгіштік жолағының төмендеуіне әкеледі. Содан кейін интерфейсте жоғары өткізгіштік арна қалыптасады (2-суретте көрсетілген).

ОФЕТ

OFET-тер TFT архитектурасын қабылдайды. Өткізгіш полимерлердің дамуымен қатар, кішкентай конъюгацияланған молекулалардың жартылай өткізгіштік қасиеттері анықталды. Соңғы он жылда OFET-терге қызығушылық зор өсті. Бұл қызығушылықтың күшеюіне көптеген себептер бар. OFET-тердің өнімділігі, олардың өрістік әсерлі жылдамдығы 0,5–1 см² В⁻¹ с⁻¹ және қосылу/өшіру тогының қатынасы (құрылғының өшіру қабілетін көрсетеді) 10⁶–10⁸ құрайтындықтан, аморфты кремний (a Si) TFT-лермен бәсекелесе алады, айтарлықтай жақсарды. Қазіргі уақытта вакууммен жатқызылған кішкентай молекулалар үшін OFET-тің жұқа пленкалық жылдамдығы 5 см² В⁻¹ с⁻¹ және ерітіндімен өңделген полимерлер үшін 0,6 см² В⁻¹ с⁻¹ құрайтыны хабарланды. Осының нәтижесінде, қазір кремний немесе басқа да органикалық емес транзистор технологияларын қолдану мүмкін емес салаларда OFET-терді қолдануға өнеркәсіптік қызығушылық артып келеді. Олардың басты технологиялық артықшылықтарының бірі – OFET-тің барлық қабаттарын төмен құнмен ерітіндіні өңдеу және тікелей басып шығарудың үйлесімі арқылы бөлме температурасында орналастыруға және қалыптауға болады, бұл оларды икемді негіздерде үлкен аудандағы, төмен құнды электрондық функцияларды жүзеге асыру үшін өте қолайлы етеді.

Құрылғыны дайындау

Термиялық тотықталған кремний – кремний диоксиді қақпа оқшаулағышы ретінде қызмет ететін OFET-тер үшін дәстүрлі субстрат. Белсенді FET қабаты әдетте осы субстратқа (i) жылулық булану, (ii) органикалық ерітіндіден жағу немесе (iii) электростатикалық ламинациялау арқылы жатқызылады. Бірінші екі техника поликристаллдық белсенді қабаттарға әкеледі; оларды жасау өте оңай, бірақ транзистордың көрсеткіштері салыстырмалы түрде нашар. Ерітіндімен жағу техникасының (ii) көптеген нұсқалары белгілі, оның ішінде шомылу, спин жағу, сияқатты басып шығару және экрандық басып шығару. Электростатикалық ламинациялау техникасы бір органикалық кристалдан жұқа қабатты қолмен бөліп алуға негізделген; ол жоғары сапалы, бір кристалды белсенді қабатты қамтамасыз етеді, бірақ оны жасау қиын. Қақпа оксидінің және белсенді қабатының қалыңдығы бір микрометрден кем. Тасымалдаушылардың жылдамдығын анықтау үшін, изолятордағы электр өрісінің таралуын зерттеу үшін қысымдық толқын таралуымен жүргізілетін тәжірибе, бағдарланған дипольдік өзгерістерді зерттеу үшін органикалық моноқабатты тәжірибе, оптикалық уақыт бойынша екінші гармоникалық генерацияны (TRM SHG) анықтау және т.б. қолданылады. Поликристалдық OFET-терде тасымалдаушылар диффузияға ұқсас (тұзақпен шектелген) жолмен қозғалса, ал ең жақсы бір кристалды OFET-терде өткізгіштік белдеуі арқылы қозғалады. Тасымалдаушы тығыздығының орташа мәні әдетте тасымалдаушы жылдамдығы модельдері үшін кіріс ретінде қолданылатын қақпалық кернеудің функциясы ретінде есептеледі, ал модуляцияланған амплитудалық рефлекция спектроскопиясы (MARS) OFET арнасы бойынша тасымалдаушы тығыздығының кеңістіктік картасын беретіні көрсетілді.

Жарық шығаратын OFET

Мұндай транзистор арқылы электр тогы өтетіндіктен, оны жарық шығаратын құрылғы ретінде қолдануға болады, осылайша ток модуляциясымен жарық шығаруды үйлестіреді. 2003 жылы неміс ғалымдары алғашқы органикалық жарық шығаратын өрістік эффектті транзисторды (OLET) ұсынды. Бұл құрылғының құрамына өзара тігізделген алтыннан жасалған бастапқы және ағын электродтары және поликристалликалық тетраценнің жұқа қабаты кіреді. Оң зарядтар (тесіктер) және теріс зарядтар (электрондар) алтын контактілерден осы қабатқа жіберіледі, нәтижесінде тетраценнен электролюминесценция пайда болады.