聚合物薄膜场效应晶体管（PFET）的原理分析

【中心议题】

•     *PFET的基本结构
•     *PFET的工作原理

【解决方案】

•     *通过栅极电压调控半导体层中沟道电阻的大小来控制源极和漏极间的电流
•     * PFET器件作为实现逻辑功能的最基本单元

场效应晶体管(FET)是一种利用电场控制半导体材料导电性能的有源器件,是现代电子学中应用最广泛的器件之一，在数据存储、逻辑运算、光电集成和放大电路以及平面显示等领域发挥着不可替代的作用。近几十年来，无机FET的腾飞，极大地推动了整个电子信息技术的快速发展。然而无机FET存在接近小型化的自然极限、成本较高和制备大面积器件较困难等问题。随着有机材料半导体特性的发现以及性能的不断改进，利用有机半导体材料来替

代FET中的无机半导体层自然成为重要的研究课题。这种新型的FET被称为有机薄膜场效应晶体管(OFET)。

与无机FET相比，OFET有以下的突出优点：1）易于制备大面积器件；2）有机物易得，通过对有机物分子的化学修饰可以方便地调节场效应晶体管的性能；3）制备工艺简单，成本较低；4）有机物柔韧性好，可以弯曲，易于制成各种形状等。OFET自从1986年首次出现以来，在材料性能和制备技术开发上都取得了明显的进步，已经应用于电子报纸、传感器件、包括射频识别卡在内的存储器等领域。目前，用于制备OFET的有机半导体材料包括小分子和聚合物。以小分子作为半导体层的有机场效应晶体管，具有较高的场效应迁移率，可达1~10cm2/V·s。最近有报道，由高纯并五苯单晶所制作的OFET，其迁移率高达35 cm2/V·s，不过其机械性能和稳定性都不及聚合物，且成膜大都采用真空蒸镀方法，制造成本较高。虽然聚合物场效应晶体管的迁移率比小分子场效应晶体管的迁移率小3～5个数量级率，但由于其具有机械性能好、热稳定性高、成膜方法简单经济以及适合制备大面积器件等特点，发展迅速，目前有些聚合物场效应管的性能已经达到或接近小分子及齐聚物场效应管的水平。因此，可溶性聚合物场效应晶体管被认为是未来有机电子学及微电子学的发展方向。

PFET的基本结构及工作原理

PFET器件的结构和基本性能与无机薄膜晶体管类似，是一种电压受控三端器件，通过栅极电压调控半导体层中沟道电阻的大小来控制源极和漏极间的电流。其基本结构如图所示，图中和分别代表源漏电压和栅极电压。

作为有机聚合物芯片，PFET器件是实现逻辑功能的最基本单元，其性能参数主要包括场效应迁移率(μF)、开关电流比(Ion/off)和跨导(gm)。场效迁移率描述有机活性层中的载流子在外加电场作用下的输运速度，决定器件的开关速度。

开关电流比通常是指在某一饱和区源漏电压下，器件处于开启状态(开态)和关闭状态(关态)时的源漏电流之比。关态电流实际上是器件的漏电流，越小越好，它影响器件的功耗大小。在逻辑电路芯片中器件的开关电流比一般应高于106。与无机薄膜晶体管相似，器件的性能参数通常可以通过其输出特性曲线和转移特性曲线来表征。利用肖特基模型,PFET器件的漏电流与源漏电压和栅电压的关系可表示为

式中，W和L分别为PFET的导电沟道宽度和长度；Cox为PFET栅绝缘层单位面积电容；为场效应管的阀值电压。

在传统的无机场效应晶体管中，活性半导体层一般为轻掺杂的硅、III-V元素化合物，比如GaAs。器件工作时，由外加栅电压引起绝缘层-半导体界面处半导体一侧产生少数载流子积累，导致沟道层形成反型层或强反型层，使得从源、漏极注入的载流子能顺利地通过沟道薄层，产生漏电流。在PFET中，活性半导体层由有机聚合物半导体构成。与无机材料完全不同的是，PFET器件工作时，外加的栅电压需引起沟道薄层多数载流子的积累，因此，漏电流是沟道薄层中多数载流子输运的结果。这是由于这两种不同类型的半导体中电荷输运的机理不同所致：在单晶硅等长程有序的无机半导体中，载流子输运过程发生在导带或价带内；而有机聚合物半导体通常具有长程无序、短程有序的特点，电荷的输运被认为是单个分子的分立局域态之间的一种跳跃式输运过程。同时，聚合物半导体材料中存在着大量的结构缺陷，这些缺陷态形成丰富的缺陷能级，从而对少数载流子起到陷阱作用，导致少数载流子传导困难。聚合物半导体内部电荷传导机理十分复杂，还有待于进一步深入研究。