ترانزيستورهای لايه نازک بر پايه مواد نيمه‌هادی آلی حمیدرضا کریمی علویجه فهیمه بهزادی ترانزيستورهای لايه نازک بر پايه مواد نيمه‌هادی آلی
کاربردهای فناوری نانو نانوقطعات الکترونیکی و نوری دوم
تاریخچه ترانزیستورها ساخته شدن ترانزیستورها در نیمه قرن بیستم، تحول شگرفی در تکنولوژی ساخت دستگاه‌ها و ادوات الکترونیکی ایجاد کرد. ترانزیستورهایی که امروزه در ساخت مدارات الکترونیکی مجتمع و غیرمجتمع به وفور مورد استفاده هستند، برپایه اصول ترانزیستورهای اولیه کار می‌کنند. به‌واسطه پیشرفت‌های علم مواد و تکنولوژی ساخت، ترانزیستورهای کنونی با ابعاد بسیار کوچکتر، با کیفیت و ماندگاری بسیار بالاتری ساخته می‌شوند.
تاریخچه ترانزیستورها در اوایل دهه هشتاد (1980) برای اولین بار، استفاده از مواد مواد نیمه‌هادی آلی که در ساختار آنها زنجیره‌های کربنی و هیدروژنی وجود دارد، در ایجاد ادوات الکترونیکی مورد توجه قرار گرفتند. در این زمان اولین OLEDها یا همان دیودهای نورده با استفاده از این مواد ساخته شدند. استفاده از این مواد و آماده سازی آنها، بر خلاف نمونه‌های معدنی، نیازی به تکنولوژی‌های بسیار پیشرفته و آزمایشگاه‌های گران قیمت ندارد. ادوات مبتنی بر مواد آلی به دلیل پیوندهای سست بین ملکولی در لایه‌های ایجاد شده از آنها، تا حد زیادی به لحاظ مکانیکی، می‌توانند انعطاف پذیر باشند. برخلاف مواد آلی، مواد معدنی مانند سیلیکن، ژرمانیوم و گالیوم آرسناید تنها در حالت کریستالی قابلیت استفاده در ساختار ادوات الکترونیکی را دارند، که در این حالت نیز پیوندهای کوالانسی، انعطاف پذیری را در آنها غیر ممکن می‌سازد.
خصوصیات اتم کربن اساساً خواص مواد نیمه هادی آلی ناشی از ویژگی‌های خاص اتم کربن است. خواص اتم کربن مهمترین ویژگی اتم کربن، قابلیت تشکیل آرایش‌های متفاوت اربیتال ترکیبی S و P است. اتم کربن می تواند اربیتال ترکیبی SP و SP2 و SP3 را در پیوندهای خود داشته باشد. با توجه به محل اتم کربن در جدول، این اتم می‌تواند چهار پیوند داشته باشد. این ویژگی واکنش پذیری بالای اتم کربن را نشان می‌دهد که موجب تنوع ترکیبات کربنی می‌شود. اتم کربن در گروه چهارم با عدد اتمی پایین، اتم نسبتاً کوچکی محسوب می‌گردد. این ویژگی اتم کربن، ازدحام فضایی در ملکول‌هایی که شامل اتم کربن هستند را کاهش می‌دهد و شکل‌گیری ترکیبات مختلفی از مواد کربنی را ممکن می‌سازد. کربن دارای الکترونگاتیویتی متوسطی است و امکان برقراری پیوندهای کوالانسی با مواد کربنی و غیره را دارد.
هدایت بار در مواد نیمه‌هادی آلی در مواد نیمه‌هادی آلی، اتم‌های کربن دارای هیبرید نوع SP2 هستند که منجر به هم‌پوشانی اربیتال‌های Pz عمود بر صفحه پیوندهای سیگما (σ) می‌شود. در اثر این هم‌پوشانی، یک ابر الکترونی پیوسته شکل می‌گیرد و وجود بارهای آزاد را در اربیتال پیوسته ملکولی امکان‌پذیر می‌سازد. در مواد نیمه‌هادی آلی، که پیوستگی اربیتال‌های آنها محدود به ملکول‌ها می‌باشد، سطوح انرژیHOMO و LUMO معادل با ترازهای انرژی باند هدایت و باند ظرفیت در مواد نیمه‌هادی کریستالی، شکل می‌گیرد.
هدایت بار در مواد نیمه‌هادی آلی از آنجا که پیوستگی اربیتال‌ها در لایه‌های نیمه‌هادی آلی، که عموماً غیرکریستالی هستند، محدود به ملکول‌ها است؛ قابلیت حرکت حامل‌ها در این مواد به مراتب پایین‌تر از مواد نیمه‌هادی رایج است. دلیل این ویژگی پیوندهای بسیار سست واندروالسی بین ملکول‌های آلی است. مکانیزم حرکت بار نیز در این مواد به خاطر این ویژگی، متفاوت از مواد غیر آلی است. پرش بار از یک تراز مجاز انرژی در یک اربیتال ملکولی پیوسته، به ترازی در اربیتال ملکولی مجاور باعث انتقال بار در مواد نیمه‌هادی آلی می‌گردد.
ساختار ترانزیستورهای اثر میدانی آلی در ترانزیستورهای اثر میدانی آلی، میدان الکتریکی ناشی از بایاس گیت ترانزیستور، موجب تشکیل کانال هدایت جریان بین اتصالات درین و سورس می‌گردد. در واقع این کانال از تجمع حامل‌های بار تزریق شده از الکترودهای درین و سورس در مرز عایق گیت با لایه نیمه‌هادی ایجاد می‌گردد و میزان بایاس گیت میزان هدایت کانال را تعیین می‌کند. در حالتی که گیت، بایاس مناسبی ندارد، کانال هدایت نیز بسیار ضعیف بوده و جریان درین ناچیز است. نمایشگر انعطاف‌پذیر ساخته شده بر پایه‌ی OFET
ساختار ترانزیستورهای اثر میدانی آلی قسمت‌های اساسی یک ساختار OFET به ترتیب عبارتند از: اتصال الکتریکی گیت که در زیر کل ساختار قرار دارد. لایه عایق گیت که نقش جداسازی الکتریکی گیت را نسبت به لایه فعال دارد. لایه نیمه‌هادی که در واقع ناحیه فعال ترانزیستوری است و از لایه نشانی ملکول‌های آلی با استفاده از روش تبخیر گرمایی و یاروش‌های دیگر ایجاد می‌شود. اتصالات الکتریکی هادی که مربوط به درین و سورس ترانزیستور است و در واقع جریان ترانزیستور بین این دو اتصال برقرار می‌شود.
ساختار ترانزیستورهای اثر میدانی آلی ساختار ترانزیستورهای اثر میدانی، در واقع مشابه ساختار یک خازن صفحه‌ای می‌باشد. یکی از صفحات این خازن اتصال فلزی گیت و صفحه دیگر آن لایه نیمه‌هادی آلی می‌باشد. اتصالات فلزی درین و سورس در تماس مستقیم به این لایه نیمه‌هادی هستند. لایه تشکیل شده از مواد نیمه‌هادی آلی بدون اعمال بایاس گیت، به صورت یک لایه عایق بدون بار رفتار می‌کند. در شبیه سازی این ادوات، تراز فرمی در مرکز شکاف انرژی بین ترازهای مجاز HOMO و LUMO در نظر گرفته می‌شود. با اعمال بایاس گیت مناسب و تشکیل لایه‌ای از بارهای مثبت جمع شده، که از الکترودهای درین و سورس به لایه آلی وارد شده‌اند، مسیر هدایت جریان بین الکترودهای درین و سورس شکل می‌گیرد. بسته به ولتاژ گیت اعمال شده و چگالی بار جمع شده در کانال هدایت، دامنه جریان ترانزیستور کنترل می‌شود.
ساختار ترانزیستورهای اثر میدانی آلی نواحی کاری ترانزیستورهای اثر میدانی آلی، مشابه نمونه‌های سیلیکونی به سه ناحیه قطع، خطی و اشباع تقسیم می‌شود. شرایط بایاس قرار گرفتن در هر کدام از این نواحی نیز مشابه ترانزیستورهای اثر میدانی سیلیکونی است. بسته به شکل، کانال ایجاد شده ناشی از تجمع بارها در مرز عایقِ گیتِ ترازیستور در یکی از این نواحی کار قرار می‌گیرد. در ناحیه قطع کانالی وجود ندارد و جریان صفر است. در ناحیه خطی کانال در کل فاصله بین درین و سورس پیوسته بوده و جریان درین با ولتاژ بین درین و سورس رابطه خطی دارد. در ناحیه اشباع کانال هدایت در نواحی نزدیک به درین قطع شده و بارها از طریق میدان انتهای کانال به درین می‌رسند.
پارامترها و مشخصه‌های الکتریکی OFET منحنی مشخصه انتقالی منحنی‌های مشخصه خروجی
پارامترها و مشخصه‌های الکتریکی OFET به صورت ساده شده، قابلیت حرکت حامل بار در لایه نیمه‌هادی برابر با ضرب دامنه میدان الکتریکی و سرعت حامل بار در اثر این میدان است . به دلیل اینکه در OFETها این پارامتر وابسته به ولتاژ گیت است، به آن قابلیت حرکت تحت تأثیر میدان گفته می‌شود. پارامتر ولتاژ آستانه، عبارت است از حداقل ولتاژ بایاس گیت که به ازاء آن کانال هدایت تشکیل شده امکان برقراری جریان درین را فراهم می‌کند. با توجه به اینکه رابطه جریان درین در ناحیه عملکرد اشباع ترانزیستور، به صورت زیر می‌باشد؛ پارامترهای بالا از منحنی‌های داده شده قابل محاسبه هستند. µeff: مقدار قابلیت حرکت گفته شده در بالا تحت تأثیر میدان ناشی از بایاس گیت W و L: به ترتیب طول و عرض فاصله بین اتصالات درین و سورس cox : مقدار ظرفیت خازن عایق گیت
پارامترها و مشخصه‌های الکتریکی OFET در بسیاری از کاربردهای رایج مدارات الکترونیکی مانند صفحات نمایش، کارت‌های شناسایی هوشمند و بسیاری از کاربردهای دیگر، استفاده از ترانزیستورهای سریع مورد نیاز نمی‌باشد. حداکثر مقدار قابلیت حرکت گزارش شده در این نوع از ترانزیستورها تاکنون برابر با cm2V- 1S-140 بوده است. این مقدار تقریباً 40 برابر از مقدار قابلیت حرکت در ترانزیستورهای لایه نازک بر پایه سیلیکن غیرکریستالی بیشتر است. مقدار قابلیت حرکت با مشخص شدن ابعاد مختلف تئوری و تکنولوژی ساخت مواد نیمه‌هادی آلی و همچنین با سنتز شدن ملکول‌های پیشرفته‌تر، به سرعت در حال بهبود است.
پارامترها و مشخصه‌های الکتریکی OFET نمودار محدودیت استفاده از ترانزیستورهای مختلف بر حسب قابلیت حرکت آنها و روند تغییر قابلیت حرکت در مواد نیمه‌هادی آلی.
پارامترها و مشخصه‌های الکتریکی OFET هم‌اکنون، مقدار پارامتر قابلیت حرکت، کاملاً از مقدار آن در ترانزیستورهای لایه نازک آلی بیشتر شده و جایگزین مناسبی برای آنها می‌باشد. از دیگر پارامترهای مهم در این دسته از ترانزیستورها، رفتارهای گذرای آنها مانند ماندگاری ترانزیستورها در معرض هوا و پاسخ فرکانسی آنها است. ماندگاری به عواملی مانند میزان واکنش پذیری ماده آلی استفاده شده، بستگی دارد. استفاده از این ادوات امکان ساخت مدارهای الکترونیکی شفاف و انعطاف پذیر را فراهم می‌کند. از دیگر کاربردهای آنها ساخت مدارات مجتمع در سطوح بسیار وسیع در کاربردهایی مانند ساخت سنسورها، پوستهای مصنوعی و صفحات نمایش گسترده است. در حال حاضر صفحات نمایش OLEDهای ساخته شده با استفاده از این مواد نیمه‌هادی در حال ورود به بازار تجاری محصولات الکترونیکی هستند.