بخش A: شروع سریع – نخستین OFET خود را شبیهسازی کنید
این بخش پیش از راهنمایی شما برای شبیهسازی ترانزیستورهای اثرمیدانی آلی (OFET) با استفاده از OghmaNano، نظریه پایه آنها را معرفی میکند..
1. نظریه پایه یک ترانزیستور اثرمیدانی آلی (OFET) نوع p
?? ساختار یک OFET معمولی را نشان میدهد. یک لایه نازک نیمهرسانای آلی (آبی) روی یک لایه عایق پلیمری/SiO2 (خاکستری) نشانده میشود. دو کنتاکت، یعنی سورس و درین، در بالای نیمهرسانا قرار میگیرند تا حاملهای بار را تزریق و جمعآوری کنند، در حالی که کنتاکت سوم، گیت (سبز)، در زیر عایق قرار دارد تا عملکرد دستگاه را کنترل کند.
در حین کار، الکترود گیت جریان حاملهای بار بین سورس و درین را از طریق لایه نیمهرسانای آلی تعدیل میکند. اعمال یک ولتاژ به گیت یک میدان الکتریکی در سراسر عایق ایجاد میکند، این باعث میشود یک لایه نازک از بار در فصل مشترک نیمهرسانا-عایق (قرمز) تشکیل شود، این بسیار شبیه لایه باری است که وقتی یک پتانسیل به یک خازن اعمال میشود ایجاد میگردد. بسته به سامانه ماده، حاملهای غالب میتوانند حفرهها (نوع p) یا الکترونها (نوع n) باشند، در یک ماده نوع p یک پتانسیل -ve اعمال میشود تا یک لایه از حفرهها تشکیل شود (این را میتوان در ??b: دید). وقتی یک بایاس بین سورس و درین اعمال میشود، این حاملها در کانال القاشده رانش میکنند و دستگاه روشن میشود (??c). اگر ولتاژ اعمالشده به گیت قطع شود، کانال بار ناپدید میشود و جریان حاملهای بار بین سورس و درین متوقف میشود. به طور کلی، سطح جریان توسط ولتاژ گیت کنترل میشود: پایینتر از یک آستانه مشخص، کانال عایق باقی میماند، در حالی که بالاتر از آن، رسانندگی کانال با بایاس گیت افزایش مییابد. این کنترل اثرمیدانی به OFET امکان میدهد به عنوان یک کلید یا، در رژیم خطی، به عنوان یک تقویتکننده عمل کند، که عملکرد آن با عواملی مانند تحرک حامل، ولتاژ آستانه و مقاومت کنتاکت تعیین میشود.
عملکرد OFET در ??a–c نشان داده شده است:
- حالت اولیه — خاموش (??a). با قرار داشتن همه پایانهها در 0 V، هیچ باری در فصل مشترک نیمهرسانا–عایق القا نمیشود. هیچ مسیر رسانایی بین سورس و درین وجود ندارد، بنابراین دستگاه خاموش باقی میماند.
-
بایاس گیت - تشکیل کانال (??b).
اعمال یک ولتاژ منفی به گیت یک میدان الکتریکی در سراسر عایق ایجاد میکند.
این میدان بهصورت الکترواستاتیکی حفرهها را به فصل مشترک نیمهرسانا–عایق جذب میکند،
و یک لایه انباشت نازک (کانال) تشکیل میدهد. با
VDS=0دستگاه هنوز هیچ جریانی حمل نمیکند، اما کانال رسانا برقرار شده است. -
بایاس درین - جریانیافتن (??c).
اعمال یک ولتاژ منفی درین نسبت به سورس
(
VDS<0، سورس ≈ 0 V) حفرهها را از سورس به درون کانال تزریق میکند. حفرهها در امتداد کانال القاشده توسط گیت به سمت درین رانش میکنند و جریان درین را ایجاد میکنند. بایاس منفیتر گیت کانال انباشت را تقویت کرده و جریان را افزایش میدهد.
در اصل، میدان الکتریکی گیت یک کانال رسانا را در فصل مشترک نیمهرسانا–عایق القا میکند. جریان فقط هنگامی بین سورس و درین برقرار میشود که این کانال وجود داشته باشد، و این به OFET امکان میدهد به عنوان یک کلید کنترلشونده با ولتاژ یا به عنوان یک تقویتکننده عمل کند. حذف بایاس گیت، کانال را تهی کرده و دستگاه را خاموش میکند.
توصیف بالا یک OFET نوع p را نشان میدهد که در آن حفرهها حاملهای اکثریت هستند. OFETها همچنین میتوانند به صورت دستگاههای نوع n عمل کنند که در آن الکترونها کانال رسانش را تشکیل میدهند (و یک ولتاژ +ve به گیت اعمال میشود)، یا به صورت دستگاههای دوقطبی که بسته به بایاس اعمالشده قادر به انتقال هم حفرهها و هم الکترونها هستند. اگرچه هر سه حالت ممکن هستند، OFETهای نوع p همچنان رایجترین هستند، زیرا انتقال حفره در نیمهرساناهای آلی معمولاً در شرایط محیطی پایدارتر است و دستیابی آزمایشی به آن آسانتر است.
2. شروع سریع شبیهسازیهای OFET
در این آموزش، ما بر MOSFETهای نوع p با کنتاکتهای بالایی تمرکز خواهیم کرد. نیمهرساناهای نوع p بیشترین استفاده را در دستگاههای الکترونیک آلی دارند زیرا معمولاً تحرک حفره بالاتری نشان میدهند. برای ایجاد یک شبیهسازی OFET جدید، روی دکمه New simulation در پنجره اصلی OghmaNano کلیک کنید (??). سپس در پنجره شبیهسازی جدید روی شبیهسازیهای OFET دوبار کلیک کنید (شکل ?? را ببینید). این کار زیرمنوی OFET را باز میکند، جایی که دیگر انواع OFET نیز ذخیره شدهاند. در این مثال ما از "OFET p-type top contact" استفاده خواهیم کرد (??)، روی آن دوبار کلیک کنید و شبیهسازی جدید را روی دیسک ذخیره کنید.
پس از ذخیره پنجره شبیهسازی جدید، باید پنجرهای مانند ?? ببینید. روی پسزمینه سیاه دکمه چپ ماوس را کلیک کرده و نگه دارید، سپس بکشید تا پنجره شبیهسازی بچرخد و دستگاه را بهصورت سهبعدی ببینید. میتوانید ببینید که دستگاه سه کنتاکت دارد، یک گیت، سورس و یک درین. سورس و درین در بالای شبیهسازی به صورت میلههای طلایی نشان داده شدهاند، یک لایه نیمهرسانا با رنگ آبی و یک لایه عایق با رنگ قرمز نشان داده شده است. کنتاکت گیت در پایین ساختار قابل مشاهده است.
3. اجرای نخستین شبیهسازی OFET شما
برای شروع شبیهسازی، روی دکمه Play کلیک کنید. در مقایسه با شبیهسازیهای 1D، شبیهسازیهای 2D معمولاً زمان بیشتری میبرند زیرا حلگر باید با یک مش و تعداد بیشتری از نقاط مش کار کند. اگر تلهها فعال باشند، معادلات گیراندازی/رهایی حامل نیز در هر نقطه مش حل میشوند که بار محاسباتی را بیشتر افزایش میدهد. بهطور کلی، افزایش بعدمندی یک مسئله بهسرعت زمان اجرا و نیازهای حافظه را افزایش میدهد.
jv_contact_0.csv، jv_contact_1.csv، jv_contact_2.csv)، در کنار
فایلهای خلاصه و تشخیصی مانند charge.csv، device.csv، و sim_info.dat.
وقتی شبیهسازی تمام شد، زبانه Output را باز کنید. فایلهای بیشتری نسبت به حالت 1D خواهید دید زیرا یک OFET چندین کنتاکت دارد. این به این دلیل است که برای هر کنتاکت یک منحنی JV تولید میشود، هر منحنی جریانی را نمایش میدهد که از طریق آن کنتاکت به دستگاه وارد میشود یا آن را ترک میکند. خلاصهای از فایلهای تولیدشده در زیر آمده است.
| نام فایل | توضیح |
|---|---|
| contact_iv0.dat | منحنی جریان برحسب ولتاژ برای کنتاکت 0 |
| contact_iv1.dat | منحنی جریان برحسب ولتاژ برای کنتاکت 1 |
| contact_iv2.dat | منحنی جریان برحسب ولتاژ برای کنتاکت 2 |
| contact_jv0.dat | منحنی چگالی جریان برحسب ولتاژ برای کنتاکت 0 |
| contact_jv1.dat | منحنی چگالی جریان برحسب ولتاژ برای کنتاکت 1 |
| contact_jv2.dat | منحنی چگالی جریان برحسب ولتاژ برای کنتاکت 2 |
| snapshots/ | لحظهنگاشتهای شبیهسازی |
برای بررسی منحنی هر کنتاکت، روی فایلهای jv_contact_0.csv، jb_contact_1.csv، و jb_contact_2.csv دوبار کلیک کنید. کنتاکتها در OghmaNano از 0 تا N و به ترتیبی که در ویرایشگر کنتاکت تعریف شدهاند برچسبگذاری میشوند (شکل
?? را ببینید)، بنابراین در
این مورد کنتاکت 0 سورس، کنتاکت 1 گیت و کنتاکت 2 درین خواهد بود. ویرایشگر کنتاکت در بخش 3.1.8 با جزئیات توصیف شده است، با این حال چون این یک شبیهسازی 2D است دو ستون اضافی دیگر نیز ظاهر شدهاند. آنها start و width هستند. اینها موقعیت شروع کنتاکت روی محور x و پهنا را تعریف میکنند که پهنای کنتاکت روی محور x را توصیف میکند. سورس از \(0~m\) شروع میشود و تا \(5 \mu m\) گسترش مییابد، درین از \(75~\mu m\) شروع میشود و تا \(5 \mu m\) گسترش مییابد، در حالی که گیت از \(0~m\) شروع میشود و کل پهنای دستگاه را که \(80~ \mu m\) است میپوشاند. همچنین توجه کنید که در ستون Applied Voltage، سورس با Ground مشخص شده است، این
یعنی 0V به زمین اعمال خواهد شد، گیت با change مشخص شده است به این معنی که رمپ ولتاژ ما که در ویرایشگر JV تعریف شده است به این کنتاکت اعمال خواهد شد، و درین با constant bias و ولتاژ 10V مشخص شده است، این یعنی یک ولتاژ ثابت 10V به این کنتاکت اعمال خواهد شد. بنابراین ما در حال پیمایش کنتاکت گیت هستیم در حالی که یک ولتاژ ثابت بین سورس و درین اعمال میکنیم.
??, ?? and ?? منحنیهای JV را در هر یک از سه کنتاکت OFET نشان میدهند. با نگاه کردن به ?? و ?? میتوانید ببینید که هرچه ولتاژ گیت منفیتر میشود، جریان در سورس و درین نیز منفیتر میشود. ما یک ولتاژ منفی اعمال میکنیم تا حفرهها را به کانال جذب کنیم تا بتواند رسانش داشته باشد. همچنین میتوانید ببینید که در گیت هیچ جریانی وجود ندارد، زیرا جریان توسط دیالکتریک مسدود میشود.
jv_contact0.csv - سورس) در OFET.
علامت منفی نشان میدهد که جریان از طریق این پایانه دستگاه را ترک میکند.
jv_contact1.csv - گیت).
جریان نزدیک صفر باقی میماند زیرا گیت عایق است.
jv_contact2.csv - درین).
جریان مثبت متناظر با تزریق بار به درون دستگاه است.
👉 گام بعدی: اکنون به بخش B ادامه دهید تا درباره بصریسازی نتایج OFET در 2D و 3D، و بررسی دقیقتر جریان، چگالیهای بار و میدانهای دستگاه بیاموزید.