Προσομοίωση OFET (Οργανικού Τρανζίστορ Πεδίου): Γρήγορη εκκίνηση και ανάλυση χαρακτηριστικών I-V.
Αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα για την προσομοίωση OFET παρουσιάζει τη βασική θεωρία των οργανικών τρανζίστορ πεδίου πριν σας καθοδηγήσει σε μια δισδιάστατη προσομοίωση ενός OFET τύπου p στο OghmaNano.
1. Βασική θεωρία ενός οργανικού τρανζίστορ πεδίου-εφέ τύπου p (OFET).
?? απεικονίζει τη δομή ενός τυπικού OFET. Μια λεπτή στρώση οργανικού ημιαγωγού (μπλε) εναποτίθεται πάνω από μια μονωτική στρώση πολυμερούς/SiO2 (γκρι). Δύο επαφές, η πηγή και η αποστράγγιση, τοποθετούνται στην κορυφή του ημιαγωγού για να εγχέουν και να συλλέγουν φορείς φορτίου, ενώ μια τρίτη επαφή, η πύλη (πράσινη), βρίσκεται κάτω από το μονωτή για να ελέγχει τη λειτουργία της συσκευής.
Κατά τη λειτουργία, το ηλεκτρόδιο της πύλης ρυθμίζει τη ροή των φορέων φορτίου μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης μέσω του οργανικού ημιαγώγιμου στρώματος. Η εφαρμογή μιας τάσης στην πύλη δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο στο μονωτή, το οποίο προκαλεί τη δημιουργία ενός λεπτού στρώματος φορτίου στη διεπαφή μεταξύ του ημιαγωγού και του μονωτή (κόκκινο), κάτι που μοιάζει πολύ με το στρώμα φορτίου που δημιουργείται όταν εφαρμόζεται μια τάση σε έναν πυκνωτή. Ανάλογα με το υλικό, οι κυρίαρχοι φορείς μπορεί να είναι οπές (τύπου p) ή ηλεκτρόνια (τύπου n), σε ένα υλικό τύπου p εφαρμόζεται μια αρνητική τάση για να σχηματιστεί ένα στρώμα οπών (αυτό μπορεί να φανεί στο ??b). Όταν εφαρμόζεται μια τάση μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης, αυτοί οι φορείς μετακινούνται μέσω του επαγόμενου καναλιού και η συσκευή ενεργοποιείται (??c). Εάν η τάση που εφαρμόζεται στην πύλη διακοπεί, το κανάλι φορτίου εξαφανίζεται και η ροή των φορέων φορτίου μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης σταματά. Γενικά, το επίπεδο του ρεύματος καθορίζεται από την τάση της πύλης: κάτω από ένα ορισμένο όριο, το κανάλι παραμένει μονωτικό, ενώ πάνω από αυτό, η αγωγιμότητα του καναλιού αυξάνεται με την τάση της πύλης. Αυτός ο έλεγχος μέσω ηλεκτρικού πεδίου επιτρέπει στο OFET να λειτουργεί ως διακόπτης ή, στη γραμμική περιοχή, ως ενισχυτής, με την απόδοσή του να καθορίζεται από παράγοντες όπως η κινητικότητα των φορέων, η τάση ορίου και η αντίσταση επαφής.
Η λειτουργία του OFET απεικονίζεται στα ??a–c:
- Αρχική κατάσταση — απενεργοποιημένη (??a). Όταν όλες οι επαφές είναι στα 0 V, δεν δημιουργείται ηλεκτρικό φορτίο στη διεπιφάνεια ημιαγωγού-μονωτή. Δεν υπάρχει αγώγιμη διαδρομή μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης, επομένως η συσκευή παραμένει απενεργοποιημένη.
- Προκατάληψη της πύλης – δημιουργία καναλιού (??b). Η εφαρμογή αρνητικής τάσης στην πύλη δημιουργεί ένα ηλεκτρικό πεδίο στο μονωτή. Το πεδίο έλκει ηλεκτροστατικά τα οπές προς τη διεπιφάνεια ημιαγωγού-μονωτή, σχηματίζοντας μια λεπτή στρώση συσσώρευσης (το κανάλι). Με το
VDS=0, η συσκευή εξακολουθεί να μην μεταφέρει ρεύμα, αλλά το αγώγιμο κανάλι έχει δημιουργηθεί. - Προκατάληψη αποστράγγισης – ροή ρεύματος (??c). Η εφαρμογή αρνητικής τάσης στην αποστράγγιση σε σχέση με την πηγή (
VDS<0, Πηγή ≈ 0 V) εγχέει οπές από την πηγή στο κανάλι. Οι οπές κινούνται κατά μήκος του καναλιού που δημιουργείται από την πύλη προς την αποστράγγιση, παράγοντας το ρεύμα αποστράγγισης. Μια πιο αρνητική προκατάληψη της πύλης ενισχύει το κανάλι συσσώρευσης και αυξάνει το ρεύμα.
Στην ουσία, το ηλεκτρικό πεδίο της πύλης δημιουργεί ένα αγώγιμο κανάλι στη διασύνδεση μεταξύ του ημιαγωγού και του μονωτή. Το ρεύμα ρέει μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης μόνο όταν υπάρχει αυτό το κανάλι, επιτρέποντας στο OFET να λειτουργεί ως διακόπτης που ελέγχεται από την τάση ή ως ενισχυτής. Η αφαίρεση της τάσης πόλωσης της πύλης εξασθενεί το κανάλι και απενεργοποιεί τη συσκευή.
Η παραπάνω περιγραφή απεικονίζει ένα OFET τύπου p, όπου οι οπές είναι οι κυρίαρχοι φορείς. Τα OFET μπορούν επίσης να λειτουργούν ως συσκευές τύπου n, στις οποίες τα ηλεκτρόνια σχηματίζουν το αγώγιμο κανάλι (και εφαρμόζεται μια θετική τάση στην πύλη), ή ως αμφίδρομες συσκευές, ικανές να μεταφέρουν τόσο οπές όσο και ηλεκτρόνια, ανάλογα με την εφαρμοσμένη τάση. Αν και και οι τρεις λειτουργίες είναι δυνατές, τα OFET τύπου p παραμένουν τα πιο συνηθισμένα, επειδή η μεταφορά οπών στα οργανικά ημιαγωγά είναι συνήθως πιο σταθερή σε περιβάλλοντα συνθήκες και ευκολότερη στην επίτευξή της πειραματικά.
2. Γρήγορη εκκίνηση: εκτέλεση μιας προσομοίωσης OFET.
Σε αυτό το εκπαιδευτικό, θα επικεντρωθούμε σε p-type MOSFETs με επαφές στην κορυφή. Τα p-type ημιαγωγά είναι τα πιο διαδεδομένα στις οργανικές ηλεκτρονικές συσκευές, επειδή συνήθως παρουσιάζουν υψηλότερη κινητικότητα οπών. Για να δημιουργήσετε μια νέα προσομοίωση OFET, κάντε κλικ στο κουμπί "Νέα προσομοίωση" στο κύριο παράθυρο του OghmaNano (??). Στη συνέχεια, στο νέο παράθυρο προσομοίωσης, κάντε διπλό κλικ στις προσομοιώσεις OFET (δείτε την εικόνα ??). Αυτό θα ανοίξει το υπομενού OFET, όπου αποθηκεύονται και άλλοι τύποι OFET. Για αυτό το παράδειγμα, θα χρησιμοποιήσουμε την επιλογή "OFET p-type με επαφές στην κορυφή" (??), κάντε διπλό κλικ σε αυτήν και αποθηκεύστε τη νέα προσομοίωση στον δίσκο.
Αφού αποθηκεύσετε το νέο παράθυρο προσομοίωσης, θα πρέπει να εμφανιστεί ένα παράθυρο παρόμοιο με το ??. Κάντε κλικ και κρατήστε πατημένο το αριστερό κουμπί του ποντικιού στο μαύρο φόντο και, στη συνέχεια, σύρετε για να περιστρέψετε το παράθυρο προσομοίωσης και να δείτε τη συσκευή σε 3D. Μπορείτε να δείτε ότι η συσκευή έχει τρεις επαφές: μια πύλη, μια πηγή και μια αποστράγγιση. Η πηγή και η αποστράγγιση εμφανίζονται στην κορυφή της προσομοίωσης ως χρυσές μπάρες, μια ημιαγωγική στρώση εμφανίζεται σε μπλε χρώμα και μια μονωτική στρώση εμφανίζεται σε κόκκινο χρώμα. Η επαφή της πύλης είναι ορατή στο κάτω μέρος της δομής.
3. Εκτέλεση της πρώτης προσομοίωσης OFET.
Για να ξεκινήσετε την προσομοίωση, κάντε κλικ στο κουμπί "Αναπαραγωγή". Σε σύγκριση με τις προσομοιώσεις 1D, οι προσομοιώσεις 2D συνήθως διαρκούν περισσότερο, επειδή ο αλγόριθμος πρέπει να διαχειριστεί ένα πλέγμα με αυξημένο αριθμό σημείων πλέγματος. Εάν είναι ενεργοποιημένες οι παγίδες, οι εξισώσεις σύλληψης/απόδρασης φορέων επιλύονται επίσης σε κάθε σημείο πλέγματος, αυξάνοντας περαιτέρω το υπολογιστικό φορτίο. Γενικά, η αύξηση των διαστάσεων ενός προβλήματος αυξάνει γρήγορα τον χρόνο εκτέλεσης και τις απαιτήσεις μνήμης.
jv_contact_0.csv, jv_contact_1.csv, jv_contact_2.csv), καθώς και συνοδευτικά αρχεία περίληψης και διαγνωστικά αρχεία, όπως τα charge.csv, device.csv και sim_info.dat.Όταν ολοκληρωθεί η προσομοίωση, ανοίξτε την καρτέλα "Έξοδος". Θα δείτε περισσότερα αρχεία από ό,τι σε μια προσομοίωση 1D, επειδή ένα OFET έχει πολλαπλές επαφές. Αυτό συμβαίνει επειδή παράγεται μια καμπύλη JV για κάθε επαφή, και κάθε καμπύλη αντιπροσωπεύει το ρεύμα που ρέει ή εξέρχεται από τη συσκευή μέσω αυτής της επαφής. Μια περίληψη των αρχείων που παράγονται δίνεται παρακάτω.
| Όνομα αρχείου | Περιγραφή |
|---|---|
| contact_iv0.dat | Καμπύλη ρεύματος έναντι τάσης για την επαφή 0. |
| contact_iv1.dat | Καμπύλη ρεύματος έναντι τάσης για την επαφή 1. |
| contact_iv2.dat | Καμπύλη ρεύματος έναντι τάσης για την επαφή 2. |
| contact_jv0.dat | Καμπύλη πυκνότητας ρεύματος έναντι τάσης για την επαφή 0. |
| contact_jv1.dat | Καμπύλη πυκνότητας ρεύματος έναντι τάσης για την επαφή 1. |
| contact_jv2.dat | Καμπύλη πυκνότητας ρεύματος έναντι τάσης για την επαφή 2. |
| φωτογραφίες στιγμιότυπων/ | Εικόνες από την προσομοίωση. |
Κάντε διπλό κλικ στα αρχεία jv_contact_0.csv, jv_contact_1.csv και jv_contact_2.csv για να ελέγξετε την καμπύλη κάθε επαφής. Οι επαφές στο OghmaNano φέρουν ετικέτες από 0 έως N, με τη σειρά που ορίζονται στον επεξεργαστή επαφών (δείτε την Εικόνα ??), επομένως σε αυτήν την περίπτωση η Επαφή 0 θα είναι η πηγή, η Επαφή 1 θα είναι η πύλη και η Επαφή 2 θα είναι η αποστράγγιση. Ο επεξεργαστής επαφών περιγράφεται λεπτομερώς στην ενότητα 3.1.8, ωστόσο, επειδή πρόκειται για μια δισδιάστατη προσομοίωση, έχουν εμφανιστεί δύο επιπλέον στήλες. Αυτές είναι η αρχή και το πλάτος. Αυτές ορίζουν τη θέση έναρξης της επαφής στον άξονα x και το πλάτος, το οποίο περιγράφει το πλάτος της επαφής στον άξονα x. Η πηγή ξεκινά από το \(0~m\) και εκτείνεται έως το \(5 \mu m\), η αποστράγγιση ξεκινά από το \(75~\mu m\) και εκτείνεται έως το \(5 \mu m\), ενώ η πύλη ξεκινά από το \(0~m\) και εκτείνεται για να καλύψει ολόκληρο το πλάτος της συσκευής, το οποίο είναι \(80~ \mu m\). Παρατηρήστε επίσης ότι, κάτω από τη στήλη Εφαρμοσμένη Τάση, η πηγή φέρει την ένδειξη Γείωση, πράγμα που σημαίνει ότι θα εφαρμοστεί τάση 0V στη γείωση, η πύλη φέρει την ένδειξη Αλλαγή, πράγμα που σημαίνει ότι η τάση που ορίζεται στον επεξεργαστή JV θα εφαρμοστεί σε αυτήν την επαφή και η αποστράγγιση φέρει την ένδειξη σταθερή τάση με τάση 10V, πράγμα που σημαίνει ότι θα εφαρμοστεί σταθερή τάση 10V σε αυτήν την επαφή. Έτσι, σαρώνουμε την επαφή της πύλης, εφαρμόζοντας παράλληλα μια σταθερή τάση μεταξύ της πηγής και της αποστράγγισης.
Τα ??, ?? και ?? απεικονίζουν τις καμπύλες JV σε κάθε μία από τις τρεις επαφές του OFET. Εξετάζοντας τα ?? και ??, μπορείτε να δείτε ότι καθώς η τάση της πύλης γίνεται πιο αρνητική, το ίδιο συμβαίνει και με το ρεύμα στην πηγή και στην αποστράγγιση. Εφαρμόζουμε μια αρνητική τάση για να προσελκύσουμε οπές στο κανάλι, ώστε να μπορεί να άγει. Μπορείτε επίσης να δείτε ότι δεν υπάρχει ρεύμα στην πύλη, επειδή το ρεύμα εμποδίζεται από το διηλεκτρικό υλικό.
jv_contact0.csv – η πηγή) του OFET. Το αρνητικό πρόσημο υποδεικνύει το ρεύμα που εξέρχεται από τη συσκευή μέσω αυτού του ακροδέκτη.
jv_contact1.csv – η πύλη). Το ρεύμα παραμένει κοντά στο μηδέν επειδή η πύλη είναι μονωτική.
jv_contact2.csv – η πηγή). Το θετικό ρεύμα αντιστοιχεί στην έγχυση φορτίου στη συσκευή.👉 Επόμενα βήματα:
- Συνεχίστε στην ενότητα Μέρος Β για να μάθετε πώς να απεικονίζετε τα αποτελέσματα των OFET σε 2D και 3D, και να εξερευνήσετε πιο αναλυτικά τη ροή του ρεύματος, τις πυκνότητες φορτίου και τα ηλεκτρικά πεδία της συσκευής.
- Επιστρέψτε στην ενότητα εισαγωγή στην οργανική ηλεκτρονική για μια πιο ολοκληρωμένη επισκόπηση του θέματος.