Symulacja tranzystora organicznego (OFET): szybki start i analiza charakterystyki prądowo-napięciowej (JV).

Niniejszy przewodnik po symulacji OFET przedstawia podstawowe zasady działania organicznych tranzystorów polowych, a następnie prowadzi krok po kroku przez symulację dwuwymiarowego tranzystora typu p w programie OghmaNano.

1. Podstawowa teoria działania organicznego tranzystora polowego typu p (OFET).

?? przedstawia strukturę typowego tranzystora OFET. Cienka warstwa organicznego półprzewodnika (niebieska) jest osadzana na warstwie izolującego polimeru/SiO2 (szara). Dwa elektrody, źródło i dren, znajdują się na górnej powierzchni półprzewodnika i służą do wprowadzania i zbierania nośników ładunku, natomiast trzecia elektroda, bramka (zielona), znajduje się pod warstwą izolacyjną i służy do sterowania pracą urządzenia.

Podczas pracy elektroda bramki moduluje przepływ nośników ładunku między źródłem a drenem poprzez organiczną warstwę półprzewodnikową. Przyłożenie napięcia do bramki generuje pole elektryczne w izolatorze, co powoduje powstanie cienkiej warstwy ładunku na granicy między półprzewodnikiem a izolatorem (oznaczone na czerwono). Jest to bardzo podobne do warstwy ładunku, która powstaje, gdy do kondensatora przyłożone jest napięcie. W zależności od zastosowanego materiału, dominującymi nośnikami mogą być dziury (typ p) lub elektrony (typ n). W materiale typu p przykłada się ujemne napięcie, aby utworzyć warstwę dziur (można to zobaczyć na ??b). Gdy między źródłem a drenem przyłożone jest napięcie polaryzujące, nośniki te przemieszczają się przez indukowany kanał, a urządzenie zaczyna działać (??c). Jeśli napięcie przyłożone do bramki zostanie wyłączone, kanał ładunku znika, a przepływ nośników ładunku między źródłem a drenem zostaje zatrzymany. Ogólnie rzecz biorąc, poziom prądu jest kontrolowany przez napięcie na bramce: poniżej określonego progu kanał pozostaje izolujący, natomiast powyżej tego progu przewodność kanału wzrasta wraz ze wzrostem napięcia na bramce. Ta kontrola oparta na efekcie polowym umożliwia działanie tranzystora OFET jako przełącznika lub, w zakresie liniowym, jako wzmacniacza, a jego wydajność zależy od takich czynników, jak ruchliwość nośników, napięcie progowe i rezystancja kontaktowa.

Działanie tranzystora OFET jest zilustrowane na rysunkach ??a–c:

1. Stan początkowy – wyłączony (??a). Przy napięciu 0 V na wszystkich zaciskach, na granicy między półprzewodnikiem a izolatorem nie indukuje się żadnego ładunku. Nie ma ścieżki przewodzącej między źródłem a drenem, więc urządzenie pozostaje w stanie wyłączonym.
2. Napięcie na elektrodzie sterującej – tworzenie kanału (??b). Przyłożenie do elektrody sterującej napięcia ujemnego powoduje powstanie pola elektrycznego w izolatorze. To pole elektrostatycznie przyciąga nośniki ładunku do obszaru styku półprzewodnika i izolatora, tworząc cienką warstwę akumulacji (kanał). W punkcie VDS=0 urządzenie nadal nie przewodzi prądu, ale kanał przewodzący jest już utworzony.
3. Napięcie polaryzacji drenu – przepływ prądu (??c). Przyłożenie do drenu ujemnego napięcia w stosunku do źródła (VDS<0, źródło ≈ 0 V) powoduje wstrzykiwanie nośników dziurkowych ze źródła do kanału. Nośniki dziurkowe przemieszczają się wzdłuż kanału, na który wpływa napięcie na bramce, w kierunku drenu, generując prąd drenu. Bardziej ujemne napięcie polaryzacji bramki wzmacnia kanał akumulacyjny i zwiększa prąd.

W zasadzie, pole elektryczne bramki indukuje przewodzący kanał na granicy między półprzewodnikiem a izolatorem. Prąd płynie między źródłem a drenem tylko wtedy, gdy ten kanał jest obecny, co umożliwia działanie tranzystora OFET jako przełącznika sterowanego napięciem lub jako wzmacniacza. Usunięcie napięcia sterującego z bramki powoduje zanik kanału i wyłącza urządzenie.

Powyższy opis ilustruje działanie tranzystora polowego typu p, w którym nośnikami ładunku są dziury. Tranzystory polowe mogą również działać jako urządzenia typu n, w których elektrony tworzą kanał przewodzący (a do elektrodzki przykładane jest dodatnie napięcie), lub jako urządzenia ambiipolarne, zdolne do transportu zarówno dziur, jak i elektronów, w zależności od przyłożonego napięcia. Chociaż wszystkie trzy tryby są możliwe, tranzystory polowe typu p pozostają najczęściej stosowane, ponieważ transport dziur w organicznych półprzewodnikach jest zazwyczaj bardziej stabilny w warunkach otoczenia i łatwiejszy do uzyskania w praktyce.

2. Szybki start: uruchamianie symulacji OFET.

W tym samouczku skupimy się na tranzystorach MOSFET typu p z kontaktami umieszczonymi na górnej powierzchni. Półprzewodniki typu p są najczęściej stosowane w organicznych urządzeniach elektronicznych, ponieważ zazwyczaj charakteryzują się wyższą ruchliwością nośników ładunku (dziur). Aby utworzyć nową symulację OFET, kliknij przycisk „Nowa symulacja” w głównym oknie programu OghmaNano (??). Następnie w nowym oknie symulacji kliknij dwukrotnie na symulacje OFET (patrz rysunek ??). Spowoduje to wyświetlenie podmenu OFET, w której przechowywane są również inne typy OFET. W tym przykładzie użyjemy opcji „OFET typu p z kontaktami na górnej powierzchni” (??), kliknij na nią dwukrotnie i zapisz nową symulację na dysku.

Po zapisaniu nowego okna symulacji powinno pojawić się okno wyglądające jak na ilustracji ??. Kliknij i przytrzymaj lewy przycisk myszy na czarnym tle, a następnie przeciągnij, aby obrócić okno symulacji i zobaczyć urządzenie w widoku 3D. Widzisz, że urządzenie ma trzy styki: bramkę, źródło i dren. Źródło i dren są wyświetlane w górnej części symulacji jako złote paski, warstwa półprzewodnikowa jest wyświetlana na niebiesko, a warstwa izolacyjna na czerwono. Styk bramki jest widoczny w dolnej części struktury.

3. Uruchamianie pierwszej symulacji OFET.

Aby uruchomić symulację, kliknij przycisk „Uruchom”. W porównaniu z symulacjami jednowymiarowymi, symulacje dwuwymiarowe zazwyczaj trwają dłużej, ponieważ algorytm musi przetwarzać siatkę o większej liczbie punktów. Jeśli funkcja „pułapki” jest włączona, równania dotyczące wychwytywania/uwolniania nośników są również rozwiązywane w każdym punkcie siatki, co dodatkowo zwiększa obciążenie obliczeniowe. Ogólnie rzecz biorąc, zwiększenie wymiarowości problemu szybko wydłuża czas obliczeń i zwiększa wymagania dotyczące pamięci.

Po zakończeniu symulacji otwórz zakładkę „Wyniki”. Zobaczysz więcej plików niż w przypadku symulacji jednowymiarowej, ponieważ OFET ma wiele elektrod. Dzieje się tak, ponieważ dla każdej elektrody generowana jest krzywa charakterystyki prądowo-napięciowej, a każda krzywa przedstawia prąd, który przepływa przez daną elektrodę lub opuszcza urządzenie przez tę elektrodę. Poniżej znajduje się podsumowanie wygenerowanych plików.

Kliknij dwukrotnie pliki jv_contact_0.csv, jv_contact_1.csv i jv_contact_2.csv, aby sprawdzić charakterystykę każdego z kontaktów. Kontakty w OghmaNano są numerowane od 0 do N, zgodnie z kolejnością, w jakiej są definiowane w edytorze kontaktów (patrz rysunek ??), więc w tym przypadku kontakt 0 będzie źródłem, kontakt 1 będzie bramką, a kontakt 2 będzie drenem. Edytor kontaktów został szczegółowo opisany w sekcji 3.1.8, jednak ponieważ jest to symulacja 2D, pojawiły się dodatkowe dwie kolumny: początek i szerokość. Określają one początkową pozycję kontaktu na osi x oraz szerokość, która opisuje szerokość kontaktu na osi x. Źródło zaczyna się w punkcie \(0~m\) i rozciąga się do \(5 \mu m\), dren zaczyna się w punkcie \(75~\mu m\) i rozciąga się do \(5 \mu m\), natomiast bramka zaczyna się w punkcie \(0~m\) i rozciąga się, obejmując całą szerokość urządzenia, która wynosi \(80~ \mu m\). Zwróć również uwagę, że w kolumnie „Przyłożone napięcie” źródło jest oznaczone jako „uziemienie”, co oznacza, że do uziemienia zostanie przyłożone napięcie 0 V, bramka jest oznaczona jako „zmiana”, co oznacza, że do tego kontaktu zostanie przyłożona sekwencja napięć zdefiniowana w edytorze JV, a dren jest oznaczony jako „stałe napięcie” o wartości 10 V, co oznacza, że do tego kontaktu zostanie przyłożone stałe napięcie 10 V. W ten sposób skanujemy kontakt bramki, przy jednoczesnym przyłożeniu stałego napięcia między źródłem a drenem.

??, ?? i ?? przedstawiają charakterystyki prądowo-napięciowe (IV) dla każdego z trzech kontaktów tranzystora OFET. Analizując ?? i ??, można zauważyć, że wraz ze wzrostem ujemnego napięcia na bramce, prąd w źródle i drenie również maleje. Przykładamy ujemne napięcie do bramki, aby przyciągnąć nośniki ładunku (dziury) do kanału, co umożliwia przewodzenie. Można również zauważyć, że na bramce nie płynie prąd, ponieważ dielektryk blokuje przepływ prądu.