Parte A: Início rápido – simule seu primeiro OFET

Esta seção introduz a teoria básica de transistores de efeito de campo orgânicos (OFETs) antes de guiá-lo por sua simulação usando o OghmaNano..

1. Teoria básica de um Transistor de Efeito de Campo Orgânico (OFET) do tipo p

?? mostra a estrutura de um OFET típico. Uma fina camada semicondutora orgânica (azul) é depositada sobre uma camada isolante de polímero/SiO₂ (cinza). Dois contatos, o Source e o Drain, são posicionados no topo do semicondutor para injetar e coletar portadores de carga, enquanto um terceiro contato, o Gate (verde), está localizado sob o isolante para controlar a operação do dispositivo.

Em operação, o eletrodo Gate modula o fluxo de portadores de carga entre o Source e o Drain através da camada semicondutora orgânica. Aplicar uma tensão ao Gate gera um campo elétrico através do isolante; isso faz com que uma fina camada de carga se acumule na interface semicondutor-isolante (vermelho), muito semelhante à camada de carga que se desenvolve quando um potencial é aplicado a um capacitor. Dependendo do sistema de materiais, os portadores dominantes podem ser lacunas (tipo p) ou elétrons (tipo n); em um material do tipo p, um potencial -ve é aplicado para formar uma camada de lacunas (isso pode ser visto em ??b:). Quando uma polarização é aplicada entre Source e Drain, esses portadores derivam através do canal induzido e o dispositivo é ligado (??c). Se a tensão aplicada ao gate for desligada, o canal de carga desaparece e o fluxo de portadores de carga entre Source e Drain para. Em geral, o nível de corrente é governado pela tensão do Gate: abaixo de um certo limiar, o canal permanece isolante, enquanto acima dele a condutividade do canal aumenta com a polarização do Gate. Esse controle por efeito de campo permite que o OFET opere como uma chave ou, no regime linear, como um amplificador, com desempenho determinado por fatores como mobilidade de portadores, tensão limiar e resistência de contato.

A operação do OFET é ilustrada em ??a–c:

1. Estado inicial — desligado (??a). Com todos os terminais em 0 V, nenhuma carga é induzida na interface semicondutor–isolante. Não há caminho condutor entre o Source e o Drain, então o dispositivo permanece desligado.
2. Polarização do gate - formação do canal (??b). Aplicar uma tensão negativa ao Gate cria um campo elétrico através do isolante. O campo atrai eletrostaticamente lacunas para a interface semicondutor–isolante, formando uma fina camada de acumulação (o canal). Com VDS=0 o dispositivo ainda não conduz corrente, mas o canal condutor está estabelecido.
3. Polarização do drain - fluxo de corrente (??c). Aplicar uma tensão negativa no Drain em relação ao Source (VDS<0, Source ≈ 0 V) injeta lacunas do Source no canal. As lacunas derivam ao longo do canal induzido pelo Gate em direção ao Drain, produzindo a corrente de Drain. Uma polarização mais negativa no Gate fortalece o canal de acumulação e aumenta a corrente.

Em essência, o campo elétrico do gate induz um canal condutor na interface semicondutor–isolante. A corrente flui entre source e drain somente quando esse canal está presente, permitindo que o OFET opere como uma chave controlada por tensão ou como um amplificador. Remover a polarização do gate depleta o canal e desliga o dispositivo.

A descrição acima ilustra um OFET do tipo p, onde lacunas são os portadores majoritários. OFETs também podem operar como dispositivos do tipo n, nos quais elétrons formam o canal de condução (e uma tensão +ve é aplicada ao gate), ou como dispositivos ambipolares, capazes de transportar tanto lacunas quanto elétrons dependendo da polarização aplicada. Embora os três modos sejam possíveis, OFETs do tipo p continuam sendo os mais comuns, porque o transporte de lacunas em semicondutores orgânicos é tipicamente mais estável em condições ambiente e mais fácil de alcançar experimentalmente.

2. Início rápido em simulações de OFET

Neste tutorial, focaremos em MOSFETs do tipo p com contatos superiores. Semicondutores do tipo p são os mais amplamente usados em dispositivos eletrônicos orgânicos porque normalmente exibem maior mobilidade de lacunas. Para criar uma nova simulação de OFET, clique no botão New simulation na janela principal do OghmaNano (??). Depois, na janela de nova simulação, dê um duplo clique em simulações de OFET (veja a figura ??). Isso abrirá o submenu OFET, onde outros tipos de OFETs também estão armazenados. Para este exemplo, estaremos usando o "OFET p-type top contact" (??), dê um duplo clique nele e salve a nova simulação no disco.

Depois de salvar a nova janela de simulação, você deverá obter uma janela parecida com ??. Clique e segure o botão esquerdo do mouse no fundo preto e depois arraste para girar a janela de simulação e visualizar o dispositivo em 3D. Você pode ver que o dispositivo tem três contatos, um gate, um source e um drain. O source e o drain são mostrados no topo da simulação como barras douradas; uma camada semicondutora é mostrada em azul e uma camada isolante é mostrada em vermelho. O contato gate é visível na parte inferior da estrutura.

3. Executando sua primeira simulação de OFET

Para iniciar a simulação, clique no botão Play. Em comparação com simulações 1D, simulações 2D normalmente levam mais tempo porque o solver precisa lidar com uma malha com um número maior de pontos de malha. Se armadilhas estiverem ativadas, equações de captura/escape de portadores também são resolvidas em cada ponto de malha, aumentando ainda mais a carga computacional. De modo geral, aumentar a dimensionalidade de um problema aumenta rapidamente o tempo de execução e os requisitos de memória.

Quando a simulação terminar, abra a aba Output. Você verá mais arquivos do que em um caso 1D porque um OFET tem múltiplos contatos. Isso ocorre porque uma curva JV é produzida para cada contato; cada curva representa a corrente que flui ou sai do dispositivo através daquele contato. Um resumo dos arquivos produzidos é dado abaixo.

Dê um duplo clique nos arquivos jv_contact_0.csv, jb_contact_1.csv e jb_contact_2.csv para inspecionar a curva de cada contato. Os contatos no OghmaNano são rotulados de 0 a N na ordem em que são definidos no editor de contatos (veja a Figura ??), então neste caso o Contato 0 será o source, o contato 1 será o gate e o contato 2 será o drain. O editor de contatos foi descrito em detalhe na seção 3.1.8, entretanto, como esta é uma simulação 2D, duas colunas extras apareceram. Elas são start e width. Elas definem a posição inicial do contato no eixo x e a largura, que descreve a largura do contato no eixo x. O source começa em \(0~m\) e se estende até \(5 \mu m\), o drain começa em \(75~\mu m\) e se estende até \(5 \mu m\), enquanto o gate começa em \(0~m\) e se estende para cobrir toda a largura do dispositivo, que é \(80~ \mu m\). Observe também que, na coluna Applied Voltage, o source está marcado como Ground; isso significa que 0V será aplicado ao ground; o gate está marcado como change, significando que nossa rampa de tensão, conforme definida no editor JV, será aplicada a esse contato; e o drain está marcado como constant bias com uma tensão de 10V, o que significa que uma tensão constante de 10V será aplicada a esse contato. Assim, estamos varrendo o contato gate enquanto aplicamos uma tensão constante entre o source e o drain.

??, ?? e ?? mostram as curvas JV em cada um dos três contatos do OFET. Observando ?? e ??, você pode ver que, à medida que a tensão do gate se torna mais negativa, a corrente na source e no drain também se torna mais negativa. Estamos aplicando uma tensão negativa para atrair lacunas para o canal, de modo que ele possa conduzir. Você também pode ver que não há corrente no Gate; isso ocorre porque a corrente é bloqueada pelo dielétrico.