بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله طراحی جدیدی برای ترانزیستورهای ارگانیکی ارائه گردیده و مشخصه جریان-ولتاژ آن مورد مطالعه قرار گرفته است. در این طراحی گیت ترانزیستور به سه قسمت تبدیل گردیده است. برای این منظور ضخامت لایه اکسید از حالت یکنواخت خارج گردیده و در قسمت زیر گیت نازک تر شده است. به این ترتیب فاصله قسمت وسط گیت تا کانال ماسفت ارگانیک کاهش یافته و در نتیجه بارهای درون کانال بیشتر تحت کنترل گیت می باشند. علاوه بر این می توان به کانال یک ولتاژ تقریبا ثابت نسبت داد و این از ویژگی های یک ماسفت خوش رفتار می باشد. ساختار پیشنهادی دارای یک گیت سه پارچه است. محاسبه جریان نشان می دهد که استفاده از یک ساختار گیت سه پارچه افزایش جریان حالت روشن، کاهش ولتاژ آستانه و کاهش سویینگ زیر آستانه را به دنبال دارد. همچنین پیش بینی می شود خازن های پارازیتیک نسبت به حالتی که کل اکسید به صورت یکنواخت نازک شود، کاهش یافته و فرکانس قطع بالاتری می دهد.
واژه های کلیدی :ترانزیستور ارگانیکی، ساختار سه گیتی، جریان درین، ولتاژ آستانه.
مقدمه
ساخت نمایشگرهای انعطاف پذیر روی زیر لایه ی ارگانیکی به دلیل انعطاف پذیری و همچنین سبک و بادوام بودن یکی از موضوعات مورد علاقه در حوزه ی الکترونیک ارگانیک به شمار می رود. زیر لایه های ارگانیکی انعطاف پذیر در مقابل عمل لیتوگرافی آستانه تحمل پذیری پایینی دارند و از بین می روند. بر همین اساس برای ساخت مدارهای مجتمع در استفاده از زیر لایه های ارگانیکی محدودیت هایی وجود دارد. همچنین در فرایند ساخت ادوات الکترواپتیکی در اندازه های بزرگ، روش لیتوگرافی با مشکلاتی روبرو خواهد شد. از این رو یک روش جدید برای ساخت ادوات الکترواپتیکی انعطاف پذیر ارگانیکی، عدم استفاده از روش های لایه نشانی در خلا و لیتوگرافی نوری با قدرت تفکیک بالا می باشد .[1]
در این روش لایه نشانی بر اساس برهمکنش نور لیزر با طول موجی در حدود 121 نانومتر با نانوذرات طلا انجام می شود.در اوایل دهه هشتاد - 1980 - برای اولین بار استفاده از مواد مواد نیمه هادی آلی که در ساختار آنها زنجیره های کربنی و هیدروژنی وجود دارد، در ایجاد ادوات الکترونیکی مورد توجه قرار گرفتند. دراین زمان اولین OLED ها یا همان دیودهای نورده با استفاده از این مواد ساخته شدند . نکته قابل توجه این است که استفاده از این مواد وآماده سازی آنها خلاف نمونه های معدنی، نیازی به تکنولوژی های بسیار پیشرفته و آزمایشگاه های گران قیمت ندارد .[3-6] علاوه بر این، ادوات مبتنی بر مواد آلی به دلیل پیوندهای سست بین مولکولی در لایه های ایجاد شده از آنها، تا حد زیادی به لحاظ مکانیکی می توانند انعطاف پذیر باشند.
برخلاف این 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 می سازد.اساساً خواص مواد نیمه هادی آلی ناشی از ویژگی های خاص اتم کربن است. خواص مهم اتم کربن عبارتند از: اول اینکه اتم کربن در گروه چهارم با عدد اتمی پایین، اتم نسبتا کوچکی محسوب می گردد. این ویژگی اتم کربن ازدحام فضایی در ملکول هایی که شامل اتم کربن هستند را کاهش می دهد و شکل گیری ترکیبات مختلفی از مواد کربنی را ممکن می سازد.
دوم اینکه کربن دارای الکترونگاتیویتی متوسطی است و امکان برقراری پیوندهای کوالانسی با مواد کربنی و غیره را دارد. سوم اینکه با توجه به محل اتم کربن در جدول، این اتم می تواند چهار پیوند داشته باشد که این ویژگی واکنش پذیری بالای اتم کربن را نشان می دهد که موجب تنوع ترکیبات کربنی می شود. چهارم اینکه مهمترین ویژگی اتم کربن، قابلیت تشکیل آرایش های متفاوت اربیتال ترکیبی S و P است.مواد نیمه هادی ارگانیکی - OSC - خواص الکتریکی نیمه هادی ها را با خواص پلاستیک ها از جمله سادگی ساخت، قابلیت انعطاف مکانیکی و هزینه ی پایین را ترکیب می کند.
پیشرفت سریع در الکترونیک ارگانیکی بیشتر ناشی از کاربردهایی است که از ویژگی های پلاستیک گونه ی نیمه هادی مانند قابلیت انعطاف آن بهره می برد. بعضی از کاربردهای آینده ی نیمه هادی های ارگانیکی شامل: کاغذهای الکترونیکی، پوست های الکترونیکی، بینی الکترونیکی، پنجره های هوشمند و کامپیوترهای مولکولی می باشد. از دیگر کاربردهای OSC می توان به صفحات نمایش ارگانیکی اشاره کرد. اولین صفحات نمایش OSC انعطاف پذیر و تمام رنگی اخیرا گزارش شده است.ترانزیستورهای اثر میدان ارگانیکی - OFET - پایه و اساس مدارهای الکترونیکی ارگانیکی را تشکیل می دهند. این ترانزیستورها باید عملکردی مشابه با ترانزیستورهای فیلم نازک غیر ارگانیکی و باقیمت تولید بسیار پایین تر داشته باشند.
به دلیل پیشرفت های قابل ملاحظه در مواد و ساخت افزاره در طول دهه ی اخیر عملکرد ترانزیستورهای ارگانیکی به عملکرد ترانزیستورهای فیلم نازک سیلیکانی نزدیک شده است.اما همچنان باید بهبودهای بیشتری در عملکرد این ترانزیستورها صورت بگیرد. در واقع، کارهای بسیار زیادی باید در بهبود مشخصه های الکتریکی، قابلیت اطمینان و یکنواختی در سطوح طراحی آن صورت بگیرد.صنعت نیمه هادی ارگانیک بر اساس ابزارهای شبیه سازی - EDA - استوار است تا بتواند قبل از فرایند ساخت، مدار را شبیه سازی نماید. این ابزار های شبیه سازی نقشی اساسی در پیشرفت تکنولوژی OFET بر عهده دارد.
ابزارهای EDA به مدل های فیزیکی افزاره و فرایندهای آنالیتیک و عددی بستگی دارد. مدل های OFET در دو سطح مختلف طراحی لازم می باشد .[7]ترانزیستورهای ارگانیکی می توانند بسته به موقعیت نسبی سورس، درین و گیت آنها نسبت به لایه ی نیمه هادی ارگانیکی در چهار ساختار اصلی پیاده سازی شوند. ساختارهای ممکن عبارتند از ساختار معروف top-gate-top-contact که برای ماسفت های سیلیکانی رایج است، و همچنین ساختار bottom-gate-bottom-contact، که معمولا برای ترانزیستورهای TFT غیر ارگانیکی استفاده می شود. اما OFET ها نیز می توانند به صورت ساختارهای top-gatebottom-contacts و bottom-gate-top-contactپیاده سازی شوند .[1]
شبیه سازی ترانزیستور ارگانیکی
در این تحقیق از ساختارهای مختلف و مواد مختلف برای ترانزیستور OFET استفاده شده و شبیه سازی می گردد تا به عملکرد بهتری برای این ساختار دست یابیم. شکل 1 نمونه ای از ساختار شبیه سازی شده را نشان می دهد. از ساختار پیشنهادی زیر برای OFET استفاده می گردد. در این ساختار ماده ی ارگانیک در بالای ساختار پیاده سازی شده است.عملکرد OFET می پردازیم. برای این کار ضخامت لایه ی SiO2 را از 100 نانومتر تا 200 نانومتر تغییر داده و شبیه سازی می نماییم و نمودار ولتاژ جریان را برای هر حالت رسم نموده و ولتاژ آستانه را برای هر حالت محاسبه می کنیم. شکل 3 نتیجه ی این کار را نشان می دهد.
شکل 3 نمودار ولتاژ آستانه بر حسب ضخامت لایه ی اکسید.از شکل مشخص است که با افزایش ضخامت لایه ی اکسید، ولتاژ آستانه افزایش می یابد. دلیل آن این است که فاصله ی صفحات افزایش یافته و در نتیجه خازن کوچکتر می گردد و ولتاژ بیشتری نیاز دارد تا بار مناسب در کانال تشکیل دهد.برای بهبود عملکرد ترانزیستورهای ماسفت، ساختارهای دو گیتی و سه گیتی در مقالات پیشنهاد شده است .[8-10] در این تحقیق برای اولین بار، یک ساختار سه گیتی برای ترانزیستور اورگانیکی پیشنهاد و شبیه سازی می کنیم.شکل 4 ساختار ترانیستور اورگانیکی سه گیتی پیشنهادی را نشان می دهد که با استفاده از نرم افزار سیلواکو طراحی و شبیه سازی شده است.
نتایج شبیه سازی این ساختار در شکل 2 نشان داده شده است. از شکل مشخص است که ساختار پیشنهادی ولتاژ آستانه ی کمتری نسبت به ساختار [1] دارد.شکل 4 ساختار ترانزیستور اورگانیکی سه گیتی پیشنهادیاز آنجایی که ضخامت لایه ی اکسید بر عملکرد ترانزیستور تاثیرشکل 5 و 6 به ترتیب نمودار جریان درین بر حسب ولتاژ گیت ومی گذارد، بنابراین در اینجا به بررسی اثر ضخامت لایه ی اکسید بر جریان درین بر حسب ولتاژ درین-سورس را نشان می دهد.از مقایسه ی این نتایج با نتایج قبلی، می توان دید که میزان جریان ترانزیستور در ساختار سه گیتی پیشنهادی افزایش یافته است. در ساختار پیشنهادی قبلی جریان درین حداکثر برابر 5 uA بود در حالی که در ساختار سه گیتی به 9 uA افزایش یافته است.
بدین معنی که با ساختار سه گیتی پیشنهادی جریان ترانزیستور با ولتاژ آستانه ی یکسان، حدودا 2 برابر افزایش یافته است.حال این دو نمودار را با یکدیگر مقایسه می کنیم. همچنین برای مقایسه ی ساختار پیشنهادی با ساختار رایج و معمولی، نتایج شبیه سازی دو ساختار پیشنهادی با نتایج ساختار معمولی مقایسه شده است. برای این کار تمام پارامترهای ساختار مانند میزان ناخالصی و طول گیت را برای هر سه ساختار یکسان در نظر می گیریم. شکل 7 نتیجه ی مقایسه ی این سه ساختار را نشان می دهد. می توان دید که ساختار سه گیتی پیشنهادی ولتاژ آستانه ی کمتر و جریان بسیار بیشتری نسبت به ساختار های دیگر دارد. شکل 8 نیز نمودار جریان بر حسب ولتاژ درین سه ساختار ارائه شده را مقایسه می کند. از این نتایج می توان دید که ساختار سه گیتی پیشنهادی جریان بسیار بیشتری دارد.همچنین از این نتایج می توان دید که ساختار سه گیتی ولتاژ آستانه ی کمتری نسبت به ساختارهای دیگر دارد. ساختار سه گیتی دارای ولتاژ آستانه ی -4,3 V بوده و دو ساختار دیگر دارای ولتاژ آستانه ی -5,2 V می باشند.
نتیجهگیری و جمع بندی :
طراحی ساختار جدیدی برای ترانزیستورهای اثر میدانی ارگانیکی انجام گردید به طوری که گیت ترانزیستور به سه قطعه تبدیل شد و با اعمال ولتاژ به هر یک از آنها جریان ترانزیستور محاسبه گردید. برای این منظور ضخامت لایه اکسید در قسمت زیر گیت نازک تر شده است به طوری که کنترل گیت روی کانال افزایش یافته است. محاسبات نشان داد که استفاده از یک ساختار گیت سه پارچه باعث افزایش جریان حالت روشن، کاهش ولتاژ آستانه و کاهش سویینگ زیر آستانه گردید. همچنین پیش بینی می شود خازن های پارازیتیک نسبت به حالتی که کل اکسید به صورت یکنواخت نازک شود، کاهش یافته و فرکانس قطع بالاتری به دست آید. این مقاله نشان می دهد که لازم نیست کل اکسید به صورت یکنواخت نازک گردد و تنها می توان قسمت زیر گیت را نازکتر کرد و در عوض از سه گیت استفاده نمود.
