有机场效晶体管

有机场效晶体管（Organic field-effect transistor, OFET）是一种利用有机半导体组成信道的场效应晶体管。

简介有机场效晶体管（Organicfield-effecttransistor,OFET）是一种利用有机半导体组成信道的场效应晶体管。

OFET的原料分子通常是含有芳环的π电子共轭体系。

历史有机场效应晶体管（OFET）最初由J.E. Lilienfeld提出，他于1930年获得了他的想法的专利。他提出场效应晶体管表现为在源极和漏极之间具有导电沟道的电容器。栅电极上的施加电压控制流过系统的电荷载流子的量。

第一个场效应晶体管是由Kahng和Atalla在1960年使用金属氧化物半导体（MOSFET）设计和制造的。然而，近年来，材料和制造成本上升以及公众对更环保的电子材料的兴趣支持了有机电子产品的发展。1987年， Koezuka及其同事报道了第一种基于噻吩分子聚合物的有机场效应晶体管。噻吩聚合物是一种能够传导电荷的共轭聚合物，无需使用昂贵的金属氧化物半导体。另外，已经显示其他共轭聚合物具有半导体特性。OFET设计在过去几十年中也有所改善。许多OFET都是基于薄膜晶体管（TFT）模型设计的，它允许器件在设计中使用导电性较差的材料。在过去几年中对这些模型的改进已经实现了场效应迁移率和开关电流比。

有机场效应晶体管的半导体材料用作有机场效应晶体管的有机半导体材料不但应具有稳定的电化学特性，还应是具有兀键的共扼体系，π键重叠的轴向应该尽量与源漏电极之间的最短距离方向一致，从而有利于载流子的传输。这不仅限制了大多数有机材料，而且要求控制薄膜制备条件，使晶体的生长和取向达到最佳的形貌。按不同的化学和物理性质有机半导体材料主要分为3类:一是高分子聚合物，如烷基取代的聚唾吩;二是低聚物，如唾嗯齐聚物和唾吩齐聚物等;三是有机小分子化合物，如并苯类，C60，金属酞警化合物，蔡，花，电荷转移盐等，几种有机半导体材料的分子结构。有机场效应晶体管对所用有机半导体材料有着特殊的要求:(1)高迁移率，(2)低本征电导率。高的迁移率是为了保证器件的开关速度，低的本征电导率是为了尽可能地降低器件的漏电流，从而提高器件的开关比，增加器件的可靠性。有机半导体材料的设计和合成起着决定性的作用。

高分子化合物高分子薄膜可以使用涂膜、甩膜、LB膜等方法制备，方法简单，成本低廉。但高分子一般难于提纯并且材料的有序度较低，因此高分子材料的场效应迁移率一般都比较低。最近，通过改善高分子薄膜的有序性，使用区域有序的聚烷基唾吩制作的OFET的场效应迁移率可达到0.1cm2(VS)，但总的来说，由于高分子材料本身固有的特点，它在有机场效应晶体管中的应用受到很大的限制。

低聚物与高分子聚合物相比，低聚物在用于OFET时有许多优点，低聚物可以通过调整子的结构和长度来控制载流子的传输。例如低聚唾吩系列化合物，可以通过改变唾吩链的长度和引人不同的官能团来改善薄膜的有序性，许多报道表明低聚唾吩场效应迁移率随分子链长的增加而增大。可以通过修饰分子以改善分子的连接形式，如齐聚唾吩的不同烷基取代可以形成不同的结构。因此，低聚物在有机场效应晶体管中得到广泛的应用。

有机小分子化合物迁移率较高的有机小分子化合物都具有一定的平面结构，它们能形成自组装的多晶膜，当这些分子沉积在绝缘层上后，分子层互相平行并且垂直于绝缘层的表面，这种有序的分子膜的排列使的迁移率大大提高小分子有机物易于提纯并且常用真空蒸镀的方法来制备薄膜常用作有机半导体材料的小分子化合物有并五苯、酞青类化合物、花以及等并五苯是用于制备有机场效应晶体管的最有前途的材料之一，它是个苯环并列形成的稠环化合物，从年以来其半导体特性得到了广泛的研究尽管大多数基于并五苯的都是由真空沉积膜组成的一。然而与高分材料相比，并五苯比较脆，很难涂在其他材料上，只能用真空镀膜的方式沉积，这一点是它的最大不足。酞著类化合物也是制备有机场效应晶体管的常用材料之一酞普是第一个报道的有机半导体它在400℃以下比较稳定，在真空中易蒸发形成均匀的薄膜酞背可以与不同的金属配位形成金属酞著化合物cPs一OFET在1970年被报道以来得到广泛的研究。由Pcs制得的有机场效应晶体管大多数是p型的。我们曾研究了制备方法对氨基酞普铜场效应晶体管迁移率的影响，发现用LB膜技术制备的酞普铜有机场效应晶体管比蒸发制备的OFET的迁移率高很多。

OFET的制备技术有机场效应晶体管制备的关键步骤是有机半导体层的形成，器件特性以及性能的好坏在很大程度上取决于有机薄膜的结构和形貌有序的分子结构能使有机共扼分子的兀键在源漏电极方向上得以最大程度的重叠，从而提高载流子的传输因此探索新的有序分子形貌的有机场效应晶体管制备技术，对器件性能的改善起着关键性的作用。

真空技术真空技术是制备OFET薄膜最普遍采用的方法之一，它主要包括真空镀膜溅射和有机分子束外延生长技术这种技术的优点是可以控制膜的纯度和厚度，也可以通过控制沉积速度和基底的温度来实现膜的高度有序许多有机半导体材料在溶剂中的豁度和溶解度很小，很难用溶液加工技术成膜溅射沉积膜附着力强，可用来制备OFET的电极和绝缘层并五苯是利用真空蒸发技术制备OFET的典型化合物，它的迁移率可达1.5cm2(VS)。利用真空镀膜技术制备的OFET的迁移率一般比溶液加工技术高一个数量级。总之，各种真空镀膜技术制得的OFET性能比较好，迁移率都比溶液处理成膜技术高得多，但是仪器设备复杂，成本比较昂贵，所以在工业中应用比较困难。

溶液处理成膜技术溶液处理成膜技术被认为是制备最有发展潜力的技术，它适用于可溶性的有机半导体材料结合大面积“印章”技术和印刷技术可以大大地降低成本，利用这种技术制备的的迁移率最高仅比真空技术小一个数量级常用的溶液处理成膜技术主要包括电化学沉积技术、甩膜技术、铸膜技术、预聚物转化技术、一技术、分子自组装技术、印刷技术等。

发展趋势OFET是从20世纪末有了初步的发展，主要是因为发现有机材料作为半导体材料应用到有机器件中。不少小组致力于研究OFET、有机发光二极管（OLED）和有机太阳能电池（OSC）等有机器件。OFET作为逻辑电路中重要器件被关注起来，特别是P型的OFET的研究成果比较多，而N型的有机材料往往因为其在空气中容易被氧化而发展的比较慢，其中以C60为代表的N型OFET，也有着较高的迁移率，较大的开关比和低的阈值电压，其制备工艺主要是蒸镀。而像PCBM这类材料，其性能也具有N型的特点，其制备工艺主要为旋涂且容易成膜，且其制备成本要低。虽然有很多小组对其性能的改善做了很多研究，而进一步研究完善该材料制备成OFET性能变化也是很有意义的。笔者主要探讨其应用不同浓度的PVA容易制备成OFET，其性能相应的变化。

应用目标OFET的应用目标包括低成本，大面积的电子产品和可生物降解电子设备。研究上设计出了有多种构造形式的OFET，实际应用的器件中最常用的构造是底部栅极、顶部漏极和源极，因为这种构造类似于使用SiO2的热生长法作为栅极介电层的薄膜电晶体(TFT)。有机聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）也可以被用作电介质。

2007年，索尼首次研制出全彩色，实现视频级更新频率的的柔性塑料显示屏，其薄膜晶体管与发光二极管均使用有机材料。1

参考术语有机半导体有机半导体是具有半导体性质的有机材料。单分子短链（低聚物和有机聚合物）可以是半导体。半导体小分子（芳香族烃类）包括的多环芳族化合物，并五苯，蒽，以及红荧烯。聚合物有机半导体包括聚（3-己基噻吩），聚（对亚苯基亚乙烯基），以及聚乙炔及其衍生物。

有两个主要的重叠类有机半导体。这些有机电荷转移复合物和线性骨干的导电聚合物都来自聚乙炔。线性主链的有机半导体包括聚乙炔本身和它的衍生物聚吡咯和聚苯胺。至少在那里，电荷转移复合物往往表现出类似于无机半导体的传导机制。在这种机制的存在下产生的空穴和由带隙分离的电子传导层。虽然这种典型的机制很重要，不过与无机非晶半导体、隧道、局部状态、流动性缺口，和声子也能协助跃迁大大的有助于传导，特别是在聚乙炔。如同无机半导体一样，有机半导体可以掺杂。有机半导体容易掺杂如聚苯胺（欧明创）和PEDOT:PSS，因此也被称为有机金属。

典型的电流载流子在有机半导体里的空穴和电子的π键。几乎所有的有机固体都是绝缘体。但是，当其组成分子为π共轭系统，电子会移动通过π电子云重叠，特别是通过跃迁，隧道及相关机制。多环式芳香族烃类和酞菁盐晶体是这种类型的有机半导体材料的例子。

电流载流子主要是由于流动性低，即使是未配对电子在电荷转移复合物中可能是稳定的。这种不成对的电子，可作为载流子。这种类型的半导体也可通过配对的电子给体分子与电子受体分子来获得。

场效应管场效应管（英语：field-effecttransistor，缩写：FET）是一种通过电场效应控制电流的电子元件。

它依靠电场去控制导电沟道形状，因此能控制半导体材料中某种类型载流子的沟道的导电性。场效应晶体管有时被称为“单极性晶体管”，以它的单载流子型作用对比双极性晶体管。由于半导体材料的限制，以及曾经双极性晶体管比场效应晶体管容易制造，场效应晶体管比双极性晶体管要晚造出，但场效应晶体管的概念却比双极性晶体管早。

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学