浅谈有机场效应晶体管在军事装备中的应用

2022-08-26边卫斌军蓝科技集团总公司

航空维修与工程 2022年8期

■ 边卫斌/军蓝科技集团总公司

0 引言

随着科学技术的发展，现代战争样式、军队建设和军事装备应用方式正在逐步改变。国家领导人曾在党的十七大报告中指出，坚持科技强军，按照建设信息化军队、打赢信息化战争的战略目标，加快机械化和信息化复合发展，积极开展信息化条件下军事训练，加紧培养大批高素质新型军事人才，切实转变战斗力生成模式。切实体会科技兴训的意义，将新兴科学研究与军事装备相结合，提高装备作战能力，是我国军事发展的当务之急。

1904年世界上第一个电子管的发明标志着人类正式进入电子信息时代，1947年首个晶体管的问世使人们致力于研究小尺寸、高密度的微电子集成电路。随着电子学的发展，基于无机半导体材料的电子电路极大地推动了信息产业的进步，电子学的发展正加速向超微和智能化方向发展。

基于传统无机半导体材料的电子器件在生活中的广泛应用，有机半导体材料的电子器件开始受到关注，原因在于：无机材料的电子性能发展已接近极限，继续提高性能、减小尺寸、降低成本等非常困难；常用无机半导体材料只有硅、锗等几种，而有机材料通过化学合成的方法可以得到成千上万种；有机材料具有良好的柔性和适应性，易于大面积、低成本地制备；有机材料可实现硅等无机半导体的信息显示、传感、存储等功能；有机材料与生物体的相容性高于无机材料，可以作为无机材料与生物体联系的桥梁[1]。基于上述原因以及有机功能材料电子器件的多种优势，有机电子器件的研究与应用正在蓬勃发展。

有机场效应晶体管（Organic Field Eあect Transistors，简称OFET）不但具备与传统无机金属－氧化物晶体管相当的信号转换与放大能力，同时具备柔性轻便、成本低廉以及可大面积溶液加工等优势，因此成为目前有机电子器件的核心功能单元，在电子信息、能源环境和军工国防等方面有显著应用前景。

1 有机场效应晶体管

1.1 有机场效应晶体管的基本结构

有机场效应晶体管由源极、漏极和栅极三个电极以及有机半导体层和绝缘层五部分组成。根据电极与有机半导体层相对位置的差异，OFET的基本构型可分为底栅底接触（BGBC）、底栅顶接触（BGTC）、顶栅底接触（TGBC）和顶栅顶接触（TGTC）四种，如图1所示。研究表明，器件结构会影响器件的基本电学性能[2，3]。例如，底栅顶接触式器件结构中源漏电极与有机半导体层接触良好而获得较高的电学性能，而底栅底接触式结构中源漏电极与绝缘层对有机半导体的沉积将产生一定的边界作用，从而导致较大的接触电阻，降低器件电学性能。

图1 OFET的基本构型

1.2 有机场效应晶体管工作原理

场效应晶体管是一种通过改变栅电压的大小来控制源漏电极之间电流输出的有源器件。器件处于工作模式时，源漏电极以及源漏和栅极之间分别加载水平方向和垂直方向的电场，其中，水平方向的电场称为驱动场，驱动半导体层中的电子定向移动；垂直方向的电场称为调控场，可像阀门一样改变半导体层中电子浓度。当栅电压为零时，源漏电极之间半导体层中电子数量很少，导电沟道电阻很大，电流特性与绝缘体类似，此时器件处于关态；当施加足够高的栅极电压时，垂直方向的电场通过绝缘层，在绝缘层与有机半导体界面处诱导出大量电子，导电沟道内电阻减小，水平方向的驱动电场驱动电子定向移动形成电流输出，器件从关态转变为开态。

1.3 有机场效应晶体管的基本性能参数

有机场效应晶体管的典型工作曲线包括转移曲线和输出曲线，分别对应于固定源漏电压改变栅压以及固定栅压改变源漏电压，电流－电压关系曲线如图2所示。从转移曲线可以看出，栅压为零时器件处于关态，源漏电流很小；当栅压超过亚阈值后，源漏电流迅速增加，该临界点被称为阈值电压。从输出曲线可以看出，当源漏电压很小时，沟道的I-V曲线呈现线性特性，这一区间被称为线性区；当源漏电压很大时，由于水平电势梯度，漏极附近不存在诱导载流子的电场，沟道出现夹断，尽管源漏电压仍在增加，电流却保持不变，这一区间被称为饱和区。典型OFET器件的工作特性可以用以下公式描述：

图2 典型的OFET

式中，W和L分别是沟道的长度和宽度，μ是半导体的迁移率，Ci是单位面积绝缘层的电容。

OFET的基本性能参数包括迁移率、阈值电压、开关比和亚阈值斜率，其中，开关比可以从转移曲线直接读取；迁移率、阈值电压和亚阈值斜率可以通过转移曲线的形状拟合得到。迁移率是评估OFET载流子传输能力的核心参数，单位是cm2V-1s-1，代表载流子在单位电场强度下的平均迁移速率。高迁移率是实现OFET高效信号放大能力和快速逻辑运算的基本要求。经过近30年的发展，有机半导体的迁移率实现了快速提高，如胡等人[5]使用PAA绝缘层增强并五苯薄膜生长过程中分子间的有序堆积，成功得到高达30.6cm2V-1s-1的空穴迁移率。

1.4 有机场效应晶体管的应用

有机场效应晶体管具备良好的信号转换与放大功能，这一特性决定了OFET可以广泛应用于有机电子学的各个领域。在信息处理方面，OFET可以满足不同信号形式之间的相互转换、器件与器件之间的信号传递以及对外界输入信号的存储等多样化的功能，主要应用包括传感器、发光器件、存储单元以及突触器件等。

传感器是OFET研究最广泛的应用之一。从器件结构来看，OFET的各个功能结构模块包括有机半导体层、绝缘层以及电极等均可作为传感单元，实现从外场信号到电信号的转换。从OFET的性能参数考虑，迁移率、阈值电压以及开关比等多个参数均可作为检测信号，实现多信号识别。根据检测的信号类型，OFET传感器可分为压力传感器、温度传感器、光传感器和化学及生物物质传感器等不同类型。在压力传感方面，臧等人[4]通过设计悬浮栅极结构的OFET器件，通过栅极在压力下的形变改变器件电容，进一步影响沟道内载流子浓度，成功实现了灵敏度高达192kPa-1的压力传感器。在气体传感方面，张等人[5]通过“飞速旋涂”法构筑超薄膜OFET器件，将导电沟道直接暴露于检测环境，利用超薄膜器件成功实现了对氨气的10ppm高灵敏检测。

1.5 有机场效应晶体管目前存在的挑战

随着有机场效应晶体管的发展，操作和应用过程中存在的问题也逐渐显露：高电压驱动器件功耗大、器件不稳定，需发展低驱动电压且高迁移率、高稳定性的有机半导体材料和半导体器件；器件制备流程过多、工序复杂，需简化器件制备过程；有机场效应晶体管的理论研究尚需在无机晶体管的理论基础上加以完善[1]。

2 有机场效应晶体管在军事装备中的应用

1）提高装备灵敏性

传感器是各种信息的感知、采集、转换和测试中不可缺少的重要技术工具，广泛应用于国防、航空航天、医疗、能源等领域。提高传感器的高灵敏度和传感时间将提高传感器的性能，进而提高装备采集信息和反应的能力。例如，主战坦克的发动机系统需使用压力、速度、温度等多个传感器集成器件来检测、控制发动机，以保证坦克在最低功耗下实现快速加速、稳定的机械控制等操作。现代舰艇装备也需要包括压力、位置、速度、扭力、流量和偏航速率等多种传感器在内的集成器件。提高装备中传感器件的灵敏度将大大提高装备的反应时间，在作战过程中占据有利时间节点主动出击。

目前，有机场效应晶体管通过多种策略提高器件的传感性能，包括：传感功能导向的材料设计；表界面的功能化修饰；面向多功能的器件结构优化；传感器的多功能应用集成等。这些策略对于提高武器装备的感应性能具有重要意义。

2）提高装备灵活性

随着有机场效应晶体管在柔韧性、轻薄性和印刷制备等方面的不断突破，新型柔性电子设备在可穿戴健康监测、柔性人工智能皮肤等方面具有巨大的应用前景。例如，采用柔性器件制备的头戴式显示器不仅能帮助士兵分析所面临的环境的温度、压力、风度等多种物理条件，还能检测空气中有毒有害气体的数值，甚至可将单独的士兵个体所面临的环境传达给总指挥部，使其能精确动态监测每个士兵所面临的环境与生命安全活动，对于野外作战训练很有帮助。而显示器更进一步柔性化、轻薄化制备后，不仅能减轻显示器本身的重量，甚至可以贴附于衣服或皮肤表面，大大增加士兵在作战过程中的灵活性。大型装备或车辆上的大型显示器采用柔性显示器代替玻璃基显示器后，不仅可以降低装备的重量和体积，还能降低显示器的功耗，仅需较小的驱动电压即可保持超强的续航能力，从而降低装备负载电池的尺寸，提高装备灵活性。另外，柔性显示器在装备执行任务期间不容易损坏，可进一步降低显示器的维修成本。

3）提高装备智能化

将单一的晶体管器件集成为有机电路是有机场效应晶体管的重要发展方向之一，高度集成的有机电路可以实现高通量、高分辨率以及多元素智能化检测，对制备微型且高智能化的装备具有重要意义。例如，世界各地的多个武装部队已采用多集成激光交战系统（MILES），通过激光和空子弹模拟实际战斗用于士兵演练。士兵在身体各处贴附小型激光传感器，传感器被激光照射时即能被探测到。每个激光发射器都被设置成可模拟其所使用武器的有效射程。当一个人被“击中”时，医务人员可以使用数字读数来确定应采用哪种急救方法。对于更复杂的坦克和装甲运兵车系统，可以使用扫描激光并耦合无线电系统，更精确地瞄准装甲车辆。