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有機(jī)半導(dǎo)體二極管
閱讀�3788�(shí)間:2017-07-19 09:19:01

    有機(jī)半導(dǎo)�二極�存儲(chǔ)�件的�(jié)�(gòu)都比較簡(jiǎn)�,均為“三明治”結(jié)�(gòu),即�有機(jī)半導(dǎo)�功能層至于上下兩�(gè)電極之間�

概述

    人們普遍認(rèn)為有�(jī)物是不導(dǎo)電的, 因此被廣泛用作絕緣材�, 直到20 世紀(jì)70 年代, 美國(guó)物理�(xué)家A.J.Heeger 、化�(xué)家M.MacDiarmid和日本化�(xué)家H.Shirakaw a 共同�(fā)�(xiàn)�(duì)聚乙炔分子�(jìn)行摻雜可以使其變成良�(dǎo)�, 從而拉�(kāi)了有�(jī)半導(dǎo)體技�(shù)研究的序�, 這三位科�(xué)家憑借該�(xiàng)重大�(fā)�(xiàn)成為2000 年諾貝爾化學(xué)�(jiǎng)得主�

    自上世紀(jì)80 年代以來(lái), 有機(jī)半導(dǎo)體研究領(lǐng)域云集了眾多世界知名公司、大�(xué)與研究機(jī)�(gòu), 如美�(guó)的IBM 、柯�(dá)、通用顯示公司、固�(tài)顯示�(shí)�(yàn)�、普林斯頓大�(xué)、英�(guó)劍橋大學(xué)、日本索尼公�、NEC 公司、豐田公�、韓�(guó)三星和LG 以及印度科學(xué)院等, 不斷�(kāi)�(fā)出能改善有機(jī)半導(dǎo)體特性和�(wěn)定性的新材料和制造技�(shù), 而新材料和新技�(shù)的應(yīng)用又極大地促�(jìn)了有�(jī)�(chǎng)效應(yīng)晶體�(OFET)、有�(jī)�(fā)光二極管(O LED)和有�(jī)光伏電池(OPC)以及有機(jī)傳感器等有機(jī)電子器件和有�(jī)光電子器件性能的提高。當(dāng)前有�(jī)半導(dǎo)體器件的�(yīng)用正在不斷擴(kuò)�, 市場(chǎng)份額也在逐年增長(zhǎng)�

    在學(xué)�(shù)界與工業(yè)界的共同努力�, 有機(jī)半導(dǎo)體材料與技�(shù)研究不斷取得新的�(jìn)�, 這一�(lǐng)域已成為一�(gè)匯集了物�、化�(xué)與材料科�(xué)等學(xué)科的多學(xué)科交叉研究領(lǐng)�, 工藝技�(shù)不斷取得新的突破, �(yù)示著有機(jī)半導(dǎo)體革命的到來(lái)。一些業(yè)�(nèi)�(zhuān)家認(rèn)�, 用有�(jī)半導(dǎo)體材料開(kāi)�(fā)出各種新型導(dǎo)電聚合物器件的研究正在改變著高技�(shù)未來(lái)的發(fā)展方��

    �(dāng)�, 采用有機(jī)半導(dǎo)體已可制作各種類(lèi)型的有源器件和無(wú)源器�, 如晶體管、二極管、OLED 、傳感器、存�(chǔ)�、顯示器、電�、電�、電�、電感和天線(xiàn)�。本文將�(jiǎn)要介紹幾種典型有�(jī)半導(dǎo)體器件的研究與應(yīng)用現(xiàn)狀�

    1� OFET

    OFET 是一種在溝道�(nèi)采用有機(jī)半導(dǎo)體材料的晶體�, 是有�(jī)電子器件家族中一�(lèi)重要的器�,也是有機(jī)半導(dǎo)體的重要研究?jī)?nèi)容之一。目�,OFET的制作技�(shù)主要包括小分子真空蒸�(fā)、聚合物和小分子溶液�?�?qū)冸x的單晶有�(jī)層機(jī)械轉(zhuǎn)移至襯底上等方法�

    OFET 由于在大面積、柔性化和低成本有源矩陣顯示、射頻標(biāo)簽等方面的潛在應(yīng)用前景而備受學(xué)�(shù)界和工業(yè)界的�(guān)注。自1987 年�(gè)OFET 的成功研制至�, OFET 技�(shù)�(fā)展迅�, �(wú)論是材料研究還是器件制備工藝都取得了較大的突破。由OFET �(qū)�(dòng)的OLED �(fā)光和由OFET 形成的邏輯電路以及有�(jī)�(fā)光場(chǎng)效應(yīng)晶體�、單晶場(chǎng)效應(yīng)晶體管等器件相繼研制成功。美�(guó)、日本、德�(guó)、法�(guó)、英�(guó)、韓�(guó)及以色列等多�(gè)�(guó)家都在開(kāi)展這方面的研究�2007 年底美國(guó)佐治亞理工大�(xué)采用C60薄膜利用室溫工藝制作出高性能�(chǎng)效應(yīng)晶體�, 器件的電子遷移率高于非晶Si 材料, 且閾值電壓較�, �(kāi)-�(guān)比值較�, 工作�(wěn)定性也較高�2009 �, 日本東北大學(xué)的研究人員采用液相外延工藝成功生�(zhǎng)了近乎無(wú)缺陷的并五苯單晶, 他們繼而采用該單晶制成一種OFE T , 其場(chǎng)效應(yīng)遷移率達(dá)0.4 � 0.6 cm2 /(V · s)[ 12] �2010 �1 月法�(guó)CNRS和CEA 的研究人員開(kāi)�(fā)出一種能夠模仿神�(jīng)元突觸主要功能的納米粒子有機(jī)存儲(chǔ)�(chǎng)效應(yīng)晶體�(NOMFET), 為新一代神�(jīng)激�(fā)�(jì)算機(jī)系統(tǒng)�(shè)�(jì)提供了一條新思路。眾多研究結(jié)果表�, 有機(jī)OFET有望成為新一代集成電子器��

    2)有�(jī)半導(dǎo)體中的漂移和�(kuò)�

    �(jiǎn)并無(wú)序有�(jī)半導(dǎo)體主要特�(diǎn)就躍遷傳輸,Mendels和Tessler用Monte Carlo仿真研究了這種有機(jī)半導(dǎo)體中電荷的漂移和�(kuò)�。他們發(fā)�(xiàn),當(dāng)分子中一不可忽略的部分電�,電荷傳輸將包含著能量的�(zhuǎn)移。雖� Monte Carlo 仿真證實(shí)在低電場(chǎng)�,廣泛愛(ài)因斯坦關(guān)系能很好的描述漂移和�(kuò)散的�(guān)�。但能量流出模型�(duì)這種�(xiàn)象提出一�(gè)更加明顯和更易理解的描述,在相同的前提下能夠使之概括��

    有機(jī)半導(dǎo)體二極管電存�(chǔ)�(jiǎn)�

    傳統(tǒng)的存�(chǔ)器是指計(jì)算機(jī)中的存儲(chǔ)�(shè)備,用來(lái)存放�(shù)�(jù)信息。我們每天都在與各種各樣的存�(chǔ)器件打交�,硬�(pán)、內(nèi)存、U �(pán)、光�(pán)等等,我們的生活完全離不�(kāi)各種存儲(chǔ)�,存�(chǔ)器對(duì)我們的重要性不言而喻� 南京郵電大學(xué)碩士研究生學(xué)位論�

    有機(jī)半導(dǎo)體二極管電存�(chǔ)器件的存�(chǔ)原理

    存儲(chǔ)器是由數(shù)量巨大的存儲(chǔ)單元�(gòu)成的,每�(gè)存儲(chǔ)單元都具有兩種穩(wěn)�(在多階存�(chǔ)器中可以有兩種以上,以下討論均假�(shè)為二階存�(chǔ)器件中情�)的物理態(tài)。因?yàn)�?jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言是基于�0”和�1”的二�(jìn)�,那么對(duì)于電存儲(chǔ)器件�(lái)�(shuō),每�(gè)存儲(chǔ)單元的兩種不同的�(dǎo)電態(tài)�(duì)�(yīng)�(jì)算機(jī)二�(jìn)制語(yǔ)言中的�0”和�1�。通常�(lái)�(shuō),低的導(dǎo)電態(tài)�(duì)�(yīng)的是“OFF”態(tài),也就是�(jì)算機(jī)�(yǔ)言中的�0�,高的導(dǎo)電態(tài)�(duì)�(yīng)的是“ON”態(tài),也就是�(jì)算機(jī)�(yǔ)言中的�1�。這兩�(gè)不同的導(dǎo)電狀�(tài)在外加電�(chǎng)的作用下,可以實(shí)�(xiàn)兩�(gè)�(tài)之間的可逆或者不可逆的變換,從而實(shí)�(xiàn)�(shù)�(jù)的存�(chǔ)。那么,根據(jù)器件的不同特�,編�(xiě)好相�(yīng)的控制程�,施加不同的操作電壓就可以對(duì)存儲(chǔ)在存�(chǔ)器件中的�(shù)�(jù)�(jìn)行“讀�、“寫(xiě)”或者“擦”等操作�

器件�(jié)�(gòu)�(lèi)�

    通常�(lái)�(shuō),有�(jī)半導(dǎo)體二極管電存�(chǔ)器件的結(jié)�(gòu)都比較簡(jiǎn)�,均為“三明治”結(jié)�(gòu),即將有�(jī)半導(dǎo)體功能層至于上下兩�(gè)電極之間。常用的電極有氧化銦�(ITO)、金屬電�、石墨烯電極及新型有�(jī)材料電極�。按照功能層�(lái)分類(lèi),我們常�(jiàn)到的器件�(jié)�(gòu)有四種。種器件�(jié)�(gòu)是使用單一的有�(jī)半導(dǎo)體活性層,這種器件�(jié)�(gòu)要求只要使用單一的這種材料作為功能層即可實(shí)�(xiàn)存儲(chǔ)特性。第二種器件是通過(guò)將兩種或者兩種以上的有機(jī)材料共混或者疊�,來(lái)�(shí)�(xiàn)存儲(chǔ)功能。但是這種器件往往容易出現(xiàn)相分離或者離子聚集等�(xiàn)象。第三種器件�(jié)�(gòu)是將納米顆粒以特�、有序的方式摻雜于有�(jī)半導(dǎo)體中。第四種器件�(jié)�(gòu)是將納米顆粒以一種無(wú)序共混的方式摻雜到有�(jī)半導(dǎo)體中。借助納米顆粒的特性,我們可以通過(guò)摻雜不同的納米顆粒來(lái)�(yōu)化存�(chǔ)性能或者調(diào)控存�(chǔ)�(lèi)�� 按照器件電極形狀�(lái)分類(lèi),�??梢苑譃閮深?lèi):交叉點(diǎn)狀(Crosspoint)和交叉條狀(Crossbar)兩類(lèi)�

    �(duì)于交叉點(diǎn)狀的器件結(jié)�(gòu)的二極管電存�(chǔ)器來(lái)�(shuō),每�(gè)存儲(chǔ)單元之間是相�(duì)�(dú)立的,頂電極和頂電極之間不連通的,這種器件�(jié)�(gòu)可以克服寄生電流�(wèn)�,但是需要面臨無(wú)法采用堆疊的方式�(lái)提高存儲(chǔ)密度的問(wèn)�。對(duì)于交叉條狀�(jié)�(gòu)的二極管器件�(lái)�(shuō),其電極之間是連通的,存�(chǔ)單元與存�(chǔ)單元之間�(wú)法完全獨(dú)�,導(dǎo)致在存儲(chǔ)電路中存在寄生電流的�(wèn)�,寄生電流容易導(dǎo)致信息出�(xiàn)誤讀狀�,當(dāng)然了,這種器件�(jié)�(gòu)的好處在于可以實(shí)�(xiàn)三維堆疊,從而提高存�(chǔ)密度�

存儲(chǔ)�(lèi)型分�(lèi)

    有機(jī)半導(dǎo)體二極管電存�(chǔ)器件按照其存�(chǔ)�(lèi)型可以分為非易失性存�(chǔ)器和易失性存�(chǔ)器兩�(lèi)。非易失性存�(chǔ)器中又有閃存(Flash)和一次寫(xiě)入多次讀�(WORM)兩種。閃存是我�?nèi)粘I钪凶畛�?jiàn)的一種存�(chǔ)�,比如我們經(jīng)常使用的 U �(pán)就是閃存。這種�(lèi)型的存儲(chǔ)器件是可以反�(fù)�(jìn)行“讀�、“寫(xiě)�、“擦”操作的,在我們生活中有非常廣泛的�(yīng)用。一次寫(xiě)入多次讀取這種�(lèi)型的存儲(chǔ)器顧名思義,只能�(jìn)行一次寫(xiě)入操�,而可以多次讀�,這種�(lèi)型的存儲(chǔ)器件由于其特定的存儲(chǔ)特�,保證存�(chǔ)在其中的�(shù)�(jù)不會(huì)�?yàn)橐馔舛恍薷幕蛘邅G�,通常被用�(lái)作為檔案的存�(chǔ)或者射頻標(biāo)示等。易失性存�(chǔ)器件的應(yīng)用也非常廣泛,該�(lèi)型的存儲(chǔ)器通常要求不斷刷新或者周期性刷新電流,以保持其信息的存�(chǔ),比如動(dòng)�(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)�

常見(jiàn)的電存儲(chǔ)器件材料

    按照有機(jī)材料本身的特�(diǎn),常用的有機(jī)半導(dǎo)體二極管電存�(chǔ)器件材料有小分子材料、大分子材料及聚合物材料,當(dāng)前研究的熱點(diǎn)還有碳材�,比如石墨烯,碳納米�,富勒烯。當(dāng)然,有機(jī)納米材料也是研究的熱�(diǎn)之一,同�(shí)在存�(chǔ)器件中也�(huì)�(jīng)常引入一些無(wú)�(jī)的納米粒�,比如金納米粒子,銀納米粒子等等�

    按照材料的特性分,通常分為電容型材�、鐵電型材料和電阻性材料三�(lèi)� 電容性材料在 DRAM 存儲(chǔ)器件中較為少�(jiàn),每�(gè)存儲(chǔ)單元都是�(duì)�(yīng)的一�(gè)電容,充電后,電子會(huì)慢慢的流�,這也符合易失性存�(chǔ) DRAM 存儲(chǔ)器的特點(diǎn),要想保�?jǐn)?shù)�(jù),通常都是通過(guò)不斷刷新電路。電容性的材料只是充當(dāng)電介�(zhì)的作用,要求材料的絕緣性較�� 鐵電型材料在存儲(chǔ)器件中較為常�(jiàn),基于鐵電型材料的存�(chǔ)器非常多,有易失性的也有非易失性的。在外加電場(chǎng)作用下,如果被極化是可逆的,通常是屬� Flash 型存�(chǔ),若材料的極化是不可逆的,則� WORM 型存�(chǔ)�(lèi)型�

    其中 PMMA、PVP � PS 都是屬于常見(jiàn)的介電材�,PMMA 由于其具有獨(dú)特的光學(xué)特�,具有高的透光率,并且其具有高�(dá) 2×10.cm 的電阻率,在大多�(shù)的有�(jī)溶劑中具有良好的溶解�,成膜性極好,因此廣泛的應(yīng)用于塑料電子�(xué)�。但是它的玻璃化溫度較低,并且溫度升高后它的絕緣性會(huì)下降,導(dǎo)致其熱性能較差。相比之� PS 具有高于 100 ℃的玻璃化轉(zhuǎn)化溫�,因此其具有更好的高溫性能,很多柔性器件中�(huì)選用 PS 作為襯底材料。所�,選用什么樣的材料,需要根�(jù)�(shí)際環(huán)境來(lái)挑選。P(VDF-TrFE)具有易溶�、無(wú)毒、良好的�(jī)械柔韌性和較高的電阻率,其極化電壓也較低且極化響應(yīng)速度很快,因此被廣泛的應(yīng)用,是鐵電材料中的明�。[2]

    電阻型存�(chǔ)也稱(chēng)之為電阻型隨�(jī)型存�(chǔ)�,是一種新的非易失性存�(chǔ)器件。存�(chǔ)特性通常是由于材料在外加電場(chǎng)作用下發(fā)生氧化還原、構(gòu)象轉(zhuǎn)變或者電荷轉(zhuǎn)移等�(dǎo)致材料的�(dǎo)電能力發(fā)生變�,從而呈�(xiàn)出不同的電阻狀�(tài),實(shí)�(xiàn)存儲(chǔ)功能。電阻型材料也較為常�(jiàn),比� PVK�

    5 有機(jī)半導(dǎo)體二極管電存�(chǔ)器存�(chǔ)�(jī)�

    絲狀電導(dǎo)�(jī)�

    絲狀電導(dǎo)通常出現(xiàn)在電流被高度集中在一�(gè)小區(qū)域的�(shí)候。在電場(chǎng)作用�,電�(dǎo)絲形�,將頂、底兩電極連�,這�(gè)�(shí)候器件為高導(dǎo)電態(tài)(ON �(tài)),即存儲(chǔ)器中的�1”態(tài),而當(dāng)撤除了外加電�(chǎng)�,電�(dǎo)絲斷裂消�,器件恢�(fù)到低�(dǎo)電態(tài)(OFF �(tài)),此�(shí)即為存儲(chǔ)器中的�0”態(tài)。通常可以分為金屬電導(dǎo)絲和非金屬電�(dǎo)絲兩�(lèi)。金屬電�(dǎo)絲往往是在正向偏壓�,金屬電極中�(chǎn)生的金屬離子滲入活性層�,形成導(dǎo)通電路�

    空間電荷限制電流�(jī)�

    空間電荷限制電流通常是由于材料本身或者通過(guò)目的性的引入一些能夠俘獲載流子的陷阱所�(dǎo)致的。當(dāng)載流子注入到活性層中的�(shí)候會(huì)被材料本身或者引入的陷阱所俘獲,從而限制了其自由運(yùn)�(dòng),直到所有的陷阱被填�(mǎn)�,繼�(xù)注入載流子時(shí),載流子可以自由的通過(guò)隧穿效應(yīng)或者跳躍傳輸形式傳�,這�(gè)�(shí)候表�(xiàn)為電流隨著電壓增加而變大,器件�(zhuǎn)�?yōu)楦邔?dǎo)電態(tài)。當(dāng)改變外加電場(chǎng)方向�(shí),如果陷阱的�(shì)壘較�,之前俘獲的載流子會(huì)被激�(fā),使得陷阱變�,此�(shí)器件又回到了低導(dǎo)電態(tài),這種可逆的陷阱填充和釋放的�(guò)程表�(xiàn)為雙極性存�(chǔ)。若陷阱的勢(shì)壘非常大,則將外加電�(chǎng)方向改變后,不能將其俘獲的載流子釋放出來(lái),此�(shí),器件也�(huì)表現(xiàn)為高�(dǎo)電態(tài),但是此�(lèi)陷阱的填充于釋放是不可逆的,所以是 WORM 型存�(chǔ)特性�2012 � Zhang 課題組報(bào)道了一種基于氧化石墨烯(GO)的柔性存�(chǔ)器件,如� 1.12所�,其高導(dǎo)電態(tài)為典型的空間電荷限制電流�

    相變�(jī)�

    2008 年黃維教授課題組次提出了相變存儲(chǔ)�(jī)�,合理的解釋了基� PVK 的衍生物的Flash 存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)特�。相變存�(chǔ)�(jī)制是指有�(jī)材料在外加電�(chǎng)作用�,其�(gòu)象發(fā)生了�(zhuǎn)�,而兩種不同的�(gòu)象時(shí)其導(dǎo)電能力是不同的,從而導(dǎo)致電雙穩(wěn)�(tài)的出�(xiàn),即�(shí)�(xiàn)了存�(chǔ)特性。當(dāng)這種�(gòu)象的變化是可逆的�(shí)�,存�(chǔ)特性即是可逆的,可能為 Flash 或� DRAM 等存�(chǔ)特性。而當(dāng)這種�(gòu)象的�(zhuǎn)變是不可逆的�(shí)�,一般來(lái)�(shuō)其具� WORM 型存�(chǔ)特性�

    離子電導(dǎo)�(jī)�

    離子電導(dǎo)通常�(fā)生在基于含有離子基團(tuán)的聚合物器件�。與電子�(yùn)�(dòng)所需的能量相比離子的激活能更高,并且所需的時(shí)間也更長(zhǎng)。離子電�(dǎo)可分為兩�(lèi):一�(lèi)是由材料自身基本離子的遷移造成�,也�(chēng)之為本征電導(dǎo);另一�(lèi)是由引入的摻雜物�(zhì)或者主體材料中的雜�(zhì)物質(zhì)的離子運(yùn)�(dòng)造成��

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