有机浮栅存储器的工作原理

有机浮栅存储器的工作原理

1.1 有机场效应晶体管(OFET)的基本结构和工作原理

1.1.1 有机场效应晶体管的基本结构

有机场效应晶体管的具有很多的优点：材料来源广、可以大量生产和能够实现低成本、可与柔性衬底兼容。应用前景十分广泛，如有机集成电路、存储器件、柔性显示屏等。自20世纪80年代有机场效应晶体管诞生，有机场效应晶体管得到迅速发展，到目前为止，一些有机场效应晶体管已经得到实用化的程度，在载流子迁移率、开关电流比方面已经可与非晶硅相媲美。

有机场效应晶体管按照源漏极和有机半导体的相对位置有两种结构(图2-1)底接触和顶接触，按照沟道中起传输作用的载流子的种类的不同，可以分为两种：n沟道场效应晶体管和p沟道场效应晶体管[8,9]。

图2-1 两种OFET结构：顶接触(左) 底接触(右)

1.1.2 有机场效应晶体管的工作原理

有机场效应晶体管的工作原理与无机场效应晶体管的工作原理类似。下面通过对一个顶接触的p-沟的OFET进行分析，如图2-2所示:

图2-2 有机场效应管的原理示意图

我们在栅极上施加一个相对于源极的负偏压时（源极是接地的），栅极表面出现负电荷，相应的在沟道表面感应出正电荷。当增大栅极电压时，在沟道表面形成积累层并进而形成含有可动载流子-空穴-的薄层，源漏之间的电流主要是由空穴贡献，这是与无机场效应晶体管最大的不同，通过控制栅极电压来改变沟道中空穴的数量，进而控制漏极电流[10]。

由于我们使用的是有机材料作为有源区，我们在引用传统的EEPROM的模型时必须要进行修改。在本文中，我们考虑了Pool-Frenkel效应[11]，在半导体和绝缘层接触面的电荷，接触势垒，陷阱效应，采用修正以后的漂移-扩散模型（DDM）[12]，借助TCAD求解泊松方程和连续性方程(2-1)，(2-2)，(2-3)[13]，来模拟有机场效应晶体管的电学特性。

其中为静电势，为有机材料的介电常数，G为产生率，

和分别为捕获的电子和空穴的密度，和分别为电子和空穴的

电流密度。R是电子和空穴的复合率。[14,15]，

和是电子空穴的迁移率，在大多数有机材料中，这两个参数与材料的电场

强度有关，为了能够更加精确的描述和，我们引入Pool–Frenkel迁移率模型[11,16]：

其中为活化能，是Pool–Frenkel因子，是一个常量，是低电场下载流子的迁移率。有机半导体中电子和空穴的浓度可以用以下式子[17]表示：

其中，T是器件的温度，k是玻尔兹曼常量。是未被电子占据的最低的分子轨道，是被电子占据的最高的分子轨道，和

分别指的是电子和空穴的费米能级。指的是最低分子轨道的有效状态密度，最高被电子占据的分子轨道的有效状态密度。

研究表明了接触势垒、固定电荷、陷阱效应对OTFT的电学性能影响很大。为了获得更加准确的数值模拟结果，我们考虑了肖特基接触，量化了固定电荷的数量，也考虑陷阱的密度[17]：

其中g(E)是能量为E时的陷阱的有效状态密度，是陷阱全部的密度，为特征温度。该方程符合泊松方程的理论。

1.2 有机浮栅存储器的基本结构和工作原理

1.1.1 有机浮栅存储器的基本结构

有机浮栅存储器按照结构划分仍可分为底接触和底接触[18]，见图3。本文主要讨论的顶接触的有机浮栅存储器，为特征温度

有机半导体 S

D

S

D

Floating gate Floating gate Control gate

Control gate

图2-3 两种有机浮栅存储器结构 顶接触(左) 底接触(右)

其中底接触的有机浮栅存储器由于有源区暴露在外面，所以经常作为探测器使用。顶接触的存储器性能高。

1.1.2 有机浮栅存储器的基本原理

有机浮栅存储器利用浮栅上是否存有电荷来表示“0”和“1”，利用阈值电

压的不同来区分“0”和“1”。

Floating gate Control gate

source

drain

图2-4 有机浮栅存储器的结构示意图

有机浮栅存储器与标准的有机场效应晶体管类似，不同的是有机浮栅存储器中有两个栅极，其中一个为控制栅极(control-gate,CG)，另外一个在二氧化硅层的中的栅极为浮栅(floating-gate,FG)[1]，如图5所示，FG 的位置处于N 沟道和CG 中间，由于FG 周围被绝缘层二氧化硅包围，所以电荷一旦进入浮栅中，在无外加电场的情况下，可以长时间的储存在里面，我们把浮栅储存电荷的状态称为逻辑“0”，一旦浮栅中有了电子，就会屏蔽一部分来自控制栅极的电场，这样导致的结果是，如果要想是导电沟道形成，必须要使控制栅极上的阈值电压增大。因此根据浮栅上有无电荷，产生两种阈值电压和。我们在读取信息时，在CG 上直接加入一个介于

和

的

，如果导电沟道导

通则FG上没有存入电荷，此时的编程状态称为逻辑“1”，如果导电沟道不导通则FG上存入了电荷，此时的编程状态称为逻辑“0”，“0”和“1”通过漏极电流来判定[19]。