淺談有機場效應晶體管在軍事裝備中的應用

■ 邊衛斌/軍藍科技集團總公司

0 引言

隨著科學技術的發展，現代戰爭樣式、軍隊建設和軍事裝備應用方式正在逐步改變。國家領導人曾在黨的十七大報告中指出，堅持科技強軍，按照建設信息化軍隊、打贏信息化戰爭的戰略目標，加快機械化和信息化復合發展，積極開展信息化條件下軍事訓練，加緊培養大批高素質新型軍事人才，切實轉變戰斗力生成模式。切實體會科技興訓的意義，將新興科學研究與軍事裝備相結合，提高裝備作戰能力，是我國軍事發展的當務之急。

1904年世界上第一個電子管的發明標志著人類正式進入電子信息時代，1947年首個晶體管的問世使人們致力于研究小尺寸、高密度的微電子集成電路。隨著電子學的發展，基于無機半導體材料的電子電路極大地推動了信息產業的進步，電子學的發展正加速向超微和智能化方向發展。

基于傳統無機半導體材料的電子器件在生活中的廣泛應用，有機半導體材料的電子器件開始受到關注，原因在于：無機材料的電子性能發展已接近極限，繼續提高性能、減小尺寸、降低成本等非常困難；常用無機半導體材料只有硅、鍺等幾種，而有機材料通過化學合成的方法可以得到成千上萬種；有機材料具有良好的柔性和適應性，易于大面積、低成本地制備；有機材料可實現硅等無機半導體的信息顯示、傳感、存儲等功能；有機材料與生物體的相容性高于無機材料，可以作為無機材料與生物體聯系的橋梁[1]。基于上述原因以及有機功能材料電子器件的多種優勢，有機電子器件的研究與應用正在蓬勃發展。

有機場效應晶體管（Organic Field Eあect Transistors，簡稱OFET）不但具備與傳統無機金屬－氧化物晶體管相當的信號轉換與放大能力，同時具備柔性輕便、成本低廉以及可大面積溶液加工等優勢，因此成為目前有機電子器件的核心功能單元，在電子信息、能源環境和軍工國防等方面有顯著應用前景。

1 有機場效應晶體管

1.1 有機場效應晶體管的基本結構

有機場效應晶體管由源極、漏極和柵極三個電極以及有機半導體層和絕緣層五部分組成。根據電極與有機半導體層相對位置的差異，OFET的基本構型可分為底柵底接觸（BGBC）、底柵頂接觸（BGTC）、頂柵底接觸（TGBC）和頂柵頂接觸（TGTC）四種，如圖1所示。研究表明，器件結構會影響器件的基本電學性能[2，3]。例如，底柵頂接觸式器件結構中源漏電極與有機半導體層接觸良好而獲得較高的電學性能，而底柵底接觸式結構中源漏電極與絕緣層對有機半導體的沉積將產生一定的邊界作用，從而導致較大的接觸電阻，降低器件電學性能。

圖1 OFET的基本構型

1.2 有機場效應晶體管工作原理

場效應晶體管是一種通過改變柵電壓的大小來控制源漏電極之間電流輸出的有源器件。器件處于工作模式時，源漏電極以及源漏和柵極之間分別加載水平方向和垂直方向的電場，其中，水平方向的電場稱為驅動場，驅動半導體層中的電子定向移動；垂直方向的電場稱為調控場，可像閥門一樣改變半導體層中電子濃度。當柵電壓為零時，源漏電極之間半導體層中電子數量很少，導電溝道電阻很大，電流特性與絕緣體類似，此時器件處于關態；當施加足夠高的柵極電壓時，垂直方向的電場通過絕緣層，在絕緣層與有機半導體界面處誘導出大量電子，導電溝道內電阻減小，水平方向的驅動電場驅動電子定向移動形成電流輸出，器件從關態轉變為開態。

1.3 有機場效應晶體管的基本性能參數

有機場效應晶體管的典型工作曲線包括轉移曲線和輸出曲線，分別對應于固定源漏電壓改變柵壓以及固定柵壓改變源漏電壓，電流－電壓關系曲線如圖2所示。從轉移曲線可以看出，柵壓為零時器件處于關態，源漏電流很小；當柵壓超過亞閾值后，源漏電流迅速增加，該臨界點被稱為閾值電壓。從輸出曲線可以看出，當源漏電壓很小時，溝道的I-V曲線呈現線性特性，這一區間被稱為線性區；當源漏電壓很大時，由于水平電勢梯度，漏極附近不存在誘導載流子的電場，溝道出現夾斷，盡管源漏電壓仍在增加，電流卻保持不變，這一區間被稱為飽和區。典型OFET器件的工作特性可以用以下公式描述：

圖2 典型的OFET

式中，W和L分別是溝道的長度和寬度，μ是半導體的遷移率，Ci是單位面積絕緣層的電容。

OFET的基本性能參數包括遷移率、閾值電壓、開關比和亞閾值斜率，其中，開關比可以從轉移曲線直接讀取；遷移率、閾值電壓和亞閾值斜率可以通過轉移曲線的形狀擬合得到。遷移率是評估OFET載流子傳輸能力的核心參數，單位是cm2V-1s-1，代表載流子在單位電場強度下的平均遷移速率。高遷移率是實現OFET高效信號放大能力和快速邏輯運算的基本要求。經過近30年的發展，有機半導體的遷移率實現了快速提高，如胡等人[5]使用PAA絕緣層增強并五苯薄膜生長過程中分子間的有序堆積，成功得到高達30.6cm2V-1s-1的空穴遷移率。

1.4 有機場效應晶體管的應用

有機場效應晶體管具備良好的信號轉換與放大功能，這一特性決定了OFET可以廣泛應用于有機電子學的各個領域。在信息處理方面，OFET可以滿足不同信號形式之間的相互轉換、器件與器件之間的信號傳遞以及對外界輸入信號的存儲等多樣化的功能，主要應用包括傳感器、發光器件、存儲單元以及突觸器件等。

傳感器是OFET研究最廣泛的應用之一。從器件結構來看，OFET的各個功能結構模塊包括有機半導體層、絕緣層以及電極等均可作為傳感單元，實現從外場信號到電信號的轉換。從OFET的性能參數考慮，遷移率、閾值電壓以及開關比等多個參數均可作為檢測信號，實現多信號識別。根據檢測的信號類型，OFET傳感器可分為壓力傳感器、溫度傳感器、光傳感器和化學及生物物質傳感器等不同類型。在壓力傳感方面，臧等人[4]通過設計懸浮柵極結構的OFET器件，通過柵極在壓力下的形變改變器件電容，進一步影響溝道內載流子濃度，成功實現了靈敏度高達192kPa-1的壓力傳感器。在氣體傳感方面，張等人[5]通過“飛速旋涂”法構筑超薄膜OFET器件，將導電溝道直接暴露于檢測環境，利用超薄膜器件成功實現了對氨氣的10ppm高靈敏檢測。

1.5 有機場效應晶體管目前存在的挑戰

隨著有機場效應晶體管的發展，操作和應用過程中存在的問題也逐漸顯露：高電壓驅動器件功耗大、器件不穩定，需發展低驅動電壓且高遷移率、高穩定性的有機半導體材料和半導體器件；器件制備流程過多、工序復雜，需簡化器件制備過程；有機場效應晶體管的理論研究尚需在無機晶體管的理論基礎上加以完善[1]。

2 有機場效應晶體管在軍事裝備中的應用

1）提高裝備靈敏性

傳感器是各種信息的感知、采集、轉換和測試中不可缺少的重要技術工具，廣泛應用于國防、航空航天、醫療、能源等領域。提高傳感器的高靈敏度和傳感時間將提高傳感器的性能，進而提高裝備采集信息和反應的能力。例如，主戰坦克的發動機系統需使用壓力、速度、溫度等多個傳感器集成器件來檢測、控制發動機，以保證坦克在最低功耗下實現快速加速、穩定的機械控制等操作。現代艦艇裝備也需要包括壓力、位置、速度、扭力、流量和偏航速率等多種傳感器在內的集成器件。提高裝備中傳感器件的靈敏度將大大提高裝備的反應時間，在作戰過程中占據有利時間節點主動出擊。

目前，有機場效應晶體管通過多種策略提高器件的傳感性能，包括：傳感功能導向的材料設計；表界面的功能化修飾；面向多功能的器件結構優化；傳感器的多功能應用集成等。這些策略對于提高武器裝備的感應性能具有重要意義。

2）提高裝備靈活性

隨著有機場效應晶體管在柔韌性、輕薄性和印刷制備等方面的不斷突破，新型柔性電子設備在可穿戴健康監測、柔性人工智能皮膚等方面具有巨大的應用前景。例如，采用柔性器件制備的頭戴式顯示器不僅能幫助士兵分析所面臨的環境的溫度、壓力、風度等多種物理條件，還能檢測空氣中有毒有害氣體的數值，甚至可將單獨的士兵個體所面臨的環境傳達給總指揮部，使其能精確動態監測每個士兵所面臨的環境與生命安全活動，對于野外作戰訓練很有幫助。而顯示器更進一步柔性化、輕薄化制備后，不僅能減輕顯示器本身的重量，甚至可以貼附于衣服或皮膚表面，大大增加士兵在作戰過程中的靈活性。大型裝備或車輛上的大型顯示器采用柔性顯示器代替玻璃基顯示器后，不僅可以降低裝備的重量和體積，還能降低顯示器的功耗，僅需較小的驅動電壓即可保持超強的續航能力，從而降低裝備負載電池的尺寸，提高裝備靈活性。另外，柔性顯示器在裝備執行任務期間不容易損壞，可進一步降低顯示器的維修成本。

3）提高裝備智能化

將單一的晶體管器件集成為有機電路是有機場效應晶體管的重要發展方向之一，高度集成的有機電路可以實現高通量、高分辨率以及多元素智能化檢測，對制備微型且高智能化的裝備具有重要意義。例如，世界各地的多個武裝部隊已采用多集成激光交戰系統（MILES），通過激光和空子彈模擬實際戰斗用于士兵演練。士兵在身體各處貼附小型激光傳感器，傳感器被激光照射時即能被探測到。每個激光發射器都被設置成可模擬其所使用武器的有效射程。當一個人被“擊中”時，醫務人員可以使用數字讀數來確定應采用哪種急救方法。對于更復雜的坦克和裝甲運兵車系統，可以使用掃描激光并耦合無線電系統，更精確地瞄準裝甲車輛。

3 結束語

有機場效應晶體管經過功能化修飾可實現多種功能應用，在傳感檢測、人工智能、自動化裝備等方面具有著廣泛的應用前景。將多功能晶體管應用于軍事裝備中，可以提高軍事裝備的靈敏性、靈活性，使設備更加智能化，加快我國有機場效應晶體管技術在軍事應用的研究步伐勢在必行。