जैविक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर

एक कार्बनिक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (OFET) एक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर है जो अपने चैनल में एक कार्बनिक अर्धचालक का उपयोग करता है। ओएफईटी या तो छोटे अणुओं के वैक्यूम वाष्पीकरण द्वारा तैयार किया जा सकता है, पॉलिमर समाधान कास्टिंग | पॉलिमर या छोटे अणुओं के समाधान-ढलाई, या एक सब्सट्रेट पर खुली एकल-क्रिस्टलीय कार्बनिक परत के यांत्रिक हस्तांतरण द्वारा। इन उपकरणों को कम लागत, बड़े क्षेत्र के इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों और बायोडिग्रेडेबल इलेक्ट्रॉनिक्स को साकार करने के लिए विकसित किया गया है। OFETs को विभिन्न डिवाइस ज्यामिति के साथ निर्मित किया गया है। सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला डिवाइस ज्यामिति टॉप ड्रेन और सोर्स इलेक्ट्रोड के साथ बॉटम गेट है, क्योंकि यह ज्यामिति पतली फिल्म वाला ट्रांजिस्टर  के समान है। थिन-फिल्म सिलिकॉन ट्रांजिस्टर (TFT) थर्मली ग्रो सिलिकॉन डाइऑक्साइड का उपयोग कर रहा है। SiO2गेट ढांकता हुआ के रूप में। कार्बनिक पॉलिमर, जैसे कि पॉली (मिथाइल-मेथैक्राइलेट) (पॉली (पॉलिमिथाइल मेथाक्रायलेट))) को ढांकता हुआ भी इस्तेमाल किया जा सकता है। OFETs के लाभों में से एक, विशेष रूप से अकार्बनिक TFTs की तुलना में, उनका अभूतपूर्व भौतिक लचीलापन है, जो जैवसंगत अनुप्रयोगों की ओर जाता है, उदाहरण के लिए व्यक्तिगत बायोमेडिसिन और बायोइलेक्ट्रॉनिक्स के भविष्य के स्वास्थ्य देखभाल उद्योग में। मई 2007 में, सोनी ने पहले पूर्ण-रंग, वीडियो-दर, लचीले, सभी प्लास्टिक डिस्प्ले की सूचना दी। जिसमें पतली-फिल्म ट्रांजिस्टर और प्रकाश उत्सर्जक पिक्सेल दोनों कार्बनिक पदार्थों से बने थे।

ओएफईटी का इतिहास
क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (FET) की अवधारणा सबसे पहले जूलियस एडगर लिलियनफेल्ड द्वारा प्रस्तावित की गई थी, जिन्होंने 1930 में अपने विचार के लिए पेटेंट प्राप्त किया था। उन्होंने प्रस्तावित किया कि एक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर एक स्रोत और एक नाली इलेक्ट्रोड के बीच एक संचालन चैनल के साथ एक संधारित्र के रूप में व्यवहार करता है। गेट इलेक्ट्रोड पर लागू वोल्टेज सिस्टम के माध्यम से बहने वाले आवेश वाहकों की मात्रा को नियंत्रित करता है। धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर: MOSFET (मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर) का उपयोग करके बेल लैब्स में मोहम्मद ओटाला और डॉन काहंग द्वारा पहला इंसुलेटेड-गेट फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर डिजाइन और तैयार किया गया था। इसका आविष्कार 1959 में हुआ था, और 1960 में प्रस्तुत किया गया। एमओएस ट्रांजिस्टर के रूप में भी जाना जाता है, एमओएसएफईटी दुनिया में सबसे व्यापक रूप से निर्मित डिवाइस है। एक पतली-फिल्म ट्रांजिस्टर (टीएफटी) की अवधारणा पहली बार जे टोर्केल वॉलमार्क द्वारा प्रस्तावित की गई थी, जिन्होंने 1957 में एक पतली फिल्म एमओएसएफईटी के लिए एक पेटेंट दायर किया था जिसमें जर्मेनियम मोनोऑक्साइड को गेट डाइइलेक्ट्रिक के रूप में इस्तेमाल किया गया था। 1962 में वॉलमार्क के विचारों को लागू करने वाले पॉल के वीमर द्वारा थिन-फिल्म ट्रांजिस्टर विकसित किया गया था। TFT एक विशेष प्रकार का MOSFET है। सामग्री और निर्माण की बढ़ती लागत, साथ ही अधिक पर्यावरण के अनुकूल इलेक्ट्रॉनिक्स सामग्री में जनहित, ने हाल के वर्षों में जैविक आधारित इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास का समर्थन किया है। 1986 में, मित्सुबिशी इलेक्ट्रिक के शोधकर्ता एच. कोज़ुका, ए. त्सुमुरा और त्सुनेया एंडो ने पहले जैविक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर की सूचना दी, थियोफीन अणुओं के एक बहुलक पर आधारित है। थियोफीन पॉलिमर एक प्रकार की संयुग्मित प्रणाली है जो महंगे धातु ऑक्साइड अर्धचालकों के उपयोग की आवश्यकता को समाप्त करते हुए आवेश का संचालन करने में सक्षम है। इसके अतिरिक्त, अन्य संयुग्मित पॉलिमर में अर्धचालक गुण पाए गए हैं। पिछले कुछ दशकों में ओएफईटी डिजाइन में भी सुधार हुआ है। कई ओएफईटी अब पतली-फिल्म ट्रांजिस्टर (टीएफटी) मॉडल के आधार पर डिजाइन किए गए हैं, जो उपकरणों को उनके डिजाइन में कम प्रवाहकीय सामग्री का उपयोग करने की अनुमति देता है। पिछले कुछ वर्षों में इन मॉडलों में क्षेत्र-प्रभाव गतिशीलता और चालू-बंद वर्तमान अनुपात में सुधार किया गया है।

सामग्री
OFET सामग्रियों की एक सामान्य विशेषता एक सुगन्धित या अन्यथा संयुग्मित प्रणाली π-इलेक्ट्रॉन प्रणाली का समावेश है, जो कक्षीय तरंगों के निरूपण की सुविधा प्रदान करती है। इलेक्ट्रॉन निकालने वाले समूहों या दान करने वाले समूहों को जोड़ा जा सकता है जो छेद या इलेक्ट्रॉन परिवहन की सुविधा प्रदान करते हैं।

सक्रिय अर्धचालक परत के रूप में कई सुगन्धित और संयुग्मित सामग्रियों को नियोजित करने वाले OFETs की सूचना दी गई है, जिनमें छोटे अणु जैसे रूब्रिक, टेट्रासीन, पेंटासीन, diindenoperylene, perylenediimides, टेट्रासायनोक्विनोडिमिथेन (TCNQ) और पॉलीथियोफीन जैसे पॉलिमर (विशेष रूप से पॉली (3-हेक्सिलथियोफेन)) सम्मिलित हैं। P3HT)), पॉलीफ्लोरीन, पॉलीडायसेटिलीन, पॉली (2,5-थिएनिलीन विनाइलीन), पॉली (पी-फेनिलीन विनाइलीन) (पीपीवी)।

क्षेत्र बहुत सक्रिय है, नए संश्लेषित और परीक्षण किए गए यौगिकों के साथ प्रमुख शोध पत्रिकाओं में साप्ताहिक रिपोर्ट की गई है। इन सामग्रियों के विकास का दस्तावेजीकरण करने वाले कई समीक्षा लेख उपस्थित हैं। रूब्रीन-आधारित ओएफईटी उच्चतम वाहक गतिशीलता 20–40 सेमी दिखाते हैं2/(वी·एस). एक अन्य लोकप्रिय OFET सामग्री पेंटासीन है, जिसका उपयोग 1980 के दशक से किया जाता रहा है, लेकिन गतिशीलता के साथ रूब्रीन की तुलना में 10 से 100 गुना कम (सब्सट्रेट पर निर्भर करता है)। पेंटासीन, साथ ही साथ कई अन्य कार्बनिक संवाहकों के साथ प्रमुख समस्या, पेंटासीन-क्विनोन बनाने के लिए हवा में इसका तेजी से ऑक्सीकरण है। हालाँकि यदि पेंटासीन पूर्व-ऑक्सीकृत है, और इस प्रकार गठित पेंटासीन-क्विनोन का उपयोग गेट इंसुलेटर के रूप में किया जाता है, तो गतिशीलता रूब्रीन मूल्यों तक पहुँच सकती है। यह पेंटासीन ऑक्सीकरण तकनीक सिलिकॉन इलेक्ट्रॉनिक्स में प्रयुक्त सिलिकॉन ऑक्सीकरण के समान है।

पॉलीक्रिस्टलाइन टेट्राथियाफुलवालेन और इसके अनुरूप 0.1-1.4 सेमी की सीमा में गतिशीलता का परिणाम है2/(वी·एस). हालाँकि, गतिशीलता 10 सेमी से अधिक है2/(V·s) समाधान-विकसित या वाष्प-परिवहन-विकसित एकल क्रिस्टलीय हेक्सामेथिलीन-टेट्राथियाफुलवेलीन (HMTTF) में। उन दो तकनीकों द्वारा उगाए गए उपकरणों के लिए ऑन/ऑफ वोल्टेज अलग है, संभवतः वाष्प परिवहन में उपयोग किए जाने वाले उच्च प्रसंस्करण तापमान के कारण बढ़ता है।

उपर्युक्त सभी उपकरण पी-टाइप चालकता पर आधारित हैं। एन-टाइप ओएफईटी अभी तक खराब विकसित हैं। वे सामान्यतः पेरिलीनडाइमाइड्स या फुलरीन या उनके डेरिवेटिव पर आधारित होते हैं, और 2 सेमी से नीचे इलेक्ट्रॉन गतिशीलता दिखाते हैं 2/(वी एस)।

जैविक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर का उपकरण डिजाइन
क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर के तीन आवश्यक घटक स्रोत, नाली और द्वार हैं। फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर सामान्यतः कैपेसिटर के रूप में काम करते हैं। वे दो प्लेटों से बने होते हैं। एक प्लेट दो ओमिक संपर्कों के बीच एक संवाहक चैनल के रूप में काम करती है, जिन्हें स्रोत और नाली संपर्क कहा जाता है। दूसरी प्लेट चैनल में प्रेरित चार्ज को नियंत्रित करने के लिए काम करती है और इसे गेट कहा जाता है। चैनल में वाहकों की गति की दिशा स्रोत से नाली की ओर होती है। इसलिए इन तीन घटकों के बीच संबंध यह है कि गेट वाहक आंदोलन को स्रोत से नाली तक नियंत्रित करता है। जब इस कैपेसिटर अवधारणा को डिवाइस डिज़ाइन पर लागू किया जाता है, तो नियंत्रक - अर्थात गेट में अंतर के आधार पर विभिन्न डिवाइस बनाए जा सकते हैं। यह गेट सामग्री हो सकती है, चैनल के संबंध में गेट का स्थान, गेट को चैनल से कैसे अलग किया जाता है, और किस प्रकार का वाहक गेट वोल्टेज द्वारा चैनल में प्रेरित होता है (जैसे एन-चैनल डिवाइस में इलेक्ट्रॉन, एक पी-चैनल डिवाइस में छेद, और एक डबल इंजेक्शन डिवाइस में इलेक्ट्रॉन और छेद दोनों)।

वाहक के गुणों द्वारा वर्गीकृत, तीन प्रकार के FET को चित्र 1 में योजनाबद्ध रूप से दिखाया गया है। वे MOSFET (मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर), MESFET (मेटल-सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर) और TFT (थिन-फिल्म ट्रांजिस्टर) हैं।

एमओएसएफईटी
आधुनिक माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक में सबसे प्रमुख और व्यापक रूप से इस्तेमाल किया जाने वाला FET MOSFET (मेटल-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर FET) है। इस श्रेणी में विभिन्न प्रकार हैं, जैसे MISFET (धातु-इन्सुलेटर-अर्धचालक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर), और IGFET (अछूता-गेट FET)। एमआईएसएफईटी का एक योजनाबद्ध चित्र 1ए में दिखाया गया है। स्रोत और नाली अर्धचालक से जुड़े हुए हैं और गेट को इन्सुलेटर की परत से चैनल से अलग किया जाता है। यदि गेट पर कोई पूर्वाग्रह (संभावित अंतर) लागू नहीं होता है, तो धातु के संचालन बैंड और सेमीकंडक्टर फर्मी स्तर के ऊर्जा अंतर के कारण बैंड झुकने को प्रेरित किया जाता है। इसलिए, सेमीकंडक्टर और इन्सुलेटर के इंटरफेस पर छिद्रों की उच्च सांद्रता बनती है। जब गेट संपर्क पर पर्याप्त सकारात्मक पूर्वाग्रह लागू होता है, तो मुड़ा हुआ बैंड सपाट हो जाता है। यदि एक बड़ा सकारात्मक पूर्वाग्रह लागू किया जाता है, तो विपरीत दिशा में बैंड झुकता है और इन्सुलेटर-सेमीकंडक्टर इंटरफ़ेस के करीब का क्षेत्र छिद्रों से रहित हो जाता है। फिर क्षीण क्षेत्र बनता है। इससे भी बड़े सकारात्मक पूर्वाग्रह पर, बैंड बेंडिंग इतना बड़ा हो जाता है कि सेमीकंडक्टर और इंसुलेटर के इंटरफेस पर फर्मी स्तर वैलेंस बैंड के शीर्ष की तुलना में कंडक्शन बैंड के नीचे के करीब हो जाता है, इसलिए, यह एक व्युत्क्रम बनाता है इलेक्ट्रॉनों की परत, संवाहक चैनल प्रदान करती है। अंत में, यह डिवाइस को चालू करता है।

मेस्फेट
दूसरे प्रकार के उपकरण का वर्णन Fig.1b में किया गया है। एमआईएसएफईटी से इसका एकमात्र अंतर यह है कि एन-टाइप स्रोत और नाली एन-टाइप क्षेत्र से जुड़े हुए हैं। इस मामले में, कमी क्षेत्र सामान्य रूप से "ऑफ" डिवाइस में शून्य गेट वोल्टेज पर एन-टाइप चैनल पर फैला हुआ है (यह एमआईएसएफईटी मामले में बड़े सकारात्मक पूर्वाग्रह के समान है)। सामान्य रूप से "चालू" डिवाइस में, चैनल का एक हिस्सा समाप्त नहीं होता है, और इस प्रकार शून्य गेट वोल्टेज पर वर्तमान का मार्ग होता है।

टीएफटी
एक पतली-फिल्म ट्रांजिस्टर (टीएफटी) को चित्र 1सी में दिखाया गया है। यहां स्रोत और नाली इलेक्ट्रोड सीधे संचालन चैनल (अर्धचालक की पतली परत) पर जमा होते हैं, फिर अर्धचालक और धातु गेट संपर्क के बीच इन्सुलेटर की एक पतली फिल्म जमा की जाती है। यह संरचना बताती है कि डिवाइस को सब्सट्रेट से अलग करने के लिए कोई कमी क्षेत्र नहीं है। यदि शून्य पूर्वाग्रह है, तो सेमीकंडक्टर और धातु के फर्मी-स्तर ऊर्जा अंतर के कारण इलेक्ट्रॉनों को सतह से निष्कासित कर दिया जाता है। इससे सेमीकंडक्टर का बैंड बेंडिंग होता है। इस मामले में, स्रोत और नाली के बीच कोई वाहक आंदोलन नहीं होता है। जब सकारात्मक चार्ज लगाया जाता है, तो इंटरफ़ेस पर इलेक्ट्रॉनों का संचय अर्धचालक के विपरीत तरीके से झुकने की ओर जाता है और अर्धचालक के फर्मी-स्तर के संबंध में चालन बैंड को कम करने की ओर जाता है। फिर इंटरफ़ेस पर एक अत्यधिक प्रवाहकीय चैनल बनता है (चित्र 2 में दिखाया गया है)।



ओएफईटी
OFETs TFT की संरचना को अपनाते हैं। संवाहक बहुलक के विकास के साथ, छोटे संयुग्मित अणुओं के अर्धचालक गुणों को मान्यता दी गई है। ओएफईटी में रुचि पिछले दस वर्षों में काफी बढ़ी है। रुचि के इस उछाल के कारण कई गुना हैं। ओएफईटी का प्रदर्शन, जो 0.5-1 सेमी की क्षेत्र-प्रभाव गतिशीलता के साथ अनाकार सिलिकॉन (ए-सी) टीएफटी के साथ प्रतिस्पर्धा कर सकता है2 वी-1 एस−1 और 10 का चालू/बंद वर्तमान अनुपात (जो उपकरण के बंद होने की क्षमता को दर्शाता है)6–108, काफ़ी सुधार हुआ है। वर्तमान में, थिन-फिल्म OFET गतिशीलता मान 5 सेमी2 वी-1 एस−1 निर्वात जमा छोटे अणुओं के मामले में और 0.6 सेमी2 वी-1 एस −1 सॉल्यूशन-प्रोसेस्ड पॉलीमर के लिए दाखिल कर दिया हैं। नतीजतन, अब उन अनुप्रयोगों के लिए ओएफईटी का उपयोग करने में अधिक औद्योगिक रुचि है जो वर्तमान में ए-सी या अन्य अकार्बनिक ट्रांजिस्टर प्रौद्योगिकियों के उपयोग के साथ असंगत हैं। उनके मुख्य तकनीकी आकर्षणों में से एक यह है कि ओएफईटी की सभी परतों को कम लागत वाले समाधान-प्रसंस्करण और डायरेक्ट-राइट प्रिंटिंग के संयोजन से कमरे के तापमान पर जमा और प्रतिरूपित किया जा सकता है, जो उन्हें कम लागत की प्राप्ति के लिए आदर्श रूप से उपयुक्त बनाता है, लचीले सबस्ट्रेट्स पर बड़े क्षेत्र के इलेक्ट्रॉनिक कार्य।

डिवाइस तैयारी
थर्मली ऑक्सीडाइज्ड सिलिकॉन ओएफईटी के लिए एक पारंपरिक सब्सट्रेट है जहां सिलिकॉन डाइऑक्साइड गेट इंसुलेटर के रूप में कार्य करता है। सक्रिय FET परत सामान्यतः इस सब्सट्रेट पर या तो (i) थर्मल वाष्पीकरण, (ii) कार्बनिक समाधान से कोटिंग, या (iii) इलेक्ट्रोस्टैटिक लेमिनेशन का उपयोग करके जमा की जाती है। पहली दो तकनीकों के परिणामस्वरूप पॉलीक्रिस्टलाइन सक्रिय परतें होती हैं; वे उत्पादन करने में बहुत आसान होते हैं, लेकिन ट्रांजिस्टर का प्रदर्शन अपेक्षाकृत खराब होता है। समाधान कोटिंग तकनीक (ii) के कई रूप ज्ञात हैं, जिनमें गहरा कोटिंग, स्पिन कोटिंग, इंकजेट प्रिंटर और स्क्रीन प्रिंटिंग सम्मिलित हैं। इलेक्ट्रोस्टैटिक लेमिनेशन तकनीक एक कार्बनिक क्रिस्टल से एक पतली परत को मैन्युअल रूप से छीलने पर आधारित है; इसका परिणाम एक बेहतर एकल-क्रिस्टलीय सक्रिय परत में होता है, फिर भी यह अधिक थकाऊ है। गेट ऑक्साइड और सक्रिय परत की मोटाई एक माइक्रोमीटर से कम होती है।

वाहक परिवहन
ओएफईटी में वाहक परिवहन डिवाइस के माध्यम से द्वि-आयामी (2डी) वाहक प्रसार के लिए विशिष्ट है। इस अध्ययन के लिए विभिन्न प्रयोगात्मक तकनीकों का उपयोग किया गया था, जैसे हेन्स-शॉक्ले प्रयोग, इंजेक्शन वाहकों के पारगमन समय पर, समय-की-उड़ान (टीओएफ) प्रयोग वाहक गतिशीलता के निर्धारण के लिए, इंसुलेटर में विद्युत-क्षेत्र वितरण की जांच के लिए दबाव-तरंग प्रसार प्रयोग, ओरिएंटेशनल द्विध्रुवीय परिवर्तनों की जांच के लिए कार्बनिक मोनोलेयर प्रयोग, ऑप्टिकल समय-समाधान दूसरी हार्मोनिक पीढ़ी (टीआरएम-एसएचजी), आदि। जबकि वाहक पॉलीक्रिस्टलाइन के माध्यम से प्रचार करते हैं। OFETs प्रसार की तरह (जाल-सीमित) तरीके से, वे सर्वश्रेष्ठ एकल-क्रिस्टलीय OFETs में चालन बैंड के माध्यम से आगे बढ़ते हैं।

ओएफईटी वाहक परिवहन का सबसे महत्वपूर्ण पैरामीटर वाहक गतिशीलता है। ओएफईटी अनुसंधान के वर्षों में इसका विकास पॉलीक्रिस्टलाइन और सिंगल क्रिस्टलीय ओएफईटी के ग्राफ में दिखाया गया है। क्षैतिज रेखाएं मुख्य ओएफईटी प्रतिस्पर्धियों - अनाकार (ए-सी) और पॉलीक्रिस्टलाइन सिलिकॉन के तुलना गाइडों को इंगित करती हैं। ग्राफ से पता चलता है कि पॉलीक्रिस्टलाइन OFETs में गतिशीलता a-Si की तुलना में है जबकि रूब्रीन-आधारित OFETs में गतिशीलता (20-40 सेमी2/(V·s)) सर्वोत्तम पॉली-सिलिकॉन उपकरणों की तरह है।

OFETs में आवेश वाहक गतिशीलता के सटीक मॉडल का विकास अनुसंधान का एक सक्रिय क्षेत्र है। फिशचुक एट अल। ओएफईटी में वाहक गतिशीलता का एक विश्लेषणात्मक मॉडल विकसित किया है जो वाहक घनत्व और पोलरॉन के लिए खाता है। जबकि वाहक गतिशीलता मॉडल के लिए इनपुट के रूप में उपयोग किए जाने पर औसत वाहक घनत्व की गणना सामान्यतः गेट वोल्टेज के कार्य के रूप में की जाती है, संग्राहक आयाम परावर्तन स्पेक्ट्रोस्कोपी (MARS) को एक OFET चैनल में वाहक घनत्व का एक स्थानिक मानचित्र प्रदान करने के लिए दिखाया गया है।

प्रकाश उत्सर्जक OFETs
क्योंकि इस तरह के एक ट्रांजिस्टर के माध्यम से एक विद्युत प्रवाह बहता है, इसे प्रकाश उत्सर्जक उपकरण के रूप में इस्तेमाल किया जा सकता है, इस प्रकार वर्तमान मॉडुलन और प्रकाश उत्सर्जन को एकीकृत किया जा सकता है। 2003 में, एक जर्मन समूह ने पहले जैविक प्रकाश उत्सर्जक क्षेत्र-प्रभाव ट्रांजिस्टर (OLET) की सूचना दी। डिवाइस संरचना में इंटरडिजिटल सोना  स्रोत- और नाली इलेक्ट्रोड और एक  polycrystalline  टेट्रासीन पतली फिल्म सम्मिलित है। दोनों, धनात्मक आवेश (इलेक्ट्रॉनों छिद्र) और साथ ही ऋणात्मक आवेश (इलेक्ट्रॉन) इस परत में सोने के संपर्कों से इंजेक्ट किए जाते हैं, जिससे टेट्रासीन से इलेक्ट्रोल्यूमिनिसेंस होता है।

यह भी देखें

 * कार्बनिक इलेक्ट्रॉनिक्स
 * ओएलईडी
 * चार्ज मॉड्यूलेशन स्पेक्ट्रोस्कोपी
 * पतली फिल्म वाला ट्रांजिस्टर
 * ऑक्साइड पतली फिल्म ट्रांजिस्टर