有机场效应晶体管(Organic field effect transistor, OFET)的非线性特性是指其输出特性曲线在较低的漏极电压下出现类似于二极管的电压电流特性曲线, 这种现象在有机场效应晶体管的实验研究中极为常见。 Simonetti等通过引入随栅极电压变化的迁移率提出了模型并成功解释了这一现象, 但实验中从器件转移特性得出的迁移率通常与栅极电压无关。本文通过引入常数迁移率对该模型进行改进, 运用改进的模型研究了影响OFET非线性特性的主要因素, 并对如何更加准确地获得器件参数进行了探究。

采用有限元方法, 借助多物理场软件COMSOL模拟了底栅顶接触结构有机场效应晶体管电位和载流子浓度随源漏电压Vds的变化。模拟结果表明, 当固定栅压Vg=-10 V时, 改变Vds从0~-10 V, 对于电位分布, 从栅极到源漏电极竖直方向有渐进的变化, 而从源极到漏极的水平方向呈现由大到小明显的梯度变化。对于载流子浓度, 观察到沟道处从源极向漏极逐渐减少, 在靠近漏极的区域减少得尤为明显, 而当源漏电压等于栅极电压时, 产生夹断现象。进一步将模拟结果与实际制备的器件性能进行了对比, 模拟结果与实验数据所显示的分布趋势大体相同, 印证了模拟的合理性。由此表明, 采用模拟方法分析有机场效应晶体管的器件特性, 对于实际制备器件具有重要的指导意义。

采用并五苯(Pentacene)和酞菁铅(PbPc)两种有机材料作为有源层, 制备了异质结有机光敏场效应管。在波长为808 nm、强度为124 mW/cm2的近红外光照条件下, 异质结phOFET获得最大的光暗电流比达4.4×104, 栅压为-50 V时的最大光响应度为118 mA/W, 比单层酞菁铅phOFET分别高出766倍和785倍。在经过120 h后, 器件的最大光暗电流比和最大光响应度分别稳定于5.4×104和326 mA/W附近。由于在异质结phOFET中采用了对近红外光具有高吸收效率的酞菁铅作为光敏层, 而高空穴迁移率的并五苯材料作为靠近栅介质的沟道层, 光生载流子的产生与传输能力得到了有效的提高。实验结果表明, 基于并五苯/酞菁铅的有机异质结应用于光敏有机场效应管的结构设计中, 可以使phOFET成为一种同时具有良好光敏性及稳定性的近红外光探测器件。