雙電層突觸晶體管因其具有超低的工作電壓、高離子遷移率等優(yōu)點引起了廣泛的關(guān)注。為進一步提高雙電層突觸晶體管的電學(xué)性能,選擇合適的柵介質(zhì)材料成為有效途徑之一。本文從新型柵介質(zhì)材料體系入手,利用KH550-GO、PSG和甲基纖維素固態(tài)電解質(zhì)作為柵介質(zhì)設(shè)計和制備雙電層突觸晶體管,并分析器件的電學(xué)性能。進一步拓展該雙電層突觸晶體管作為人造突觸器件在突觸可塑性仿生領(lǐng)域的應(yīng)用,這有助于簡化神經(jīng)形態(tài)電路設(shè)計和降低系統(tǒng)功耗,并將為實現(xiàn)人工智能和人造大腦提供了可選擇的微電子元器件和理論支持。本文主要研究內(nèi)容如下:首先,利用GO中羧基和KH550中的氨基之間的縮合反應(yīng),制備了KH550-GO固體電解質(zhì)薄膜,并以此為柵介質(zhì)制備出KH550-GO固態(tài)電解質(zhì)雙電層突觸晶體管。研究發(fā)現(xiàn)KH550-GO固體電解質(zhì)具有優(yōu)異的調(diào)控效應(yīng)。進一步設(shè)計出基于該晶體管的電阻負(fù)載型反相器,反相器的電壓增益會隨V_(DD)的增加而逐漸從6.2增加到24,結(jié)果表明該晶體管可調(diào)控電壓增益從而達(dá)到驅(qū)動邏輯電路下一級元件的要求。將器件的底柵結(jié)構(gòu)擴展成雙側(cè)柵結(jié)構(gòu),并在此基礎(chǔ)上實現(xiàn)了“與”門邏輯運算功能。最后利用該器件成功實現(xiàn)生物突觸可塑性的仿生,包括EPSC、PPF、Filter、Adaption等短程塑性,STP向LTP的轉(zhuǎn)變,以及刺激-依賴可塑性。其次,采用PECVD設(shè)備制備了納米顆粒PSG薄膜,并以此為柵介質(zhì)制備了納米顆粒PSG薄膜雙電層突觸晶體管。研究發(fā)現(xiàn)該晶體管展現(xiàn)出優(yōu)異的電學(xué)特性。其工作電壓、電流開關(guān)比和場效應(yīng)遷移率分別為1.2 V,1.2×10~7和3.2 cm~2/V·s。以納米顆粒PSG薄膜雙電層突觸晶體管作為人造突觸模擬生物突觸可塑性行為,發(fā)現(xiàn)該器件的突觸可塑性具有活性依賴和濕度依賴。最后,在ITO導(dǎo)電玻璃襯底上,以甲基纖維素為柵介質(zhì)制備雙電層突觸晶體管。研究結(jié)果表明甲基纖維素的電容在頻率為1 Hz時為1.7μF/cm~2。甲基纖維素具有疏松的微結(jié)構(gòu),其內(nèi)部孔道充當(dāng)了質(zhì)子移動的通道,質(zhì)子電導(dǎo)率高達(dá)1.0×10~-33 S/cm。該雙電層突觸晶體管的工作電壓僅為1.0 V、開關(guān)電流比大于10~6、亞閾值斜率為84.5 mv/dec.,以及場效應(yīng)遷移率為38.4 cm~2/V·s。通過改變加載脈沖的波形、幅值、寬度以及數(shù)量來模擬生物突觸中動作電位的誘發(fā)過程,這一研究結(jié)果類似于生物突觸的EPSP變化特性。
【學(xué)位單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位年份】：2018
【中圖分類】：TN32
【部分圖文】：

圖 1.1 (a) 電極表面帶正電荷的雙電層結(jié)構(gòu)示意圖；(b) Stern 雙電層模型[7]Fig. 1.1 (a) The structural representation of EDL. (b) Stern mould of formation mechanism.雙電層突觸晶體管主要有靜電耦合和電化學(xué)摻雜兩種工作模式。在圖 1.2 (a)所示的 P型溝道晶體管中，當(dāng)加載一個較小的負(fù)柵壓時，如圖 1.2 (b)所示，電解質(zhì)中可移動的陽離子會在電場的作用下定向移動到柵極/電解質(zhì)界面處，陰離子會定向移動至電解質(zhì)/溝道界面處，然后分別在柵極和溝道內(nèi)誘導(dǎo)出等量的相反電荷，從而在各自的界面處形成兩個厚度約為 1 nm 的雙電層。在此過程中，電解質(zhì)中的陰離子始終都聚集在電解質(zhì)/溝道界面處，且不會穿透進入溝道中，溝道電流(Ids)的產(chǎn)生全源于雙電層效應(yīng)的靜電耦合。穩(wěn)態(tài)的情況下，幾乎所有的柵極電壓降都作用于兩個雙電層內(nèi)，整個器件的電容由兩個雙電層電容串聯(lián)組成。這種基于電解質(zhì)/溝道界面處的靜電耦合作用的工作模式稱為靜電耦合晶體管。當(dāng)加載的負(fù)柵壓超過一定范圍時，如圖 1.2 (c)所示，聚集在柵極/電解質(zhì)界面處的陽離子數(shù)量不會變化，而聚集在電解質(zhì)/溝道處的陰離子會穿透界面進入溝道內(nèi)，補償一部分誘導(dǎo)的空穴。這種基于電解質(zhì)/溝道層界面處的電化學(xué)摻雜的工作模式稱為電化學(xué)摻雜晶體

GT 截面示意圖；(b) 靜電耦合晶體管；(c) 電化學(xué)摻雜晶體管原理ction of an EGT. (b) Electrostatic coupled transistor. (c) Electrochemic晶體管的研究現(xiàn)狀層突觸晶體管的研究中采用的柵介質(zhì)材料主要有以下幾子凝膠[12-20]、固態(tài)電解質(zhì)[21-24]和電解質(zhì)溶液[25-27]等。聚合電解質(zhì)[28]是將高氯酸鹽(比如 LiClO4)溶解于聚環(huán)氧合物電解質(zhì)。因 PEO 鏈具有柔韌性，PEO 鏈中氧孤對有LiClO4為柵介質(zhì)，以聚噻吩(P3HT)為溝道層制備的雙電層，其中空穴的場效應(yīng)遷移率為 0.7 cm2/V·s。但基于聚合體管的響應(yīng)時間會受到離子遷移速度的限制，不適合應(yīng)突觸晶體管的開關(guān)速度和工作頻率受到限制，開發(fā)高離介質(zhì)成了目前研究熱點之一[30-32]。此外，以離子液制備

新材料體系雙電層突觸晶體管的研究為 1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸鹽([BMIM] [PF6])，其低頻電容高達(dá) 41 μF/cm2質(zhì)制備的晶體管具有~105的開關(guān)比和~0.6 cm2/(V·s)的遷移率。此外，離子膠應(yīng)能縮短晶體管的響應(yīng)時間。利用溶液法制備的離子膠可與噴墨打印或絲網(wǎng)泛應(yīng)用于柔性電子學(xué)和打印電子學(xué)領(lǐng)域。(a)
【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前1條

1 顏鐘惠;王瑤;吳國棟;軒瑞杰;李想;;基于微孔SiO_2柵介質(zhì)的透明氧化物薄膜晶體管[J];材料導(dǎo)報;2013年06期

相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

1 劉陽輝;氧化物雙電層晶體管及其人造突觸和生化傳感應(yīng)用[D];中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所;2016年

2 萬昌錦;雙電層耦合氧化物神經(jīng)形態(tài)晶體管研究[D];中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所;2016年

本文編號：2841448