新型材料体系双电层突触晶体管的研究
发布时间：2020-10-15 00:53
双电层突触晶体管因其具有超低的工作电压、高离子迁移率等优点引起了广泛的关注。为进一步提高双电层突触晶体管的电学性能,选择合适的栅介质材料成为有效途径之一。本文从新型栅介质材料体系入手,利用KH550-GO、PSG和甲基纤维素固态电解质作为栅介质设计和制备双电层突触晶体管,并分析器件的电学性能。进一步拓展该双电层突触晶体管作为人造突触器件在突触可塑性仿生领域的应用,这有助于简化神经形态电路设计和降低系统功耗,并将为实现人工智能和人造大脑提供了可选择的微电子元器件和理论支持。本文主要研究内容如下:首先,利用GO中羧基和KH550中的氨基之间的缩合反应,制备了KH550-GO固体电解质薄膜,并以此为栅介质制备出KH550-GO固态电解质双电层突触晶体管。研究发现KH550-GO固体电解质具有优异的调控效应。进一步设计出基于该晶体管的电阻负载型反相器,反相器的电压增益会随V_(DD)的增加而逐渐从6.2增加到24,结果表明该晶体管可调控电压增益从而达到驱动逻辑电路下一级元件的要求。将器件的底栅结构扩展成双侧栅结构,并在此基础上实现了“与”门逻辑运算功能。最后利用该器件成功实现生物突触可塑性的仿生,包括EPSC、PPF、Filter、Adaption等短程塑性,STP向LTP的转变,以及刺激-依赖可塑性。其次,采用PECVD设备制备了纳米颗粒PSG薄膜,并以此为栅介质制备了纳米颗粒PSG薄膜双电层突触晶体管。研究发现该晶体管展现出优异的电学特性。其工作电压、电流开关比和场效应迁移率分别为1.2 V,1.2×10~7和3.2 cm~2/V·s。以纳米颗粒PSG薄膜双电层突触晶体管作为人造突触模拟生物突触可塑性行为,发现该器件的突触可塑性具有活性依赖和湿度依赖。最后,在ITO导电玻璃衬底上,以甲基纤维素为栅介质制备双电层突触晶体管。研究结果表明甲基纤维素的电容在频率为1 Hz时为1.7μF/cm~2。甲基纤维素具有疏松的微结构,其内部孔道充当了质子移动的通道,质子电导率高达1.0×10~-33 S/cm。该双电层突触晶体管的工作电压仅为1.0 V、开关电流比大于10~6、亚阈值斜率为84.5 mv/dec.,以及场效应迁移率为38.4 cm~2/V·s。通过改变加载脉冲的波形、幅值、宽度以及数量来模拟生物突触中动作电位的诱发过程,这一研究结果类似于生物突触的EPSP变化特性。
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN32
【部分图文】：
图 1.1 (a) 电极表面带正电荷的双电层结构示意图；(b) Stern 双电层模型[7]Fig. 1.1 (a) The structural representation of EDL. (b) Stern mould of formation mechanism.双电层突触晶体管主要有静电耦合和电化学掺杂两种工作模式。在图 1.2 (a)所示的 P型沟道晶体管中，当加载一个较小的负栅压时，如图 1.2 (b)所示，电解质中可移动的阳离子会在电场的作用下定向移动到栅极/电解质界面处，阴离子会定向移动至电解质/沟道界面处，然后分别在栅极和沟道内诱导出等量的相反电荷，从而在各自的界面处形成两个厚度约为 1 nm 的双电层。在此过程中，电解质中的阴离子始终都聚集在电解质/沟道界面处，且不会穿透进入沟道中，沟道电流(Ids)的产生全源于双电层效应的静电耦合。稳态的情况下，几乎所有的栅极电压降都作用于两个双电层内，整个器件的电容由两个双电层电容串联组成。这种基于电解质/沟道界面处的静电耦合作用的工作模式称为静电耦合晶体管。当加载的负栅压超过一定范围时，如图 1.2 (c)所示，聚集在栅极/电解质界面处的阳离子数量不会变化，而聚集在电解质/沟道处的阴离子会穿透界面进入沟道内，补偿一部分诱导的空穴。这种基于电解质/沟道层界面处的电化学掺杂的工作模式称为电化学掺杂晶体
GT 截面示意图；(b) 静电耦合晶体管；(c) 电化学掺杂晶体管原理ction of an EGT. (b) Electrostatic coupled transistor. (c) Electrochemic晶体管的研究现状层突触晶体管的研究中采用的栅介质材料主要有以下几子凝胶[12-20]、固态电解质[21-24]和电解质溶液[25-27]等。聚合电解质[28]是将高氯酸盐(比如 LiClO4)溶解于聚环氧合物电解质。因 PEO 链具有柔韧性，PEO 链中氧孤对有LiClO4为栅介质，以聚噻吩(P3HT)为沟道层制备的双电层，其中空穴的场效应迁移率为 0.7 cm2/V·s。但基于聚合体管的响应时间会受到离子迁移速度的限制，不适合应突触晶体管的开关速度和工作频率受到限制，开发高离介质成了目前研究热点之一[30-32]。此外，以离子液制备
新材料体系双电层突触晶体管的研究为 1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([BMIM] [PF6])，其低频电容高达 41 μF/cm2质制备的晶体管具有~105的开关比和~0.6 cm2/(V·s)的迁移率。此外，离子胶应能缩短晶体管的响应时间。利用溶液法制备的离子胶可与喷墨打印或丝网泛应用于柔性电子学和打印电子学领域。(a)
【参考文献】
本文编号：2841448
【学位单位】：江苏大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TN32
【部分图文】：
图 1.1 (a) 电极表面带正电荷的双电层结构示意图；(b) Stern 双电层模型[7]Fig. 1.1 (a) The structural representation of EDL. (b) Stern mould of formation mechanism.双电层突触晶体管主要有静电耦合和电化学掺杂两种工作模式。在图 1.2 (a)所示的 P型沟道晶体管中，当加载一个较小的负栅压时，如图 1.2 (b)所示，电解质中可移动的阳离子会在电场的作用下定向移动到栅极/电解质界面处，阴离子会定向移动至电解质/沟道界面处，然后分别在栅极和沟道内诱导出等量的相反电荷，从而在各自的界面处形成两个厚度约为 1 nm 的双电层。在此过程中，电解质中的阴离子始终都聚集在电解质/沟道界面处，且不会穿透进入沟道中，沟道电流(Ids)的产生全源于双电层效应的静电耦合。稳态的情况下，几乎所有的栅极电压降都作用于两个双电层内，整个器件的电容由两个双电层电容串联组成。这种基于电解质/沟道界面处的静电耦合作用的工作模式称为静电耦合晶体管。当加载的负栅压超过一定范围时，如图 1.2 (c)所示，聚集在栅极/电解质界面处的阳离子数量不会变化，而聚集在电解质/沟道处的阴离子会穿透界面进入沟道内，补偿一部分诱导的空穴。这种基于电解质/沟道层界面处的电化学掺杂的工作模式称为电化学掺杂晶体
GT 截面示意图；(b) 静电耦合晶体管；(c) 电化学掺杂晶体管原理ction of an EGT. (b) Electrostatic coupled transistor. (c) Electrochemic晶体管的研究现状层突触晶体管的研究中采用的栅介质材料主要有以下几子凝胶[12-20]、固态电解质[21-24]和电解质溶液[25-27]等。聚合电解质[28]是将高氯酸盐(比如 LiClO4)溶解于聚环氧合物电解质。因 PEO 链具有柔韧性，PEO 链中氧孤对有LiClO4为栅介质，以聚噻吩(P3HT)为沟道层制备的双电层，其中空穴的场效应迁移率为 0.7 cm2/V·s。但基于聚合体管的响应时间会受到离子迁移速度的限制，不适合应突触晶体管的开关速度和工作频率受到限制，开发高离介质成了目前研究热点之一[30-32]。此外，以离子液制备
新材料体系双电层突触晶体管的研究为 1-丁基-3-甲基咪唑六氟磷酸盐([BMIM] [PF6])，其低频电容高达 41 μF/cm2质制备的晶体管具有~105的开关比和~0.6 cm2/(V·s)的迁移率。此外，离子胶应能缩短晶体管的响应时间。利用溶液法制备的离子胶可与喷墨打印或丝网泛应用于柔性电子学和打印电子学领域。(a)
【参考文献】
相关期刊论文 前1条
1 颜钟惠;王瑶;吴国栋;轩瑞杰;李想;;基于微孔SiO_2栅介质的透明氧化物薄膜晶体管[J];材料导报;2013年06期
相关博士学位论文 前2条
1 刘阳辉;氧化物双电层晶体管及其人造突触和生化传感应用[D];中国科学院宁波材料技术与工程研究所;2016年
2 万昌锦;双电层耦合氧化物神经形态晶体管研究[D];中国科学院宁波材料技术与工程研究所;2016年
本文编号：2841448
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/dianzigongchenglunwen/2841448.html
