A 部分：快速开始 – 模拟你的第一个 OFET

本节在引导你使用 OghmaNano 进行仿真之前，介绍有机场效应晶体管（OFET）的基本理论。

1. p 型有机场效应晶体管（OFET）的基本理论

?? 显示了典型 OFET 的结构。一层薄的有机半导体层（蓝色）沉积在绝缘聚合物/SiO₂ 层（灰色）之上。两个接触——源极与漏极——位于半导体顶部，用于注入与收集电荷载流子；第三个接触——栅极（绿色）——位于绝缘层下方，用于控制器件工作。

在工作过程中，栅极电极通过有机半导体层调制源极与漏极之间的载流子流动。对栅极施加电压会在绝缘层上产生电场，这会使半导体-绝缘体界面处形成一层薄的电荷（红色），这非常类似于对电容器施加电势时产生的电荷层。根据材料体系，主导载流子可以是空穴（p 型）或电子（n 型）；在 p 型材料中施加 -ve 电势以形成空穴层（可见于 ??b:）。当源极与漏极之间施加偏压时，这些载流子在诱导沟道中漂移，器件被打开（??c）。如果关闭施加到栅极的电压，电荷沟道消失，源极与漏极之间的载流子流动停止。一般而言，电流水平由栅极电压决定：低于某个阈值时，沟道保持绝缘；高于该阈值时，沟道电导随栅极偏压增加而增加。这种场效应控制使 OFET 可作为开关工作，或在低场线性区作为放大器工作，其性能由载流子迁移率、阈值电压与接触电阻等因素决定。

OFET 的工作如 ??a–c 所示：

1. 初始状态 — 关闭（??a）。 当所有端子为 0 V 时，半导体–绝缘体界面不诱导电荷。 源极与漏极之间不存在导电通路，因此器件保持关闭。
2. 栅极偏压 - 沟道形成（??b）。 对栅极施加负电压会在绝缘层上产生电场。 该电场通过静电作用将空穴吸引到半导体–绝缘体界面， 形成一层薄的累积层（沟道）。当 VDS=0 时器件 仍无电流，但导电沟道已建立。
3. 漏极偏压 - 电流流动（??c）。 相对于源极对漏极施加负电压 （VDS<0，源极 ≈ 0 V）会将空穴从源极注入沟道。 空穴沿栅极诱导的沟道漂移至漏极，从而产生 漏极电流。更负的栅极偏压会增强累积沟道并增加电流。

本质上，栅极电场在半导体–绝缘体界面诱导出一条导电沟道。只有当该沟道 存在时，源极与漏极之间才有电流流动，从而使 OFET 作为电压控制开关或放大器工作。去除栅极偏压会耗尽沟道并关闭器件。

上述描述展示了 p 型 OFET，其中空穴为多数载流子。OFET 也可以作为 n 型器件工作，其中电子形成导电沟道（并对栅极施加 +ve 电压），或作为双极器件工作，能够根据所施加的偏压同时传输空穴与电子。尽管这三种模式都可能实现，但 p 型 OFET 仍最为常见，因为有机半导体中的空穴传输通常在环境条件下更稳定，并且更易于实验实现。

2. OFET 模拟快速开始

在本教程中，我们将聚焦于顶接触的 p 型 MOSFET。p 型半导体在有机电子器件中最为广泛使用， 因为它们通常表现出更高的空穴迁移率。要创建新的 OFET 模拟，点击 OghmaNano 主窗口中的 新建模拟 按钮（??）。然后在新建模拟窗口中双击 OFET 模拟（见图 ??）。这将打开 OFET 子菜单，其中也存放了其他 类型的 OFET。对于该示例，我们将使用“OFET p-type top contact”（??），双击该项并将新模拟保存到磁盘。

保存新模拟窗口后，你应当得到一个类似于 ?? 的窗口。点击并按住黑色背景上的鼠标左键，然后拖动以旋转仿真窗口并以 3D 方式查看器件。你可以看到器件有三个接触：栅极、源极与漏极。源极与漏极显示在仿真顶部的金色条形上，半导体层显示为蓝色，绝缘层显示为红色。栅极 接触在结构底部可见。

3. 运行你的第一个 OFET 模拟

要开始模拟，点击 播放 按钮。与 1D 模拟相比，2D 模拟通常需要更长时间，因为求解器必须处理网格中更多的网格点。如果启用了陷阱，载流子俘获/逸出方程也会在每个网格点求解，从而进一步增加计算负载。一般来说，增加问题维度会迅速增加运行时间与内存需求。

模拟结束后，打开 输出 选项卡。你将看到比 1D 情况更多的文件，因为 OFET 有多个接触。这是因为每个接触都会生成一条 JV 曲线，每条曲线表示电流通过该接触流入或流出器件。下面给出了生成文件的概述。

双击文件 jv_contact_0.csv、jb_contact_1.csv 和 jb_contact_2.csv 以检查每个接触的曲线。OghmaNano 中的接触按在接触编辑器中定义的顺序从 0 标号到 N（见图 ??），因此在 该情况下接触 0 为源极，接触 1 为栅极，接触 2 为漏极。接触编辑器已在章节 3.1.8 中详细描述，不过由于这是 2D 模拟，另出现了两列。它们是 start 与 width。它们分别定义接触在 x 轴上的起始位置以及接触在 x 轴上的宽度。源极 从 \(0~m\) 开始并延伸到 \(5 \mu m\)，漏极 从 \(75~\mu m\) 开始并延伸到 \(5 \mu m\)，而栅极从 \(0~m\) 开始并延伸以覆盖器件的整个宽度，即 \(80~ \mu m\)。同时注意在 Applied Voltage 列下，源极 标记为 Ground，这 表示对地端施加 0V，栅极 标记为 change，表示在 JV 编辑器中定义的电压扫描将施加到该接触，漏极 标记为 constant bias，电压为 10V，这表示对该接触施加恒定 10V。因而我们在对栅极接触进行扫描的同时，在源极与漏极之间施加恒定电压。

??、 ?? 和 ?? 显示了三个 OFET 接触处的 JV 曲线。通过观察 ?? 与 ?? 可以看到，随着栅极电压变得更负，源极与漏极处的电流也变得更负。我们施加负电压以吸引空穴进入沟道从而导电。你还可以看到栅极处没有电流，这是因为电流被绝缘介电层阻挡。