基于离子凝胶晶体管的全有机有源像素光电传感器设计与优化

文 | 虚浮記憶

编辑 | 虚浮記憶

引言

全有机有源像素光电传感器，是一种新兴的光电器件 ，采用离子凝胶晶体管，作为关键组件，展现了在光电传感技术领域的巨大潜力 。

随着技术的进步和需求的增加，对高性能、低成本、易于制造的新型光电传感器的需求日益迫切，全有机有源像素光电传感器，作为一种有前景的光电器件，采用了离子凝胶晶体管技术，展现了令人瞩目的性能和潜力 。

发展全有机有源像素光电传感器

工业对柔性、低成本、轻质电子产品的需求，一直是有机电子设备发展的强大驱动力 ，主要应用，包括柔性显示器，太阳能电池和射频识别标签。

有机材料的一个主要优点 是，能够通过旋涂或喷墨印刷，将它们沉积到柔性基材上，这种方法，在制造柔性有机场效应晶体管方面，取得了很大效果。

该领域目前的重点，是将这些设备结合起来，以制造更有用的集成设备技术 ，光检测行业使用了两种不同的光敏配置，被动像素传感器和有源像素传感器。

PPS ，将传感器通过读出晶体管，连接到输出电路，而在 APS 中，光电二极管控制晶体管的栅极电压，从而直接放大输入信号 。

APS中，这种直接放大具有更好的信噪比，和增强的暗光检测能力的优点 ，使其与缴费灵相比，非常受欢迎。

有机PPS阵列，是通过结合OFET和OPD开发的，然而，阻碍柔性基板上，全有机APS的一个问题，是OFET的一个众所周知的困难 。

由于栅极电介质的问题，在相对较高 的工作电压下工作，因此，许多APS原型，保持晶体管通道无机，以保持低工作电压。

同时，转向光电二极管的有机半导体，以提取有机材料的制造和成本效益，但仍在刚性基板上制造 。

最近，关于改进有机晶体管栅极电介质的研究，特别是离子凝胶的发展，导致了具有工作电压的 OFET低至 2 V，为在具有竞争性工作电压要求的柔性基板上，实现全有机 APS ，开辟了道路 。

研究人员开发了一种工作电压低至−1 V的新型APS，其中所有组件都是有机的 ，PPS结构也由具有相同几何形状的相同组件制成，以便进行比较，这些晶体管是可溶液加工的，这使它们成为低成本制造的良好候选者 。

OPD，是在柔性聚对苯二甲酸乙二醇酯，和一层薄薄的聚二甲基硅氧烷上，制成的，该薄层沉积，在OPD键合的聚酰亚胺基板上，该基板固定连续制造的有机晶体管 。

使用无机晶体管和光电传感器APS，已经得到了广泛的研究 ，研究人员已经开发出一种，具有无机晶体管和有机光电传感器的混合架构，该设备将在电光表征部分与 APS 进行比较 。

制造全有机APS

根据描述的制造过程，首先在150μm厚的PET基板上，涂覆100nm厚的氧化铟锡层，作为导电层。

然后使用从Sigma Aldrich购买的聚聚苯乙烯磺酸酯，在低温热板上，进行旋涂 和退火 处理，形成底部电极。

光敏材料，由聚合物P90HT和PCBM混合而成，在溶液中搅拌过夜后，旋涂在PEDOT：PSS层上。

顶部电极，通过热蒸发方式用100nm铝沉积形成，整个器件在高温下退火，以改善光敏材料与顶部电极之间的接触，并减少暗电流 。

蒸发铝时，使用阴影掩模，来限定每个光电传感器的活动区域为20mm²，为了将光电传感器与OFET基板，集成完整的APS，使用PDMS作为中间粘合层，将其旋涂在光电传感器上，并通过与前述P3HTPCBMAl接触，改进步骤相同的方法进行固化 。

晶体管基板，采用13μm厚的PI片，通过光刻和热蒸发，制造源极和漏极电极，并在PDMS层上沉积。

源极和漏极之间，定义了宽度为W = 1000μm、长度为L = 20μm的晶体管通道，整个制造过程，在空气中进行，蒸发铝除外 。

在制造APS的最后阶段，研究人员引入了，晶体管分接器和复位的半导体、电介质以及栅极材料，这个半导体使用与之前提到光电传感器相同的P3HT材料制造而成 。

将P3HT溶解在氯仿中，浓度为10毫克毫升，并以每分钟2000转的速度，将其旋涂在OPDPDMSPI堆栈上，然后在60°C的加热板上，退火15分钟，晶体管的介电层，是由1-乙基-3-甲基咪唑双亚胺和2-羟基-2-甲基苯丙酮混合物，组成的离子凝胶 。

离子凝胶被沉积成覆盖晶体管通道的2毫米宽液滴，然后在10 mWcm²的紫外线辐射下，固化20秒，之后，将底物浸入氯仿中2秒，以去除未受离子凝胶保护的P3HT，并增强PEDOT：PSS的附着力。

然后在固化的离子凝胶上滴上银漆，形成晶体管的栅极，最后，样品在60°C的加热板上，退火10分钟。

这时，需要注意避免PDMS和氯仿接触，以免损坏中间层，光电传感器和晶体管栅极源极之间的连接，是通过滴铸银漆来实现的，这用于APSPPS配置 。

这种配置的填充因子，即实际使用的像素面积与理论面积的比例 ，可以接近100%，因为放大和读取晶体管，都可以集成在光电传感器的顶部，而非侧面，所有器件在制造后，都是在空气中制造，并在氮气中存储 。

已完成的APS结构，进行了多种表征，OPD的电流与电压曲线，是使用吉时利237电压源和吉时利6517 A静电计测量得到的，照明源是50瓦白炽灯泡，其输出功率，经过频谱探测器的校准 。

EQE测量值，是使用PV Measurements Inc.的QEX10量子效率测量系统获得的，OFET特性则是在源漏电压下，使用相同的电气设置下获得的，标准由K6517 A和栅极电压由K237提供。

源极-漏极电流和栅极漏电流，分别由K6517 A和K237测量得到，这些实验方法和测量技术，有望为APS的性能评估，提供全面的数据支持 。

光电表征

当光强度为41毫瓦平方厘米时，OPD的最高输出电流密度，在反向偏置为-1伏特时，达到0.135毫安平方厘米，值得注意的是，暗电流非常低 ，仅为17.5×10^-6毫安平方厘米，这比全有机PPS中的其他OPD暗电流要优越 。

其他OPD的暗电流范围，为从使用的P3HTPCBM光电探测器的2.25毫安平方厘米，到Someya等人的铜酞菁PTCDI：3，4，9，10-苝-四羧酸-二酰亚胺光电探测器的0.26毫安平方厘米。

混合APS中，由P3HTPCBM制成的光电探测器暗电流达到10^-5毫安平方厘米，暗电流较低，但通过增加光活性层的厚度到几微米，使用不同的光效形态，喷涂或使用交联剂的双层，还可以进一步降低暗电流 。

此外PD显示了30%的EQE，显示出良好的光电转换效率，相比之下，虽没有提供EQE，但器件表现出更好的EQE，达到了50%，而原来的器件，表现出优异 的特性，EQE高达60%。

这些结果表明，APS在光电传感方面，具有很大潜力 。

晶体管表现出栅极偏置稳定性和饱和度，随栅极电压的增加而增加 ，饱和现象发生在栅极电压为-5.1 V时，输出电流达到-4 mA以上，对应栅极电压为-0 V。

在晶体管的传输特性中，其中最大漏电流约为1 μA，此外，通过扫描速率为100 mV s−1，器件的迟滞最小 。

阈值电压V千为-0.28 V，迁移率μ约为4.3 cm2.V^-1.s^-1，开关比率约为10^4，使用公式μ = I * 2 L (WC (Vg - V千)2)进行计算。

这次研究中的晶体管机动性更高，但开关比率低于在类似P3HT设备上获得的比率，这是因为在他们的设备中，栅极漏电流较高，约为1 μA ，而本研究中测量的栅极漏电流为约100 nA。

减少漏电流，可以通过更好地定位电介质和栅极材料，在通道上的位置，来实现，从而避免离子凝胶和源漏电极之间的重叠 。

当离子液体中的离子掺杂半导体时，可以达到高输出电流，但是这些电流，应随频率而减小 。

因此，该研究结果，显示了对晶体管性能的重要影响 ，并提供了改进器件性能的潜在途径。

PPS和APS特性

PPS配置是一个读出系统，没有像素内的放大，这意味着PPS输出电流I.pps必须小于光电二极管提供的电流 。

通过记录多个栅极电压和照明条件，可以得到I.pps与I之间的比率，其中I是在V酸碱度= -1 V时的暗电流。

该比率低于30，远低于在低照度下，晶体管栅极漏电流，引起的光电传感器在反向偏置6 × 10^3 V时的开关比 。

这表明，如果不优化前面概述的栅极沉积，离子凝胶晶体管，无法在PPS像素中，扮演开关的角色，然而，在APS配置中，离子凝胶晶体管更为适用 。

在APS配置中，发光光电二极管产生与APS晶体管T的栅极相关的光电压Vl，因此，输出电流IAPS是从TAPS流出的电流，它是光电传感器电流的缩放图像，尽管放大是非线性的 ，这是因为光线击中光电二极管。

电路中的第二个晶体管T重置充当可变负载，栅极电压V重置，通过调整与入射光强度I酸碱度之间的关系Vl，来应用于T重置。

最终，T重置在APS的动态状态下，用于卸载存储在TAPS栅极中的电荷，从而重置下一个电流读数的像素 。

因此T的APS状态，以及所得光电传感器电流增益G，定义为输出电流IAPS与当前IOPD之比，由栅极电压V控制重置，增益还可以通过晶体管的几何形状，进行调整 ，较大的WL比，将增加APS的增益。

下图显示了IAPS与V重置之间的关系，针对不同的入射照明强度，适用于的APS架构，在高照明和最正的V重置条件下，可以获得IAPS的最大值 ，此时与T重置处于关闭状态的关系明显。

这种制度下，可以观察到明显的直接关系，即IAPS与APS的酸碱度，这正是对放大的OPD信号所期望的，考虑上图中的不同曲线，在固定光强度下，随着V重置的减小，IAPS也逐渐减小 。

实际上，随着V重置的减小，电荷存储在栅极电容T中，导致 APS通过T在其打开状态下卸载重置。

像素的暗电流为-40纳安，这导致APS的开关比为3×10^4，需要注意的是，这种暗电流不是由T中的栅极泄漏引起的，因为在这种情况下，Vl理想情况下为零 。

即使在高照度下，栅极漏电对输出信号的贡献不大，这是与PPS像素相比，使用离子凝胶或其他具有相对高漏电流晶体管的APS的一个关键优势 。

在41毫瓦平方厘米的照明下，发现了该APS的最大增益 G为40，此时VAPS=V酸碱度=-1伏特。

TAPS在这里用于线性状态，不同的照明条件，会产生不同的栅极电压驱动TAPS，从而导致TAPS电流输出的调制。

通过光电二极管电流窗口的适当优化，以及IAPS和晶体管的几何形状，可以根据目标应用，来优化增益，实现特定照明条件下的优化检测效果 。

结语

在未来，人们将会看到，更多基于离子凝胶晶体管的全有机有源像素光电传感器应用，这项技术的发展将推动光电传感器的创新，为各行各业带来更高效、更灵活的光检测解决方案 。

无论是改善医疗影像，提升工业自动化，还是实现智能家居，这项技术都将在未来发挥着重要作用 。

参考文献

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技术干货：一文搞懂光电传感器输出，接线、结构、光源、选型流程

在我们上一篇文章中介绍了技术干货：一文搞懂光电传感器的原理，对射、漫反、镜反等案例

本篇我们给大家介绍更多的光电传感器内容。

1、开关量输出：光电传感器中，一般来讲晶体管输出有NPN和PNP两种输出类型。该两种输出类型的区别在于传感器内晶体管中电流方向的不同。

NPN输出型：电流从集电极C流向发射极E

PNP输出型：电路方向与NPN相反

2、接线方式：光电传感器接线方式一般采用电缆式、接插式、端子式三种连接方式。

3、光电传感器的分类

根据结构分类：根据构成淡原进行分类，光电传感器主要由光电单和放大器两部分组成。

放大器内藏型：光电单元和放大器集成在一个传感器里，由于只有一个传感器所以价格相对便宜。

放大器分离型：传感器由分离的感应头和放大器两个单元组成。放大器分离型初衷是为了实现体积小型化而开发的。后来通过高性能的光纤传感器及激光光源，放大器分离型传感器主要应用于长距离检测和高精度判别。

光纤传感器：同放大器分离型传感器，由一个放大器和一个感应头组成。发射和接受都集成在放大器里。放大器发射的光束经过光纤传输至感应头中，在投射向被测物。

根据光源类型分类：光电传感器的光源主要有两种类型。

发光二极管：LED属于低成本光源，指向性和发光功率都相对较弱，不适合微小物体的检测。

激光：半导体激光二极管。高功率光源。指向性和聚光型都较高，因此适合微小物体的检测。

激光和LED光源光斑尺寸对照

激光光源聚光性好、光斑直径较小。

检测距离变长LED的光源亮度明显下降。

4、光电传感器选型流程：

确认检测内容：首先，确认检测物体的各种情况。一般情况下有以下内容需要确认

a、检测对象：颜色发射率及颜色是否会变化。

尺寸：被测物尺寸大小、是否抖动等

形状：被测物是否形状会发生变化或发生倾斜

光泽：被测面是否光滑？若是光滑表面是否环境光会通过其反射而干扰传感器？

b、背景：一般指无检测无得背景情况

距离：背景与检测物之间的距离，当距离较短时会出现反光量差异较小的问题，此时漫反射型传感器检测会部分定。

颜色：背景颜色和被测物颜色差别是否非常大？例如被测物时黑色背景为白色时，两者反射光亮可能相同。

光泽：背景表面是否是光滑表面？是否该表面会发射周边环境光干扰传感器？

确认检测类型：选用哪种检测类型的传感器可以使用「有检测无」（ON状态），「无检测物」（OFF状态）两种不同状态的受光量差异最大化。

检测类型一般情况下稳定性排序

如何确认最佳检测类型？确认最佳的检测类型，使得检测物有\无两种状态的受光量差异最大化。举个例子：选用光纤传感器检测微小物体时，光线可以100%被遮挡，无物体时光线100%通过。此时受光量差异最大。

最后需要考虑的是其他条件：即使以上两步都已经确认，但实际应用中现场是否可以稳定工作，也是需要提前确认的。

现场需确认的几项为：

确认检测物体的移动速度，传感器的响应时间是否可以满足？

周围环境：

包括环境温度是否在传感器参数范围内？

油污、粉尘情况是否会遮挡住传感器窗口？

电源噪音是否会干扰例如变频器工作干扰等。

这个系列我们带来的是来自传感器设计和生产厂家工程师整理的专业知识。以上为奥泰斯自动化的光电传感器基础知识学习阅读笔记。奥泰斯作为以光电传感器技术见长的专业传感器制造商，其光电类传感器的技术资料有非常高的参考价值。我们大多阅读的是来自使用者分享的传感器知识，这个系列我们带来的是来自传感器设计和生产厂家工程师整理的专业知识。

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