CN109347469A - 基于二硫化钼晶体管的光控开关电路 - Google Patents
基于二硫化钼晶体管的光控开关电路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于二硫化钼晶体管的光控开关电路，主要解决现有光控开关电路不能在超低光强度下工作的问题。其包括NPN三极管Q1，PNP三极管Q2，LED发光管，二硫化钼晶体管VT，两个分压电阻，开关和电源。VT的栅极通过第一分压电阻R1连接到电源正极，VT的漏极与Q1的基极连接，VT的源极连接到电源负极，Q1的发射极连接电源负极，Q1的集电极与Q2的基极连接并通过第二分压电阻R2连接电源正极，Q2的发射极连接电源正极，Q2的集电极通过LED连接电源负极，开关与电源串联。本发明通过利用二硫化钼晶体管提高了灵敏度，可探测超低强度光，并能在很小电流和很低电压的条件下工作，可用于光电集成电路。
Description
技术领域
本发明属于电子电路技术领域，特别是一种光控开关，可用于控制光电集成电路中的电路通断。
背景技术
光探测器是一种可以将光信号转变为可探测的电信号的光电器件，可探测到光信号的器件广泛应用于各个领域，包括量子通信、密码学、军事、天文学、工业以及消费电子等。最简单的光探测器便是具有两个电极的光导器件，其工作原理可以概述为在光照下，半导体材料能够很好的吸收光子产生电子空穴对，在外电场的作用下，两种载流子分别流入相应的电极，从而产生比无光照条件下的暗电流大几个数量级的光电流。通常用来描述光响应性能的参数有光响应度、归一化探测率以及外量子效率。
生活中常见的使用光探测器的电路为光控开关电路，这种光控开关电路通常使用光敏电阻、光电二极管作为检测光强的器件，继而实现电路的导通与关断。其中光敏电阻器是利用半导体的光电效应制成的一种电阻值随入射光的强弱而改变的电阻器；当入射光强时,电阻减小，当入射光弱时,电阻增大，光敏电阻器一般用于光的测量、光的控制和光电转换，光敏电阻器对光的敏感性即光谱特性与人对可见光0.4-0.76μm的响应很接近，但是其响应速度慢，延迟时间受入射光的光照度影响，限制了它的应用。光电二极管是在反向电压作用之下工作的，没有光照时，电流很小，一般小于0.1微安。当有光照时，携带能量的光子进入PN结后，把能量传给共价键上的束缚电子，使部分电子挣脱共价键，从而产生电子空穴对，称为光生载流子。它们在反向电压作用下参加漂移运动，使反向电流明显变大，光的强度越大，反向电流也越大。光电二极管具有噪声低，线性度好，价格低廉，使用寿命长等优势，但是其输出电流小。
为了获得更好的性能，通常人们使用光电晶体管代替上述光敏电阻或光电二极管。光电晶体管既可以通过规则栅调节沟道电流，又可以通过入射光子来调节沟道电流。其工作原理为在光照下，功能材料中产生许多激子，激子解离成电子和空穴，解离的载流子在栅偏压下被吸引到半导体与绝缘体的界面上，在源电极和漏电极之间形成一个导电通道，同时导电沟道为激子分解的自由电子和空穴提供了一种有效途径，极大的增加了导电通道中的电荷密度，并在很大程度上增加了光电流。目前所使用的光电晶体管，多使用二维层状结构材料，因为其较高的载流子迁移率、直接带隙并且带隙在较大的范围内可调，因此在光探测领域有更好的应用价值。光电晶体管所选择的材料对光谱响应范围以及光响应性能的影响非常重要，例如GaS，它的带隙在2.59到3.05eV之间可调，带隙宽，在紫外光探测方面很有优势，并且基于GaS的光探测器已经在刚性与柔性基底上展现，光响应度为19.6A·W。但是这种材料的光电晶体管却不适合在可见光范围内进行探测。还有一种材料GaSe，它的间接带隙为2.11eV，带隙略窄，虽然可以在可见光范围内探测，但是光电流很小，也只适合在紫外光范围内进行探测，在紫外光照射下，它的光响应度为2.8A·W。其光响应范围有限，在可见光范围内响应度低，并且当光强度变弱的情况下光响应度更低，限制了它的使用。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于二硫化钼晶体管的光控开关及其制作方法，用二硫化钼晶体管代替已有的光敏探测器件，拓宽光响应范围，提高低光强下的光响应性能。
本发明的技术方案是这样实现的：
一.技术原理
二硫化钼是六方晶系的层状结构，每个钼原子被六个硫原子包围，只有硫原子暴露在层的表面。二硫化钼的二维层状结构是由六方晶系的单层或多层二硫化钼组成的类似三明治结构的二维晶体材料，单层二硫化钼是中间为钼原子层，上下为硫原子层的以共价键结合的类似三明治结构，多层二硫化钼是由若干单层二硫化钼组成，层间存在弱范德华力，层间距约为0.65nm。二维层状结构的二硫化钼存在1.29-1.90eV的可调能带隙，并且是竖直跃迁带隙。它还具有特殊的光物理性质，在紫外光谱上的吸收峰位于620到670nm附近，有很好的光吸收和荧光等效应。因此，它在光电子器件中应用广泛，例如二次电池、场效应晶体管及传感器等。
相比于其他的二维材料，MoS2禁带宽度较窄，载流子迁移率高，约为70cm2/Vs，在可见光400-680nm范围内有较快较高的光响应性能，响应时间为50ms，具有很好的光敏感性能。研究发现在低的激发光强度大约24μW/cm2下，MoS2器件的光响应度能达到超高的880A·W，光电流的产生只取决于入射光的强度，并且光响应的波长范围可以通过控制二硫化钼的厚度来调节，相对于单层二硫化钼，多层二硫化钼拥有更窄的带隙与更宽的光检测范围，其范围横跨紫外区到近红外区。
本发明正是利用上述二硫化钼在光照强度低时较高的光响应度以及它的宽的光响应范围，将它作为晶体管的半导体层，利用它的光敏感性能提高晶体管的光探测性能，从而将其用作光控开关。
二.技术方案
根据上述原理，本发明基于二硫化钼晶体管的光控开关，包括NPN三极管Q1，PNP三极管Q2，LED发光管和电位缓冲调节网络L，NPN三极管Q1的基极通过电位缓冲调节网络L连接到电源负极，并通过第一分压电阻R1连接到电源正极，Q1的发射极连接到电源负极，Q1的集电极与Q2的基极连接并通过第二分压电阻R2连接到电源正极，Q2的发射极连接到电源正极，Q2的集电极通过LED发光管连接到电源负极，其特征在于：
电位缓冲调节网络L采用二硫化钼晶体管VT，该二硫化钼晶体管VT的栅电极通过第一分压电阻R1连接到电源正极，其源极连接到电源负极，其漏极连接到Q1的基极，当光照射到二硫化钼晶体管VT时，光电流使得VT的源漏电流增大，从而使NPN三极管Q1的基极电流增大而导通，控制三极管Q2的基极偏压降低而导通，使得LED发光管发光；当无光照射到二硫化钼晶体管VT时，该VT管截止，控制NPN三极管Q1截止，使得PNP三极管Q2的基极偏压升高而截止，控制LED发光管熄灭。
进一步，所述的二硫化钼晶体管VT，自下而上包括底栅、介质层和半导体层，该半导体层的左右两边为源电极和漏电极，半导体层与源电极之间设有源掺杂区域，半导体层与漏电极之间设有漏掺杂区域,这两个掺杂区均采用10％-30％氢氧化钾水溶液进行掺杂。
本发明具有以下有益效果：
1.本发明以二硫化钼晶体管VT替换电位缓冲调节网络L，提升了电路的开关性能。
本发明采用的二硫化钼晶体管VT，由于利用了二维材料层状二硫化钼的高载流子迁移率，窄带隙，光敏性能良好的优势，可以实现横跨紫外区到近红外区的光探测，使得该晶体管在低光照强度下拥有很高的光响应度，并且能够通过调节二硫化钼的厚度来调节光响应吸收波长的范围。因此使用二硫化钼晶体管VT的开关电路具有灵敏度高，可探测超低强度光，可检测光谱范围宽，并且检测光谱范围可以控制的优点。
2.本发明的开关电路使用二硫化钼晶体管，可以降低电路功耗，扩展电路的应用领域。
本发明所使用的二硫化钼晶体管属于场效应晶体管，其制作工艺简单，耗电少，热稳定性好，工作电源电压范围宽，可以在很小电流和很低电压的条件下工作，并且易于集成，因此可以应用在大规模集成电路中。
附图说明
图1是本发明的结构图；
图2是本发明中的二硫化钼晶体管结构示意图；
图3是本发明使用二硫化钼场效应晶体管的光电流图；
图4是对本发明使用的二硫化钼晶体管在不同光照强度下的源漏电流-栅电压的测试曲线图；
图5是对本发明使用的二硫化钼晶体管在栅电压为-40V时，源漏电流随着光照强度变化的曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
参见图1，本发明基于二硫化钼晶体管的光控开关电路，包括NPN三极管Q1，PNP三极管Q2，LED发光管，电位缓冲调节网络L，两个分压电阻R1和R2，开关K及电源S，该电位缓冲调节网络L采用二硫化钼晶体管VT。其中二硫化钼晶体管VT的栅电极通过第一分压电阻R1连接到电源正极，其源极连接到电源负极，其漏极连接到NPN三极管Q1的基极，Q1的发射极连接到电源负极，Q1的集电极与Q2的基极连接并通过第二分压电阻R2连接到电源正极，Q2的发射极连接到电源正极，Q2的集电极通过LED发光管连接到电源负极，开关K与电源S串联。
当光照射到二硫化钼晶体管VT时，VT的源漏电流增大，从而使NPN三极管Q1的基极电流增大而导通，控制三极管Q2的基极偏压降低而导通，使得LED发光管发光；当无光照射到二硫化钼晶体管VT时，该VT管截止，控制NPN三极管Q1截止，使得PNP三极管Q2的基极偏压升高而截止，控制LED发光管熄灭。
参见图2，本发明中使用的二硫化钼晶体管VT，包括底栅1、介电层2、源电极3、漏电极4、半导体层5。其中：底栅1为p型重掺杂硅，介质层2设置于底栅1上方，介质层2采用厚度为200-300nm的二氧化硅，半导体层5采用厚度为1-6nm的二硫化钼薄膜，其位于介质层2上方，源电极3与漏电极4分别位于半导体层5的两端且与介质层2相连，该源电极3与漏电极4均采用厚度为50-100nm的Au，半导体层5与源电极3之间的接触区域为源掺杂区域6，半导体层5与漏电极4之间的接触区域为漏掺杂区域7，这两个掺杂区均采用浓度为10％-30％的氢氧化钾水溶液进行掺杂。
所述二硫化钼晶体管VT，其制备步骤如下：
步骤1，将带有200-300nm SiO2的p型重掺杂硅片衬底清洗干净后用氮气枪吹干.
步骤2，采用胶带撕拉剥离的方法从MoS2固体上获取MoS2薄膜，粘在吹干后的硅片上，去掉胶带，将MoS2薄膜转移到硅片上。
步骤3，在覆盖有MoS2薄膜的硅片衬底上旋涂180-300nm厚的聚甲基丙烯酸甲脂光刻胶，采用电子束光刻的方法在光刻胶上刻出电极的图形，去掉电极区域的光刻胶，暴露出需要掺杂部分的MoS2薄膜；
步骤4，将刻有电极图形的MoS2薄膜置于浓度为10％-30％的KOH溶液中浸泡5-30分钟，完成对已刻有电极图案的MoS2薄膜的表面掺杂；
步骤5，在已刻有电极图形的MoS2薄膜上淀积50-100nm厚的Au，再将其置于丙酮中浸泡5-12小时，以去除电极图形以外多余的Au薄膜，形成器件的源漏电极。
本发明的效果可通过以下测试结果进行说明
测试1，对本发明中使用的二硫化钼晶体管VT进行光电流测试，结果如图3，从图3可以明显看出，暗电流很小，其值在1x10-6A附近波动，光电流值在2.25x10-6A，光电流与暗电流差超过一个数量级，这样的参数可提高光控开关电路的速度、可再现和可逆的漏电流响应。
测试2，在不同光照强度下对本发明中使用的二硫化钼晶体管VT的源漏电流-栅电压进行测试，结果如图4，从图4可以看出，随着光照强度增强，二硫化钼晶体管VT的电流密度明显增大，这种现象可以使得光控开关电路对光照强度敏感，使其具有利用光强度调节电路开关的作用。
测试3，在栅电压为-40V时对本发明使用的二硫化钼晶体管VT的源漏电流密度-光照强度测试，结果如图5，从图5可以看出，在光照强度较低时，随着光照强度的增加，源漏电流密度发生明显的变化，通过计算，在光照强度小于5mW/cm2，漏电流密度变化率为2.5x10- 7A·cm2/mW，当光照强度在5到30mW/cm2之间时，漏电流密度变化率为0.5x10-7A·cm2/mW，在30mW/cm2之后，基本上漏电流不随光照强度变化而变化。上述参数使得光控开关电路可以检测超低强度光，提高了光控开关电路的性能。
以上描述仅是本发明的一个具体实例，并未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修改和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于二硫化钼晶体管的光控开关电路，包括NPN三极管Q1，PNP三极管Q2，LED发光管和电位缓冲调节网络L，NPN三极管Q1的基极通过电位缓冲调节网络L连接到电源负极，并通过第一分压电阻R1连接到电源正极，Q1的发射极连接到电源负极，Q1的集电极与Q2的基极连接并通过第二分压电阻R2连接到电源正极，Q2的发射极连接到电源正极，Q2的集电极通过LED发光管连接到电源负极，其特征在于：
电位缓冲调节网络L采用二硫化钼晶体管VT，该二硫化钼晶体管VT的栅电极通过第一分压电阻R1连接到电源正极，其源极连接到电源负极，其漏极连接到Q1的基极，当光照射到二硫化钼晶体管VT时，光电流使得VT的源漏电流增大，从而使NPN三极管Q1的基极电流增大而导通，控制三极管Q2的基极偏压降低而导通，使得LED发光管发光；当无光照射到二硫化钼晶体管VT时，该VT管截止，控制NPN三极管Q1截止，使得PNP三极管Q2的基极偏压升高而截止，控制LED发光管熄灭。
2.根据权利要求1所述的电路，其特征在于：所述的二硫化钼晶体管VT，自下而上包括底栅(1)、介质层(2)和半导体层(5)，该半导体层(5)的左右两边设有为源电极(3)和漏电极(4)，半导体层(5)与源电极(3)之间设有源掺杂区域(6)，半导体层(5)与漏电极(4)之间设有漏掺杂区域(7)。
3.根据权利要求2所述的电路，其特征在于：二硫化钼晶体管VT的底栅(1)采用P型重掺杂硅。
4.根据权利要求2所述的电路，其特征在于：二硫化钼晶体管VT的介电层(2)采用厚度为200-300nm二氧化硅。
5.根据权利要求2所述的电路，其特征在于：二硫化钼晶体管VT的半导体层(5)采用厚度为1-6nm的二硫化钼。
6.根据权利要求2所述的电路，其特征在于：二硫化钼晶体管VT的源电极(3)和漏电极(4)均采用厚度为50-100nm的Au。
7.根据权利要求2所述的电路，其特征在于：二硫化钼晶体管VT的掺杂区(6)和(7)均采用10％-30％氢氧化钾水溶液进行掺杂。
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