JP4036757B2 - 能動デバイス、電界効果トランジスタ、電気回路及び布地 - Google Patents

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Description

本発明は能動デバイスに関し、より詳細には細長いスレッドで形成した能動デバイスに関する。
一般に、能動デバイスは、２つの電極間で、エネルギー変化の関数として変化する電気インピーダンスを有する。能動デバイスには、たとえば、トランジスタ、ダイオード、ひずみゲージ、電気光学デバイスなどが含まれる。トランジスタの一形態は、周知のＦＥＴ（電界効果トランジスタ）である。周知のＦＥＴの１つは、ＭＯＳＦＥＴ（金属酸化膜半導体ＦＥＴ）であり、高速な電子応用例向けのスイッチング素子として広く使用されている。具体的には、このＭＯＳＦＥＴは二酸化シリコン／バルク・シリコンのトランジスタを指す。より一般のＦＥＴは、ＭＩＳＦＥＴ（金属絶縁体半導体ＦＥＴ）である。ＴＦＴ（薄膜トランジスタ）は、能動的な半導体材料を薄膜として被着させたＭＩＳＦＥＴである。
能動デバイスは、結晶シリコンまたはアモルファス・シリコンで製作することが知られている。アモルファス・シリコンは結晶シリコンよりも安価な代替物であるが、移動度が約１０−１ｃｍ２／Ｖ＊ｓｅｃと結晶シリコンの移動度よりも約１５，０００倍も小さいので、その用途はより低速なデバイスに限定される。
現在、低コストかつ低温プロセスで被着させることができる有機半導体材料および有機−無機半導体材料などの代替材料を開発することを目指した研究が多く行われている。加工コストが低くなると、論理デバイスおよび表示デバイスの低コスト化がもたらされる。加工温度が低くなると、可撓性電子デバイスに用いるプラスチック、紙および布地を含め、より広範囲の基板上にこうした材料を被着させる可能性が開ける。
有機材料で作製したＦＥＴの例が、Garnier他の「Thin-Layer FieldEffect Transistors With MIS Structure Whose Insulator and Semiconductor AreMade of Organic Materials」という名称の米国特許第５，３４７，１４４号に開示されている。有機材料は、ＴＦＴ構造用の無機材料に対してより安価な代替手段を提供することができる。というのは、それらは、溶液からのスピン・コーティングまたはディップ・コーティング、熱蒸着、あるいはスクリーン印刷などの方法でより安価に製造されるからである。こうした有機材料には、低分子（たとえば、ペンタセン、金属フタロシアニンなど）、短鎖オリゴマー（たとえば、ｎ−チオフェン、ただしｎ＝３〜８のチオフェン単位）およびポリマー（たとえば、ポリアルキルチオフェン、ポリフェニレンビニレンなど）が含まれる。
有機−無機材料で作製したＦＥＴの例が、Chondroudis他の「Thin FilmTransistors With Organic-Inorganic Hybrid Materials as Semiconducting Channels」という名称の米国特許第６，１８０，９５６号に記載されている。この場合も、有機−無機材料で作製したＴＦＴでは、溶液からのスピン・コーティングまたはディップ・コーティング、熱蒸着、あるいはスクリーン印刷などのより安価な製造プロセスを使用することができる。
一般に、従来型の能動デバイスは平面基板上に形成される。そのため、可撓性デバイスを作製しようとする現在の取組みは、大面積の可撓性基板上に半導体デバイスを被着させることに焦点を当てている。これらの取組みは、いまだに市販の可撓性電子デバイスを提供するに至っていない。
米国特許第５，３４７，１４４号 米国特許第６，１８０，９５６号
したがって、低コストかつ低温プロセスで製作することができる能動デバイスが求められている。
可撓性基板上の複数の能動デバイスのアセンブリおよび可撓性基板上に複数の能動デバイスを形成するための方法も求められている。
こうした能動デバイスの大面積アセンブリを形成するための方法も求められている。
本発明の能動デバイスは、細長いスレッドに沿って軸方向に延びる半導体ボディ即ち半導体層を備えたスレッドから形成される。第１および第２導電体は、スレッドに沿って軸方向に延び、離間した位置で半導体ボディと電気的に接触して配設される。半導体ボディ中のキャリア濃度は、スレッドに影響を及ぼすエネルギーに応じて変化し、それによって第１および第２導電体の間のインピーダンスも変化する。
本発明の一態様によれば、細長いスレッドは、半導体ボディが上に配設された光ファイバの細長いコアを有し、エネルギーは光エネルギーである。本発明の別の態様によれば、細長いスレッドは、半導体ボディが上に配設された圧電性の細長いコアを有し、エネルギーは機械エネルギーである。本発明の別の態様によれば、細長いスレッドは、半導体ボディが上に配設された電気絶縁層を備える導電性の細長いコアを有し、エネルギーは電気エネルギーである。本発明の別の態様によれば、エネルギーは、適当なコアを用いて、熱または化学エネルギーであり得る。
本発明の別の態様によれば、能動デバイスは、複数本のスレッドおよびそのスレッドの１つの軸方向に延びる半導体ボディから形成される。複数本のスレッドの２本は導電性であり、第３スレッドは加えられるエネルギーに応答して半導体ボディのキャリア濃度を変調する。この第３スレッドは、光ファイバ・コアまたは導電コアを有し得る。半導体ボディは、第３スレッド上に配設された層またはこれら３本のスレッド間の領域に配設された細長いボディとすることができる。第３スレッドが電気絶縁層を備えた導電コアを有するとき、能動デバイスは電界効果トランジスタである。これらのデバイスでは、電流は、第１および第３スレッドならびに半導体ボディを含む経路中を流れる。すなわち、電流は、第１および第２スレッド軸に対して直交する向きすなわち半径方向に流れる。
本発明の様々な能動デバイスを形成するのに使用する細長いスレッドは、可撓性または可屈曲性の１本または複数本の細長いフィラメントから形成される。こうすると、本発明により、可撓性基板および可撓性能動デバイスの要求が満たされる。
半導体ボディは、上に配設された電気絶縁層を有するスレッド・コア上か、あるいは光ファイバまたは圧電材料であるスレッド・コア上に配設することができる半導体を含む。この半導体ボディは、溶液からのスピン・コーティングまたはディップ・コーティング、熱蒸着、あるいはスクリーン印刷などの低コストかつ低温プロセスで、スレッド・コア上に形成することができる有機半導体または有機−無機ハイブリッド半導体、あるいは他の半導体のタイプを含むことが好ましい。こうすると、本発明の能動デバイスを低コストかつ低温プロセスで作製することができ、それによって前記要求が満たされる。
本発明の別の態様によれば、電気回路は、複数本のスレッドおよび少なくとも１つの半導体ボディを含み、これらスレッドが２つ以上の能動デバイスを形成する。これらの実施形態の中には、各スレッドが能動デバイスであるものもある。他の実施形態では、２つ以上の能動デバイスが１本の導電スレッドを共有することができる。
本発明の別の態様によれば、布地は複数本のスレッドを含み、これらスレッドの少なくとも１本が能動デバイスを形成する。
本発明の他のさらなる目的、利点および特徴は、以下の明細書を添付の図面と併せ読めば理解されよう。同じ参照文字は、構造の同じ要素を示す。
図１および２を参照すると、ＦＥＴ５０は、シース５３と、スレッド５４、５６、５８および６０からなるバンドル５２を含む。スレッド５４および５６はＦＥＴ５０の１対のゲートを形成し、スレッド５８および６０はそれぞれＦＥＴ５０のソースおよびドレインを形成する。ゲート・スレッド５４はコア６２を有し、ゲート・スレッド５６はコア６４を有する。ソース・スレッド５８はコア６６を有し、ドレイン・スレッド６０はコア６８を有する。シース５３は、現在または将来にかけて周知の任意の適当な電気絶縁材料でよい。図２ではシース５３は割愛してある。コア６２、６４、６６および６８は、金属または導電性ポリマーなど導電性で可撓性の材料からなる１本または複数本のフィラメントを備える。あるいは、フィラメントは、金属または導電性プラスチックなど導電材料の被覆を備えた非導電性プラスチックであってもよい。フィラメントは、中実または中空であってよく、またその断面形状は、対称、非対称、曲線状または非曲線状、あるいはそれらの組合せの任意の適当なものでよい。
ゲート・スレッド５４は、コア６２に隣接して配設された絶縁体材料の層７０および絶縁体層７０に隣接して配設された半導体材料の層７２を含む。ゲート・スレッド５６は、コア６４に隣接して配設された絶縁体材料の層７４および絶縁体層７４に隣接して配設された半導体材料の層７６を含む。ソース・スレッド５８は、コア６６に隣接して配設された接点層７８を含み、ドレイン・スレッド６０は、コア６８に隣接して配設された接点層８０を含む。接点層７８および８０は、半導体層７２および７６に電気的に接触して配設され、半導体層７２および７６と電気的に接触する界面でキャリア移動度を増強させるように働く。
半導体層７２および７６ならびに接点層７８および８０は、コア材料上に配設することができる現在または将来にかけて周知の任意の適当な有機、無機、またはハイブリッド半導体材料でよい。有機半導体には、たとえば半導体低分子、オリゴマーおよびポリマーが含まれる。たとえば、半導体層７２および７６は、ポリチオフェン誘導体、オリゴチオフェン誘導体およびペンタセンなどの有機半導体から形成することができる。ハイブリッド半導体は、たとえばヨウ化フェニチルアンモニウムスズでよい。接点層７８および８０は、ドープした半導体、金属ハイブリッドなど極めて導電性の高い材料、または金、銅、マグネシウム、カルシウムなどの金属から形成することができる。ドープした半導体には、たとえばヨウ素をドープしたポリチオフェン、しょうのうスルホン酸をドープしたポリアニリン、ポリアセチレン、ポリピロールなどが含まれる。電着、無電解メッキ、押出し成形、吹付け、スタンピング、モールディング、粉体被覆、融解、スピン・コーティングなどの任意の適当なプロセスによって、これらの材料を付着させることができる。
ゲート絶縁層７０および７４は、ＦＥＴに使用することができる現在または将来にかけて周知の任意の適当な電気絶縁材料でよい。たとえば、その絶縁材料は、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ポリイミド、エポキシなどの有機絶縁体、二酸化シリコン、窒化シリコン、チタン酸バリウムストロンチウムなどの無機絶縁体、またはゾル・ゲルとシリケートなどの有機−無機ハイブリッドでよい。ゲート絶縁層７０および７４は、電着、無電解メッキ、押出し成形、吹付け、スタンピング、モールディング、粉体被覆、融解、スピン・コーティングなどの任意の適当なプロセスによって、コア６２および６４に付着させることができる。
ＦＥＴ５０内で電流は、スレッドからスレッドに流れる。たとえば、電流は、ソース・スレッド５８、スレッド５４および５６の半導体層７２および７６、ならびにドレイン・スレッド６０を含む経路中を流れる。すなわち、電流は、ソースおよびドレイン・スレッド５８および６０の軸に対して直交して、すなわち半径方向に流れる。
ＦＥＴ５０は、バンドル５２の長手方向にある幅を有する。この幅は、応用例によって決まるものである。たとえば、ＦＥＴ５０が衣服の５インチ（約１２ｃｍ）の大きさのシャツのポケットに埋め込まれるとすれば、その幅は約５インチ（約１２ｃｍ）となるはずである。電力定格が（発光ダイオードを作動させるのに適当な）約１０ｍＷであり、電流定格が約１ｍＡである場合、ＦＥＴ５０は約１２ｃｍの幅（ポケットの長さ）と約１０ミクロン〜約１００ミクロンの範囲の値をとるスレッド直径を有するはずである。
ゲート・スレッド５４および５６、ソース・スレッド５８およびドレイン・スレッド６０をバンドル５２の形に撚り合わせ、ソース・スレッド５８およびドレイン・スレッド６０と半導体層７２および７６の界面で良好な電気的接触が確実に得られるように機械的な力を与えられてそれらを合わせて保持する。結束具、スリーブ、シースなど他の技法を用いて必要な機械的な力を与えることもできる。また、シース５３によって、スレッド間の短絡が阻止される。
ＦＥＴ５０は、その可撓性およびスレッドの幾何形状のため、それを統合して織布にするかなりの能力を有する。ＦＥＴ５０の幅が広いため、低移動度の有機半導体層７２および７６の場合でさえ、その電流定格は、かなりの負荷を駆動するのに十分に高くすることができる。
ＦＥＴ５０の特定の例では、ゲート・コア６２および６４はそれぞれ、直径約２５ミクロンの銅線である。ゲート絶縁体層７０および７４は、厚さ約０．５ミクロンのエナメル被覆である。半導体層７２および７６は、有機半導体をクロロホルムに溶解した溶液中にこのエナメル被覆導線を漬け、次いでそれを取り出し乾燥させることによって形成する。この有機半導体は、位置規則的なＰ３ＨＴ（ポリ−３−ヘキシルチオフェン）である。
ソースおよびドレイン・コア５８および６０も、腐食防止用にクロムを被覆した直径約２５ミクロンの銅線である。接点層７８および８０は、塩化鉄をドープしたＰ３ＨＴ溶液中にこの導線を漬けることによって形成する。接点層の厚さは約０．２ミクロンである。
ゲート・スレッド５４および５６、ソース・スレッド５８およびドレイン・スレッド６０をそれぞれスプールに巻き取る。次いで、ゲート・スレッド５４および５６、ソース・スレッド５８およびドレイン・スレッド６０をスプールから解き巻き合わせて、図１の撚られたスレッド構造を形成する。次いで、ＰＭＭＡをアセトンに溶解した溶液中にこの撚られたスレッドを漬けることによってシース５３を形成する。これが半導体層７２、７６、７８および８０に影響を及ぼすことはない。
図３を参照すると、ＦＥＴ９０は、ゲート・スレッド５６がスペーサ・スレッド９２で置き換えられている点を除き、ＦＥＴ５０とほぼ同じである。スペーサ・スレッド９２は、ナイロン、ＰＭＭＡ、ＰＶＣ（ポリ塩化ビニル）、ポリエステルなどの電気絶縁材料からなる１本のフィラメントまたは複数本のフィラメントを備え得る。このフィラメントは、中実または中空であってよく、任意の適当な断面を有してよい。絶縁スレッド９２は、ソース・スレッド５８およびドレイン・スレッド６０を離して保ち、それらが互いに接触しないようにする。ＦＥＴ５０と同様に、ＦＥＴ９０は、ゲート・スレッド５４、ソース・スレッド５８、ドレイン・スレッド６０および絶縁スレッド９２に機械的な力を与えて、ソース・スレッド５８とドレイン・スレッド６０が離れて保たれるようなバンドルとしてそれらを合わせて保持する。
図４を参照すると、ＦＥＴ１００は、ゲート・スレッド１０２、ゲート・スレッド１０４、ソース・スレッド１０６、ドレイン・スレッド１０８および半導体ボディ１１０を有する。ソース・スレッド１０６およびドレイン・スレッド１０８は、図１および２のＦＥＴ５０のソース・スレッド５８およびドレイン・スレッド６０とほぼ同じである。ゲート・スレッド１０２は、絶縁体層１１４が上に配設されたコア１１２を有する。ゲート・スレッド１０４は、絶縁体層１１８が上に配設されたコア１１６を有する。コア１１２および１１６は、図１および２のＦＥＴ５０のコア６２および６４とほぼ同じである。絶縁層１１４および１１８は、図１および２のＦＥＴ５０の絶縁層７０および７４とほぼ同じである。半導体ボディ１１０は、細長い形状を有し、スレッド１０２、１０４、１０６および１０８の間のスペースまたは空隙に配設される。ＦＥＴ５０と同様に、ＦＥＴ１００は、ゲート・スレッド１０２および１０４、ソース・スレッド１０６、ドレイン・スレッド１０８および半導体スレッド１１０に機械的な力を与えて、ソース・スレッド１０６とドレイン・スレッド１０８が離れて保たれるようなバンドルとしてそれらを合わせて保持する。
半導体ボディ１１０は、細長いスレッド状の形状に形成可能であり、機械的な力が加えられたときに、ゲート・スレッド１０２および１０４、ソース・スレッド１０６およびドレイン・スレッド１０８の表面にならうような可撓性を有する任意の適当な半導体材料から製作することができる。たとえば、半導体ボディ１１０は、Ｐ３ＨＴなどの有機半導体で充満させた浸透性スレッド、またはヨウ化フェニチルアンモニウムスズなどの有機−無機ハイブリッド半導体から形成することができる。
あるいは、半導体ボディ１１０は、スレッド１０２、１０４、１０６および１０８の１つまたは複数の表面に、それらスレッド間に連続したボディを設けるのに十分な量で付着させる半導体ペーストまたは半導体ゲルから形成することもできる。たとえば、半導体ペーストは、靭性、強度、可撓性、接着性および熱特性などの機械的特性を考慮して選択したバインダと混ぜ合わせた有機半導体から形成することができる。たとえば、このバインダはポリスチレンでよい。
図５を参照すると、ＦＥＴ１２０は、ゲート・スレッド１２２、ソース・スレッド１２４、ドレイン・スレッド１２６、スペーサ・スレッド１２８、半導体ボディ１３０および１対の接点スレッド１３２と１３４を含む。ゲート・スレッド１２２は、図４のＦＥＴ１００のゲート・スレッド１０２とほぼ同じである。スペーサ・スレッド１２８は、図４のスペーサ・スレッド１０４とほぼ同じである。半導体ボディ１３０は、図４のＦＥＴ１００の半導体ボディ１１０とほぼ同じである。ソース・スレッド１２４およびドレイン・スレッド１２６はそれぞれ、金属または導電性ポリマーなど導電性で可撓性の材料からなる１本または複数本のフィラメントから形成される。あるいは、このフィラメントは、金属または導電性プラスチックなど導電材料の被覆を備えた非導電性プラスチックであってもよい。フィラメントは、中実または中空であってよく、任意の適当な断面を有してよい。
接点スレッド１３２は、半導体スレッド１３０に電気的に接触して配設され、またソース・スレッド１２４に電気的に接触して配設される。接点スレッド１３４は、半導体スレッド１３０およびドレイン・スレッド１２６に電気的に接触して配設される。接点スレッド１３２および１３４は、半導体スレッド１３０との界面でキャリア移動度を増強させる任意の適当な半導体材料で形成される。たとえば、接点スレッド１３２および１３４は、ソースおよびドレインからドーパントを制御して拡散させることによってドープした半導体で形成することができる。
ＦＥＴ１２０の接点スレッド構成を、ＦＥＴ５０、９０および１００の接点層構成の代わりに用いることができることが当業者には理解されよう。たとえば、（図１および２の）ＦＥＴ５０のソースおよびドレイン・スレッド５８および６０の接点層７８および８０を、半導体層７２および７６ならびにソースおよびドレイン・コア６６および６８と電気的に接触する１対の離間した接点スレッドで置き換えることができる。
ＦＥＴ１２０の特定の例では、半導体ボディ１３０は、Ｐ３ＨＴを溶解したクロロホルム溶液に、複数本のフィラメントから形成され得る浸透性のスレッドを漬け、それを抜き取り乾燥させることによって形成される。接点スレッド１３２および１３４は、高機能パラジウム被覆銅でよい。半導体ボディを間に備えた接点スレッド１３２および１３４を融合させて３本スレッドのアセンブリを形成し、スプールに巻き取る。次いで、この３本スレッドのアセンブリを、Ｐ３ＨＴをクロロホルムに溶解した溶液中に漬け、まだ濡れている間に、スペーサ・スレッド１２８、ソース・スレッド１２４およびドレイン・スレッド１２６とともに巻き取って定位置に硬化させ、ＦＥＴ１２０を形成する。
図６を参照すると、ＦＥＴ１４０は、ゲート・スレッド１０４が光スレッド１４２で置き換えられている点を除き、図４のＦＥＴ１００とほぼ同じである。あるいは、ゲート・スレッド１０２および１０４の両方を光スレッド１４２で置き換えてもよい。光スレッド１４２は、半導体ボディ１１０に隣接し、かつソース・スレッド１０６とドレイン・スレッド１０８の間に配設された光ファイバである。光スレッド１４２に加えられる光エネルギーは、半導体ボディ１１０に結合され、その中でキャリア濃度を変調して、ソース・スレッド１０６とドレイン・スレッド１０８の間でインピーダンスの変化を引き起こす。
図７を参照すると、ＦＥＴ１５０は１本のスレッド１５２を有する。スレッド１５２は、コア１５４、絶縁層１５６、半導体層１５８、ソース層１６０およびドレイン層１６２を有する。コア１５４は、金属または導電性ポリマーなど導電性で可撓性の材料からなる１本または複数本のフィラメントを備える。あるいは、フィラメントは、金属または導電性プラスチックなど導電材料の被覆を備えた非導電性プラスチックであってもよい。このフィラメントは、中実または中空であってよく、任意の適当な断面を有してよい。絶縁層１５６はコア１５４の表面上に配設され、半導体層１５８は絶縁層１５６の表面上に配設される。ソース層１６０およびドレイン層１６２は、スレッド１５２の長手方向すなわち軸方向に沿って帯状に半導体層１５８の表面上に配設される。
図８を参照すると、能動デバイス１７０は１本のスレッド１７２を有する。スレッド１７２は、コア１７４、半導体層１７６および１対の電極１７８と１８０を有する。コア１７４は光ファイバからなる。半導体層１７６は光ファイバ・コア１７４の表面上に配設される。電極１７８および１８０は、スレッド１７２の長手方向すなわち軸方向に沿って帯状に半導体層１７６の表面上に配設される。光ファイバ・コア１７４に加えられる光エネルギーは、半導体層１７６中でキャリア濃度を変調し、そのため、電極１７８と１８０の間でインピーダンスが変化する。能動デバイス１７０の重要な応用例は、光エネルギーを電気エネルギーに変換することである。
図９を参照すると、能動デバイス１９０は１本のスレッド１９２を有する。スレッド１９２は、コア１９４と、半導体層１９６と、３つの電極１９８、２００および２０２を有する。コア１９４は圧電材料からなる。半導体層１９６は圧電コア１９４の表面上に配設される。電極１９８、２００および２０２は、スレッド１９２の長手方向すなわち軸方向に沿って帯状に半導体層１９６の表面上に配設される。圧電コア１９４に加えられる機械的な応力は、半導体層１９６中でキャリア濃度を変調し、そのため、電極１９８と電極２００および２０２の間、ならびに電極２００と２０２の間でインピーダンスが変化する。能動デバイス１９０の重要な応用例は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換することである。
能動デバイス１７０の光ファイバ１７４または能動デバイス１９０の圧電コア１９４を他の適当な材料で置き換えて、熱エネルギーまたは化学エネルギーを電気エネルギーに変換することができる。光、機械的応力、熱または化学エネルギーを用いて電力を生成することも可能であり、それによって低電力応用例では電池を置き換えることができるはずである。
図１０を参照すると、従来技術のＦＥＴ回路２１０は、１対のＦＥＴ２１２および２１４を含む。ＦＥＴ２１２は、ゲートＧ１、ソース２１６およびドレイン２１８を有する。ＦＥＴ２１４は、ゲートＧ２、ソース２２０およびドレイン２２２を有する。ＦＥＴ２１２および２１４のソース／ドレイン・チャネルは直列に接続される。すなわち、ドレイン２１８はソース２２０に接続される。
図１１を参照すると、回路２１０がスレッド・アセンブリ２２４の形で示されている。ＦＥＴ２１２は、ソース・スレッド２２５、ゲート・スレッド２２７および共通スレッド２２６で形成される。ＦＥＴ２１４は、ゲート・スレッド２２８、ドレイン・スレッド２２９および共通スレッド２２６で形成される。こうすると、ゲートＧ１およびＧ２はゲート・スレッド２２７および２２８、ソース２１６はソース・スレッド２２５、ドレイン２２２はドレイン・スレッド２２９、ドレイン２１８およびソース２２０は共通スレッド２２６で実施される。
図１２を参照すると、従来技術の回路２３０は、２個のＦＥＴ２３２および２３４を含む。ＦＥＴ２３２は、ゲートＧ１、ソース２３６およびドレイン２３８を有する。ＦＥＴ２３４は、ゲートＧ２、ソース２４０およびドレイン２４２を有する。ＦＥＴ２３２および２３４のソース／ドレイン・チャネルは並列に接続される。すなわち、ソース２３６はソース２４０に接続され、ドレイン２３８はドレイン２４２に接続される。
図１３を参照すると、回路２３０がスレッド・アセンブリ２４４の形で示されている。ＦＥＴ２３２および２３４は、共通ソース・スレッド２４６および共通ドレイン・スレッド２４８、ならびに別々のゲート・スレッド２４５および２４７で形成される。こうすると、ソース２３６および２４０（図１２）は共通ソース・スレッド２４６、ドレイン２３８および２４２（図１２）は共通ドレイン・スレッド２４８、ゲートＧ１およびＧ２はゲート・スレッド２４５および２４７で実施される。
図１４を参照すると、布地３００は、互いに織り込まれた複数本のスレッド３０２Ａおよび３０２Ｂを有する。スレッド３０２Ａは布地スレッドであり、スレッド３０２Ｂは能動デバイス・スレッド、たとえばＦＥＴ５０、９０、１００、１２０または１４０あるいは能動デバイス１５０、１７０または１９０である。布地３００の応用例には、電気、光学、機械応力、熱または化学活動が必要な任意の応用例が含まれる。
図１５を参照すると、例として、スレッド３０２Ｂはそれぞれ、図９に示すタイプの圧電スレッドとすることができる。電極１９８、２００および２０２は、サンプリング・デバイス３０４に接続される。サンプリング期間中、サンプリング・デバイス３０４は、電極１９８と２００、１９８と２０２、および２００と２０２の両端間に電圧を接続し、それらを通る電流を測定して基準値と比較する。破線３０６は、他の複数の能動デバイス・ライン３０２Ｂに接続するためのものである。たとえば、すべての能動デバイス・スレッド３０２Ｂは、全体としてあるいはそれぞれ別々のサンプリング間隔でサンプリングできるはずである。
図１６を参照すると、能動デバイス３２０は、可撓性のリボン状基板３２２、層３２４、層３２６、１対の導電体３２８および３３０、ならびに半導体ボディ３３２を有する。可撓性基板３２２は、可撓性または可屈曲性の特質を有する任意のプラスチックまたは金属材料から形成することができる。
あるＦＥＴの場合、基板３２２は導電性であり、層３２４も導電性でゲートを形成する。層３２６は電気絶縁体である。導電体３２８および３３０はそれぞれソースおよびドレインである。光能動デバイスの場合、ゲート層３２４は割愛され、層３２６は光透過性素子、たとえば半導体ボディ３３２に光を透過させる光透過性導波路、プリズムなどである。
あるＦＥＴの場合、可撓性基板３２２は、可撓性絶縁材料、たとえば絶縁金属箔、プラスチック、アルマイト、カプトン、マイラー、布地、ゴムなどであることが好ましい。層３２４は、ＦＥＴのゲートに適した任意の金属、たとえばアルミニウム、金、クロムなどである。層３２６は任意の適当なゲート用絶縁体であり、たとえば、ＰＭＭＡ（ポリメチルメタクリレート）、ポリイミド、エポキシなどの有機絶縁体、二酸化シリコン、窒化シリコン、チタン酸バリウムストロンチウムなどの無機絶縁体、あるいはゾル・ゲルとシリケートなどの有機−無機ハイブリッドである。
光能動デバイスの場合、可撓性基板は、光透過性材料、たとえばエポキシ、ポリイミド、ポリスチレン、マイラー、プレキシグラス、ＰＭＭＡなどであることが好ましい。層３２６は、絶縁性の光透過性材料、たとえば二酸化シリコン、ＰＭＭＡなどであることが好ましい。金属性のゲート層３２６としては、酸化インジウムスズなどの透明な金属であることが好ましい。
ＦＥＴまたは光能動デバイスの場合、半導体ボディ３３２は、有機半導体または有機−無機ハイブリッド材料の層である。適当な有機半導体材料には、たとえば、半導体低分子、オリゴマーおよびポリマーが含まれる。たとえば、半導体ボディ３３２は、ポリチオフェン誘導体、オリゴチオフェン誘導体およびペンタセンなどの有機半導体で形成することができる。ハイブリッド半導体は、たとえばヨウ化フェニチルアンモニウムスズでよい。導電体３２８および３３０は、任意の適当な金属または導電性プラスチックでよい。
これらの半導体材料、ゲート材料、ゲート絶縁体材料および導電体は、たとえば、コーティング、溶液からのディップ・コーティング、熱蒸着、スクリーン印刷、押出し成形、電着、スタンピング、モールディングなどの任意の適当なプロセスによって付着させることができる。
当業者には明らかなように、チャネル領域でドープを行なわずに、あるいは接点領域でスズまたはアンチモンのドープを行って、本明細書で説明したＦＥＴにヨウ化フェニチルアンモニウムスズなどのハイブリッド半導体を使用することができる。
以上、好ましい形態を具体的に参照して本発明を説明してきたが、添付の特許請求の範囲で定義される本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく、この実施形態において様々な変更および改変を加えることができることが明らかである。
本発明の能動的な電界効果トランジスタのセグメントを示す斜視図である。 図１の分解断面を示す図である。 本発明の代替電界効果トランジスタを示す断面図である。 本発明の代替電界効果トランジスタを示す断面図である。 本発明の代替電界効果トランジスタを示す断面図である。 本発明の代替電界効果トランジスタを示す断面図である。 本発明の代替電界効果トランジスタを示す断面図である。 本発明の能動デバイスを示す断面図である。 本発明の代替能動デバイスを示す断面図である。 従来技術の回路を示す図である。 図１０のＦＥＴの代わりになる本発明のアセンブリを示す図である。 従来技術の回路を示す図である。 図１２のＦＥＴの代わりになる本発明のアセンブリを示す図である。 本発明の能動デバイス・スレッドを含む布地を示す図である。 図１４の能動デバイス・スレッド用サンプリング回路を示す図である。 本発明の代替能動デバイスを示す斜視図である。

Claims (54)

  1. 軸方向に延び且つエネルギーが加えられる細長いコアと、該コアの上に配設され該コアの軸方向に沿った幅を有する半導体層とを有する細長いスレッドと、
    該スレッドの外面に接し且つ前記コアの軸方向に沿って互いに平行に設けられ、前記半導体層の互いに離れた場所において前記コアの軸方向に沿った前記幅に亘って前記半導体層にそれぞれ接触する第１導電体および第２導電体とを備え、
    前記スレッドの前記コアに加えられるエネルギーによって前記半導体層のキャリア濃度を変調することにより、前記半導体層の前記コアの軸方向に沿った前記幅に亘って前記半導体層に接触する前記第１導電体および前記第２導電体の間のインピーダンスを変化させる、能動デバイス。
  2. 前記半導体層が前記コアを取り囲む層である、請求項１に記載の能動デバイス。
  3. 前記コアが光ファイバである、請求項１に記載の能動デバイス。
  4. 前記コアが圧電材料である、請求項１に記載の能動デバイス。
  5. 前記コアと前記半導体層の間に配設された絶縁材料の層をさらに備え、前記コアおよび前記第１および第２導電体が、電界効果トランジスタのゲート、ソースおよびドレインである、請求項１に記載の能動デバイス。
  6. 前記スレッドが複数本の可撓性のスレッドの第１スレッドであり、前記第１および第２導電体が前記複数本のスレッドの第２および第３スレッドであり、該第２および第３スレッドが前記第１スレッドの軸方向に延びる、請求項１に記載の能動デバイス。
  7. 前記第１スレッドの前記コアが光ファイバである、請求項６に記載の能動デバイス。
  8. 前記第１スレッドが導電コアを含み、電気絶縁材料の層が前記コア上に配設される、請求項６に記載の能動デバイス。
  9. 前記半導体層が前記電気絶縁材料の層上に配設された層である、請求項８に記載の能動デバイス。
  10. 前記複数本のスレッドの第４スレッドが前記第１スレッドの軸方向に延びる、請求項８に記載の能動デバイス。
  11. 前記第４スレッドが、前記第２および第３スレッドの間に挿入された絶縁材料からなるスペーサである、請求項１０に記載の能動デバイス。
  12. 前記第４スレッドが、導電コアおよび前記コア上に配設された電気絶縁材料の層を含む、請求項１０に記載の能動デバイス。
  13. 前記第４スレッドを囲んで電気絶縁材料の層が配設され、該電気絶縁材料の層上に半導体層が配設される、請求項１０に記載の能動デバイス。
  14. 前記第１スレッドの軸方向に延びる第１および第２接点スレッドをさらに備え、前記第１接点スレッドが前記半導体層および前記第２スレッドと電気的に接触してそれらの間に配設され、前記第２接点スレッドが前記半導体層および前記第３スレッドと電気的に接触してそれらの間に配設されてキャリアを増強する、請求項６に記載の能動デバイス。
  15. 前記第２スレッドが第１コアを含み前記第３スレッドが第２コアを含み、前記第１接点スレッドが前記第１コアに接して配設され、前記第２接点スレッドが前記第２コアに接して配設される、請求項１４に記載の能動デバイス。
  16. 前記第１および第２接点スレッドが前記複数本のスレッドの第４および第５スレッドである、請求項１４に記載の能動デバイス。
  17. 前記半導体層が有機半導体材料を含む、請求項１に記載の能動デバイス。
  18. 前記有機半導体材料が、半導体低分子、オリゴマーおよびポリマーからなる群から選択される材料である、請求項１７に記載の能動デバイス。
  19. 前記有機半導体材料が、ペンタセン、オリゴチオフェンおよびポリチオフェンからなる群から選択される材料である、請求項１７に記載の能動デバイス。
  20. 前記半導体層が有機−無機ハイブリッド半導体材料を含む、請求項１に記載の能動デバイス。
  21. 前記有機−無機ハイブリッド半導体材料がヨウ化フェニチルアンモニウムスズである、請求項２０に記載の能動デバイス。
  22. 前記コアが１本または複数本の細長いフィラメントを含む、請求項２に記載の能動デバイス。
  23. 前記１本または複数本のフィラメントが導電性である、請求項２２に記載の能動デバイス。
  24. 前記スレッドが可撓性である、請求項１に記載の能動デバイス。
  25. 前記複数本のスレッドが撚り合わされている、請求項６に記載の能動デバイス。
  26. 前記複数本のスレッドを合わせて保持する手段をさらに備える、請求項６に記載の能動デバイス。
  27. 電流が、前記第２スレッド、前記半導体層および前記第３スレッドを含む経路中を流れる、請求項６に記載の能動デバイス。
  28. 前記コアが導電性である、請求項１に記載の能動デバイス。
  29. 軸方向に延び且つエネルギーが加えられる細長い導電コア、該導電コアの上に配設され該導電コアの軸方向に延びて配設された電気絶縁材料の層、及び該電気絶縁材料の層の上に配設され前記導電コアの軸方向に沿った幅を有する半導体層を有する細長いスレッドと、
    該スレッドの外面に接し且つ前記コアの軸方向に沿って互いに平行に設けられ、前記半導体層の互いに離れた場所において前記コアの軸方向に沿った前記幅に亘って前記半導体層にそれぞれ接触する第１導電体および第２導電体とを備え、
    前記スレッドの前記コアに加えられるエネルギーによって前記半導体層のキャリア濃度を変調することにより、前記半導体層の前記コアの軸方向に沿った前記幅に亘って前記半導体層に接触する前記第１導電体および前記第２導電体の間のインピーダンスを変化させる、電界効果トランジスタ。
  30. 前記スレッドが複数本のスレッドの第１スレッドであり、該第１スレッドが前記導電コアの外面に前記電気絶縁材料の層が配設されたスレッドであってゲートであり、前記複数本のスレッドの第２スレッドが前記第１導電体を含みソースであり、第３スレッドが第２導電体を含みドレインである、請求項２９に記載の電界効果トランジスタ。
  31. 前記複数本のスレッドが可撓性である、請求項３０に記載の電界効果トランジスタ。
  32. 前記複数本のスレッドが撚り合わされて可撓性のバンドルにされている、請求項３０に記載の電界効果トランジスタ。
  33. 前記半導体層が有機半導体材料を含む、請求項３０に記載の電界効果トランジスタ。
  34. 前記有機半導体材料が、半導体低分子、オリゴマーおよびポリマーからなる群から選択される材料である、請求項３３に記載の電界効果トランジスタ。
  35. 前記有機半導体材料が、ペンタセン、オリゴチオフェンおよびポリチオフェンからなる群から選択される材料である、請求項３３に記載の電界効果トランジスタ。
  36. 前記半導体層が有機−無機ハイブリッド半導体材料を含む、請求項２９に記載の電界効果トランジスタ。
  37. 前記有機−無機ハイブリッド半導体材料がヨウ化フェニチルアンモニウムスズである、請求項３６に記載の電界効果トランジスタ。
  38. 前記コアが１本または複数本の細長いフィラメントを含む、請求項２９に記載の電界効果トランジスタ。
  39. 前記１本または複数本のフィラメントが導電性である、請求項３８に記載の電界効果トランジスタ。
  40. 電流が、前記第２スレッド、前記半導体層および前記第３スレッドを含む経路中を流れる、請求項３０に記載の電界効果トランジスタ。
  41. 軸方向に延び且つエネルギーが加えられる細長いコア、該コアの上に配設され該コアの軸方向に延びて配設された電気絶縁材料の層、及び該電気絶縁材料の層の上に配設され前記導電コアの軸方向に沿って配設された半導体層を有する細長い第１スレッドと、
    該第１スレッドの外面に接し且つ前記コアの軸方向に沿って互いに平行に設けられ、前記半導体層の互いに離れた場所において前記半導体層にそれぞれ接触する第１導電体の細長い第２スレッドおよび第２導電体の細長い第３スレッドとを備え、
    前記第１スレッドの前記コアに加えられるエネルギーによって前記半導体層のキャリア濃度を変調することにより、前記半導体層に接触する前記第１導電体の第２スレッドおよび前記第２導電体の第３スレッド間のインピーダンスを変化させる、電気回路。
  42. 軸方向に延び且つエネルギーが加えられる細長いコア、該コアの上に配設され該コアの軸方向に延びて配設された電気絶縁材料の層、及び該電気絶縁材料の層の上に配設され前記導電コアの軸方向に沿って配設された半導体層を有する細長い第４スレッドを備え、
    該第４スレッドの前記半導体層が前記第１スレッドの前記半導体層と対向するように前記第４スレッドが配設され、
    前記第４スレッドの前記半導体層の互いに離間した２つの位置で該半導体層に前記第１導電体の第２スレッドおよび前記第２導電体の第３スレッドとが接触する、請求項４１に記載の電気回路。
  43. 前記第１スレッド、前記第２スレッドおよび前記第３スレッドが可撓性であり、前記第１スレッド、前記第２スレッドおよび前記第３スレッドが撚り合わされて可撓性のバンドルにされている、請求項４１に記載の電気回路。
  44. 前記第１スレッド、前記第２スレッド、前記第３スレッドおよび前記第４スレッドが可撓性であり、前記第１スレッド、前記第２スレッド、前記第３スレッドおよび前記第４スレッドが撚り合わされて可撓性のバンドルにされている、請求項４２に記載の電気回路。
  45. 軸方向に延び且つエネルギーが加えられる細長いコアと、該コアの上に配設され該コアの軸方向に沿った幅を有する半導体層とを有する細長いスレッドと、
    該スレッドの外面に接し且つ前記コアの軸方向に沿って互いに平行に設けられ、前記半導体層の互いに離れた場所において前記コアの軸方向に沿った前記幅に亘って前記半導体層にそれぞれ接触する第１導電体および第２導電体とを備え、
    前記スレッドの前記コアに加えられるエネルギーによって前記半導体層のキャリア濃度を変調することにより、前記半導体層の前記コアの軸方向に沿った前記幅に亘って前記半導体層に接触する前記第１導電体および前記第２導電体の間のインピーダンスを変化させる、能動デバイスが織り込まれた布地。
  46. 軸方向に延び且つエネルギーが加えられる細長いコア、該コアの上に配設され該コアの軸方向に延びて配設された電気絶縁材料の層、及び該電気絶縁材料の層の上に配設され前記導電コアの軸方向に沿って配設された半導体層を有する細長い第１スレッドと、
    該第１スレッドの外面に接し且つ前記コアの軸方向に沿って互いに平行に設けられ、前記半導体層の互いに離れた場所において前記半導体層にそれぞれ接触する第１導電体の細長い第２スレッドおよび第２導電体の細長い第３スレッドとを備え、
    前記第１スレッドの前記コアに加えられるエネルギーによって前記半導体層のキャリア濃度を変調することにより、前記半導体層に接触する前記第１導電体の第２スレッドおよび前記第２導電体の第３スレッド間のインピーダンスを変化させる、電気回路が織り込まれた布地。
  47. 前記半導体層が前記コアを取り囲む層である、請求項４５又は４６に記載の布地。
  48. 前記コアが光ファイバである、請求項４５又は４６に記載の布地。
  49. 前記コアが圧電材料である、請求項４５又は４６に記載の布地。
  50. 前記コアと前記半導体層の間に配設された電気絶縁材料の層をさらに備え、前記コアおよび前記第１および第２導電体が、電界効果トランジスタのゲート、ソースおよびドレインである、請求項４５又は４６に記載の布地。
  51. 前記スレッドが複数本の可撓性のスレッドの第１スレッドであり、前記第１および第２導電体が前記複数本のスレッドの第２および第３スレッドであり、該第２および第３スレッドが前記第１スレッドの軸方向に延びる、請求項４５又は４６に記載の布地。
  52. 前記第１スレッドの前記コアが光ファイバである、請求項５１に記載の布地。
  53. 前記第１スレッドが導電コアを含み、電気絶縁材料の層が前記コア上に配設される、請求項５１に記載の布地。
  54. 前記半導体層が前記電気絶縁材料の層上に配設された層である、請求項５３に記載の布地。
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