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功率器件技术 GaN器件 有限元仿真 ★ 5.0

基于与有限元分析兼容的双极性有机场效应晶体管的柔性反相器

Flexible Inverter Based on Ambipolar OFETs Compatible With Finite Element Analysis

作者 Xuemeng Hu · Jialin Meng · Hao Zhu · Tianyu Wang · Qingqing Sun · David Wei Zhang
期刊 IEEE Transactions on Electron Devices
出版日期 2025年1月
技术分类 功率器件技术
技术标签 GaN器件 有限元仿真
相关度评分 ★★★★★ 5.0 / 5.0
关键词 双极型有机场效应晶体管 柔性逆变器 柔性白云母衬底 应力分布 柔性可穿戴集成电路
语言:

中文摘要

随着柔性电子领域对可穿戴集成电路需求的增长,兼具 n 型和 p 型性能的双极型有机场效应晶体管(OFET)正受到越来越多的关注。本文在柔性白云母衬底上制备了由两个相同双极型晶体管组成的柔性反相器。双极型晶体管的整个制备过程温度保持在 300°C 以下,确保了与后段制程(BEOL)的兼容性。该双极型晶体管呈现出典型的 V 形转移曲线,具有明显的空穴和电子传输分支,以及一个完整的双极区。利用 ABAQUS 软件分析了双极型晶体管的应力分布。同时,由这些晶体管组成的双极型反相器可根据输入电压($V_{IN}$)在正、负电源电压($V_{DD}$)下工作。此外,该反相器具有高度的柔韧性,能够在不同的弯曲状态下稳定工作。所提出的柔性反相器为柔性可穿戴集成电路的应用提供了可能。

English Abstract

With the demand for wearable integrated circuits in the field of flexible electronic, ambipolar organic field-effect transistors (OFETs) acting as both n-type and p-type performances are attracting more and more attention. In this article, a flexible inverter comprised of two identical ambipolar transistors was fabricated on the flexible muscovite substrate. The entire fabrication process for ambipolar transistors remains below 300°C, ensuring compatibility with backend-of-the-line (BEOL). The ambipolar transistor exhibits typical V-shape transfer curve with distinct branches for hole and electron transport, along with a comprehensive ambipolar region. The software ABAQUS was used to analyze the distribution of stress for the ambipolar transistor. Meanwhile, the ambipolar inverter comprised of the transistors can work for both positive and negative supply voltages ( V _ DD ) depending on input voltage ( V _ IN ). Furthermore, the inverter is highly flexible, which can work stably under different bending states. The proposed flexible inverter provides a possibility of application for flexible wearable integrated circuits.
S

SunView 深度解读

从阳光电源的业务视角来看,这项基于双极性有机场效应晶体管(OFETs)的柔性逆变器技术呈现出差异化的应用前景,但与公司核心业务存在明显的技术路径差异。

该技术的核心价值在于柔性和低温制造工艺(<300°C),使其适用于可穿戴设备和柔性电子领域。对于阳光电源而言,这一技术路线可能在分布式能源监测、智能运维穿戴设备等边缘场景具有探索价值。例如,可集成于光伏组件表面的柔性传感器电路、储能系统的柔性应力监测单元,或电站巡检人员的可穿戴数据采集终端。论文中采用ABAQUS进行应力分布分析的方法,与我们在大型逆变器结构可靠性设计中的仿真思路具有方法论上的共通性。

然而,技术成熟度评估需保持审慎态度。有机半导体材料的功率处理能力、长期稳定性和环境耐受性与阳光电源主营的硅基功率电子器件存在数量级差距。该技术目前仅实现了基础逆变单元,距离承载千瓦级以上功率转换的工业应用仍有巨大鸿沟。其双极性工作特性虽然简化了电路设计,但在高压大电流场景下的可靠性尚未验证。

战略机遇在于前瞻性布局。随着能源物联网和智能电网的发展,柔性、轻量化的电子组件需求增长。建议将此类技术纳入长期技术雷达,重点关注其在低功耗信号处理、传感器接口电路等辅助系统的应用潜力,而非直接替代现有功率变换主路径。可考虑通过产学研合作方式进行小规模技术验证,评估在新能源系统智能化升级中的实际价值。