面向神经形态应用的有机电化学晶体管电荷紧凑模型研究

《IEEE Journal of the Electron Devices Society》：Charge-Based Compact Modeling of OECTs for Neuromorphic Applications

本刊编辑推荐：为解决有机电化学晶体管（OECT）在神经形态应用中缺乏物理基础紧凑模型的问题，研究者提出了一种融合电化学能斯特方程与半导体物理热激活电荷的建模方法。该模型通过实验验证，精准复现了PEDOT:PSS基OECT的直流特性，为高性能生物电子电路集成提供了关键理论工具。

　　

在仿生计算与生物电子学蓬勃发展的今天，科学家一直试图制造出能像人脑一样高效处理信息的器件。人脑的奥秘部分在于突触——神经元之间传递信号的连接点，它们通过离子和化学物质动态调节信号强度。有机电化学晶体管（OECT）正是一种能模拟这种行为的器件，它使用有机半导体材料，通过离子注入来调节电流，具备低功耗、高生物相容性和易加工等优势，可广泛应用于神经接口、可穿戴健康监测等领域。然而，要将OECT真正用于神经形态系统，面临一个核心挑战：如何建立准确且易于电路集成的物理模型，以描述其复杂的电化学与电子行为？

现有模型多基于经验公式或简化假设，难以全面反映OECT内部离子与电子的相互作用。有些模型借用传统MOSFET的框架，但OECT的运作本质是电化学氧化还原反应，而非单纯的场效应。因此，开发一个既能描述界面电化学过程，又能刻画半导体通道电荷输运的紧凑模型，成为推动OECT走向实际应用的关键。

为了解决这一问题，来自德国吉森应用技术大学、德累斯顿工业大学等机构的研究团队在《IEEE Journal of the Electron Devices Society》上发表了他们的最新成果。他们开发了一种新型电荷基紧凑模型，首次将电化学领域的能斯特方程（Nernst Equation）与半导体物理中的热激活电荷理论相结合，实现了对OECT直流特性的精准预测。该模型不仅物理意义清晰，而且形式简洁，可直接嵌入电路仿真工具，为后续研究动态特性、塑性行为等奠定了核心基础。

为开展本研究，作者主要采用以下关键技术方法：首先，通过光刻、旋涂、氧等离子体干法刻蚀等微纳加工技术制备了以PEDOT:PSS为沟道材料、金为电极的OECT器件；其次，利用电学测试平台测量器件的转移特性和输出特性；最后，基于能斯特方程和半导体漂移扩散理论推导出紧凑模型，并通过参数提取与实验数据对比进行验证。

模型构建与理论框架

研究团队从PEDOT:PSS的电化学反应机理出发。当阳离子（C⁺）从电解质注入沟道时，会发生如下氧化还原反应：PEDOT⁺:PSS^? + C⁺ + e^? ? PEDOT⁰ + C⁺:PSS^?。该反应表明，每个注入的离子会还原一个PEDOT⁺链段，同时消耗一个电子。基于此，作者引入能斯特方程描述氧化态与还原态浓度比与电势的关系，并假设PEDOT总量守恒，推导出沟道中氧化态载流子浓度随有效栅压变化的S形函数关系。

在强氧化区域（above threshold），电流由欧姆定律和载流子漂移机制主导；而在亚阈值区，载流子浓度呈热激活特性，作者采用玻尔兹曼近似与朗伯W函数进行描述。为刻画短沟道效应中常见的阈值电压滚降（threshold voltage roll-off），团队还提出了一个经验性的电化学电极耦合函数，使阈值电压随漏压线性变化。最终，总电流通过调和平均将上述两个区域的电流表达式平滑衔接，形成完整的直流紧凑模型。

模型验证与结果分析

研究人员制备了多种不同沟道尺寸（长度50–200 μm，宽度50–150 μm）的OECT器件，并系统测量了其电学特性。如图2所示，模型计算结果（实线）与实验数据（符号）高度吻合，准确捕捉了器件在线性与对数坐标下的转移特性曲线，以及输出特性中的饱和趋势。

DS=?0.1;?0.3; and ?0.5 V, and(c) output characteristics at V_GS=?0.25; 0; and +0.25 V. The device has a channel length of L_Ch=50μm and a channel width of W_Ch=100μm.">

特别值得注意的是，模型成功复现了亚阈值斜率（约125 mV/dec）以及栅压低于0V时电流的“平坦化”行为。通过调节少数关键参数（如平衡电压V₀、斜率因子α、体积电容C*等），该模型对不同尺寸的器件均表现出良好的通用性（图3、图4），凸显了其可扩展性。

DS=?0.1;?0.3; and ?0.5 V, and(c) output characteristics at V_GS=?0.25; 0; and +0.25 V. The device has a channel length of L_Ch=200μm and a channel width of W_Ch=150μm.">

DS=?0.1;?0.3; and ?0.5 V, and(c) output characteristics at V_GS=?0.25; 0; and +0.25 V.The device has a channel length of L_Ch=100μm and a channel width of W_Ch=50μm.">

结论与展望

本研究成功开发了一个物理基础扎实、形式紧凑的OECT直流模型，通过融合电化学与半导体物理理论，精准描述了器件在不同工作区间的电荷行为。该模型不仅与实验数据高度一致，而且参数数量少、物理意义明确，为OECT在神经形态电路中的集成提供了重要仿真基础。

作者也指出，当前模型仍需进一步扩展以涵盖更多实际效应，例如接触电阻、寄生电容、陷阱态详细表征以及瞬态响应特性。尤其是OECT的突触塑性、历史依赖行为等动态特性，将是未来模型升级的重点。这项研究为构建更完整的OECT仿真平台迈出了关键一步，有望加速其在低功耗仿生计算、智能传感等前沿领域的应用落地。