摩擦电子学晶体管及与非门、触发器、寄存器和计数器的制作方法

本发明属于柔性电子学器件领域，特别涉及一种摩擦电子学晶体管及与非门、触发器、寄存器和计数器。

背景技术：

随着集成电路IC技术的发展，电子产品的需求也不断在加大，逻辑电路在现代电子产品中占据核心的地位。而当今物联网迅猛发展又需要将外界环境与电子产品密切联系，但是现有的逻辑单元器件都是“静态”并几乎完全通过电信号触发或启动的，缺乏外界环境与逻辑器件的“动态”交互机制。

技术实现要素：

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的是提供一种浮栅式摩擦电子学晶体管及与非门、触发器、寄存器和计数器，以期解决上述现有技术中存在的至少一项技术问题。

(二)技术方案

为了实现上述目的，本发明提供一种浮栅式摩擦电子学晶体管，包括：基材，所述基材包括：沟道层，其材料为n型硅；绝缘层，形成于沟道层之上，其材料为二氧化硅；基片层，形成于绝缘层之上，其材料为重掺n型硅。浮栅式摩擦电子学晶体管还包括：两个金属电极，分别沉积于沟道层之下两个不同位置，引出浮栅式摩擦电子学晶体管的漏极和源极；金属栅极，形成于所述基片层之上；高分子基板，形成于栅极导电层之上；金属膜，形成于高分子基板之上，通过过孔与金属栅极连接；移动摩擦件，其材料为高分子聚合物，其能够在外力作用下移动，与金属膜接触或分离。

优选地，当移动摩擦件与金属膜分离时，在沟道层形成增强区，沟道层中的导电沟道宽度增加，导电沟道中的电流I_DS增加，浮栅式摩擦电子学晶体管被定义为处于开启状态；当移动摩擦件与金属膜接触时，沟道层中的导电沟道宽度减小，导电沟道中的电流I_DS减小，浮栅式摩擦电子学晶体管被定义为处于关闭状态。

本发明还提供一种摩擦电子学与非门，包括上述的浮栅式摩擦电子学晶体管、一个p型场效应晶体管和一个n型场效应晶体管；移动摩擦件由有机玻璃支撑，上下表面为高分子聚合物材料；移动摩擦件在两个浮栅式摩擦电子学晶体管之间移动，使得移动摩擦件的上下表面与两个浮栅式摩擦电子学晶体管的金属膜接触或分离；位于下方的浮栅式摩擦电子学晶体管的漏极与p型场效应晶体管的源极连接电源电压，位于下方的浮栅式摩擦电子学晶体管的源极与p型场效应晶体管的漏极相连，连接输出端，并与位于上方的浮栅式摩擦电子学晶体管的漏极连接；位于上方的浮栅式摩擦电子学晶体管的源极连接n型场效应晶体管的漏极；n型场效应晶体管的源极接地；p型场效应晶体管和n型场效应晶体管的栅极相连，作为电场输入端。

优选地，电源电压为5V；电场输入端电压为5V时，输入状态定义为“1”，电场输入端电压为0V时，输入状态定义为“0”；移动摩擦件所受外力为释放状态时，移动摩擦件与位于上方的浮栅式摩擦电子学晶体管的金属膜接触，输入状态定义为“0”，移动摩擦件所受外力为施加状态时，移动摩擦件在外力作用下向下移动，与位于下方的浮栅式摩擦电子学晶体管的金属膜接触，输入状态定义为“1”；输出端的电压为低电平时，输出状态定义为“0”，输出端的电压为高电平时，输出状态为“1”。

本发明还提供一种摩擦电子学S-R触发器，包括两个上述的摩擦电子学与非门和一个锁存器，两个摩擦电子学与非门共同连接外力输入，其中一个摩擦电子学与非门的电输入端为E_S，另一个摩擦电子学与非门的电输入端为E_R，两个摩擦电子学与非门的输出端分别连接锁存器的两个输入端。

本发明还提供一种摩擦电子学D触发器，包括两个上述的摩擦电子学与非门和一个锁存器，两个摩擦电子学与非门共同连接外力输入，其中一个摩擦电子学与非门的电输入端为E_D，E_D通过一个非门后作为另一个摩擦电子学与非门的电输入端，两个摩擦电子学与非门的输出端分别连接锁存器的两个输入端。

本发明还提供一种摩擦电子学三位寄存器，包括三个上述的摩擦电子学D触发器，三个摩擦电子学D触发器的力输入端共同连接外力输入，电输入端分别为E_D0、E_D1、E_D2，摩擦电子学三位寄存器的输出端为Q₀、Q₁、Q₂。

本发明还提供一种摩擦电子学T触发器，包括一个上述的摩擦电子学与非门、一个非门、第一S-R触发器和第二S-R触发器，摩擦电子学T触发器的力输入端连接外力触发，电输入端连接高电平，输出端连接非门的输入端，非门的输出端作为第一S-R触发器的时钟触发，第一S-R触发器的输出两端分别连接第二S-R触发器的输入端，第一S-R触发器的输入S端为外接电输入E_T和第二S-R触发器的对应反馈输出端，第一S-R触发器的输入R端为外接电力输入E_T和第二S-R触发器的对应反馈输出端。

本发明还提供一种摩擦电子学三位计数器，包括三个上述的摩擦电子学T触发器和一个二端输入与门和一个三端输入与门，三个摩擦电子学T触发器共同连接外力触发，第一个摩擦电子学T触发器的电输入端为E_T0＝“1”，第一个触发器的输出端作为第二个摩擦电子学T触发器的电输入端E_T1，第一个摩擦电子学T触发器和第二个摩擦电子学T触发器的输出端作为二端输入与门的输入端，二端输入与门的输出端作为第三个摩擦电子学T触发器的输入端E_T2，三个摩擦电子学T触发器的输出端连接三端与门的输入端，输出端即为计数器的进位标识C。

(三)有益效果

本发明将摩擦纳米发电机与硅基场效应晶体管相结合，组成浮栅式摩擦电子学晶体管，再将浮栅式摩擦电子学晶体管和传统场效应晶体管集成在一起组成力电耦合输入的摩擦电子学与非门，该与非门能够对外部机械触发和电触发进行逻辑运算，转化为逻辑电平输出。基于该摩擦电子学与非门，提出的各种摩擦电子学触发器和时序逻辑电路，展示了外部机械触发的存储和计算特性，实现了外界环境与硅基集成电路的直接交互，在人机界面、微纳机电存储、智能仪表和物联网中具有重要的应用前景。

附图说明

图1为浮栅式摩擦电子学晶体管的结构示意图；

图2(a)-(b)为浮栅式摩擦电子学晶体管的工作原理图；

图3为摩擦电子学与非门的结构示意图；

图4(a)-(c)为摩擦电子学与非门的等效电路图与测试结果；

图5(a)-(b)为摩擦电子学S-R触发器的等效电路图与测试结果；

图6(a)-(b)为摩擦电子学D触发器的等效电路图与测试结果；

图7为摩擦电子学寄存器的等效电路图；

图8(a)-(b)为摩擦电子学T触发器的等效电路图与测试结果；

图9(a)-(b)为摩擦电子学计数器的等效电路图与测试结果。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

现有的逻辑单元器件都是“静态”并几乎完全通过电信号触发或启动的，缺乏外界环境与逻辑器件的“动态”交互机制，这一现状亟待改进。有鉴于此，本申请的发明人将摩擦纳米发电机与传统场效应晶体管相结合，研制出外力触控的接触起电场效应晶体管，并以此为基础器件提出了耦合摩擦电和半导体的新领域——摩擦电子学。摩擦电子学是利用摩擦产生的静电势作为“门控信号”来调制半导体中信号传输与转换特性，以实现各种人机交互功能器件的研究与应用领域。摩擦电子学器件具有柔性透明等特点，并能够与现有硅基集成电路结合，特别适用于制作人机交互的摩擦电子学硅基逻辑电路，实现外界环境与逻辑器件的主动式“动态”交互。

具体地，本发明提供一种浮栅式摩擦电子学晶体管，包括：基材，所述基材包括：沟道层，其材料为n型硅；绝缘层，形成于沟道层之上，其材料为二氧化硅；基片层，形成于绝缘层之上，其材料为重掺n型硅。浮栅式摩擦电子学晶体管还包括：两个金属电极，分别沉积于沟道层之下两个不同位置，引出浮栅式摩擦电子学晶体管的漏极和源极；金属栅极，形成于所述基片层之上；高分子基板，形成于栅极导电层之上；金属膜，形成于高分子基板之上，通过过孔与金属栅极连接；移动摩擦件，其材料为高分子聚合物，其能够在外力作用下移动，与金属膜接触或分离。

本发明还提供基于上述浮栅式摩擦电子学晶体管的摩擦电子学与非门、触发器、寄存器和计数器。

在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解，需要说明的是，本领域技术人员应当理解，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。在其他情况下，公知的结构和装置以图示的方式体现以简化附图。

图1为根据本发明一种示例性实施例的浮栅式摩擦电子学晶体管的结构示意图。如图1所示，沟道层1为n型硅，具有很低的电阻率，与基片层3重掺n型硅之间为一层二氧化硅绝缘层2。在沟道层1的下表面左右两侧分别沉积金属电极4和金属电极5，分别作为晶体管的漏极和源极，外接电源。基片层3的上表面镀有一层欧姆接触的金属电极6，作为场效应晶体管的栅极，为浮栅结构。将1-6的整个结构集成于高分子基板7的下表面，栅极6与高分子基板7上表面的金属膜8通过过孔连接。可移动部分由高分子聚合物薄膜9组成，可在外力作用下垂直运动，与金属膜8产生接触摩擦或分离。

图2为根据上述示例性实施例的浮栅式摩擦电子学晶体管的工作原理图。如图2(a)所示，在外力F作用下，高分子聚合物薄膜9与金属层8接触产生摩擦，由于不同的电子束缚能力，高分子聚合物薄膜9带负电，金属层8带正电。此时由于正负电荷的互相束缚，金属层8上的正电荷不会转移到栅极金属6上。如图2(b)所示，当外力F撤去时，高分子聚合物薄膜9与金属层8分离，对金属层8上的正电荷束缚作用逐渐减弱，导致金属层8的电荷部分转移到栅极6上。在栅极金属6上正电荷的作用下，晶体管内部将在垂直方向上产生内电场，电场方向由栅极金属电极6指向沟道层1，沟道层1在内电场作用下产生电荷极化，使得沟道层1上表面吸引电子、排斥空穴，产生增强区，增加了沟道层1中的导电沟道宽度，从而增大了沟道层1中电流I_DS的大小，起到了调控半导体载流子输运的作用。当外力F再次作用时，高分子聚合物薄膜9与金属层8再次接触，由于正负电荷的互相束缚，栅极6上的正电荷转移回到金属层8，晶体管内部垂直方向上的内电场减小至0，沟道层1中的导电沟道宽度变小，电流I_DS变小，回到了如图2(a)所示的状态。因此，外力F可以调控浮栅电荷在晶体管内部形成的内电场大小，起到栅极电压的作用，从而可实现对半导体中电流大小的调控。图2(a)中，电流I_DS较小，定义为晶体管的关闭状态；图2(b)中，电流I_DS较大，定义为晶体管的开启状态。

图3为根据本发明一种示例性实施例的摩擦电子学与非门的结构示意图。如图3所示，摩擦电子学与非门由两个相对的浮栅式摩擦电子学晶体管和一对传统的p型和n型场效应晶体管组成。其中，可移动部分由有机玻璃板支撑，上下为高分子聚合物薄膜。可移动部分可在上下两个浮栅式摩擦电子学晶体管之间垂直移动，使高分子聚合物薄膜分别与上下金属层接触或分离。下端摩擦电子学晶体管的漏极和p型场效应晶体管的源极接电源电压V_bias＝5V，摩擦电子学晶体管的源极和p型场效应晶体管的漏极相连，接输出端V_out，并与上端摩擦电子学晶体管的漏极连接。上端摩擦电子学晶体管的源极连接n型场效应晶体管的漏极，n型场效应晶体管的源极接地。p型场效应晶体管和n型场效应晶体管的栅极相连作为电场输入端E_A，将E_A等于5V时定义为输入状态“1”，等于0V定义为输入状态“0”。当图示中可移动部分的位置为其初始状态，与下晶体管的栅极金属距离为d＝D₀＝200μm，此时外力F_B为释放状态，定义为输入状态“0”；当外力F_B为施加状态时，可移动部分在外力F_B作用向下移动，与下晶体管的栅极金属接触，距离为d＝0，定义为输入状态“1”。根据CMOS逻辑电平标准，V_out输出为低电平时，定义为输出状态“0”；V_out输出为高电平时，定义为输出状态“1”。摩擦电子学与非门建立了外部力电耦合输入与逻辑电平输出的联系。

图4为根据上述示例性实施例的摩擦电子学与非门的等效电路图，测试结果和定义符号。如图4(a)所示，摩擦电子学与非门等效为由同一个摩擦发电机控制的一对摩擦电子学晶体管，和两个同时由一个电压控制的p型和n型的场效应晶体管组成。当E_A和F_B组合为(0 0)时，外界电场E_A会使得#2晶体管开启，#4晶体管关闭，摩擦纳米发电机的输出电压使#1晶体管开启，#3晶体管关闭，V_out输出状态为“1”；当E_A和F_B组合为(1 0)时，外界电场E_A会使得#2晶体管关闭，#4晶体管开启，摩擦纳米发电机的输出电压使#1晶体管开启，#3晶体管关闭，V_out输出状态为“1”；当E_A和F_B组合为(0 1)时，外界电场E_A会使得#2晶体管开启，#4晶体管关闭，摩擦纳米发电机的输出电压使#1晶体管关闭，#3晶体管开启，V_out输出状态为“1”；当E_A和F_B组合为(1 1)时，外界电场E_A会使得#2晶体管关闭，#4晶体管开启，摩擦纳米发电机的输出电压使#1晶体管关闭，#3晶体管开启，V_out输出状态为“0”；图4(b)给出了摩擦电子学与非门电平输出对应外力F输入的真值表，测试结果满足CMOS逻辑电平标准。图4(c)给出了力电耦合输入摩擦电子学与非门的定义符号。

图5为本发明一种示例性实施例的摩擦电子学S-R触发器的等效电路图与测试结果。如图5(a)所示，摩擦电子学S-R触发器由两个摩擦电子学与非门1#和2#和一个传统的锁存器组成。摩擦电子学与非门1#和2#共同连接外力输入F_CLK，1#的电输入端为S端，2#的电输入端为R端，1#和2#的输出端分别连接锁存器的两个输入端。图5(b)给出了摩擦电子学S-R触发器电平输出对应E_S、E_R和外力F_CLK输入的真值表，测试结果满足S-R触发器特性和CMOS逻辑电平标准。

图6为本发明一种示例性实施例的摩擦电子学D触发器的等效电路图与测试结果。如图6(a)所示，摩擦电子学D触发器由两个摩擦电子学与非门1#和2#和一个传统的锁存器组成。摩擦电子学与非门1#和2#共同连接外力输入F_CLK，E_D作为摩擦电子学与非门1#电输入端，并通过一个非门后作为摩擦电子学与非门2#的电输入端，1#和2#的输出端分别连接锁存器的两个输入端。图6(b)给出了摩擦电子学D触发器电平输出对应E_D和外力F_CLK输入的真值表，测试结果满足D触发器特性和CMOS逻辑电平标准。

图7为本发明一种示例性实施例的摩擦电子学三位寄存器的等效电路图。如图7所示，摩擦电子学寄存器由三个摩擦电子学D触发器组成，三个D触发器的力输入端共同连接外力输入F_CLK，电输入端分别为E_D0、E_D1、E_D2。当力输入端为“1”时，摩擦电子学三位寄存器的输出端Q₀、Q₁、Q₂，可以存储记忆此时的电输入状态，当力输入端由“1”变化为“0”时，即使电输入端发生变化，存储记忆的信息保持不变。

图8为本发明一种示例性实施例的摩擦电子学T触发器的等效电路图与测试结果。如图8(a)所示，摩擦电子学T触发器由一个摩擦电子学与非门，一个传统非门，和两个传统S-R触发器组成。摩擦电子学T触发器的力输入端接外力触发F_CLK，电输入端接高电平“1”，输出端接非门输入端，非门的输出端作为第一个S-R触发器的时钟触发，S-R触发器输出两端分别接第二个S-R触发器的输入端，S-R触发器输入S端为外接电输入E_T和第二个S-R触发器的对应反馈输出端，输入R端为外接电力输入E_T和第二个S-R触发器的对应反馈输出端。图8(b)给出了摩擦电子学T触发器电平输出对应E_T和F_CLK输入的真值表，测试结果满足T触发器特性和CMOS逻辑电平标准。

图9为本发明一种示例性实施例的摩擦电子学三位计数器的等效电路图与测试结果。如图9(a)所示，摩擦电子学寄存器由三个摩擦电子学T触发器，两个与门组成，三个触发器共同连接外力触发F_CLK，第一个触发器的电输入端为E_T0＝“1”，第一个触发器的输出端作为第二个触发器的电输入端E_T1，第一和第二个触发器的输出端作为二端输入与门的输入端，二端输入与门的输出端作为第三个触发器的输入端E_T2，三个触发器的输出端连接三端与门的输入端，输出端即为计数器的进位标识C。图9(b)给出了摩擦电子学三位计数器的真值表，测试结果满足三位计数器的特性。

综上所述，本发明结合摩擦电子学晶体管和传统场效应晶体管，提出了一种力电耦合输入的摩擦电子学与非门，能够对外部机械触发和电触发进行逻辑运算，转化为逻辑电平输出。基于该摩擦电子学与非门，提出了各种摩擦电子学触发器和时序逻辑电路，展示了外部机械触发的存储和计算特性，实现了外界环境与硅基集成电路的直接交互，在人机界面、微纳机电存储、智能仪表和物联网中具有重要的应用前景。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。