基于二硫化钼晶体管的光控开关电路制造技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

Optical Switching Circuit Based on Molybdenum Disulfide Transistor

The invention discloses a light-controlled switch circuit based on molybdenum disulfide transistor, which mainly solves the problem that the existing light-controlled switch circuit can not work under ultra-low light intensity. It includes NPN transistor Q1, PNP transistor Q2, LED light emitting transistor, molybdenum disulfide transistor VT, two voltage dividing resistors, switches and power supply. The gate of VT is connected to the positive pole of power supply through the first dividing resistor R1, the drain of VT is connected to the base of Q1, the source of VT is connected to the negative pole of power supply, the emitter of Q1 is connected to the negative pole of power supply, the collector of Q1 is connected to the base of Q2 and the positive pole of power supply is connected through the second dividing resistor R2, the emitter of Q2 is connected to the positive pole of power supply, and the collector of Q2 is connected to the negative pole of power supply through the LED, and the switch \u3002 The invention improves sensitivity by using molybdenum disulfide transistor, can detect ultra-low intensity light, and can work under very low current and voltage conditions, and can be used for photoelectric integrated circuits.

【技术实现步骤摘要】
基于二硫化钼晶体管的光控开关电路
本专利技术属于电子电路
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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。本专利技术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，本专利技术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。本专利技术具有以下有益效果：1.本专利技术以二硫化钼晶体管VT替换电位缓冲调节网络L，提升了电路的开关性能。本专利技术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.本专利技术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。本专利技术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是本专利技术的结构图；图2是本专利技术中的二硫化钼晶体管结构示意图；图3是本专利技术使用二硫化钼场效应晶体管的光电流图；图4是对本专利技术使用的二硫化钼晶体管在不同光照强度下的源漏电流-栅电压的测试曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：林珍华，常晶晶，张冰娟，苏杰，郝跃，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61