1

Elektronika plastikowa i organicznaElektronika plastikowa i organiczna

Organiczne tranzystory poloweOrganiczne tranzystory polowe

cz. Icz. I

PoprzednioPoprzednio

� Samoorganizacja jest interesującą alternatywą dla współczesnych technologii

� Samoorganizacja czyli: krystalizacja, separacja faz, segregacja powierzchniowa, zwilŜanie

�Zwiększenie porządku prowadzić moŜe do zwiększenia mobilność ładunków w materiałach organicznych

� Problem zwilŜania na istotne znaczenie w procesie wytwarzania struktur z roztworu

� Proces separacji faz zdeterminowany jest poprzez oddziaływania międzyfazowe

� W przypadku cienkich warstw istotne znaczenie mają zarówno wewnętrzne jak i zewnętrzne powierzchnie rozdziału faz

� Oddziaływania międzyfazowe mogą być modyfikowane za pomocą molekułpowierzchniowo czynnych tzw. surfaktantów

ZZłąłącze cze pp--nn

- - -+-+-+-+- - -+-+-+-+- - -+-+-+-+

+-+-+-+-+ +- - - -+-+-+-+-+ +- - -+-+-+-+-+ +

pote

ncja

ł

X

Ene

rgia

X

Złącze niespolaryzowane

obszar typu n

obszar typu p

rozkład potencjału oraz modelpasmowy złącza p-n

- - - - -+-+- - - - -+-+- - - - -+-+

+-+-+ + + +- - -+-+-+ + + +- -+-+-+ + + +

- +

Złącze spolaryzowane zaporowo

+ -

� Dla małych napięć złącze nie przewodzi prądu� Dla duŜych napięć moŜe nastąpić przebicie lub tunelowanie ładunku

- - - - -+++++ -+- - - - -+++++ -+- - - - -+++++ -+

+-+- - - -+ + + +- - -+-+- - - -+ + + +- -+-+- - - -+ + + +

- +

Złącze spolaryzowane w kierunku przewodzenia

UD

� Dla napięć powyŜej UD następuje lawinowy wzrost prądu

2

Tranzystor i jego rolaTranzystor i jego rola� Tranzystor jest najbardziej istotnych elementów aktywnych współczesnej elektroniki

� Wykorzystywany jest jako element wzmacniający (elektronika analogowa) oraz przełączający (technika cyfrowa)

� Wynaleziony 1947r przez John Bardeena, Walter Houser Brattaina oraz William Bradford Shockley’a zastąpił lampy próŜniowe

� Najbardziej typowy schemat zastosowania (tranzystor bipolarny):

� Elektrody tranzystora bipolarnego nazywamy: Emiter (E), Baza (B), Kolektor (C)

� Przy odpowiedniej polaryzacji (ustalony punkt pracy) tranzystor zachowuje się jak wzmacniacz prądowy Ic=βIB

E

B

C

ICIB

Jak dziaJak dzia łła wzmacniacz tranzystorowya wzmacniacz tranzystorowy

E

B

C

ICIB

Uwe

Uwy

Vcc

Tranzystor polowyTranzystor polowy� Tranzystor polowy (Field Effect Transistor) został skonstruowany w Bell Labsprzez Johna Atalla w latach 60 (oryginalny pomysł Bradford Shockley)

� Istnieje kilka typów tranzystorów polowych:

� złączowe (JFET)

� z izolowaną bramką MOSFET (MISFET) – patrz schemat poniŜej

� Zasada działania tranzystora FET opiera się na sterowaniu przepływu prądu między dwoma elektrodami źródłem (S - source) oraz drenem (D - drain) poprzez zmianę potencjału przykładanego do trzeciej elektrody tzw. bramki (G - gate)

� Zmiana potencjału bramki powoduje zmianę przewodnictwa w obszarze pomiędzy źródłem i drenem nazywanym kanałem

warstwa izolatoraSiO2

kanał(półprzewodnik typu p)

źródło(półprzewodnik typu n)

dren (półprzewodnik typu n)

(metal)bramka

3

ZZłąłączne MIS czne MIS ((metalmetal --izolatorizolator --ppóółłprzewodnikprzewodnik ))

VG metal

izolator

półprzewodnik typu p

poziomy walencyjne

poziomFermiego

poziom próŜni

poziomy przewodnictwa

VG<0

akumulacja

VG>0

zuboŜenie

VG>VT

inwersjaw pobliŜu izolatora powstaje kanał typu n

Zasada dziaZasada dzia łłania tranzystora FET ania tranzystora FET

VG=0VD=0

VG>VT

VG>VTVG>VT VD<< VDSAT

VD= VDSAT

VD> VDSAT

Stan equilibrium

Zakres liniowy

Początek zakresu nasycenia

Stan nasycenia

n n n n

n n n n

p p

p p

Charakterystyka FETCharakterystyka FET

4

Bramki logiczne na tranzystorach FETBramki logiczne na tranzystorach FET

Bramka NAND Bramka AND

A

B

A

B

Out OutR1R1 R2

T1

T2

T1

T2

T3

Tylko przy wysokim stanie wejść A i B (1 logiczna) tranzystory T1 i T2 będą w stanie przewodzenia. Opornik R1 jest tak dobrany, aby przepływ prądu spowodował spadek na pięcia na wyjściu do poziomu niskiego (0 logiczne)

Dodatkowy tranzystory T3 i opornik R2 pełniąrolę inwertera

Organiczny tranzystor FET = OFETOrganiczny tranzystor FET = OFET

półprzewodnik organiczny

źródło drenizolator

bramka

VD

VG>0

EF

HOMO

LUMO

-

Organiczny tranzystor FET = OFETOrganiczny tranzystor FET = OFET

EF

HOMO

LUMO

VD

VG<0

+

5

Zasada dziaZasada dzia łłania ania –– model bardzo uproszczonymodel bardzo uproszczony

S D

LW

ZałoŜenie: VD małe w porównaniu do VG , rozkład ładunku w kanale jest jednorodny

Gęstość prądu:

gdzie:n – gęstość nośników ładunkuµ – ruchliwość

ε − pole elektryczne

Po podstawieniu i krótkim rachunku otrzymujemy:

gdzie:

Przy takich załoŜeniach upraszczających odtwarzamy jedynie liniową częśćcharakterystyki tranzystora FET

Zasada dziaZasada dzia łłania ania –– model uproszczonymodel uproszczony

S D

LW

zx

y

Przewodnictwo elementu dxdydz:

Całkujemy w kierunku Z

Całkujemy w kierunku X

Prąd płynący w kierunku Y będzie dany wzorem:

Całkując wzdłuŜ kanału otrzymujemy

W obszarze nasycenia:

Charakterystyka FET Charakterystyka FET –– model teoretycznymodel teoretyczny

W obszarze liniowym:

W obszarze nasycenia:

Przykładowe dane oraz wyniki obliczeń modelowych

ID – prąd drenuZ – szerokość kanałuL – długość kanałuCi – pojemność na jed. pow. złączna MISVG, VT – napięcie bramki, napięci progoweVD – napięcie drenu

R. A. Brown et. al. Synthetic Metals 88 (1997)88

6

Jak zrobiJak zrobi ćć OFET OFET

Przykład procesu tworzenia wg www.ossilla.com

Architektura OFET Architektura OFET

WpWpłływ geometrii na wyw geometrii na w łłasnoasno śści OFETci OFETH.G.O. Sandberg et al. / Organic Electronics 6 (2005) 142–146

7

Pomiar ruchliwoPomiar ruchliwo śści ci łładunku w adunku w materiamateria łłach organicznychach organicznych

bramka – domieszkowany Si (G)

kanał – materiał organiczny (C)

źródło (S) dren (D)

warstwa izolatora (SiO2)VG

VD

AID

ID,sat – prąd nasycenia kanałuL, W – długość i szerokość kanałuCi – pojemność (na jednostkę powierzchni)VG, VT – napięcie bramki, napięcie progowe

Prawa skalowaniaPrawa skalowania

ZaleŜność między ruchliowścią a przewodnością dla róŜnych materiałów organicznych R. A. Brown et. al. Synthetic Metals 88 (1997)88

µfe=σδ, δ=0,7..0,76

Polimerowy tranzystor FETPolimerowy tranzystor FETH Kayashima et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007) 1646

8

Droga do Droga do „„ AllAll polymerpolymer FETFET””T.G. B¨acklund et al. / Synthetic Metals 148 (2005) 87

Droga do Droga do „„ AllAll polymerpolymer FETFET””

Droga do Droga do „„ AllAll polymerpolymer FETFET””

Prawo skalowania dla róŜnych urządzeń:

A B C D

T.G. B¨acklund et al. / Synthetic Metals 148 (2005) 87

9

Degradacja Degradacja

Pułapkowanie nośników ładunku w obszarze przy interfejsie izolator/półprzewodnik powoduje ekranowanie potencjału bramki

Zmiana ruchliwości nośników ładunku powoduje zmianęnachylenia krzywej ID(VG)

WpWpłływ yw śśrodowiska na pracrodowiska na prac ęę P3HTP3HT--FETFET

Charakterystyka I(U) zmierzona w próŜni po 72h

Charakterystyka I(U) zmierzona w warunkach normalnych

Hoshino et al. ,J. Appl. Phys., 95(2004) 5091

WpWpłływ yw śśrodowiska na pracrodowiska na prac ęę P3HTP3HT--FETFET

Charakterystyka I(U) zmierzona atmosferze suchego azotu N2

Charakterystyka I(U) zmierzona w atmosferze wilgotnego azotu (40% wilgotności)

10

WpWpłływ yw śśrodowiska na pracrodowiska na prac ęę P3HTP3HT--FETFET

Charakterystyka I(U) zmierzona w atmosferze tlenu O2

Charakterystyka I(U) zmierzona w atmosferze tlenu O2 po 2 i 4 godzinach ekspozycji

WpWpłływ podyw pod łłooŜŜa na OFETa na OFETG.-W. Kang et al. / Current Applied Physics 5 (2005) 297–301

WpWpłływ podyw pod łłooŜŜa na OFETa na OFETG.-W. Kang et al. / Current Applied Physics 5 (2005) 297–301

11

WpWpłływ podyw pod łłooŜŜa na OFETa na OFETG.-W. Kang et al. / Current Applied Physics 5 (2005) 297–301

Topografia próbekprzygotowanych podłoŜu:

szkło

PMMA

PVP

WpWpłływ podyw pod łłooŜŜa na OFETa na OFET

WpWpłływ uporzyw uporz ąądkowania dziadkowania dzia łłanie OFETanie OFET

Wpływy przygotowania powierzchni na ruchliwość ładunków w P3HT (otwarte symbole odpowiadająpróbką o małej m. cz. wygrzewanym 30min @150OC

KLINE R.J. et al. Nature Materials 5(2006)222

struktura nieuporządkowana struktura uporządkowana przez warstę OTS

12

PodsumowaniePodsumowanie1. W tranzystorze polowym przepływ prądu między źródłem i drenem zaleŜy od potencjału przyłoŜonego do bramki

2. Zmiana potencjału bramki powoduje wyindukowanie kanału łączącego źródło i dren, „głębokość” kanału zaleŜy od potencjału bramki

3. Zakresie liniowym kanał zachowuje się jak opór omowy o zmiennej rezystancji

4. W zakresie nasycenia prąd płynący między źródłem i drenem nie zaleŜy od napięcia między tymi elektrodami

5. Zarówno w zakresie liniowym jak i w zakresie nasycenia prąd źródło-dren zaleŜy liniowo od ruchliwości nośników ładunku

6. Własności tranzystorów wykonanych wyłącznie z materiałów organicznych tylko nieznacznie odbiegają od własności polimerowych FET wykonanych na podłoŜach nieorganicznych

7. Z czynników środowiskowych najistotniejszy wpływ na działanie polimerowych FET ma wilgotność

8. Najistotniejszym czynnikiem jaki ma wpływ na działanie organicznych FET ma uporządkowanie molekuł w warstwie czynnej.

Za tydzieZa tydzie ńń

OFET II