有機(jī)薄膜晶體管的基本原理與制備分析案例目錄TOC\o"1-3"\h\u6207有機(jī)薄膜晶體管的基本原理與制備分析案例 1197281.1有機(jī)薄膜晶體管的結(jié)構(gòu) 1137501.2P3HT有機(jī)薄膜晶體管的參數(shù) 3214141.3P3HT有機(jī)薄膜晶體管的工藝流程 4272931.4P3HT有機(jī)薄膜晶體管的特性 5107751.5小結(jié) 6本章主要對有機(jī)薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)、參數(shù)、工藝流程以及特性進(jìn)行了介紹。同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)室中我們以玻璃片為基底，以Ag作為源、柵、漏極材料，P3HT為有源層材料，PMMA為絕緣層材料制作了P3HT有機(jī)薄膜晶體管，并測試得出樣品的轉(zhuǎn)移與輸出特性曲線，為后面仿真模型的搭建做了相應(yīng)的準(zhǔn)備工作。1.1有機(jī)薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)圖2-1、圖2-2分別是MOS管和有機(jī)薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)圖，二者之間有相同點(diǎn)也有不同點(diǎn)。相同之處是它們都是作為一個(gè)壓控電流源進(jìn)行工作的器件，一般都是通過在電極上加電壓來實(shí)現(xiàn)對溝道電流的控制，通常只有一種載流子傳輸。不同之處有：一是在制備有機(jī)薄膜晶體管的有源層時(shí)，有源層是一層薄膜；二是MOS器件的源極和漏極兩個(gè)有源區(qū)是利用摻雜工藝在襯底上制備的，而有機(jī)薄膜晶體管的源極和漏極制作在薄膜層中。從有機(jī)薄膜晶體管結(jié)構(gòu)圖可以看出，它的制備分層進(jìn)行設(shè)計(jì)的，其中有源層所用的半導(dǎo)體材料對晶體管最終產(chǎn)生的導(dǎo)電溝道的類型起著關(guān)鍵的決定性作用REF_Ref18261\r\h[5]。圖2-1MOS管結(jié)構(gòu)圖圖2-2有機(jī)薄膜晶體管結(jié)構(gòu)圖可以將有機(jī)薄膜晶體管分為如圖1.4所示四種結(jié)構(gòu)，從圖中可以清楚的看到，底柵結(jié)構(gòu)和頂柵結(jié)構(gòu)是根據(jù)柵極所在位置區(qū)分的，柵極位于底層為底柵，位于頂層為頂柵；底接觸結(jié)構(gòu)和頂接觸結(jié)構(gòu)則是根據(jù)源漏電極所在位置區(qū)分的，與底柵和頂柵含義類似。圖2-3有機(jī)薄膜晶體管的四種結(jié)構(gòu)（a）底柵底接觸（b）底柵頂接觸（c）頂柵底接觸（d）頂柵頂接觸以下是上面提到的四種有機(jī)薄膜晶體管的結(jié)構(gòu)的優(yōu)缺點(diǎn):底柵底接觸（圖2-3（a））的工藝流程是先在襯底基片上制作柵電極，然后在其上面淀積一層絕緣層物質(zhì)，在絕緣層上進(jìn)行源漏電極的生長與圖形化。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)為可以減少寄生電容、增強(qiáng)器件性能，但是會(huì)造成有源層形成的薄膜的不均勻或不平整。底柵頂接觸（圖2-3（b）），它與底柵底接觸的工藝流程相反，在制作好柵極和絕緣層后，先淀積有源層形成薄膜，然后在薄膜層上制作源漏電極。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是有源層、絕緣層和柵源漏極之間的接觸性能良好，從而使得有機(jī)薄膜晶體管的性能良好，可以達(dá)到很好的歐姆接觸，但由于這種結(jié)構(gòu)在制備源漏電極時(shí)，不可以用光刻工藝，而如果用掩膜工藝的話，會(huì)影響兩個(gè)電極，使晶體管的性能變差。頂柵底接觸結(jié)構(gòu)（圖2-3（c））的優(yōu)點(diǎn)包括：可以采用多種工藝進(jìn)行源漏電極的制備，其中也包括光刻，它不會(huì)對晶體管性能造成太大影響，而且晶體管的有源層穩(wěn)定。頂柵頂接觸結(jié)構(gòu)（圖2-3（d））的優(yōu)點(diǎn)包括：晶體管的有源層穩(wěn)定，源漏電極和有源層間的接觸電阻??；但這種結(jié)構(gòu)在制備源漏電極時(shí)，不可以用光刻工藝，而如果用掩膜工藝的話，會(huì)影響兩個(gè)電極，使晶體管的性能變差。結(jié)合實(shí)驗(yàn)考慮，我們選擇了底柵頂接觸結(jié)構(gòu)來制備P3HT有機(jī)薄膜晶體管REF_Ref13114\r\h[6]。1.2P3HT有機(jī)薄膜晶體管的參數(shù)1.1.1場效應(yīng)遷移率μ遷移率可以用來衡量比較載流子隨著電場方向移動(dòng)的能力。它的定義為平均電荷載流子在單位電場下的平均漂移速度REF_Ref32537\r\h[5]。從多項(xiàng)研究報(bào)告的結(jié)論中可以得出，有機(jī)薄膜晶體管有源層的載流子理論還不夠成熟，所以在實(shí)際分析與計(jì)算中，我們更多的還是基于MOS器件的理論來計(jì)算得到有機(jī)薄膜晶體管的載流子遷移率μ。當(dāng)有機(jī)薄膜晶體管工作在線性區(qū)時(shí)，溝道中的載流子遷移率的計(jì)算公式為公式2-1所示，當(dāng)有機(jī)薄膜晶體管工作在飽和區(qū)時(shí)，溝道中的載流子遷移率的計(jì)算公式為公式2-2所示：μμ1.1.2閾值電壓VT它也叫做開關(guān)電壓，是有機(jī)薄膜晶體管中能夠在源極和漏極之間產(chǎn)生導(dǎo)電溝道時(shí)，柵壓所需要達(dá)到的最小電壓。所以，我們在制備有機(jī)薄膜晶體管或場效應(yīng)管時(shí)，要盡量使他們的閾值電壓取一個(gè)合適的數(shù)值，這樣的話，器件才能容易形成導(dǎo)電溝道，處于“開啟狀態(tài)”。大多數(shù)情況下，減小閾值電壓會(huì)使器件的導(dǎo)電性能得以提高。1.1.3開關(guān)電流比Ion/Ioff開關(guān)電流比Ion/Ioff的定義為當(dāng)有機(jī)薄膜晶體管處于導(dǎo)通狀態(tài)時(shí)，累積模式下的電流與耗盡模式下的電流之比稱為電流開/關(guān)比率。從定義可以看出，它與源漏電壓和柵電壓都有關(guān)。1.1.4亞閾值擺幅S亞閾值擺幅S是指當(dāng)有機(jī)薄膜晶體管工作在亞閾值區(qū)域時(shí)，柵極電壓相對于此時(shí)產(chǎn)生的源漏電流的對數(shù)比例。1.3P3HT有機(jī)薄膜晶體管的工藝流程我們在實(shí)驗(yàn)室中制備了一個(gè)P3HT有機(jī)薄膜晶體管，整個(gè)制備過程概述如下：固定薄膜。首先清潔作為襯底基片的玻璃片，剪裁一個(gè)尺寸為3*0.5cm的薄膜，用雙面膠將其固定在玻璃片中間，這里注意：薄膜的正面可導(dǎo)電，在固定好之后，需用萬用表測定是否導(dǎo)電；制作柵電極層。剪裁一段尺寸恰當(dāng)?shù)牡膶?dǎo)電膠帶，涂上銀膠固定在薄膜一端，作為薄膜晶體管的柵極，將引腳引出，再將其放置在加熱平臺(tái)上，90℃條件下加熱5min烘干引腳部分，同第一步一樣，取下玻璃片需用萬用表測定導(dǎo)電性能，確保沒有問題；表面處理。將玻璃片放入器皿中準(zhǔn)備對器件表面進(jìn)行親水處理；涂PVA溶液。在處理好的玻璃片上涂上500ml的濃度為25mg/ml的PVA溶液，處理好后放入無菌柜中自然晾干一天；制作絕緣層。將玻璃片放置在加熱平臺(tái)上，60℃條件下烘干一個(gè)半小時(shí)，再將PMMA溶液涂在表面上，90℃烘干；制作有源層。將攪拌后的P3HT溶液旋涂在中間，結(jié)束后放置在加熱平臺(tái)上120℃烘干10min。1.4P3HT有機(jī)薄膜晶體管的特性在測試實(shí)驗(yàn)制備出的P3HT有機(jī)薄膜晶體管器件后，我們可以更好的了解該器件的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性，圖2-4為在源漏電壓VDS=20V，柵壓VGS在50~-80V范圍內(nèi)的IDS-VGS轉(zhuǎn)移特性曲線，圖2-5為柵壓VGS=-5V，源漏電壓VDS在-60~60V范圍內(nèi)的IDS-VDS輸出特性曲線。圖2-4IDS-VGS轉(zhuǎn)移特性曲線圖2-5IDS-VDS輸出特