Organiczne tranzystory polowe. cz. I. Poprzednio. Złącze

Transkrypt

1 Elektronika plastikowa i organiczna Organiczne tranzystory polowe cz. I Poprzednio 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 molekuł powierzchniowo czynnych tzw. surfaktantów potencjał Energia Złącze niespolaryzowane obszar typu n U D obszar typu p X Złącze 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 rozkład potencjału oraz model pasmowy złącza p-n X - Dla napięć powyŝej U D następuje lawinowy wzrost prądu 1

2 Tranzystor 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) I B B C I C Przy odpowiedniej polaryzacji (ustalony punkt pracy) tranzystor zachowuje się jak wzmacniacz prądowy I c =βi B E Jak działa a wzmacniacz tranzystorowy V cc C I B B I C E U wy U we Tranzystor polowy Tranzystor polowy (Field Effect Transistor) został skonstruowany w Bell Labs przez 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 źródło (półprzewodnik typu n) (metal) bramka kanał (półprzewodnik typu p) warstwa izolatora SiO 2 dren (półprzewodnik typu n) 2

3 V G Złączne MIS (metal-izolator-półprzewodnik) metal izolator półprzewodnik typu p V G <0 akumulacja V G >0 poziom próŝni zuboŝenie poziom Fermiego poziomy przewodnictwa poziomy walencyjne V G >V T inwersja w pobliŝu izolatora powstaje kanał typu n Zasada działania ania tranzystora FET V G =0 V D =0 V G >V T V D = V DSAT n n n n p p Stan equilibrium Początek zakresu nasycenia V G >V T V G >V T VD << V DSAT V D > V DSAT n n n n p p Zakres liniowy Stan nasycenia Charakterystyka FET 3

4 Bramki logiczne na tranzystorach FET R Out R 1 1 R 2 A A Out T 1 T 1 T 3 B T 2 B T 2 Bramka NAND Tylko przy wysokim stanie wejść A i B (1 logiczna) tranzystory T 1 i T 2 będą w stanie przewodzenia. Opornik R 1 jest tak dobrany, aby przepływ prądu spowodował spadek na pięcia na wyjściu do poziomu niskiego (0 logiczne) Bramka AND Dodatkowy tranzystory T 3 i opornik R 2 pełnią rolę inwertera Organiczny tranzystor FET = OFET półprzewodnik organiczny źródło dren izolator bramka V D V G >0 E F - LUMO HOMO Organiczny tranzystor FET = OFET V D V G <0 E F LUMO HOMO 4

5 Zasada działania ania model bardzo uproszczony ZałoŜenie: V D małe w porównaniu do V G, rozkład ładunku w kanale jest jednorodny Gęstość prądu: gdzie: n gęstość nośników ładunku µ ruchliwość ε pole elektryczne S W L D Po podstawieniu i krótkim rachunku otrzymujemy: gdzie: Przy takich załoŝeniach upraszczających odtwarzamy jedynie liniową część charakterystyki tranzystora FET Zasada działania ania model uproszczony Przewodnictwo elementu dxdydz: Całkujemy w kierunku Z Całkujemy w kierunku X x y z S W L D Prąd płynący w kierunku Y będzie dany wzorem: Całkując wzdłuŝ kanału otrzymujemy W obszarze nasycenia: Charakterystyka FET model teoretyczny R. A. Brown et. al. Synthetic Metals 88 (1997)88 W obszarze liniowym: W obszarze nasycenia: Przykładowe dane oraz wyniki obliczeń modelowych I D prąd drenu Z szerokość kanału L długość kanału C i pojemność na jed. pow. złączna MIS V G, V T napięcie bramki, napięci progowe V D napięcie drenu 5

6 Jak zrobić OFET Przykład procesu tworzenia wg Architektura OFET Wpływ geometrii na własnow asności OFET H.G.O. Sandberg et al. / Organic Electronics 6 (2005)

7 Pomiar ruchliwości ci ładunku w materiałach ach organicznych V D źródło (S) A I D dren (D) V G kanał materiał organiczny (C) bramka domieszkowany Si (G) warstwa izolatora (SiO 2 ) I D,sat prąd nasycenia kanału L, W długość i szerokość kanału C i pojemność (na jednostkę powierzchni) V G, V T napięcie bramki, napięcie progowe Prawa skalowania µ fe =σ δ, δ=0,7..0,76 ZaleŜność między ruchliowścią a przewodnością dla róŝnych materiałów organicznych R. A. Brown et. al. Synthetic Metals 88 (1997)88 Polimerowy tranzystor FET H Kayashima et al. J. Phys. D: Appl. Phys. 40 (2007)

8 Droga do All polymer FET T.G. B acklund et al. / Synthetic Metals 148 (2005) 87 Droga do All polymer FET Droga do All polymer FET T.G. B acklund et al. / Synthetic Metals 148 (2005) 87 Prawo skalowania dla róŝnych urządzeń: A B C D 8

9 Degradacja Pułapkowanie nośników ładunku w obszarze przy interfejsie izolator/półprzewodnik powoduje ekranowanie potencjału bramki Zmiana ruchliwości nośników ładunku powoduje zmianę nachylenia krzywej I D (V G ) Wpływ środowiska na pracę P3HT-FET Hoshino et al.,j. Appl. Phys., 95(2004) 5091 Charakterystyka I(U) zmierzona w próŝni po 72h Charakterystyka I(U) zmierzona w warunkach normalnych Wpływ środowiska na pracę P3HT-FET Charakterystyka I(U) zmierzona atmosferze suchego azotu N 2 Charakterystyka I(U) zmierzona w atmosferze wilgotnego azotu (40% wilgotności) 9

10 Wpływ środowiska na pracę P3HT-FET Charakterystyka I(U) zmierzona w atmosferze tlenu O 2 Charakterystyka I(U) zmierzona w atmosferze tlenu O 2 po 2 i 4 godzinach ekspozycji Wpływ podłoŝa a na OFET G.-W. Kang et al. / Current Applied Physics 5 (2005) Wpływ podłoŝa a na OFET G.-W. Kang et al. / Current Applied Physics 5 (2005)

11 Wpływ podłoŝa a na OFET G.-W. Kang et al. / Current Applied Physics 5 (2005) Topografia próbek przygotowanych podłoŝu: szkło PMMA PVP Wpływ podłoŝa a na OFET Wpływ uporządkowania działanie anie OFET KLINE R.J. et al. Nature Materials 5(2006)222 Wpływy przygotowania powierzchni na ruchliwość ładunków w P3HT (otwarte symbole odpowiadają próbką o małej m. cz. wygrzewanym O C struktura nieuporządkowana struktura uporządkowana przez warstę OTS 11

12 Podsumowanie 1. 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 tydzień OFET II 12