OFET的温度特性研究

中国计量大学本科毕业设计（论文）有机场效应管的温度特性研究Study on Temperature Characteristics of Organic Field Effect Transistors学生姓名 朱化彪 学号 1300401128 学生专业 电子科学与技术 班级 13 电子 1 二级学院 光学与电子科技学院 指导教师 徐苏楠中国计量学院2017 年 5 月郑 重 声 明本人呈交的毕业设计论文，是在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果，所有数据、图片资料真实可靠。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。本学位论文的知识产权归属于培养单位。学生签名： 日期： 分类号： TP2 密 级： 公开 UDC： 62 学校代码： 10356 中国计量大学本科毕业设计（论文）有机场效应管的温度特性研究Study on Temperature Characteristics of Organic Field Effect Transistors作 者 朱化彪 学号 1300401128申请学位 工学学士 指导教师 徐苏楠 学科专业 电子科学与技术 培养单位 中国计量大学 答辩委员会主席 康娟 评 阅 人 余向东 2017 年 5 月有机场效应管的温度特性研究摘要：有机场效应晶体管(Organic Field Effect Transistors,OFETs)是以有机半导体材料作为有源层的晶体管器件。和传统的无机半导体器件相比，由于其可应用于生产大面积柔性设备而被人们广泛的研究。在有机发光、有机光探测器、有机太阳能电池、压力传感器、有机存储设备、柔性平板显示、电子纸等众多领域具有潜在而广泛的应用前景。文中对 OFET 结构和工作原理做了简要介绍，之后重点讨论了以钛菁铜为有机材料的有机场效应管的制备过程，在一定范围内其性能受温度影响的情况，以及在不同光照下其性能参数的变化。通过对温度这一重要参量的研究，找出其相对最优的工作环境，对 OFET 的生产利用有及其重大的意义，最后对 OFET 发展面临问题及应用前景做了归纳和展望。关键词：有机半导体材料；有机场效应晶体管；迁移率;阈值电压；光响应度。IStudy on Temperature Characteristics of OrganicField Effect TransistorsAbstract: Organic field effect transistor (OFET) is a transistor device with organic semiconductor material as active layer. Compared with conventional inorganic semiconductor devices, it has been widely studied in organic light-emitting, organic photodetectors, organic solar cells, pressure sensors, organic storage devices, flexible flat panel displays, Electronic paper and many other fields have potential and wide application prospects. In this paper, the structure and working principle of OFET are briefly introduced. After that, the preparation process of organic FETs with Titanium cyanide as organic material is discussed. The performance of the organic field is affected by temperature in a certain range, and its performance parameters under different light The change. Through the study of the important parameter of temperature, it is found that its relatively optimal working environment is of great significance to the production and utilization of OFET. Finally, the development and prospect of OFET development are summarized and forecasted.Key words: organic semiconductor materials; organic field effect transistors; mobility; threshold voltage; optical responsivity.II目 录摘要 .I目 录 .III第一章 .11.1 引言 .11.2 研究的意义与目的 .11.3 国内外发展状况 .1第二章 的基本结构 .32.1 基本结构 .32.2 结构的选择 .32.3 材料的选择 .4第三章 OFET 的原理及性能参数 .63.1 OFET 的基本原理 .63.2 OFET 的性能指标 .63.2.1 输出特性曲线 .73.2.2 转移特性曲线 .73.2.3 迁移率 .83.2.4 阈值电压 .93.2.5 开关比 .93.2.6 光响应度 .9第四章 OFET 的制备 .104.1 材料的选择 .104.2 OFET 的制备过程 .10第五章 数据测量与分析 .125.1 数据测量系统 .125.2 数据测量及分析 .125.2.1 输出特性曲线 .125.2.2 转移特曲线 .165.2.3 结论 .18第六章 总结 .20参考文献 .21附录 .23中国计量大学本科毕业设计（论文）0第一章1.1 引言由 1947 年肖克利和他的两个助手布拉顿、巴丁在贝尔实验室工作时发明的世界上第一个晶体管到现在，已经有 70 年的历史了。随着智能生活的到来，各种电子产品在人们生活中的作用越来越大，晶体管的作用也随之增高。 【1】因为铬、硅等无机半导体技术的发展，才有了当代微电子理论。由于这些无机半导体的各种物理性质，一般采用光刻等工艺来制备，制备成本非常昂贵，而且其工艺复杂，对操作和环境的要求都比较高，不能大面积的生产，极大的限制了场效应晶体管的发展。为了克服这些困难，经过科学家与工程师近十几年不懈努力，提出了用有机材料代替上述无机材料这一新颖的低成本的制备方案。这一类以有机材料为介质的制备方法，工艺简单，成本极低，只有以前的十分之一不到，而且可以大面积的制备，其性能也完全满足目前低端产品市场对其要求，所以得到了广泛的关注。1.2 研究的意义与目的有机材料虽然在制备过程中对环境的要求没有无机材料那样苛刻，可是其工作环境尤其是温度方面因素的影响还没有被人们所完全了解。不能很好的掌握工作时环境变化对其性能的影响，在生产和使用的过程中就很难使其功能完全实现。本实验的主要任务是探究温度对 OFET 的影响，通过测量温度变化时其关键性参数的而变化来实现。目前国内外这个方向的研究还不是很热门，相关研究成果也较少，所以本课题的研究对 OFET 在以后生产使用过程中具有重要的意义。本课题主要研究目的是探究温度对 OFET 性能的影响，同时可以对比无光与加功率为 10mW 透光率为 10的激光在同温度下性能的差异。在现有实验条件下，可以研究温度从室温到 160范围内其性能参数随温度的变化，找出大致的最佳工作温度。中国计量大学本科毕业设计（论文）11.3 国内外发展状况在 1986 年,科学家利用聚噻吩作为活性材料制备出了世界上报道出的第一个有机场效应薄膜晶体管，但经过当时的科学家测量发现，其性能较差，迁移率只有不到10-5cm2/V，开关比也是差强人意。 【2】次年，Tsumura 提出了相对完善的其工作原理，这给从事这个行业的科学家们提供了一个相对明确的研究思路和研究方向。此后随着对 OFET 的不断探究，这个理论体系也不断的完善。 【3】在 1991 年一些科学家尝试从有机材料的分子结构角度来研究并取得了一些成果。改变分子结构的聚噻吩制成 OFET 器件，测得其 的值比先前的提升了两个数量级。随着各种制备技术的发展与成熟，近现代人们的研究方法有了更多的选择。市场的需求也在不断地刺激这个领域向前发展。为了解决无机材料的大面积生产问题，当前的主要研究热点集中在大面积的柔性显示，这也是商业上的要求。现在，制备方法也有了很大的进步，其中用溶液法进行旋凃或者喷墨打印方法也能增强制备的OFET 性能。虽然有机材料制成的场效应管性能上已经可以跟无机的相媲美，可是仍然存在一些问题。 【4】 一方面是材料的问题，目前我们对高性能沟道的有机材料研究不够，这方面的材料对 OFET 至关重要，限制了其发展。另一方面在将有机材料渡在衬底材料上时，最主要的方法是添加修饰层，可是这个方法在提高迁移率的时候也增加了阈值电压，这个问题也急需解决。总之，虽然各方面的条件还不够成熟，但毫无疑问的是，有机场效应晶体管在整个晶体管行业中所扮演的角色肯定越来越重要，我们对其研究也会更加深入，它的应用前景不可估量。中国计量大学本科毕业设计（论文）2第二章 的基本结构2.1 基本结构 与传统的无机场效应管相同，有机场效应管主要由三个部分构成，绝缘层，有机层，三个电极。三个电极分别是栅极、漏极、源极。其中，根据三个电极的位置不同，可分为顶栅结构和底栅结构。有机层跟电极接触的位置也可以改变，按照这种方法，又可以将其分为顶接触跟底接触结构。由此就得到了如图 1-1 所示的我们常用的四种 OFET 结构：底栅顶接触（a） ；底栅底接触（b） ；顶栅底接触（c） ；顶栅顶接触（d） 。 【5】图 1-12.2 结构的选择我们常用的是底栅底接触（b）跟底栅顶接触（a）两种（图 1-2） 。这两种结果中国计量大学本科毕业设计（论文）3各有优缺点，后者由于跟绝缘层有较大的接触面积，所以可以通过加修饰层来提高载流子的迁移率，但是对于当前的制作工艺来说，这种结构制备起来较为复杂，难度颇大。而底接触的结构方式在制备上就相对简单。而且因为场效应管很多都是要用来做传感器的，所以对于周围环境的接触面积直接影响到器件的性能，底接触与空气接触的面积较大，这也是它的一个很大的优点。 【6】 但是通过大量的实验测试和实际制作来看，底接触的结构的器件性能与顶接触还是有着不可忽略的差距。本次课题因为各方面条件的限制，选用的是底栅顶接触结构。图 1-22.3 材料的选择从有机材料被利用到现在的几十年里，人们发现了很多可以用作 OFET 有机层的材料，主要可分为 n 型和 p 型材料。顾名思义，n 型材料是有机半导体材料中掺杂了施主杂质，以电子为主要的载流子。P 型半导体则是掺杂了受主杂质，以空穴为主要载流子