Upload
lamkhanh
View
219
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
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