Si - MOSFET€¦ · Limketkai ith T 0 =400eV eer/Coehorn V =0.08eV I D /I D V) I D /I D V) V GS (V) V DS =-1V nichtlineare Kennlinie 0 -2 -4 -6 -8 -10 0.0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5 m) 25

www.tu-ilmenau.dePage 1

VL Polymerelektronik OFET

Si - MOSFET

S

G

p-siliconD

n+ n+• Inversionstransistor

• ID unabhängig von Si-Dicke

G

polymer

S D

Au Au

OFET

• Anreicherung und Verarmung

• dünne Schicht für Ausschalten TFT



0 -2 -4 -6 -80

-2

-4

-6

I D (µ

A)

UDS

(V)

VGS

= -8V

-6V

-4V

-2V

2 0 -2 -4 -6 -80

-2

-4

-6

I D (n

A)

UGS

(V)

VDS

= -8V

VDS

= -1V

Ausgangs-KLF Transfer-KLF

p-Kanal-OFET



Shockley Gleichung

2

''fo r

2

D S

D is G S th D S D S G S th

VwI C V V V V V V

L

2

''fo r

2

G S th

D is D S G S th

V VwI C V V V

L

Aktiver Bereich:

Sättigungsbereich:



Beweglichkeit

Aktiver Bereich:

Sättigungsbereich:

''

D S

D

m is D S

G S V

d I wg C V

d V L

''

2D S

D

is

G SV

d I wC

d V L



p-leitende Materialien



p-leitende

Polymere

Adv. Mater. 2013, 25, 4210



n-leitende Materialien



n-leitende

Polymere

Adv. Mater. 2013, 25, 4210



ambipolare

Polymere

Adv. Mater. 2013, 25, 4210



n+-silicon gate

SiO2

OH OH OH OH

SiO2

O O O O

Si(CH3)3 Si(CH3)3 Si(CH3)3Si(CH3)3

SiO2

Silanisierung

O2-Plasma: 2 min @ 300W

HMDS: 26 h @ 60°CSpülen: 3min Toluol, 3min Diethylether



Organische Isolatoren

PVP- polyvinylphenol PVC - polyvinylchloride

PS – polystyrene PVDF - polyvinylidenfluoride

PMMA - polymethylmetacrylate PaMS – poly[a-methylstyrene]

PVA – polyvinylalcohol CYPEL - cyanoethylpullulan



AlOx+SAM

N-alkyl phosphonik acids Cn-PA

Quelle: Org. Elec. 10(2009)1442

2.44nm … 0.41nm



Organic semiconductor

Substrate

Gate dielectric

Gate electrode

Drain Source


Substrate

Gate dielectric

Source

Gate electrode

Drain

Gate dielectric

Substrate


Source Drain

Gate electrode

Source

Gate dielectric

Substrate


Gate electrode

Drain

TOP gate

bottom gate



S

Substrat

Org. HL

IsolatorD

G

S

Substrat

Org. HL

Isolator

D

G

TOC BOC

G

S D

insulator

G

S D

insulator



6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)

pentacene (TIPS-Pentacen)

Schichtherstellung aus der Lösung

Tempern bei ca. 100°CBeweglichkeit 0.1 … 1cm2/Vs

2,8difluoro-5,11-bis(triethylsilylethyny)

anthradithiophene (diF-TESADT)



Soft lithography Ink-jet

Quelle: APL 85 (2004) 5730 Quelle: nmat 3 (2004) 137



02 | 2 |

e

ln

b

d ep

A

A

b T

i

lN

NU

n

maximale Schichtdicke abhängig von Dotierung

p o ly d ep

d l

1016

1017

1018

1019

0

50

100

150

200

250

NA (cm-3)

l dep

(nm

)

EG=2eV

r=3



Schwellspannung

1015

1016

1017

1018

0

5

10

15

20

25

dP3HT

=20nm

dP3HT

=40nm

dPVP

(nm)

400

200

50

Vth

(V)

NA (cm

-3

)

0 100 200 300 400 5000

5

10

15

20

25

Vth (

V)

dPVP

(nm)

dP3HT

(nm)

60

40

20

10

2

''

e2 fo r

A P o ly P o ly

th F B b P o ly d ep

is d ep

N d dV V d l

C l



Schwellspannung

2

'' '' ''

e 1 12 e

2

A P o ly P o ly

th F B b F B A P o ly

is d ep is g eo

N d dV V V N d

C l C C



2 1

0

2 1

( )

d s

d

gu

m

g s g d

ih

i

gh

j C C

Grenzfrequenz

Transitfrequenz: f=fT für |h21|=1

CgdCgs gm vgs

ig id

S

Vds=0



10-3

10-2

10-1

100

101

0.1

1

10

100

fT

100kHz

1MHz

10MHz

L (µ

m)

µ (cm2

/Vs)

VGSeff

=10V

Polymere Oligomere

''

''

2

S ä tt ig u n g :

( )

2 ( )

( )2

g s g d in s in s

m in s G S th

m

T

g s g d

T G S th

C C C C w L

wg µ C V V

L

gf

C C

µf V V

L

Grenzfrequenz



Grenzfrequenz

BOC-OFET: dox=50nm; dP3HT=50nm; µ=0.02cm2/Vs

Aktiver Bereich: VDS=-1V; VGS=-6V

10-4

10-2

100

102

104

106

108

0

50

100

150

200

250

curr

ent g

ain

|h21

| (dB

)

frequency (Hz)

L (µm)

20

10

6

2

1

0.5

0.2

0.05

22

T D S

µf V

L

0.1 1 1010

2

104

106

108

simulation

analytical

cuto

ff fre

quen

cy (H

z)

channel lenght (µm)



2 ( )

m

T

in s p a ra s it ic

gf

C C

Einfluss parasitärer Kapazitäten:

Reduzierung durch

selbstjustierte Kontakte

z.B. durch

Rückseitenbeleuchtung

S D

gate

Cp Cins Cp

P3HT S D

gate

Cins

P3HT

Photoresis

t

S D

Folien-Substrat

Polymer

Organisher IsolatorG ResistResist



Grenzfrequenz S/D zu Gate Überlappung

BOC

oL oL

D S

t

p a r2 ( )

µVf

L L L

2p a r o L

L L 0.1 1 10102

104

106

108

VGS

=-6V; VDS

=-1V

f T (H

z)

L (µm)

simulation

oL=0

oL=5µm

oL=10µm

analytical



S

G

DS‘ D‘RS RD

D S

T 2

''

o L G S th2 ( ) 1 2 ( )

in s

µVf

wL L L µ C R V V

L

0,01 0,1 1 10 10010

1

102

103

104

105

106

channel length (µm)

cuto

ff fre

quen

cy (H

z)

R (M)

3.5

35

350

D G S th

A n n a h m e :

S DR R R

R I V V

Einfluss von Serienwiderständen



BOC

Einfluss von Serienwiderständen

0.1 1 1010

2

104

106

108

simulation

oL=0

oL=5µm

oL=10µm

analytical

VGS

=-6V; VDS

=-1V

f T (H

z)

L (µm)

R=0

R=1.75kcm

0.1 1 1010

2

104

106

R=0

R=1.75kcm

LoL

=5µm

cuto

ff fre

quen

cy (H

z)

channel lenght (µm)

TOC

BOC

Rpa

r

Rpa

r

TOC



Kapazitäten Cgs und Cgd

-3 -2 -1 00

100

200

300

400

500

VDS

(V)

0

-0.5

-1

-1.5

Cgd

Cgs

Cp (p

F)

VGS

(V)

0 -1 -2 -30

100

200

300

400

500

Cgd

Cgs

Cp (p

F)

VDS

(V)

VGS

=-2V

-2.5V

-3V

OFET mit AlOx/SAM Isolator dis=5.3nm; L=200µm; f=500Hz



Simulation für P3HT-OFET: µ=10-3cm2/Vs; NA=1016cm-3

Kontakt

-50

-40

-30

-20

-10

0-12 -10 -8 -6 -4 -2 0

VBp

(eV)

0

0.3

0.4

VGS

(V)

I D (p

A/µ

m)

TOC

BOC

5

4

3

2

1

00 -2 -4 -6 -8 -10 -12

VGS

(V)

gm

(pS

/µm

)

VBp

(eV)

0

0.3

0.4

TOC

BOC

TKL SteilheitVDS= -1V



Simulation für P3HT-OFET: µ=10-3cm2/Vs; NA=1016cm-3

Kontakt

VGS= -12V

0 -2 -4 -6 -8 -10 -120

-50

-100

-150

-200

-250

VBp

(eV)

0

0.3

0.4

TOC

BOC

I D (p

A/µ

m)

VDS

(V)

G

S D

insulator

G

S D

insulator

BOC

TOC



Einfluss des Schottky-Effektes

VGS = -3V FS/D=4.6eV

0

e

4B p

r

EV

Barrierenerniedrigung:

OFET mit AlOx/SAM Isolator dis=5.3nm; L=2µm

0 -1 -2 -30

-10

-20

-30

4.5eV

4.6eV

4.7eV

FS/D

= 4.8eV

I D (µ

A)

VDS

(V)

0 -1 -2 -30

1

2

3

4

5

FS/D

= 4.6eV

-1.8V

-2.1V

-2.4V

-2.7V

VGS

= -3V

gd (µ

S)

VDS

(V)



ol ol

5µm

Einfluss der S/D-Überlappung im TOC

VGS = -12V, L=25µm

0 -2 -4 -6 -8 -100

-20

-40

-60

-80

-100

-120

-140

TOC ol (µm)

5

2.5

0.5

0

BOC

I D (p

A/µ

m)

VDS

(V)

VBp

(eV)

0

0.4



-250

-200

-150

-100

-50

00 -2 -4 -6 -8 -10 -12

VDS

(V)

I D (n

A)

µ (cm

2

/Vs)

1x10-3

1x10-6

1x10-7

Anisotropie der Beweglichkeit für TOC

µ|| =10-3cm2/Vs

0 -2 -4 -6 -8 -10 -120

2

4

6

8

10

12 -12

-10

-8

-6

gd (

nS

/µm

)

VDS

(V)

G

S D

insulator

µ||µ µ

VGS=-12V

µ =10-7cm2/Vs



Beweglichkeitsmodelle

BOC: TPD-MEH-PPV-OFET: L=25µm; dox=100nm

10-8

10-6

10-4

10-2

100

-8 -6 -4 -2 00.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

constant

Limketkai

with T0=400eV

Pasveer/Coehorn

=0.08eV

ID/I

D(-

8V

)

ID/I

D(-

8V

)

VGS

(V)

VDS=-1V

nichtlineare Kennlinie

0 -2 -4 -6 -8 -100.0

-0.5

-1.0

-1.5

-2.0

-2.5

L (µm)

25

1

constant

Limketkai with T0=400eV

Pasveer/Coehorn =0.08eV

I D*L

/w (

nA

)V

DS (V)

VGS=-10V



Source Drain40 nm pentacene

300 nm SiO2

heavily doped Si

Gate

OTS

OFET

L=30µm; w=600µm

µ=0.85cm2/Vs

LUMO=3.22eV

HOMO=5.07eV -50 -25 0 25 5010-15

10-12

10-9

10-6

10-3

S=60mV/dec

S=930mV/dec

measurement

simulation

without traps

I D (A

)

VGS

(V)

VDS=-50V



Exponentielle Traps

VDS = -50V

Donator: N0,td=1019cm-3; Es=0.1eV

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 5010

-17

10-15

10-13

10-11

10-9

10-7

10-5

I D (

A/µ

m)

VGS

(V)

E0-E

V (eV)

without

0

0.1

0.2

0.3

Akzeptor: N0,td=1018cm-3; Es=0.1eV

-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 5010

-17

10-15

10-13

10-11

10-9

10-7

10-5

I D (

A/µ

m)

VGS

(V)

EV-E

0 (eV)

without

0

0.3

0.5

0.7

0.9



DNTT: L=2µm; w=20µm; dox=30nm; dDNTT=30nm

3.6nm AlOx + 1.7nm SAM gate dielectric

0 -1 -2 -30

-4

-8

-12

LC (µm)

200

20

5

VGS

= -3 V

I D (µ

A)

VDS

(V)

Nichtlinearität bei kleinen VDS



Drainleitwert

Messung LC =5µm Simulation mit Traps

0 -1 -2 -30

1

2

3

-1.8V

-2.1V

-2.4V

-2.7V

VGS

= -3V

gd (µ

S)

VDS

(V)

0 -1 -2 -30

2

4

6

gd (µ

S)

VDS

(V)

VGS

= -3V

-2.7V

-2.4V

-2.1V

-1.8V

D0=2x1020cm-3eV-1

E0-EV =0.1eV and ES=0.1eV



0,0 0,5 1,0 1,510

14

1016

1018

1020

Acceptor-like

states DA(E)

energy (eV)

desn

ity o

f sta

tes

(cm

-3eV

-1)

EV

EC

deep states

tail states

Donor-like

states DD(E)

0, ,

0 ;( ) e x p

A D A D

A D

S

E ED E D

E

Amorphes Si-Modell für Traps



Ambipolare OFETs

silicon

SiO2

pentacene

PTCDI-C13H27Au

Mg

+-

Rekombinationsrate



Ambipolare OFETs



Ambipolare OFETs

1,8-naphtoylene(trifluoromethylbenzimidazole)

-4,5-dicarboxylic acid imide

pentacene

Appl. Phys. Lett. 2013, 10, 073303



Sony Mai 2010: OLET organic light-emitting transistor

15nm

40nm

7nm

Vorteil:

Effizienz h =5% OLED 2%

Nachteil:

geringe Leuchtdichte

h+e-emission



Ambipolare OFETs

Adv. Mat. 2012, 24, 647

diketopyrrolopyrrole-thienothiophene

Documents

Si - MOSFET€¦ · Limketkai ith T 0 =400eV eer/Coehorn V =0.08eV I D /I D V) I D /I D V) V GS (V) V DS =-1V nichtlineare Kennlinie 0 -2 -4 -6 -8 -10 0.0-0.5-1.0-1.5-2.0-2.5 m) 25