1. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
VPLIV DIELEKTRIKA NA DELOVANJE ORGANSKEGA
TANKOPLASTNEGA TRANZISTORJA: ORGANSKI IN
ANORGANSKI DIELEKTRIKI
DIPLOMSKO DELO
Anže Peternel1
1
Fakulteta za aplikativno naravoslovje
Univerza v Novi Gorici
Ajdovščina, 25.9.2015

2. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
KAZALO
1 ORGANSKI TANKOPLASTNI TRANZISTORJI
2 UPORABLJENI MATERIALI
3 SHEMA MERILNEGA SISTEMA
4 METODA ZA DOLOČITEV MOBILNOSTI VRZELI IN PRAGOVNE NAPETOSTI
5 PRIPRAVA VZORCEV
6 ANALIZA MERITEV
7 ZAKLJUČEK

3. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
ORGANSKI TANKOPLASTNI TRANZISTORJI
• Organski polprevodniški elementi.
• V elektronskih vezjih se jih uporablja pri
ojačevanju signalov ali kot stikala v logičnih
vezjih.
• V osnovi so narejeni iz petih plasti, ki so
nanesene na neprevoden substrat.
Polprevodnik
Dielektrik
Vrata
Neprevoden substrat
Izvor Ponor

4. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
UPORABLJENI MATERIALI
• Organski polprevodnik poli(3-heksiltiofen)
(P3HT).
• Spada v družino konjugiranih polimerov.
S








n
• Anorganski dielektrik termični oksid SiO2.
• Je amorfen material.

5. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
UPORABLJENI MATERIALI
• Organski dielektrik parilen C ali
poli(kloro-para-ksililen).
CH2 CH2
Cl






n
• Organski dielektrik oktadekiltriklorosilan
(OTS).
• Na površini tvori monoplast, ki močno
spremeni polarnost površine.
SiCl
Cl
Cl

6. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
SHEMA MERILNEGA SISTEMA ZA MERJENJE
TOKOVNO-NAPETOSTNE KARAKTERISTIKE
Polprevodnik
Dielektrik
Vrata
Izvor Ponor
A
VG
ID
IS
VD
A
V
Keithley Model 2400
SourceMeter
Keithley Model 6487
Picammeter/Voltage Source
V

7. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
REŽIMI DELOVANJA OTFT-JA S P-KANALOM
• Izključeno stanje
S
VG
VD
D
G
• Režim nasičenja
S
VG
D
G
Točka preščipnjenja
VD
• Linearni režim
S
VG
G
VD
D
Režim
delovanja
Pogoj Enačba
Izključeno
stanje
0 ≤ VD ∨ VT ≤ VG ID = 0
Režim
nasičenja
VD ≤ VG − VT < 0 ID = −
W r 0µp
2Ld [VG − VT ]
2
Linearni
režim
VG − VT < VD < 0 ID = −
W r 0µp
Ld VG − VT − VD
2 VD

8. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
METODA ZA DOLOČITEV MOBILNOSTI
VRZELI IN PRAGOVNE NAPETOSTI
• Na sliki je prikazan koren prenosne karakteristike OTFT-ja s p-kanalom.
• Ravni del krivulje predstavlja OTFT v režimu nasičenja.
• Iz naklona regresijske premice izračunamo µp.
• Točka kjer regresijska premica seka abscisno os, določa vrednost VT .
|ID| =
W r 0µp
2Ld
|VG − VT |
–12 –11 –10 –9 –8 –7 –6 –5 –4 –3 –2 –1 0
VG [V]
0
1
2
3
4
5
6
7
ID–
Wεrε0µp
Ld
[A]
VT
VD = –6V
VD = –5V
VD = –4V
VD = –3V
VD = –2V
VD = –1V
VD = 0V

9. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
SEZNAM VZORCEV
Ime vzorca Vrata Dielektrik
Polpre-
vodnik
Izvor in ponor
P5 Aluminij (Al) Parilen C
P3HT
Aluminij (Al)
F1
Močno dopiran
silicij n-tipa
(n+-Si)
SiO2 + OTS Indij-kositer oksid
(ITO) + zlato
(Au)F2 SiO2 + OTS
2014.11.04.07 SiO2* + OTS
Krom (Cr) +
zlato (Au)
2014.11.04.09 SiO2
2014.11.04.33 SiO2 + OTS

10. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
IZGLED ELEKTROD VZORCEV POSAMEZNE
VRSTE
50 µm 100 µm 150 µm5mm
<10mm
<10 mm
6 mm
1mm
1 2 3
4 5 6
• Elektrode ustvarjene z uporov-
nim naparevanjem.
• L = {50 µm, 100 µm, 150 µm}.
• W = {1 mm, 5 mm}.
1 2
3 4
5 6
7 8
9 10
11 12
13 14
15 16
• Elektrode ustvarjene z optično
litografijo.
• L = {2.5 µm, 5 µm, 10 µm,
20 µm} .
• W = 10 mm.
• Elektrode ustvarjene z optično li-
tografijo.
• L = 5 µm.
• W = 2.3 mm.

11. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
OTFT Z DIELEKTRIKOM OTS
• Drugi OTFT na vzorcu 2014.11.04.33.
• Pred segrevanjem vzorca, OTFT ne izkazuje karakteristik tranzistorja.
• Po segrevanju vzorca za 30 min pri 90 ◦
C:
• µp = 2.1 × 10−2
cm2
V−1
s−1
,
• VT = 36 V.
VGV
80− 60− 40− 20− 0 20 40 60 80
mAD
I
0
5
10
15
20
25
30
C°= -50V, T = 25D
V
C°= -50V, T = 90D
V

12. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
OTFT Z DIELEKTRIKOM PARILEN C
• Drugi OTFT na vzorcu P5.
• µp = 2.5 × 10−3
cm2
V−1
s−1
.
• VT = −47 V.
VGV
80− 70− 60− 50− 40− 30− 20− 10− 0
mAD
I
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
= -80VD
V

13. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
OTFT Z DIELEKTRIKOM SiO2
• Četrti OTFT na vzorcu 2014.11.04.09.
• µp = 4.7 × 10−3
cm2
V−1
s−1
.
• VT = 7 V.
VGV
80− 60− 40− 20− 0 20 40 60 80
mAD
I
0
2
4
6
8
10 C°= -50V, T = 90D
V

14. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
PRIMERJAVA MOBILNOSTI RAZLIČNIH
SKUPIN OTFT-JEV
• Škatlast diagram, ki ponazarja razporeditev vrednosti mobilnosti vrzeli v vseh OTFT-jih z
dielektrikom parilen C (vzorec P5), SiO2 (vzorec 2014.11.04.09) oziroma OTS (vzorec
2014.11.04.33).
• Mobilnost vrzeli v OTFT-jih z dielektrikom OTS so nekajkrat večje od ostalih OTFT-jev.
Parilen SiO2
OTS
Tip vzorca
0.0 × 10–2
0.5 × 10–2
1.0 × 10–2
1.5 × 10–2
2.0 × 10–2
2.5 × 10–2
µpcm2V–1s–1

15. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
HRAPAVOST POVRŠIN
• Na sliki je prikazana hrapavost površine dielektrika parilen C nad steklenim substratom.
• Če se pod plastjo parilena C nahaja
• plast aluminija, je hrapavost površine σ = 4.3 nm,
• steklen substrat, je hrapavost površine σ = 3.6 nm.
• Hrapavost površine dielektrika SiO2 znaša σ = 0.3 nm.
• Hrapavost površine se nekoliko zmanjša po nanosu monoplasti OTS.

16. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
PRIMERJAVA KONTAKNTIH KOTOV
• Primerjava kontaktnih kotov, ki jih tvori kapljica deionizirane vode s površino plasti a)
parilena C, b) SiO2 in c) OTS.
• Kontaktni kot je veliko večji pri organskih dielektrikih.

17. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
UPOR STIKA KOVINA – POLPREVODNIK
• RON najboljših OTFT-jev z dielektrikom OTS, iz vsake skupine tranzistorjev na vzorcu F2.
• Vrednosti smo pridobili v linearnem režimu delovanja, ko je VG − VT VD pri VD = −10 V in
VG − VT = −50 V.
• Rc = 1.0 MΩ.
RS
∆VS
Rch
∆Vch
RD
∆VD
VD
RON = Rch+RS +RD =
Ld
W r 0µn [VG − VT ]
+Rc
2.5 5.0 10.0 20.0
L [µm]
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4RON[MΩ]

18. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
ODVISNOST MOBILNOSTI VRZELI OD
DOLŽINE KANALA
Škatlast diagram, ki prikazuje odvisnost mobilnosti vrzeli od štirih skupin OTFT-jev z
dielektrikom OTS. Skupine tranzistorjev se med seboj razlikujejo po dolžini kanala. V vsaki
skupini so štirje OTFT-ji, skupaj pa jih je 16 in se nahajajo na vzorcu F2.
2.5 µm 5 µm 10 µm 20 µm
Dolžina kanala L
0.0 × 10–2
0.5 × 10–2
1.0 × 10–2
1.5 × 10–2
2.0 × 10–2
2.5 × 10–2
3.0 × 10–2
µpcm2V–1s–1

19. Vpliv dielektrika
na delovanje
OTFT-ja
A. Peternel
OTFT-JI
UPORABLJENI
MATERIALI
SHEMA
MERILNEGA
SISTEMA
METODA ZA
DOLOČITEV
MOBILNOSTI
VRZELI IN
PRAGOVNE
NAPETOSTI
PRIPRAVA
VZORCEV
ANALIZA
MERITEV
ZAKLJUČEK
ZAKLJUČEK
• Primerjali smo dielektrike parilen C, SiO2 in OTS.
• Na mobilnost vrzeli močno vplivata hrapavost in polarnost dielektrika.
• Za najboljši dielektrik se je izkazal OTS, saj je bila mobilnost vrzeli najvišja glede na
ostale preučene OTFT-je.
• Najvišja izmerjena mobilnost vrzeli je znašala 0.03 cm2
V−1
s−1
.
• Pri OTFT-jih z dielektrikom OTS smo izmerili upor stika med elektrodama in plastjo
polprevodnika, ki je znašal 1 MΩ.