半導體有機半導體電學性能論文

摘要：隨着科技和經濟的進步發展，半導體器件在我們生活中的應用越來越廣泛，而在半導體器件中有機半導體應用最爲廣泛。本文即將探索和解說有機半導體器件的電學性能，揭開其神祕的面紗。該文主要從有機半導體同無機半導體的發展歷程及其其概念匯入，其次在分析有機半導體的優劣點，解說有機半導體的場效應現象，最後以納米ZnO線(棒)的試驗解說其電學性質

關鍵詞：半導體有機半導體電學性能

一、從有機半導體到無機半導體的探索

1.1有機半導體的概念及其研究歷程

什麼叫有機半導體呢?衆所周知，半導體材料是導電能力介於導體和絕緣體之間的一類材料，這類材料具有獨特的功能特性。以硅、鍺、砷化嫁、氮化嫁等爲代表的半導體材料已經廣泛應用於電子元件、高密度資訊存儲、光電器件等領域。隨着人們對物質世界認識的逐步深入，一批具有半導體特性的有機功能材料被開發出來了，並且正嘗試應用於傳統半導體材料的領域。

在1574年，人們就開始了半導體器件的研究。然而，一直到1947年朗訊(Lueent)科技公司所屬貝爾實驗室的一個研究小組發明了雙極晶體管後，半導體器件物理的研究纔有了根本性的突破，從此拉開了人類社會步入電子時代的序幕。在發明晶體管之後，隨着硅平面工藝的進步和集成電路的發明，從小規模、中規模集成電路到大規模、超大規模集成電路不斷髮展，出現了今天這樣的以微電子技術爲基礎的電子資訊技術與產業，所以晶體管及其相關的半導體器件成了當今全球市場份額最大的電子工業基礎。，半導體在當今社會擁着卓越的地位，而無機半導體又是是半導體家族的重中之重。

1.2有機半導體同無機半導體的區別及其優點

與無機半導體相比，有點半導體具有一定的自身獨特性，表現在：

(l)、有機半導體的成膜技術更多、更新，如真空蒸鍍，溶液甩膜，Langmtrir一Blodgett(LB)技術，分子自組裝技術，從而使製作工藝簡單、多樣、成本低。利用有機薄膜大規模製備技術，可以製備大面積的器件。

(2)、器件的尺寸能做得更小(分子尺度)，集成度更高。分子尺度的減小和集成度的提高意味着操作功率的減小以及運算速度的提高。

(3)、以有機聚合物製成的場效應器件，其電性能可透過對有機分子結構進行適當的修飾(在分子鏈上接上或截去適當的原子和基團)而得到滿意的結果。同時，透過化學或電化學摻雜，有機聚合物的電導率能夠在絕緣體(電阻率一10一Qcm)到良導體這樣一個很寬的範圍內變動。因此，透過摻雜或修飾技術，可以獲得理想的導電聚合物。

(4)、有機物易於獲得，有機場效應器件的製作工藝也更爲簡單，它並不要求嚴格地控制氣氛條件和苛刻的純度要求，因而能有效地降低器件的`成本。

(5)、全部由有機材料製備的所謂“全有機”的場效應器件呈現出非常好的柔韌性，而且質量輕。

(6)透過對有機分子結構進行適當的修飾，可以得到不同性能的材料，因此透過對有機半導體材料進行改性就能夠使器件的電學性能達到理想的結果。

1.3有機半導體材料分類

有機半導體層是有機半導體器件中最重要的功能層，對於器件的性能起主導作用。所以，有機半導體器件對所用有機半導體材料有兩點要求:

(l)、高遷移率；(2)、低本徵電導率。

高的遷移率是爲了保證器件的開關速度，低的本徵電導率是爲了儘可能地降低器件的漏電流，從而提高器件的開關比。用作有機半導體器件的有機半導體材料按不同的化學和物理性質主要分爲三類:一是高分子聚合物，如烷基取代的聚噬吩;二是低聚物，如咪嗯齊聚物和噬吩齊聚物;三是有機小分子化合物，如並苯類，C6。，金屬酞著化合物，蔡，花，電荷轉移鹽等。

二、製作有機半導體器件的常用技術

有機半導體性能的好壞多數決定於半導體制作過程因此實驗製備技術就顯得尤爲重要。下面將對一些人們常用器件製備的實驗技術做簡要的介紹：

(1)、真空技術。它是目前製備有機半導體器件最普遍採用的方法之一，主要包括真空鍍膜、濺射和有機分子束外延生長(OMBE)技術。

(2)、溶液處理成膜技術。它被認爲是製備有機半導體器件最有發展潛力的技術，適用於可溶性的有機半導體材料。常用的溶液處理成膜技術主要包括電化學沉積技術、甩膜技術、鑄膜技術、預聚物轉化技術、分子自組裝技術、印刷技術等。

三、有機半導體器件的場效應現象

爲了便於說明有機半導體器件的場效應現象，本文結合有機極性材料製作有機半導體器件對薄膜態有機場效應進行分析。試驗中，將有機極性材料經過真空熱蒸鍍提純之後溶在DMF溶液中，濃度是20Omg/ml，使用超聲波清洗機促進它們充分並且均勻的溶解，經過真空系統中沉積黃金薄膜作爲器件的源極和漏極。在類似條件下，在玻璃襯底上製作了極性材料的薄膜形態晶粒，研究發現：

在有機極性材料形態，有塊狀、樹枝狀和針狀。不同的薄膜態形態，在不同柵極電壓VG的作用下有不同的Ids(流過器件的源極和漏極的電流)一Vds(加在器件的源極和漏極之間的電壓)曲線。

1、塊狀形貌結構的薄膜態有機器件的Ids－Vds(性能曲線，變化範圍是從－150V到15OV、柵極電壓的變化範圍是從－200V到200V。當柵極電壓Vg以100V的間隔從－200V變化到200V時，Ids隨着Vds的增加而增加，此時沒有場效應現象。

2、針狀形貌結構的薄膜態有機器件的Ids－Vds性能曲線，當Vds從－75V增加到75V，柵極電壓VG的變化範圍是一200V~20OV，遞增幅度是5OV。此時器件具有三種性能規律:(1)在固定的柵極電壓Vg下，當從Vds－75V增加到75V時，電流Ids也隨之增加;(2)在固定的外加電壓Vds下，當柵極電壓Vg從－2O0V增加到2OOV時，電流Ids也隨之增加;(3)如果沒有對器件施加Vds電壓，只要柵極電壓Vds存在，就會產生Ids電流，產生電池效應。

透過上述的解說我們對有機半導體器件的電學性能已有一定的瞭解了。下面我們即將透過試驗來揭開其神祕的面紗。

四、有機半導體的光電性能探討——以納米ZnO線(棒)的光電性能研究爲例

近年來，納米硅的研究引起了社會的廣泛的關注，本文中我們將採用場發射系統，測試利用水熱法制備的硅基陣列化氧化鋅納米絲的場發射性能。圖11是直徑爲30和100nm兩個氧化鋅陣列的場發射性能圖,其中圖11a和b分別是上述兩個樣品的I_V圖和F_N圖。從圖11a中可以看出氧化鋅納米絲的直徑對場發射性能有很大的影響,直徑爲30nm的氧化鋅陣列的開啓場強爲2V/μm門檻場強爲5V/μm;而直徑爲100nm的氧化鋅陣列的開啓場強爲3V/μm,門檻場強大於7V/μm。並且從圖11b中可以知道,ln(J/E2)和1/E的關係近似成線性關係,可知陰極的電子發射與F_N模型吻合很好,表明其發射爲場發射,其性能比文獻報道的用熱蒸發製備的陣列化氧化鋅的場發射性能要好[25]。這主要是由於氧化鋅的二次生長,導致所得氧化鋅陣列由上下兩層組成,具有較高的密度以及較小的直徑,在電場的作用下,更多的電子更容易從尖端的氧化鋅納米絲髮射,從而降低了它們的開啓場強和門檻場強。

我們測試了硅基陣列化納米ZnO的光致熒光譜,如圖12所示。從圖中可知,600~700℃和300~400℃下熱蒸發合成的陣列化ZnO納米絲的峯位分別在393nm(虛線)及396nm(實線)。PL譜上強烈的紫外光的峯證明:合成的ZnO納米絲有較好的結晶性能和較少的氧空位缺陷。由於在高溫區合成的納米絲有較細的尖端,故有少量藍移。

透過上述針對納米ZnO線(棒)的試驗，我們能對硅基一維納米的電學性能進行了初步的探討。相信這些工作將爲今後的硅基一維納米材料在光電方面的應用提供一個良好的基礎。