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Quasistatische und transiente Oberflächenpotentialverteilungen organischer Feldeffekttransistoren

Siol, Christopher :
Quasistatische und transiente Oberflächenpotentialverteilungen organischer Feldeffekttransistoren.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Quasistatische und transiente Oberflächenpotentialverteilungen organischer Feldeffekttransistoren
Language: German
Abstract:

In dieser Arbeit wurden organische Feldeffekttransistoren (OFETs) durch orts- und zeitaufgelöste Oberflächenpotentialmessungen untersucht. Hierbei standen langsame Transportphänomene sowie Auf- und Entladeprozesse im Transistorkanal im Vordergrund. Insbesondere wurde das Laden und Entladen von Fallenzuständen analysiert und mit Instabilitäten des Drainstroms korreliert.

Im experimentellen Teil wurde ein für in-situ Messungen an OFETs optimiertes System zur Kelvinsondenkraftmikroskopie (KPFM) aufgebaut, das ohne mathematische Korrekturen quantitativ akkurate Oberflächenpotentialdifferenzen liefert. Für die Präparation der Proben wurde ein flexibel einsetzbarer und kostengünstiger Schattenmaskenprozess etabliert, der zur Herstellung von OFETs mit anwendungsrelevanten Kanallängen von 5 μm geeignet ist.

Die entwickelten experimentellen Methoden wurden zur Untersuchung von Pentacen basierten OFETs während deren Betrieb eingesetzt, um Instabilitäten und Hystereseeffekte aufzuklären. Der Schwerpunkt lag hierbei auf Betriebsbereichen mit geringen Drainströmen, die durch Messungen der Strom-/Spannungs-Kennlinien nur schwer zugänglich sind. Zunächst wurden die OFETs im quasistatischen Betrieb untersucht. Spannungsabfälle an Kontakten oder Korngrenzen wurden dabei in Korrelation mit dem jeweiligen Herstellungsprozess qualitativ betrachtet. Der Ladungstransport im Kanal wurde quantitativ untersucht und modelliert. Dabei konnte die Ladungsträgerbeweglichkeit gut durch das Transportmodell von Vissenberg und Matters beschrieben werden. Jedoch wurde bei geringen Ladungsträgerdichten eine Unterschätzung der Beweglichkeiten durch das Modell beobachtet. Zur Untersuchung dynamischer Prozesse während des Betriebs wurde das Oberflächenpotential im Kanal der OFETs beobachtet, während zyklisch zwischen Loch- und Elektronenakkumulation gewechselt wurde. Mit diesem Verfahren gelang es, bewegliche und feste Ladungen getrennt voneinander zu erfassen. Insbesondere wurden dabei in n-Typ und p-Typ OFETs remanent bzw. temporär gefangene negative Ladungen als Ursache für langfristige Schwellspannungsverschiebungen bzw. Hystereseeffekte identifiziert. Durch die Kombination dynamischer und statischer Oberflächenpotentialmessungen konnten dann in der Rekombinationszone eines ambipolaren OFET die Dichten von beweglichen und festen Elektronen bzw. Löchern untersucht werden.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
In this work organic field-effect transistors (OFETs) are studied by means of space and time resolved surface potential measurements. The work focuses on slow transport phenomena as well as charging and discharging processes in the transistor channel. In particular the charging and discharging of trap states is analysed and correlated with drain current instabilities. The experimental part presents a Kelvin probe force microscopy (KPFM) system which is specialized for in-situ measurements on OFETs and delivers accurate measures of surface potential differences without mathematical corrections. For sample preparation a versatile low-cost shadow mask process is described which is suitable for preparing OFETs with application relevant channel lengths of 5 μm. The developed methods were used on pentacene based OFETs during operation in order to investigate instabilities and hysteresis effects in these devices. Focus was on operational regimes with low drain currents which are difficult to address by measurements of current-voltage characteristics. At first OFETs in quasi-static operation were investigated. Voltage drops at contact electrodes or grain boundaries were qualitatively correlated to the corresponding preparation processes. The charge transport in the channel was investigated and modelled quantitatively. Thereby the charge carrier mobility could be described using the model of Vissenberg and Matters. However, it was found that the model underestimates the charge carrier mobility at low charge densities. Dynamic processes during operation were investigated by observation of the surface potential during cyclic changes between hole and electron accumulation. Using this procedure trapped and mobile charges could be observed separately. In particular this method could show that in both, n- and p-type OFETs persistent and temporary trapping of negative charges caused long term instabilities and hysteresis-effects respectively. Combining the dynamic and static surface potential measurements then allowed for investigation of fixed and mobile electron densities and hole densities in the recombination zone of an ambipolar OFET.English
Uncontrolled Keywords: KPFM, Oberflächenpotential, OFET, Feldeffekttransistor, Stabilität, Hysterese, Ladungsträgerinjektion
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
KPFM, surface potential, OFET, field-effect transistor, stability, hysteresis, charge carier injectionEnglish
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 500 Naturwissenschaften
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Material- und Geowissenschaften > Materialwissenschaften > Elektronische Materialeigenschaften
Date Deposited: 05 Jun 2012 09:49
Last Modified: 07 Dec 2012 12:04
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-28923
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: von Seggern, Prof. Dr. Heinz and Jaegermann, Prof. Dr. Wolfram
Refereed: 7 February 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/2892
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