T.C.
DÜZCE ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
PEDOT:PSS KAPI ELEKTRODLU ALAN-ETKİLİ
TRANSİSTÖRLERDE KAPI YALITKANININ TRANSİSTÖR
PARAMETRELERİ ÜZERİNE ETKİLERİ
TAYFUN YARDIM
DOKTORA TEZİ
ELEKTRİK-ELEKTRONİK VE BİLGİSAYAR MÜHENDİSLİĞİ
ANABİLİM DALI
DANIŞMAN
PROF. DR. İBRAHİM YÜCEDAĞ
T.C.
DÜZCE ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
PEDOT:PSS KAPI ELEKTRODLU ALAN-ETKİLİ
TRANSİSTÖRLERDE KAPI YALITKANININ TRANSİSTÖR
PARAMETRELERİ ÜZERİNE ETKİLERİ
Tayfun YARDIM tarafından hazırlanan tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından Düzce Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Anabilim Dalı’nda DOKTORA TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Tez Danışmanı
Prof. Dr. İbrahim YÜCEDAĞ Düzce Üniversitesi
Jüri Üyeleri
Prof. Dr. İbrahim YÜCEDAĞ
Düzce Üniversitesi _____________________ Prof. Dr. Muharrem GÖKÇEN
Düzce Üniversitesi _____________________
Doç. Dr. Mert YILDIRIM
Düzce Üniversitesi _____________________
Prof. Dr. Şemsettin ALTINDAL
Gazi Üniversitesi _____________________
Doç. Dr. Sadullah ÖZTÜRK
Fatih Sultan Mehmet Vakıf Üniversitesi _____________________
BEYAN
Bu tez çalışmasının kendi çalışmam olduğunu, tezin planlanmasından yazımına kadar bütün aşamalarda etik dışı davranışımın olmadığını, bu tezdeki bütün bilgileri akademik ve etik kurallar içinde elde ettiğimi, bu tez çalışmasıyla elde edilmeyen bütün bilgi ve yorumlara kaynak gösterdiğimi ve bu kaynakları da kaynaklar listesine aldığımı, yine bu tezin çalışılması ve yazımı sırasında patent ve telif haklarını ihlal edici bir davranışımın olmadığını beyan ederim.
31 Aralık 2018
TEŞEKKÜR
Doktora öğrenimimde ve bu tezin hazırlanmasında gösterdiği her türlü destek ve yardımdan dolayı çok değerli hocam Prof. Dr. İbrahim YÜCEDAĞ’a en içten dileklerimle teşekkür ederim.
Tez çalışmam boyunca değerli katkılarını esirgemeyen değerli dostlarım Doç. Dr. Ahmet DEMİR ve Dr. Öğr. Üyesi Arif KÖSEMEN’e de şükranlarımı sunarım.
Bu çalışma boyunca yardımlarını ve desteklerini esirgemeyen sevgili aileme ve çalışma arkadaşlarıma sonsuz teşekkürlerimi sunarım.
Bu tez çalışması, Düzce Üniversitesi BAP-2017-07-02-621 numaralı Bilimsel Araştırma Projesiyle desteklenmiştir
31 Aralık 2018 Tayfun YARDIM
İÇİNDEKİLER
Sayfa No
ŞEKİL LİSTESİ ... vii
ÇİZELGE LİSTESİ ... x
KISALTMALAR ... xi
SİMGELER ... xiii
ÖZET ... xiv
ABSTRACT ... xv
EXTENDED ABSTRACT ... xvi
1.
GİRİŞ... 1
1.1.LİTERATÜRÖZETİ ... 1
1.2.TEZİNAMACIVEKAPSAMI ... 6
1.3.OFETTASARIMLARI ... 7
1.3.1. İnce Film Kapı Yalıtkanlı Tasarımlar... 7
1.3.2. İyonik Olmayan Jel Kapı Yalıtkanlı Tasarımlar ... 7
2.
ORGANİK ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖRLER ... 11
2.1.OFET’İNÇALIŞMAPRENSİBİ ... 11
2.2.ORGANİKYARIİLETKENFİZİĞİ ... 16
2.2.1. Yük Taşınım Modelleri ... 16
2.2.2. Konjuge Moleküllerde Yük ve Enerji Taşıyıcıları ... 17
2.3.OFETLERDEKULLANILANMATERYALLER ... 19
2.3.1. Organik Yarıiletken ... 19
2.3.2. Kapı Yalıtkanı ... 21
2.3.2.1. SiO2 ...21
2.3.2.2. İnorganik Yüksek-k Dielektrikler ...24
2.3.2.3. Polimer Dielektrikler ...24
2.3.2.4. Elektrolit Dielektrikler ...30
2.3.3. Kaynak ve Savak Elektrotları ... 34
2.3.3.1. İş Fonksiyonu Etkeni ...34
2.3.4. Kapı Elektrodu ... 37
3.
KAPI YALITKANININ OFET PARAMETRELERİNE
ETKİLERİ ... 39
3.1.MOBİLİTE ... 39 3.1.1. Alt Kapı ... 40 3.1.2. Üst Kapı... 41 3.2.EŞİKGERİLİMİ ... 46 3.2.1. Arayüzeyin Pürüzlülüğü ... 483.2.2. Yüzey Enerjisi... 48
3.2.3. Yüzey Dipolleri ... 49
3.2.4. Arayüzeydeki Enerjik Düzensizlikler ... 49
3.3.AKIMAÇMA/KAPAMAORANI... 50
3.4.EŞİKALTISALINIMI ... 53
3.5.ÇALIŞMAVOLTAJI ... 57
4.
DENEYSEL DETAYLAR ... 59
4.1.OTFT/OFETÜRETİMİ VE KARAKTERİZASYONU ... 59
4.1.1. Döndürerek Kaplama Yöntemi ... 59
4.1.2. Dielektrik Karakterizasyon ... 61
4.1.3. Elektriksel Karakterizasyon ... 62
4.2.MUHTELİFKAPIYALITKANLIOFET’LERİNÜRETİMİ ... 63
4.2.1. PEDOT:PSS Kapı Elektrotlu İnce-Film Kapı Yalıtkanlı OFETLER .... 63
4.2.1.1. Materyal ...63
4.2.1.2. Enstrümantasyon ...63
4.2.1.3. PMA’nın Sentezi ...63
4.2.1.4. OTFT’lerin Üretimi ...64
4.2.2. ITO Kapı Elektrotlu İyonik olmayan Jel Kapı Yalıtkanlı OFETLER ... 66
4.2.2.1. NIGI Çözeltilerinin Hazırlanması ...66
4.2.2.2. NIGOFET’lerin Üretimi ...66
4.2.3. PEDOT:PSS Kapı Elektrotlu İyonik Olmayan Jel Kapı Yalıtkanlı OFETLER ... 68
5.
BULGULAR VE TARTIŞMA ... 70
5.1.MUHTELİFKAPIYALITKANLIOFETLERDENELDEEDİLEN VERİLERVETARTIŞMA ... 70
5.1.1. PEDOT:PSS Kapı Elektrotlu İnce-Film Kapı Yalıtkanlı OFETLER .... 70
5.1.2. ITO Kapı Elektrotlu İyonik olmayan Jel Kapı Yalıtkanlı OFETLER ... 75
5.1.3. PEDOT:PSS Kapı Elektrotlu İyonik Olmayan Jel Kapı Yalıtkanlı OFETLER ... 79
5.2.TASARIMLARINPERFORMANSKARŞILAŞTIRMASI ... 85
6.
SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 90
7.
KAYNAKLAR ... 93
ŞEKİL LİSTESİ
Sayfa No
Şekil 1.1. Alan-etkili transistörün yapısı. ... 2
Şekil 1.2. Sony tarafından geliştirilmiş organik transistörler tarafından sürülen aktif-matrix katlanabilen OLED ekranı prototipi a) katlanırken b) katlandıktan sonra. ... 4
Şekil 1.3. 3381 adet plastik transistör içeren esnek altlık üzerine basılmış mikroişlemci. ... 4
Şekil 2.1. Alt kontak üst kapı konfigürasyonunda p-tipi bir OFET’in öngerilimlenmesi. ... 11
Şekil 2.2. OFET’in genel olarak a) çıkış karakteristiği b) transfer karakteristiği. ... 12
Şekil 2.3. Kanal taşıyıcı konsantrasyonları a) lineer rejimde b) pinç-of durumunda c) doyum rejiminde. ... 13
Şekil 2.4. a) OFET’in aktif kanalının uzunluğu L ve genişliği W ayrıca b) aktif kanalın kalınlığı t ve kapı yalıtkanının kalınlığı d’nin şematik gösterimi. .. 14
Şekil 2.5. OFET’lerde yük taşınımının şekilsel gösterimi. ... 16
Şekil 2.6. Poliasetilenin iki rezonans formu. ... 17
Şekil 2.7. Poliasetilende pozitif yüklü tek bir polaron. ... 18
Şekil 2.8. Üç organik yarıiletken a) polipirol b) politiyofen c) poli(3,4-etilendioksitiyofen) (PEDOT). ... 19
Şekil 2.9. Yaygın olarak kullanılan organik yarıiletkenlerin kimyasal yapısı. ... 21
Şekil 2.10. SiO2 ile yarıiletken arasındaki yük tuzakları oluşumunun şematik gösterimi. ... 22
Şekil 2.11. Alkil silan SAM’ın oluşumunun şematik gösterimi. ... 23
Şekil 2.12. Koruyucu dielektrik olarak polietilen ya da SiO2 üzerine çeşitli siloksan SAM’lar ile F8BT temelli n-kanal FET’lerin transfer karakteristikleri. ... 24
Şekil 2.13. Bazı polimer dielektriklerin kimyasal yapıları. ... 27
Şekil 2.14. CPB sentezlenmesinin şematik gösterimi... 28
Şekil 2.15. Öngerilimlenmiş durumda elektrolit kapılı bir OFET’in gösterimi. ... 31
Şekil 2.16. a) SiO2 (kesikli çizgi, üst eksen) ve katı polimer elektrolit PEO/LiClO4 (düz çizgi, alt eksen) dielektrik tabakalı OFET’lerin transfer karakteristiği karşılaştırması b) rubren tek kristal üzerine inşa edilmiş bir elektrolit kapılı OFET’in optik mikroskop görüntüsü c) bir polikristal ince film (kesikli çizgi, sağ eksen) ve tek kristal rubrenin (düz çizgi, sol eksen) ileri ve geri taramalı transfer karakteristikleri. ... 33
Şekil 2.17. Enerji seviyeleri ve dolu/boş durumların şematik gösterimi a) band-taşınımlı yarıiletken b) Metal c) Organik yarıiletken için. ... 35
Şekil 2.18. a) Birkaç metalin iş fonksiyonunun gösterimi b) vakum seviyesine göre en çok kullanılan iki yarıiletkenin eV cinsinden HOMO/LUMO seviyesi c) kontak dipolleri yüzünden meydana gelen enerji seviyesi değişimleri gösterimi. ... 36
Şekil 2.19. a) Polelektrolit kapılı bir OFET’in yapısının şematik gösterimi b) polielektrolit tabakadaki kanal yük ve iyon dağılımının gösterimi c) değişik kapı metalleri için çıkış karakteristiği. ... 37
Şekil 3.1. Alt kapı a) üst b) alt kontak konfigürasyonunlarının şematik gösterimi. .... 40 Şekil 3.2. a) Düzlem dışı b) düzlem içi saf veya SAM işlemli dielektrikler üzerine
hazırlanmış P3HT filmlerinden elde edilen "θ-2θ" mod GIXS paternleri. .. 41 Şekil 3.3. Üst kapı konfigürasyonunun şematik gösterimi. ... 42 Şekil 3.4. Değişik sıcaklıklarda tavlanan P3HT filmlerinden elde edilen (a)
Düzlem dışı (b) düzlem içi GIXS paternleri. ... 43 Şekil 3.5. a) 100 ºC, b) 150 ºC, c) 200 ºC d) 240 ºC’de tavlanmış P3HT filminin
AFM tapping mod kullanılarak elde edilen kanal yüzey faz görüntüsü. ... 44 Şekil 3.6. 240 ºC’de tavlanmış P3HT transistör cihazının şematik gösterimi. ... 45 Şekil 3.7. OFET’in VTH değerinin IDS1/2- VGS eğrisinden çıkarılması. ... 46
Şekil 3.8. AD’nin değişik oranlarında voltaja göre Al/PVA(crPVA)/Au üzerinden geçen sızıntı akımı (Grafikteki küçük resim, değişik AD:PVA
oranlarındaki sızıntı akımı, 1 V sabit voltajda ölçülerek elde edilmiştir). ... 51 Şekil 3.9. P3HT-PVA temelli OFET’in a) transfer b) çıkış karakteristiği; P3HT-
crPVA temelli OFET’in c) transfer d) çıkış karakteristiği. ... 52 Şekil 3.10. SiO2 kapı yalıtkanı üzerine yapılan iki değişik yüzey işlemi sonucunda
elde edilen OFET’in transfer karakteristiği. ... 53 Şekil 3.11. a) 250 nm (P(VDF-TrFE-CFE)) ile değişik kalınlıklarda PVC
tabakasıyla meydana gelen çift tabakalı ve sadece 270 nm PVC tabakalı kapı yalıtkanlı OFET’lerin transfer karakteristikleri b) bu değişik kapı dielektriği yapılarındaki OFET’ler için ölçülmüş CG ve transfer
karakteristiğinden çıkarılmış SS ve µsat değerleri c)
(P(VDF-TrFE-CFE)) tabakasının kendisinin ve değişik kalınlıklardaki PVC
tabakalarının 1 μm ×1 μm AFM görüntüleri d) 250 nm (P(VDF-TrFE-CFE)) ve 114 nm PVC dielektrik tabakalı OFET için kanal bölgesinin AFM (sağ) ve polarize olmuş optik mikroskop görüntüleri (sol). ... 56 Şekil 3.12. Optimize edilmiş dielektrik tabakalı OFET’lerin a) transfer
karakteristikleri b) çıkış karakteristikleri; iç resim 64 mV/dekad SS’e sahip en iyi transfer karakteristiği sonucunu göstermektedir. ... 57 Şekil 4.1. a) Çözeltinin altlık ya da herhangi bir film üzerine dökülmesi b)
döndürme işleminin merkezden başlatılması c) merkezkaç ivmesi vasıtasıyla topaklanmış parçacıkların merkezden uzaklaşması ve böylece homojen bir filmin elde edilmesi d) filmin içerisindeki
çözeltinin hıza bağlı olarak ısının artmasıyla buharlaşması aşamalarının şematik gösterimi. ... 60 Şekil 4.2. Üretimlerde kullanılan döndürerek kaplama cihazı. ... 60 Şekil 4.3. Frekansa ve DC voltaja göre kapasitans ölçümünün şematik gösterimi. .... 61 Şekil 4.4. Bir üst kapı OFET cihazının elektriksel karakterizasyonu için
öngerilimleme şeması. ... 62 Şekil 4.5. OFET cihazlarını elektriksel olarak karakterize etmek için kullanılan
I-V cihazı. ... 62 Şekil 4.6. a) PEDOT:PSS moleküler yapısı b) rr-P3HT’nin moleküler yapısı;
c) PMA’nın serbest radikal polimerizasyonunun reaksiyon şeması. ... 64 Şekil 4.7. a) Önceden şekillendirilmiş ITO’nun b) üretimi yapılan OTFT’lerin ve
c) PEDOT:PSS/kapı yalıtkanı/ITO yapısının şematik gösterimi. ... 66 Şekil 4.8. ITO-kapı yalıtkanı-yarıiletken-ITO (ITO-I-S-ITO) yapısının a) önden b)
alttan görünüşü; üretilen NIGOFET’in c) önden d) alttan görünüşü. ... 67 Şekil 4.9. NIGOFET üretiminin şematik gösterimi. ... 68 Şekil 5.1. PMA’nın a) SEC profili b) FT-IR spekturumu c) DSC spekturumu d)
Şekil 5.2. PMA kapı yalıtkanının CEFF değeri a) frekansa b) DC voltaja göre. ... 72
Şekil 5.3. a) PMA b) PMMA OTFT’lerinin çıkış karakteristikleri. ... 72 Şekil 5.4. PMA ve PMMA OTFT’sinin transfer karakteristiklerinin
karşılaştırılması ... 73 Şekil 5.5. a) PMA b) PMMA OTFT’lerinin VTH değerlerini tespit etmek için
çizilen IDS1/2 - VGS eğrileri. ... 74
Şekil 5.6. NIGI0, NIGI1 ve NIGI4’ün a) frekansa b) DC voltaja göre CEFF değeri. ... 75
Şekil 5.7. a) I-NIGOFET0 b) I-NIGOFET1 c) I-NIGOFET2’nin çıkış karakteristikleri; d) VGS = -1V’de çıkış karakteristiklerinin
karşılaştırılması. ... 76 Şekil 5.8. a) I-NIGOFET0 b) I-NIGOFET1 c) I-NIGOFET2’nin transfer
karakteristiği. ... 78 Şekil 5.9. I-NIGOFET0, I-NIGOFET1 ve I-NIGOFET2’nin transfer
karakteristiklerinin karşılaştırılması. ... 78 Şekil 5.10. a) P-NIGOFET1 b) P-NIGOFET0 c) P-NIGOFET3 d) P-
NIGOFET2’nin çıkış karakteristiği. ... 80 Şekil 5.11. NIGI0, NIGI2, NIGI3 ve NIGI4’ün frekansa göre CEFF değeri. ... 81
Şekil 5.12. P-NIGOFET0, P-NIGOFET1, P-NIGOFET2 ve P-NIGOFET3’ün a)
transfer b) IDS1/2 - VGS eğrileri. ... 82
Şekil 5.13. CEFF değerine karşı a) doyum mobilitesi b) VTH c) Ion/Ioff oranı d) SS’in
değişimi. ... 84 Şekil 5.14. CEFF değerine karşı sızıntı akımının değişimi. ... 85
Şekil 5.15. a) PMA OTFT b) I-NIGOFET0 c) P-NIGOFET0’ın çıkış karakteristiği. .. 86 Şekil 5.16. a) PMA-OTFT b) I-NIGOFET0 c) P-NIGOFET0’ın transfer
ÇİZELGE LİSTESİ
Sayfa No Çizelge 2.1. Organik yarıiletkenlerde bulunan birkaç enerji ve yük taşıyıcısı ve
bileşenleri. ... 18 Çizelge 2.2. Yaygın kullanılan polimer kapı dielektriklerinin karşılaştırması. ... 29 Çizelge 3.1. Değişik sıcaklıklarda tavlanan P3HT OFET için kanal
pürüzlülüğünün ve alan-etkili mobilitenin ortalama değerleri. ... 44 Çizelge 3.2. AD:PVA oranına bağlı olarak dielektriklerin efektif kapasitansları ve ε
değerleri. ... 51 Çizelge 4.1. Polimer kodlarına göre NIGI isimlerinin belirlenmesi. ... 69 Çizelge 4.2. NIGI kodlarına ve üretimde kullanılan kapı elektroduna göre
OFET’lerin isimlendirilmesi. ... 69 Çizelge 5.1. 24 saatte 80 ºC’de metil akrilatın serbest radikal polimerizasyonu. ... 70 Çizelge 5.2. PMA ve PMMA OTFT’lerinin ana elektronik parametrelerinin
karşılaştırılması. ... 74 Çizelge 5.3. Üretilen NIGOFET’lerin ana elektronik parametreleri. ... 79 Çizelge 5.4. VDS = -0.2V’de NIGOFET’lerin ana elektronik parametrelerinin
karşılaştırılması. ... 83 Çizelge 5.5. PMA-OTFT, I-NIGOFET0 ve P-NIGOFET0 transistörlerinin ana
KISALTMALAR
AD Amonyum dikromat
AFM Atomik kuvvet mikroskobu
AIBN 2,2-azobisisobüturonitril
BCB Benzosayklobütan
CPB Çapraz bağlantılı polimer karışımları
DMSO Dimetil Sülfoksit
DOS Durum yoğunluğu
DSC Diferansiyel taramalı kalorimetri
DTA Diferansiyel termal analiz
DTS Desiltriklorosilan
EBL Elektron ışın litografisi
EDL Çiftli elektrik tabaka
FET Alan-etkili transistör
FTIR-ATR Fourier dönüşüm infared spektroskoposi-zayıflamalı toplam yansıma
GIXS Yatay geliş X-ray saçılma
HMDS Heksametildisilazan
HOMO En yüksek işgal edilmiş moleküler orbital
IGI İyonik jel yalıtkan
ITO İndiyum kalay oksit
LUMO En düşük işgal edilmemiş moleküler orbital
MA Metil akrilat
MOSFET Metal-oksit-yarıiletken alan etkili transistör
MTR Çoklu tuzaklama ve serbest bırakma
MW Moleküler ağırlık
NIGI İyonik olmayan jel yalıtkan
OFET Organik alan-etkili transistör
OH- Hidroksil
OTFT Organik ince-film transistörler
OTS Oktadesiltriklorosilan
P(VDF-TrFE-CFE) Poli(viniliden floridetrifloroetilen-klorofloroetilen)
PC Propilen karbonat
PE Polietilen
PEDOT:PSS Poli(3,4-etilendioksitiyofen) polistren sülfonat
PEN Polietilennaftalin PI Polimit PMA Poli(metil-akrilat) PMMA Poli(metil-metakıralat) PS Polistren PTAA Politriarilamin
PVA Polivinil alkol
PVP Poli(4-vinilfenol)
RI Refraktif indeks
rr-P3HT Bölgesel düzenli poli(3-hegziltiyofen-2,5-dil)
SAM Öz-düzenli molekül
SEC Boyut-dışlamalı kromotografi
SiO2 Silisyum dioksit
SS Eşikaltı salınımı
SYO Soya yağı oranı
TCB Triklorobenzen
TGA Termogravimetrik analizör
THF Tetrahidrofuran
TIPS Triizopropilsililetinil
VRH Değişken aralıklı zıplama
SİMGELER
A Alan
C Elektriksel kapasitans
CEFF Kapı yalıtkanının efektif kapasitansı
CG Efektif kapasitans
Cins Kapı yalıtkanının kapasitansı
e Temel yük G Elektriksel iletkenlik gd Konduktans gm Transkonduktans IDS Savak-kaynak akımı IOFF Kapalı-akımı ION Açık akımı
ION/IOFF Akım açma-kapama oranı
IS Sızıntı akımı
k Bağıl dielektrik sabiti
L Uzunluk
nind,ort Ortalama indüklenen taşıyıcı konsantrasyonu
Ntotal Birim alan ve enerji başına tuzak yoğunluğu
n(x) Kanal boyunca elektron yoğunluğu
p Dipol momenti q Elektriksel yük Q Elektriksel yük R Elektriksel direnç t Kalınlık Td Ayrışma sıcaklığı
Tg Camsı geçiş sıcaklığı
Vbr Kırılma gerilimi
VDS Savak-kaynak gerilimi
VFB Düz band voltajı
VGS Kapı-savak gerilimi
VTH Eşik gerilimi
V(x) Kanal boyunca kaynakdan savağa potansiyel
W Genişlik
x Uzaklık
ε0 Boşluğun dielektrik sabiti
εr Bağıl dielektrik sabiti
μ Yük taşıyıcı alan-etkili mobilitesi
μlin Lineer bölgede alan etkili mobilite mobilitesi
μsat Doyum rejiminde alan-etkili mobilite
Ω Ohm
π Pi bağı
ÖZET
PEDOT:PSS KAPI ELEKTRODLU ALAN-ETKİLİ TRANSİSTÖRLERDE KAPI YALITKANININ TRANSİSTÖR PARAMETRELERİ ÜZERİNE
ETKİLERİ
Tayfun YARDIM Düzce Üniversitesi
Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Anabilim Dalı Doktora Tezi
Danışman: Prof. Dr. İbrahim YÜCEDAĞ Aralık 2018, 105 sayfa
Organik alan-etkili transistörler (OFET’ler) esnek yapıları ve düşük üretim maliyetleri nedeniyle bir elektronik bileşen olarak elektronik devrelerde kullanılmak üzere son dönemde yoğun olarak çalışılmaktadır. OFET’lerde organik yarıiletkenin yanında kapı yalıtkanı da yarıiletken-dielektrik arayüzeyindeki yük taşınımını etkileyen bir etmen olması dolayısıyla çok önemli bir bileşendir. Uygun kapı yalıtkanlarının OFET’e eklenmesiyle transistörlerin performansı ciddi oranlarda yükselebilmektedir. Bu bağlamda, OFET’lerin elektronik parametre değerlerini iyileştirmek için üniversitemiz kimyacıları tarafından sentezlenen ve literatürde çok kullanılan poli(metil-metakıralat) (PMMA)’ya göre mekanik olarak esneklik avantajına sahip organik polimer poli(metil-akrilat) (PMA) ince-film halinde ve polimerin jel haline getirilmesi vasıtasıyla jel halinde üretilen transistörlerde kapı yalıtkanı olarak kullanılmıştır. Ayrıca PMA polimerinin orjinal olarak sentezlenen dört adet kopolimeri de (P18, P28, P29 ve P30) polimerizasyon sürecinde metil akrilata (MA) belli oranlarda soya yağı eklenmesiyle elde edilmişdir. İnce-film halinde kaplanan PMA, PMMA’ya göre daha yüksek mobilite ve daha düşük eşik gerilimi (VTH) gibi bir özellik sergilese de akım açma-kapama oranı (ION⁄IOFF) ve
eşikaltı salınımı (SS) gibi parametrelerde, yüksek kapı sızıntı akımından (IOFF) dolayı
düşük performans göstermiştir. IOFF değerini ve transistörün çalışma voltajını düşürmek
adına PMA ve yukarıda bahsedilen kopolimerleri jel haline getirilmiş ve OFET’lerde kapı yalıtkanı olarak kullanılmıştır. Sonuç olarak bu şekilde üretilen transistörlerle hem çalışma voltajlarının düşürülebildiği hem de kopolimerlerdeki polimerleşme sürecinde soya yağı MA oranının arttırılmasıyla jel dielektriklerin bağıl dielektrik katsayılarının düşürülebildiği ve bu sayede OFET’in en önemli parametrelerinden biri olan mobilitenin yükseltilebildiği görülmüştür. Dahası, kapı yalıtkanlarının jel haline getirilip kullanılmasıyla IOFF akımının da azaltılabileceği ispatlanmıştır. Bunların yanında şunu da belirtmek gerekir ki; poli(3,4-etilendioksitiyofen) polistren sülfonat (PEDOT:PSS) organik iletken formulasyonunun kapı elektrodu olarak tasarımlarda kullanılmasıyla cihazların performansının dahada yükselebildiği tespit edilmiştir. Son olarak, yukarıda bahsedilen kapı yalıtkanları ve teknikleri kullanılarak basit ve ucuz yöntemlerle üretilen OFET’lerin elektronik osilatör ve evirici gibi elektronik devrelerinde devre elemanı olarak kullanılma potansiyelinin olduğu söylenebilir.
ABSTRACT
THE EFFECTS OF GATE INSULATOR ON TRANSISTOR PARAMETERS OF ORGANIC FIELD-EFFECT TRANSISTORS WITH PEDOT:PSS GATE
ELECTRODE
Tayfun YARDIM Düzce University
Graduate School of Natural and Applied Sciences, Department of Electric-Electronic and Computer Engineering
Doctoral Thesis
Supervisor: Prof. Dr. İbrahim YÜCEDAĞ December 2018, 105 pages
Organic field-effect transistors (OFETs), recently have been studied intensively for their usage as an electronic component in electronic circuits because of their flexibility and low production costs. In OFETs, besides the organic semiconductor, gate insulators are also important components since they have a high impact on the charge transport in the semiconductor-dielectric interface. Performance of the transistors can be improved significantly via adding compatible gate insulators in OFETs. In this regard, in order to enhance the parameter values of the OFETs, poly(methyl-acrylate (PMA) which was synthesized by chemist of our university and more flexible compared to the heavily used poly(methyl-metacrylate) (PMMA) in the literature was used as gate insulators in OFETs both as thin-film and gel states. Copolymers of the PMA (P18, P28, P29, and P30) were originally synthesized and obtained by adding particular amount of soybean oil to the methyl acrylate (MA) in the polymerization process. Even though coated thin-film PMA was proven to have a higher mobility and lower threshold voltage (VTH) compared to the
coated PMMA thin-film, on-to-off current ratio (ION⁄IOFF) and subthreshold swing (SS) parameters were exhibited a lower performance since the higher gate leakage current (IOFF). Therefore, PMA and above-mentioned copolymers of the PMA were transformed
into the gel state and used as gate insulators in order to decrease the IOFF and operating
voltage of the devices. Consequently, it was demonstrated that operating voltage of the devices can be decreased in this way. Furthermore, relative dielectric constant of the gel dielectric can also be decreased by increasing the soybean oil to MA weight ratio in the polimerization process and it was proven that this led the enhancement of mobility. Moreover, it was shown that transforming the gate insulators into gel state lowers the value of IOFF. Besides all of that, it was shown that using the poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) formulation as a gate electrode in designs enhanced the performance of the devices further. Finally, it can be said that by using above mentioned gate insulators and simple techniques, OFETs can be fabricated with a low budget and then they can be potentially used in electronic oscillator and inverter circuits.
EXTENDED ABSTRACT
THE EFFECTS OF GATE INSULATOR ON TRANSISTOR PARAMETERS OF ORGANIC FIELD-EFFECT TRANSISTORS WITH PEDOT:PSS GATE
ELECTRODE
Tayfun YARDIM Düzce University
Graduate School of Natural and Applied Sciences, Department of Electric-Electronic and Computer Engineering
Doctoral Thesis
Supervisor: Prof. Dr. İbrahim YÜCEDAĞ December 2018, 105 pages
1. INTRODUCTION
It is apparent that in order to fabricate high-quality organic field-effect transistors (OFETs), aside from a proper organic semiconductor, using an efficient gate dielectric is an extremely important factor when the aim is parameter enhancement. The aim in this thesis is to investigate the effect of the gate dielectric on the performance of the fabricated OFETs. When this effect was investigated parameter enhancement studies also were performed. First, thin-film poly(methyl-acrylate (PMA) and poly(methyl-metacrylate) (PMMA) gate insulators were used in the fabricated OFETs to discuss the effects of these insulators on the device parameters. Then, the gel gate insulators were used in the designs in order to lower the operating voltage and gate leakage current (IOFF), also enhance the other parameters of the OFETs such as mobility, threshold voltage (VTH), on-to-off current ratio (ION⁄IOFF) and subthreshold swing (SS). Moreover,
poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) gate electrode was used in one design with gel dielectric and compared with the other design which contained indium tin oxide (ITO) gate electrode and gel gate insulator.
2. ORGANIC FIELD EFFECT TRANSISTORS
Field-effect transistors (FETs) are a kind of transistors that work as an electronic switch generally switching by the gate-to-source voltage. If a particular voltage is applied to the gate-to-source electrode, charge carriers can be induced in the active semiconductor channel and if a particular voltage is applied to the drain-to-source electrode induced
charge carriers can move in the channel from the source to drain electrode. Therefore, an electric current appears in order to switch on the transistor. If the semiconductor is made by an organic material, the transistor is called as OFET. Charge transport mechanism in an active organic semiconductor channel can be modelled generally by variable range hopping (VRH) model. Charge transport can be realized by pi-conjugated molecules in the molecular structure of the organic semiconductor. OFET contains five parts namely organic semiconductor, gate insulator, gate, source, and drain electrodes.
3. EFFECT OF GATE INSULATOR ON THE PARAMETERS OF THE OFET
Selection of gate insulator is important because the amount of charge carriers induced between semiconductor-dielectric interface and the charge carrier traps which can reduce the charge transport in the channel depend partly on the properties of the gate insulator. In this respect, relative dielectric constant (εr), thickness and surface roughness of the gate
insulator must be considered in order to optimize the design. Gate insulator affects almost every parameter of OFETs. Such as mobility, VTH, ION⁄IOFF and SS. For example, when
the εr of the gate insulator increases, even though VTH and operating voltage decreases mobility also decreases in solution-processed polymers because of the broadening density of states caused by a dipolar disorder between the semiconductor-dielectric interface. On the other hand, electrical insulation abilites, and having a higher breakdown voltage are significant properties for gate insulators in order to obtain lower IOFF. Furthermore, the
absence of hydroxyl groups and a very high water-repellence are preferable interface properties, particularly due to the possibility of electron trapping at the interface by hydroxyl groups.
4. EXPERIMENTAL DETAILS
Three different experiments were carried out. Among these experiments, first one was about thin-film organic thin film transistor (OTFT). PMA polymer was used as a gate insulator and it was compared with the PMMA which was used intensively in the literature. Second one was about transforming the PMA and copolymers of the PMA (P18 and P28) into a gel state and using those gels as gate insulators in OFETs. Third and the last one was about transforming the PMA and copolymers of the PMA (this time P28, P29, and P30) into a gel state and using them as gate insulators in OFETs. The difference between second and third experiment was the gate electrode. Namely, ITO was used as a gate electrode in the second experiment while PEDOT:PSS formulation was used as a
gate electrode in the third experiment.
5. FINDINGS AND DISCUSSION
In the first experiment it was proven that although mobility was enhanced and VTH was decreased, the other parameters such as ION⁄IOFF ratio and SS were worsened because of the high IOFF. In the second experiment, gel dielectrics were used in OFETs as gate
dielectrics to achieve the work with low voltages thanks to the quite higher εr of the gel dielectric at low frequencies compared to the thin-film dielectric. In third experiment, not only low operating voltage was obtained from the designs but also it was noticed that, εr of the gel dielectrics can be decreased and correspondingly mobility can be increased by reducing the soybean oil to MA weight ratio in the polymerization process. Furthermore, IOFF can be reduced and the other parameters such as ION⁄IOFF ratio and SS can be
optimized. Meanwhile, using PEDOT:PSS formulation as a gate electrode instead of ITO in the third design provided OFETs to work with even higher mobility and ION⁄IOFF ratio as well as lower SS.
6. CONCLUSION AND SUGGESTIONS
Consequently it can be said that by using the simple techniques and originally synthesized organic polymers, low budget and high-performance OFETs can be fabricated. These kind of OFETs can be manipulated in various kinds of electronic circuits from electronic inverter to oscillator.
1. GİRİŞ
1.1. LİTERATÜR ÖZETİ
Elektronik endüstrisi, 1947 yılında transistörle tanışması ile yeni bir aşamaya evrilmiş artık vakum tüplerini ısıtmak için harcanan enerji ve bekleme süresine tahammül etmek tarihe karışmıştı. Ayrıca bu yeni cihazın düşük güç tüketimi ve sağlamlık gibi avantajlarıda bulunmaktaydı [1].
Bilindiği üzere transistör elektronik devrelerde kullanılan aktif bir devre elemanıdır. Transistörler genelde elektronik devrelerinde gerilim/akım sinyal yükselteci ya da elektronik anahtar olarak kullanılmaktadır. Elektronik anahtar olarak kullanıldığında transistör, basit lojik kapılardan mikroişlemcilere kadar birçok dijital elektronik devrenin yapıtaşı olma görevini icra etmektedir. Öyleki, mesela bir mikroişlemci, yapıtaşı olan milyarlarca transistörden oluşmaktadır.
Transistörün icat edildiği tarihten bu yana birçok türü geliştirilmesine rağmen günümüzde en çok kullanılanı özellikle lojik devrelerde alan-etkili transistördür (FET). FET’in temel prensibi ilk olarak 1925 yılında Julius Edgar Lilienfeld tarafından ortaya atılmıştır [2]. Genelde FET’ler, kapı ile kaynak elektrotları arasındaki gerilime bağlı olarak kaynak ile savak elektrotları arasındaki yarıiletken aktif kanalın içinden geçen elektrik akımını kontrol eden böylece bağlı olduğu elektronik devreyi açıp kapatmaya yarayan cihazlar olarak tanımlanabilir. Şekil 1.1’de üst kapı konfigürasyonunda bir FET’in geometrik yapısı görülmektedir. Bu tip transistörler arasında şimdiki zamana kadar elektronik endüstrisinde yoğunlukla kullanılan metal-oksit-yarıiletken alan etkili transistör (MOSFET), 1959 yılında Dawon Kahng ve Martin M. John Atalla tarafından keşfedilip patenti alınmıştır [3]. Bu transistörlerde genelde kapı yalıtkanı silisyum dioksit (SiO2),
yarıiletken ise n-tipi ya da p-tipi katkılanmış silisyumdur. Keşfedildiğinden bu yana MOSFET’ler sayısız uygulamada karşımıza çıkmaktadır. Bu uygulamalar arasında metal-oksit-yarıiletken (MOS) tümleşik devreler, tümleyici metal-metal-oksit-yarıiletken (CMOS) devreler, mikroişlemciler, hafıza aygıtları, analog elektronik anahtarlar, anahtar modu güç kaynakları, osilatörler ve daha birçok uygulama bulunmaktadır.
Şekil 1.1. Alan-etkili transistörün yapısı.
MOSFET’lerde en kritik bileşen olan yarıiletken, genelde inorganik silisyumun katkı atomlarıyla katkılanmasından elde edilmektedir. Yarıiletken, istenen iletkenlik seviyesine bağlı olarak katkılanmış p-tipi yada n-tipi olabilmektedir. Kapı yalıtkanı olarak ise son dönemde SiO2 yerine yüksek bağıl dielektrik sabitine sahip (yüksek-k) daha ince
tabakalar tercih edilmektedir. MOSFET’lerin yukarıda bahsedilen çok çeşitli uygulamalarda başarıyla kullanılmalarına rağmen bazı dezavantajları da mevcuttur. Bunlardan en önemlileri, inorganik silisyumların kovalent bağlarla bağlı olmasından dolayı bağlarının kırılması için üretimde yüksek enerji gereksinimi olması ve bu kristal yapıların mekanik olarak esneklikten yoksun rijid yapılardan meydana gelmeleridir [4]. Bu yüzden inorganik silisyumla üretilen transistörler üretim maliyeti açısından dezavantajlı hale gelmektedir. Ayrıca son kullanıcılarda istenenebilmesi muhtemel mekanik olarak esneklik özelliği inorganik silisyum transistörler için mümkün olmaktan uzakdır.
Organik alan-etkili transistörler (OFET’ler) tam da bu noktada önemli hale gelmektedir. Çünkü bu çeşit transistörler organik yarıiletken malzemelerden üretildiğinden moleküler boyutta Van der Waals bağlarının etkisindedirler. Bu da bağlarının rahatlıkla çözülebilmesi sayesinde transistör üretiminin kolaylaşması anlamına gelmektedir. Ayrıca organik malzemeler inorganik silisyumdan daha esnek bir şekilde üretilebildiklerinden elde edilen cihazlar daha esnek olacak bu da bu cihazların esneklik gerektiren elektronik uygulamalarda kullanılabilmelerine imkan sağlayacaktır. Organik bir yarıiletken ile üretilen ilk MOS kapasitör 1982 yılında Ebisawa, Kurokawa ve Nara tarafından tanıtılmıştır. Poliasetileni yarıiletken, polisiloksanı kapı yalıtkanı olarak kullanan bu cihazda kapı elektrodu için alüminyum, kaynak ve savak elektrotları içinse altın seçilmişti. Fakat bu cihaz yeterli akım üretemiyordu. Sonrasında organik elektronik için önemli bir köşetaşı olan, kabul edilebilir düzeyde mobiliteye sahip ilk OFET üretimi 1986
yılında Tsumura, Koezuka, ve Ando tarafından gerçekleştirildi [5]. Bu transistörde yarıiletken olarak polimerleştirilmiş politiyofen kullanılmıştı. Bu, kimyasal olarak çözülebilir bir malzeme değildi. Sonrasında politiyofenin çözülebilir bir versiyonuyla cihazlar üretildiğinde bu literatürde büyük bir heyecan yarattı [6], [7]. Çünkü artık baskıya uygun yarıiletken sistemlerle normal kağıt üretiminin maliyetine yakın maliyetlerde OFET’ler üretilebilecekti. Böylece çözülebilir ve bir altlık üzerine yayılabilir polimerler ve küçük moleküllü sistemler, kaplama ve kalıplama teknolojilerine uygun bir biçimde geliştirilmeye başlandı. Yalıtkanlar ve elektrotlar için ise özel malzemeler aynı zamanda geliştirildi ve geliştirilmeye hala devam edilmektedir.
Malzemelerdeki bu gelişmelere paralel olarak fabrikasyon ve karakterizasyon tekniklerinde de gelişmeler sağlanmıştı. Öyle ki; daha iyi işleme teknikleri, üretilen cihazlarda performansı arttırmış kaplama maliyetlerini ve süresini daha da azaltmıştı. Daha iyi karakterizasyon ise cihazın çalışmasının ve performansının daha iyi analiz edilmesini sağlamış böylece OFET üretiminde kullanılan malzemeler ve tekniklerinde bu analizlere göre modifiye edilmesine imkan vermişti.
OFET’ler şu anda bir dönüm noktasındadır. Performans ve maliyet açısından bakıldığında amorf silisyumla üretilen transistörlere oranla bazı konularda daha üstün olabilmelerine rağmen bu cihazlar endüstriyel alanda yeterli olarak benimsenmemişlerdir. Bu yüzden OFET araştırmaları yapan toplulukların bir amacı da bu cihazları çok çarpıcı uygulamalarda kullanıp endüstrinin daha çok dikkatini çekebilmektir. Şu ana kadar bu amaca yönelik çalışmalarda bu cihazlardan düz-panel ekranlar, entegre devreler, radyo frekans tanımlama etiketleri, sensör ve hafıza uygulamalarında halihazırda yararlanılmıştır [8]–[12]. Bu uygulamalardan en çarpıcı olanlar esnek ekranlar ve entegre devrelerdir. Bu uygulamalardan elde edilen tasarımlar arasında bulunan ve organik ince-film transistörler (OTFT’ler) tarafından sürülen bir organik ışık yayan diyod (OLED) ekran prototipi sırasıyla katlanırken ve katlandıktan sonra [13] Şekil 1.2 a ve b’de gösterilmişken, Şekil 1.3’de esnek altlık üzerine basılmış yapraksı yapıda mikroişlemciler gösterilmiştir. Buradaki herbir mikroişlemci 2x1,7 cm2
boyutlarında olup 3381 adet plastik transistör içermektedir [14].
Performans ve maliyet açısından OFET’ler çok ileri noktalara gelip birçok uygulamalarda kullanılmalarına rağmen halen bu cihazlarda üretim teknikleri ve kullanılan organik yarıiletken, yalıtkan ve iletken malzemelerin iyileştirilmesi açısından çalışmalar optimum tasarımları yakalamak adına devam etmektedir. Bu açıdan bakıldığında OFET’in en
önemli bileşenlerinden bir tanesi olan kapı yalıtkanı için de en iyi yalıtkanı sentezleme ya da üretme ve bu kapı yalıtkanı ile üretilen cihazların elektronik parametrelerini iyileştirme çalışmaları devam etmektedir.
a) b)
Şekil 1.2. Sony tarafından geliştirilmiş organik transistörler tarafından sürülen aktif-matrix katlanabilen OLED ekranı prototipi a) katlanırken b) katlandıktan sonra [13].
Şekil 1.3. 3381 adet plastik transistör içeren esnek altlık üzerine basılmış mikroişlemci [14].
Kapı yalıtkanlarının OFET cihazındaki işlevi, kapı ile kaynak elektrodu arasına elektrik alan uygulanması vasıtasıyla aktif organik yarıiletken kanal içerisinde yük taşıyıcıları meydana getirip transistörün açık ya da kapalı hale getirilmesini sağlamaktır. Kapı yalıtkanının olmaması bir başka deyişle onun yerine boşluk gelmesi durumunda yarıiletkende indüklenen yük Denklem (1.1)’de verilmiştir [15].
Q= CV=(ε0A t⁄ ) (1.1)
arayüzeyin kapasitansı, ε0, arayüzeyin yani boşluğun dieletrik sabiti, A, arayüzeyin alanı, t ise arayüzeyin kalınlığıdır. Arayüzeyde boşluk yerine örneğin bağıl dielektrik sabiti (εr)
3.9 olan SiO2 tabakası getirilirse aynı gerilimle 3.9 kat daha fazla yük taşıyıcısı
yarıiletkende indüklenecektir ki bu da kanaldan geçen yük taşıyıcısı verimi açısından olumlu bir durumdur. Bu yüzden kapı yalıtkanlarından genelde FET’lerde özelde ise OFET’lerde yararlanılmaktadır.
OFET’lerde kapı yalıtkanı seçiminde en kritik faktörler, kapı yalıtkanı-kapı elektrodu ve kapı yalıtkanı-yarıiletken arasındaki arayüzey kontrolü, kapı yalıtkanının εr değeri ve
kırılma gerilimi (Vbr), yalıtkandan geçen sızıntı akımı (IS), işlenebilirlik, stabilite ve
güvenirliktir. Kapı yalıtkanı-kapı elektrodu arayüzeyinin cihaz performansını artırması açısından önemli olan noktası, kapı elektrodu kontak rezistansının mümkün olduğunca düşük olmasıdır. Diğer taraftan kapı yalıtkanı-yarıiletken arayüzeyi OFET’lerde çok daha büyük öneme sahiptir. Çünkü yük taşıyıcıları kaynakdan savağa doğru yarıiletken aktif kanal üzerinden ilerlerken aynı zamanda bu arayüzeyden de geçmektedir. Eğer bu arayüzey uygun bir şekilde dizayn edilmeyip yük taşınması açısından elverişli koşullar mevcut değilse arayüzeyde yük tuzakları meydana gelecek ve cihaz performansında büyük düşmeler olacaktır. Kapı yalıtkanı perspektifinden bakıldığında arayüzeyin uygun bir şekilde inşa edilmesi için kapı yalıtkanının yüksek kimyasal stabilite, su geçirmezlik ve kimyasal yapısında hidroksil (OH-) grupları barındırmama özelliklerine sahip olması
gerekmektedir [16]. Bu koşulların sağlanması, arayüzeyde düşük tuzak yoğunluğu ve yüksek operasyonel stabilite elde etmek, sonunda da mobilite ve cihazın diğer önemli parametrelerini geliştirmek açısından son derece önemlidir.
Kapı yalıtkanı seçiminde yüksek performans kriterlerinden biri de kapı yalıtkanının εr
değeridir. Yüksek εr değerine sahip bir kapı yalıtkanı kullanmak yarıiletken aktif kanal
içinde daha fazla yük taşıyıcısı birikimi meydana getirecek böylece daha ince yalıtkanlar daha düşük çalışma ve eşik gerilimiyle (VTH) cihazı çalıştıracaklardır. Diğer taraftan düşük εr değerine sahip kapı yalıtkanlarıyla yapılan bazı çalışmalarda yarıiletken-yalıtkan
arayüzeyindeki dipolar düzensizliklerin azaltılıp cihazın mobilitesinin artırıldığı gözlemlenmiştir [17]. Bu yüzden kapı yalıtkanının εr değeriyle cihazın performansı
arasında direkt bir ilişki kurmak imkânsızdır.
Kapı yalıtkanı seçiminde diğer önemli bir parametre ise kapı yalıtkanı tabakasının Vbr değeridir. Bu gerilim, belli bir kalınlıkta kapı yalıtkanının hangi voltajlarda delinip akım sızdıracağının ölçüsüdür. Vbr değerinin OFET’lerde yüksek olması istenir. Böylece düşük
kalınlıkta daha dayanıklı kapı yalıtkanları kullanılıp cihazın çalışma voltajı ve VTH değeri düşürülmüş olacaktır. Kapı yalıtkanları için düşük olması gereken diğer bir parametre ise IS değeridir ve bu değer kapı-kaynak arasına uygulanan gerilim sebebiyle kapı-kaynak ve
kapı-savak arasında akan istenmeyen akım olarak tanımlanabilir. Bu akımın düşük olmasının tercih edilmesinin sebebi, yüksek IS’nin kapalı-akımını (IOFF) arttırarak
transistörün en önemli parametrelerinden biri olan akım açma-kapama oranını (ION⁄IOFF) düşürmesi ve bunun da transistörün güç tüketimini yükseltmesidir [18], [19].
İşlenebilirlik kapı yalıtkanında olması istenen diğer bir özelliktir ve yalıtkanın ince-film üretimine uygunluğunun ölçüsünü ifade etmektedir. Stabilite ve güvenirlik ise OFET’in çalışması sırasında kapı-kaynak elektrotlarına uygulanan gerilimin zaman içinde cihazın mobilite ve VTH parametrelerinde bir kayma yaratıp yaratmayacağıyla ilgilidir. Ayrıca cihazda ileri öngerilimlemeden sonra aynı gerilimlerde geri öngerilimleme yapıldığında bir histeresis durumu ile karşılaşılıyorsa da stabilite sorunundan bahsedilebilir. Kapı yalıtkanının bu açılardan çok önemli olduğu bilinmektedir ve seçimi de cihazlarda histeresis meydana getirmeyecek, öngerilimleme uygulandığında cihazın istikrarlı çalışmasını sağlayacak biçimde olmalıdır. Bunların yanında kapı yalıtkanının içinden akması muhtemel yüksek IS de aynı zamanda OFET’in çalışmasını bozabileceğinden
arayüzde stabilite ve güvenilirlik açısından bazı problemlere neden olabilmektedir [20].
1.2. TEZİN AMACI VE KAPSAMI
Bu tezde tarafımızca sentezlenen poli(metil-akrilat) PMA polimeri ve bu polimerin orjinal olarak sentezlenen kopolimerleri gerek ince-film gerekse iyonik olmayan jel haline getirilerek kapı yalıtkanı olarak OFET üretiminde kullanılmış aynı zamanda bu kapı yalıtkanlarıyla elde edilen OFET’lerin parametre performanslarının iyileştirilmesi için üretim yöntemlerinde değişiklikler yapılarak optimum tasarımlara ulaşılmaya çalışılmıştır. Tasarım ve optimizasyon çalışmaları yapılırken kapı yalıtkanının OFET cihazındaki işlevi ve mekanizması derinlemesine araştırılmıştır. Böylelikle maliyeti düşük, basit yöntemlerle elde edilebilen yüksek performanslı OFET’lerin üretimi sağlanıp çalışma performansları artırılarak literatüre katkıda bulunulmaya çalışılmıştır.
1.3. OFET TASARIMLARI
1.3.1. İnce Film Kapı Yalıtkanlı Tasarımlar
OFET tasarımlarında kullanılan kapı yalıtkanları genellikle yüksek εr değerine sahip
inorganik dielektrikler, polimerler ve öz-düzenli moleküllerden (SAM) seçilmektedir. Bunların arasında polimerler, çözücülerle işlenme yeteneğine sahip olduğundan ve hava ortamında oda sıcaklığında döndürerek kaplama gibi basit yöntemlerle üretilebildiklerinden son derece ilgi çekmektedir. Ayrıca değişik kimyasal ve fiziksel özelliklerde polimerlere günümüzde rahatlıkla ulaşılabilinmekte ve bu materyallerin karakteristikleri de öncü monomer madde ve polimerizasyon koşullarının tasarlanmasıyla istenen şekillerde ayarlanabilmektedir [21]. OFET tasarımlarında benzosayklobütan (BCB) [22], [23], mika [24], polimit (PI) [25]–[27], polivinil alkol (PVA) [28]–[31], poli(4-vinilfenol) (PVP) [32]–[35] ve poli(metil-metakıralat) (PMMA) [36], [37] polimerleri ve bu polimerlerin kopolimerleri literatürde kapı yalıtkanı olarak sıklıkla kullanılmaktadır. PMMA özellikle organik transistör uygulamalarında literatürde yoğun bir şekilde kullanılmaktadır. Diğer taraftan PMA polimerinin OFET’lerde kapı yalıtkanı olarak kullanımına literatürde rastlanmamıştır. PMA kimyasal yapısında bir alfa metil grubu içerip esnek polimerizasyon yaparken, PMMA yapısında iki metil grubu içerip sert polimerizasyon yapmaktadır. Dielektrik özelliklere bakıldığında bu iki polimerin de εr
değerleri birbirine yakındır. Diğer taraftan PMA polimeri mekanik olarak daha esnek olduğundan eğer bu polimerle üretilen transistörlerin performansında iyileştirmeler yapılabilirse literatürde daha sık kullanılmasına bir kapı aralanabilir. İnce film haline getirilen tüm tasarımlarda bünyesinde yüksek iletkenlik ve iyi nemlendirme özelliklerini barındıran poli(3,4-etilendioksitiyofen) polistren sülfonat (PEDOT:PSS) formulasyonu kapı elektrodu olarak kullanılmıştır [38]. İnce film tasarımlarında PMA polimeriyle üretilen transistörlerin parametreleri PMMA ile üretilenlerle karşılaştırılıp gelecekte PMA’nın kapı yalıtkanı olarak OFET’lerdeki olası kullanılabilirliği tartışılmıştır.
1.3.2. İyonik Olmayan Jel Kapı Yalıtkanlı Tasarımlar
Elektronik endüstrisinde düşük voltajlarda çalışıp düşük güç tüketimine sahip cihazlara olan ihtiyaç gitgide artmaktadır. Bu durum OFET cihazları için de geçerlidir. OTFT’lerde şu an mevcutta bulunan cihazlar için çalışma voltajı genelde 20 V’yi aşmaktadır. Bunun sebebi kapı yalıtkanıyla yarıiletken yüzeyi arasındaki yetersiz kapasitif eşleşme ve genelde yalıtkan polimerler, nitridler ve inorganik oksitlerden oluşan kalın yalıtkan
tabakalarıdır. Bu çeşit tabakalar IS akımının minimize edilmesi için genelde 100 nm’nin üzerinde tasarlanırlar [39]. Yetersiz kapasitif eşleşme problemi kapı yalıtkanının kapasitansının arttırılmasıyla ortadan kaldırılabilir. Bu kapsamda, kapasiteyi yükseltmek için literatürde birçok yöntem bulunmaktadır. Bunlar arasında son zamanlarda en çok dikkat çeken yöntemlerden biriside ionik/iyonik olmayan jel halindeki yalıtkan tabakaları kullanmaktır. Bu yöntemlerden ionik olmayan jel yalıtkan (NIGI) tabakaları düşük frekanslarda gösterdiği çok yüksek εr değerleriyle dikkat çekmektedir. Kaldı ki; ionik jel yalıtkanların (IGI) iyonik olmayanlarla karşılaştırıldığında bazı dezavantajları da mevcuttur. Bunlar arasında aşağıdakiler sıralanabilir [40].
• Organik yarıiletken içine nüfuz eden anyonların yarıiletken gövdesinde elektrokimyasal katkı meydana getirmesi
• Kapı öngerilim voltajı altında VTH kaymalarına neden olan iyonik hareketler
• Pozitif öngerilim koşullarında iyonik yalıtkanların Ag ve Cu gibi elektropozitif metallerle kontak haline geçtikten sonra bir oksidasyonun meydana gelmesi ve bunun sonucunda cihazın kapalı durumdayken yüksek bir çıkış akımına sahip olması ki; bu istenmeyen bir durumdur
• Organik yarıiletkenle jel yalıtkan arasındaki yetersiz arayüzeysel yapışma yüzünden ortaya çıkan değişik sıcaklık koşullarındaki tabaka tabaka dizilim durumu
Diğer taraftan, NIGI’larda IGI’lar gibi bazı avantajlara sahiptir. Bunlardan en önemlisi bu yalıtkanların kapasitelerinin kalınlıklarından bağımsız olmasıdır. Böylece bunların bir altlık üzerine ya da organik yarıiletkenler üzerine daha kalın bir şekilde kaplanabilmeleri mümkün olur (genelde 1-10 µm arası) [41]. Bu yüzden bu tez çalışmasında, hem düşük voltaj OFET üretimi hemde yüksek performans orijinal yalıtkanlarla üretimlerin yapılması adına bu yalıtkanlar kullanılmıştır.
Propilen karbonat (PC), yüksek-k’ya (25 ºC’de 64,2) düşük donma noktasına (-49 ºC) yüksek kaynama noktasına (241 ºC) sahip bir dairesel beş-üyeli karbonat plastikleştiricidir. PC, NIGI’ları hazırlamak için plastikleştirici olarak bazı çalışmalarda şu ana kadar kullanılmıştır [40], [42], [43]. Bu tez çalışmasında PC’den düşük frekanslarda yalıtkanların εr değerini yükseltmek ve bunun sonucunda efektif kapasitansın (CEFF) yükseltilmesi adına yararlanılmıştır. Plastikleştirici kullanarak NIGI
yerleşerek zincirlerarası mesafeyi arttırmasına neden olur. Böylece zincirlerarası kuvvet mesafeden dolayı azaldığından yeni üretilen jel PMA’dan daha elastik bir yapıya sahip olacaktır. Buna ek olarak, ortaya çıkan yapının εr değeri bu teknikle yükselebilecektir. Bu sayede yetersiz kapasitif eşleşme sorununa karşı maliyeti düşük aynı zamanda yapılması kolay bir çözüm olarak ortaya çıkabilecektir.
Bu kapsamda NIGI tasarımlarında öncelikle polimer olarak PMA ve bu polimerin P18 ve P28 diye kodlandırılan 2 adet kopolimeri özel olarak sentezlenmiş ve sentezlenen polimerler NIGI haline getirilip OFET’lerde kapı yalıtkanı olarak kullanılmıştır. Buradaki ana amaç tarafımızca sentezlenen düşük voltaj kapı yalıtkanlarıyla üretilmiş OFET’leri karşılaştırıp en iyi performansın hangi polimerle üretilen cihazda olduğunu tespit etmektir. Şunu da belirtmek gerekir ki; karşılaştırma işlemlerinde bu aşamada kapı, kaynak ve savak elektrodu olarak indiyum kalay oksit (ITO) kullanılmıştır. Ayrıca tezdeki tüm üretimlerde, bu yariletkenle üretilen transistörlerde yüksek mobilite ve ION⁄IOFF oranı elde edilebildiğinden ve aynı zamanda iyi bir film olma yeteneğine
sahip olmasından dolayı [44] organik yarıiletken olarak bölgesel düzenli poli(3-hegziltiyofen-2,5-diyl) (rr-P3HT) kullanılmıştır.
En son çalışmada ise tarafımızca sentezlenen PMA ve orjinal olarak sentezlenen 3 adet kopolimeri performans açısından karşılaştırılmıştır. Burada üç adet kopolimer (P30, P29 ve P28) polimerizasyon sürecinde metil akrilata (MA) sırasıyla %12.5, %25 ve %50 oranında soya yağı katkısıyla elde edilmiştir. Ono ve arkadaşları iyonik sıvı elektrolit yalıtkanlarda CEFF değerinin yalıtkana yapılan değişik katkılarla düşürülmesiyle
mobilitenin arttırılabileceğine dair çalışmalar yapmışlardır [45], [46]. Bu çalışmalarda mobilitenin artışını yazarlar, yariletken-dielektrik arayüzeyinde polarize dielektrikler sayesinde yarıiletken yüzeyinde elektrostatik olarak biriken yük taşıyıcılarının polaronik öz-lokalizasyona uğraması bunun da arayüzeyde Fröhlich polaronlarını oluşturmasına bağlamışlarıdır [47], [48]. Bu bağlamda, tez çalışması kapsamında üretilen kopolimerlerde soya yağı oranlarının (SYO) arttırılmasıyla εr değerinin dolayısıyla CEFF
değerinin azaltılacağı fikrine literatürde yapılan incelemeler sonucunda ulaşılarak frekansa göre CEFF ölçümleri bu tahmin çerçevesinde gerçekleştirilmiştir [49], [50].
Ölçümler sonucunda soya yağı katkısının arttıkça CEFF değerinin azalıp azalmadığı eğer
azalıyorsa bu çerçevede mobilitenin artıp artmadığı gözlemlenmiştir. Teoride yukarıdaki yazarların ulaştığı etkiye ulaşılabileceği ve mobilitenin değişik bir teknikle yani NIGI tasarımında polimerizasyon sürecinde soya yağı oranı arttırılarak arttırılabileceği ortaya
atılmıştır. Sonrasında teorinin doğruluğu C-V ve I-V ölçümleriyle test edilmiştir. İnce-film kapı yalıtkanlı tasarımda daha önce kullanılan PEDOT:PSS organik iletken bu çalışmada da kapı elektrodu olarak kullanılmış böylelikle NIGI kapı yalıtkanlarına sahip OFET’lerin bu iletken malzemelerle uyumluluğu ve ITO kapı elektroduna göre performansta artış olup olmadığı araştırılmıştır. Sonuç olarak, NIGI’ların εr değerlerinin
soya yağı ile düşürülerek mobilitenin ve transistörün diğer parametrelerinin iyileştirilmesi sayesinde kolay ve ucuz yöntemlerle OFET’lerde performans artışı sağlanacak bu yöntemlerle üretilen OFET’lerden büyük olasılıkla osilatör ve evirici gibi elektronik uygulamalarında yararlanılabilinecektir.
2. ORGANİK ALAN ETKİLİ TRANSİSTÖRLER
2.1. OFET’İN ÇALIŞMA PRENSİBİ
OFET’lerde bir aygıt olarak temel kazanım olan yük taşınması mekanizmasına girmeden önce genel anlamda bir OFET’in çalışma mekanizmasına bakmak faydalı olacaktır. Şekil 2.1’de alt kontak üst kapı konfigürasyonunda p-tipi bir OFET’in öngerilimleme şekli gösterilmiştir. Böyle bir öngerilimleme neticesinde kaynak ile savak arasında savak akımı dediğimiz bir akım akar ki bu akım bu cihazlarda bir bakıma elde edilen kazançtır diyebiliriz. Bu yüzden bu akımın cihazın geometrik yapısına ve üretildiği malzemelere göre mümkün olduğunca yüksek olması istenir. Cihazın transistör olarak çalışabilmesi için uygulanan voltajlara göre alınan akım modülasyonu şekli iki karakteristik halinde ortaya çıkmaktadır. Bunlardan biri çıkış diğeri ise transfer karakteristiğidir. Çıkış karakteristiği Şekil 2.2 a’da görülmektedir. Şekilde görüldüğü gibi karakteristikde lineer ve doyum bölgesi olmak üzere iki bölge bulunmaktadır. Lineer bölgede uygulanan savak-kaynak gerilimine (VDS) bağlı olarak savak-kaynak akımı (IDS) lineer olarak artmaktadır. Sonrasında belli bir VDS gerilimine ulaşıldığında transistörün doyuma ulaştığı ve
IDS akımının daha fazla artmadığı görülmektedir. Bu bölge doyum bölgesi olarak tanımlanır.
Bunun yanında taranan VDS gerilimi için sabitlenmiş kapı-savak gerilimi (VGS) arttıkça yarıiletken aktif kanalda daha fazla yük taşıyıcısı ortama enjekte olduğundan IDS akım
seviyesinin de arttığı görülmektedir. Şekil 2.2 b’de ise transistörün transfer karakteristiği görülmektedir. Bu karakteristikte belli VDS değerleri için VGS gerilimi belli bir aralıkta
taranmakta ve sonuçta IDS akımı elde edilmektedir. Karakteristikte üç bölge bulunmaktadır. Birincisi eşikaltı bölgesi ki düşük VGS değerleri için geçerlidir. Bu
bölgede VTH geriliminin daha altında gerilim değerleri için akımın yükselişi
görülmektedir. Gerilime karşılık akım yükselişi bu bölgede yüksektir. İkincisi doyum bölgesidir. Bu bölgede VGS gerilimine karşılık akım yükselişi yavaşlamıştır ve akım neredeyse sabitlenmiştir. Üçüncü bölge ise lineer bölgedir. Bu bölgede akım lineer bir şekilde yükselir. Fakat akım artışı eşikaltı bölgesine göre oldukça düşüktür. Burada özellikle VTH geriliminden bahsetmek gerekir. VTH gerilimi belli bir VGS değerinden
sonra akımın hızlı yükselmeye başladığı gerilimdir. Bir bakıma bu gerilime OFET’in çalışmaya başladığı gerilimdir diyebiliriz [51].
a) b)
Şekil 2.2. OFET’in genel olarak a) çıkış karakteristiği b) transfer karakteristiği [52]. Çıkış karakteristiğinde görülen üç farklı bölge için yarıiletken kanalda VDS gerilimi arttıkça taşıyıcı konsantrasyonunda fark meydana gelmektedir. İlk olarak VDS gerilimi
yavaş yavaş artırıldığında VGS-VTH ≫ VDS bağıntısı halen geçerlidir. Bu durumda
kanaldaki taşıyıcı yoğunluğu Şekil 2.3 a’daki gibi her yerde aynıdır. Gerilim daha fazla artırıldığında VGS-VTH = VDS bağıntısı geçerli olmaya başlar. Şekil 2.3 b’deki gibi bu gerilimde taşıyıcı konsantrasyonu kanal boyunca savağa doğru giderken dar bir alana hapsolup artış göstermektedir. Gerilim tekrar artırıldığında VGS-VTH < VDS bağıntısı
geçen transistörde kanal boyunca savağa doğru giderken taşıyıcı yoğunluğu daha dar bir alanda daha da artmış olacaktır. Bu durum Şekil 2.3 c’de betimlenmiştir.
Şekil 2.3. Kanal taşıyıcı konsantrasyonları a) lineer rejimde b) pinç-of durumunda c) doyum rejiminde [53].
Kapı elektroduna VGS gerilimi uygulandığı zaman kanalda yük indüklenmesi olur. Bu
indüklenmenin matematiksel ifadesi Denklem (2.1) ve (2.2)’de verilmiştir.
qind(x)=n(x)et (2.1)
qind(x)=C0x(VGS-VTH-V(x)) (2.2)
Burada n(x) kanal boyunca elektron yoğunluğu, e temel yük, t yarıiletken kanalın kalınlığı, C0x yalıtkan tabakanın kapasitansı, V(x) ise kanal boyunca kaynakdan savağa
doğru potansiyeldir. Lineer bölgede Denklem (2.3)’de verilen Ohm yasası geçerlidir ve bu yasanın eşitliğinde bulunan elektriksel direnç (R) Denklem (2.4) ile elde edilebilir.
a)
b)
VDS=IDSR (2.3)
R= L
Aσ
(2.4)
Direnç Denklem (2.3)’de yerine yazılırsa aşağıdaki Denklem (2.5) elde edilir.
VDS=IDS
L Aσ
(2.5)
Burada L kanal uzunluğu, A kanalın kesit alanı, 𝜎 ise kanalın elektriksel iletkenliğidir. Kanalın kesit alanı, kanalın kalınlığıyla genişliğinin çarpımına eşittir ve Denklem (2.6)’da verilmiştir.
A=tW (2.6)
Burada W yarıiletken kanalın genişliğidir. Bu durumda kesit alanı Denklem (2.5)’de yerine yazılırsa Ohm yasasından aşağıdaki Denklem (2.7) elde edilir.
VDS=IDS L Aσ=IDS L tWσ (2.7)
Şekil 2.4 a ve b’de hesaplamaların daha kolay anlaşılabilmesi için genel olarak bir üst kapı alt kontak OFET’in geometrik ölçüleri görsel olarak verilmiştir.
a) b)
Şekil 2.4. a) OFET’in aktif kanalının uzunluğu L ve genişliği W ayrıca b) aktif kanalın kalınlığı t ve kapı yalıtkanının kalınlığı d’nin şematik gösterimi.
Diğer taraftan elektriksel iletkenlik Denklem (2.8)’deki gibi ifade edilebilir.
σ=enind,ortμ (2.8)
Burada nind,ort ortalama indüklenen taşıyıcı konsantrasyonu, μ ise elektron mobilitesidir.
alınacaktır. İletkenlik Denklem (2.7)’de yerine yazılırsa aşağıdaki Denklem (2.9) elde edilir. VDS=IDS L tWenind,ortμ=IDS L (μW)(nind,ortet) (2.9)
Kanalda indüklenen ortalama yük aşağıdaki Denklem (2.10)’dan bulunabilir.
qind,ort=C0x(VGS-VTH
-VDS
2 )
(2.10)
Elektriksel yük yukarıdaki Denklem (2.9)’da yerine koyulursa aşağıdaki Denklem (2.11) elde edilir. VDS=IDS L (μW)(nind,ortet) =IDS L (μW)C0x(VGS-VTH-V2 )DS (2.11)
Buradan IDS çekilirse aşağıdaki Denklem (2.12) bulunabilir.
IDS=μW
LC0x[(VGS-VTH)VDS -VDS2
2 ]
(2.12)
Transkonduktans (gm) ve konduktans (gd) transistör için iki önemli parametredir. VGS-VTH ≫ VDS durumu için bu parametrelerden gm, transfer karakteristiği kullanılarak
aşağıdaki Denklem (2.13)’deki gibi bulunabilir.
gm=d𝐼𝐷𝑆 d𝑉𝐺𝑆=
W
LC0xμlinVDS
(2.13)
gd ise çıkış karakteristiği kullanılarak aşağıdaki Denklem (2.14)’den elde edilebilir.
gd=dIDS d𝑉𝐷𝑆=
W
LC0xμlin (VGS-VTH)
(2.14)
Burada μlin lineer bölgede yük taşıyıcılarının mobilitesidir. Yukarıdaki Denklem (2.13)’den transistörün geometrik ölçüleri ve kapı yalıtkanının CEFF değeri bilinirse lineer
bölgedeki taşıyıcı mobilitesinin, transfer karakteristiğinden kolaylıkla çıkarılabileceği görülmektedir. Doyum drumundaki mobiliteyi (μsat) hesaplamak için Denklem (2.12)’de VGS-VTH yerine VDS koyulursa aşağıdaki Denklem (2.15) elde edilir ve bu
denklemden μsat çekilebilir. Böylece OFET’in en önemli parametreleri bulunabilir. IDS=μsat W 2LC0x((VGS-VTH) 2= μ sat W 2LC0x(𝑉𝐷𝑆)2 (2.15)
Bu işlem yapılmadan önce VTH geriliminin Şekil 2.2 b’deki gibi transfer
karakteristiğinden çıkarılması gerekmektedir. Bunun için öncelikle IDS1/2-VGS eğrisi
çizdirilir. Sonrasında bu eğrideki lineer bölgede en dik yerden eğim çizgisi çizilip bu çizginin VGS eksenini kestiği voltaj belirlenir. Bu voltaj VTH gerilimidir. Bu gerilim belirlendikten sonra transfer karakteristiğinde sabit olarak seçilen VDS gerilimiyle VTH
geriliminin toplamına karşılık gelen VGS geriliminin akımı bulunur (IDS). Daha
sonrasında Denklem (2.15)’den μsat hesaplanabilir. Önemli olan diğer iki elektronik parametre ION⁄IOFF oranı ve eşikaltı salınımı (SS) transfer karakteristiğinden rahatlıkla
çıkarılabilmektedir.
2.2. ORGANİK YARIİLETKEN FİZİĞİ 2.2.1. Yük Taşınım Modelleri
İnorganik kristal transistörlerde yüklerin taşınımı band taşınımı ile açıklanmasına karşın OFET’lerde yarıiletken kısmın organik olmasından dolayı yük taşıma mekanizması farklıdır. Bu mekanizmayı açıklamak için birçok model geliştirilmiştir. Bu modellerde yükler düzensizlik yüzünden lokalize olmuşlardır. Yük taşınımı taşıyıcıların lokal durumlar arasında termal yardımla zıplaması aracılığıyla yapılmaktadır. Taşınım işlemi Şekil 2.5’de görsel olarak tasvir edilmiştir.
Enerji ve mekan boyutunda yerelleştirilmiş durumların dağılımı yük taşınımı için çok önemlidir. Bu dağılım durum yoğunluğu (DOS) olarak tanımlanmaktadır. Genelde exponent ya da Gauss dağılımına sahip durum yoğunluğu olduğu farz edilmekte ve bu şeklin genişlik ve yüksekliği fit edilerek gerekli ölçümlerin yapılması sağlanmaktadır. Yük taşınımı için değişken aralıklı zıplama (VRH) ve çoklu tuzaklama ve serbest bırakma (MTR) şeklinde iki genel model bulunmaktadır. VRH modelinde iletkenlik, her zıplamanın, zıplama değerinin, zıplamanın enerji mesafesi ve normal mesafesi ile belirlendiği zıplama siteleri ağıyla tanımlanmaktadır. Bütün ağın yük taşınımı ağdaki en zor zıplamalar ile belirlenmektedir. MTR modelinde ise band taşınımı belli bir sınır mobilite enerji değerinde gerçekleşir. Bu modelde bandda mobilitenin sabit, mobilite sınırının altındaki durumlarda ise sıfır olduğu kabul edilmektedir. Yük taşıyıcılarının yükün taşınması işlemine katılabilmesi için belli bir mobilite değerinin üstünde bir değere sahip olması gerekmektedir. Bunun yanında aygıtın iletkenliği ise, iletkenlik bandında termal olarak uyarılmış taşıyıcıların bir kısmından meydana gelmektedir.
Yarıiletkendeki yük yoğunluğunun kontrol edilmesi durumu, OFET’i yük taşınımı fenomeninin deneysel olarak çalışılmasına olanak sağlayan kullanışlı bir araç haline getirmektedir. Kapı öngeriliminin değiştirilmesiyle, yarıiletkenin katkılama seviyesinin bir fonksiyonu olarak iletkenlik hakkında daha fazla bilgi edinilebilir. Yük taşınım modellerini test etmek için tipik olarak transistör, IDS akımı, sıcaklık, kaynak öngerilimlemesi ve savak öngerilimlemesine göre ölçülüp değerlendirme yapılmaktadır. VRH ve MTR modellerinin ikiside OFET’in makroskopik elektriksel özelliklerini tanımlamak için yeterli kapasiteye sahiptir. Bunun yanında bu modellerin altında yatan fiziksel prensipler birbirinden farklıdır.
2.2.2. Konjuge Moleküllerde Yük ve Enerji Taşıyıcıları
Konjuge moleküllerde rezonans formlarına iyice bakılırsa aynı zamanda organik yarıiletkenlerde yük taşıyıcılarının oluşumu açıklanabilir. Şekil 2.6’deki poliasetilenin yapısına bakılırsa enerjisel olarak dejenere olan iki durum görülebilir.
Aralarında sınır olmadan iki durumun aynı zincirde birarada olması mümkündür. Mükemmel bir zincirin entropisi düşüktür ve küçük bir uyarımla bile belirli kusurların yoğunluğunun varolduğu ispatlanabilir. İki durumun arasındaki faz duvarlarında polimer zincirlerinde taşınan yükler Şekil 2.7’de şematik olarak gösterilmiştir.
Bu iki rezonans formunun kombinasyonunun ismi polaron olarak bilinmektedir. Yük kendini Şekil 2.7’de gösterilen + işaretiyle doldurulmamış bağ boyunca sürdürebilir ve bu yük molekül boyunca herhangi bir elektrik alan vasıtasıyla hareket edebilir. Bu fenomen organik yarıiletkenlerde üretilen yük durumlarını meydana getiren fenomendir. Benzer bir durum, zincir boyunca bir bağı okside edip veya azaltıp serbest elektron veya delik meydana getiren bir katkılayıcı tarafındanda gerçekleştirilebilir. Polaronlar mesela eksiton gibi daha fazla yük veya taşıyıcıya sahip olan daha kompleks yapılara dönüşmek için birleşebilirler. Bunun olması için pozitif ve negatif yük taşıyan polaronlar birbirlerini çeker ve elektriksel olarak nötr bir enerji taşıyıcı meydana getirirler. Polaronların spin taşıma kapasitesi aynı zamanda doluluk oranlarına bakılarakda belirlenebilir.
Şekil 2.7. Poliasetilende pozitif yüklü tek bir polaron [4].
Polimer organik yarıiletkenlerde ve küçük moleküllerde bulunabilen yük ve enerji taşıyıcıları Çizelge 2.1’de özetlenmiştir [55].
Çizelge 2.1. Organik yarıiletkenlerde bulunan birkaç enerji ve yük taşıyıcısı ve bileşenleri [4]. TAŞIYICI BİLEŞENLER Negatif bipolaron -- Negatif polaron - Eksiton +- Pozitif polaron + Pozitif bipolaron ++
Neredeyse bütün organik yariletkenler poliasetilen gibi aynı sp2 konfigürasyonunda
konjuge bir kısıma sahiptir. Şekil 2.8 bununla ilgili üç temsili malzemeyi göstermektedir. Bu üç malzeme poliasetilen temel üzerine monte edilerek yapılandırılmıştır.
c)
Şekil 2.8. Üç organik yarıiletken a) polipirol b) politiyofen c) poli(3,4-etilendioksitiyofen) (PEDOT) [4].
Oligomerik yarıiletkenlerde durum aynıdır. π elektron bulutunda elektronların yerdeğiştirmesiyle, yük yoğunluğunun manipülasyonu için gereken enerji, karbonun iyonizasyon enerjisinden (11 eV kadar olan çok yüksek bir değer) bu enerjinin çok daha azına kadar düşecektir. Bu kazanım kimyasal katkılama vasıtasıyla elde edilebilir. Böylece kısmen daha düşük elektrik alanlarda daha yüksek yük yoğunluğuna ulaşılabilecektir.
2.3. OFETLERDE KULLANILAN MATERYALLER 2.3.1. Organik Yarıiletken
Omurgalarındaki güçlü kovalent bağlarına nazaran zayıf Van der Waals kuvvetleri üzerine temellenmiş moleküller arası etkileşimden dolayı organik yarıiletkenler Van der Waals katısı olarak görülebilir ve konjuge küçük moleküller ve polimerler olarak iki kategoriye ayrılırlar. Bunlardan konjuge polimerler tipik olarak çözünme işlemine uygundur. Bunun yanında konjuge polimerlerin mükemmel film olma özellikleri sayesinde ince film üretimi, spin kaplama, inkjet ve gravür basımı gibi değişik metodlarla
