元件操作及電性檢測

薄膜電晶體基本操作方式是藉由閘極偏壓控制電晶體操作，當閘極

並無外加偏壓時，由於有機半導體具有較大的電阻將不進行電荷傳遞，

因此源極與汲極間所測得的電流應為零(圖 1.10)，然而當閘極受到外在施 予一足夠的正向或負向偏壓時，此時於介電絕緣層與半導體層介面產生 電場效應導致有機半導體的 HOMO 與 LOMO 的能階值而產生位移變 化；而根據電極的功函數對與 HOMO 及 LOMO 能階值相對關係，電子 將從 HOMO 能階轉移至電極亦或是從電極轉移至 LOMO 能階，進而於 源極與汲極間產生電荷傳遞通道(圖 1.11)，產生驅動電流將經由元件傳至 外接系統；然而除了外界偏壓大小外，當半導體能階值與電極功函數無 法相符時，將造成外接電路無法傳遞電子，將使得電荷傳遞通道並無法 立即形成而導致元件失效^[9]。

圖 1.10 電晶體未達操作電壓時電荷分佈狀態^[9]

圖 1.11 電晶體因外在電壓形成電荷通道^[9]

此外在介電絕緣層與半導體間的介面特性將是一影響元件性能因 素，這是由於除了元件中主要移動電荷是位於最接近半導體與介電絕緣 層間第一或第二層分子外，有機分子對於電荷的捕捉能力與在薄膜間形 成之顆粒大小也是影響電荷傳遞能力的一項因素^[10]；因此若有機半導體 分子間緊密排列並使有機分子的π軌域具有最大重疊區域，且分子中電 荷的非定域化情形具有最大效益以及分子產生的縫隙具有最小缺陷密度

對於薄膜電晶體的性質探討最常提到的三項參數即是電荷傳遞速率 (charge mobility) 、 電 流 開 關 比 (Ion/Ioff ratio) 以 及 起 始 電 壓 (threshold voltage)。

1.2.4.2 電荷傳遞速率(charge mobility)

電荷傳遞速率意味電荷跑得快慢程度，具有較高的電荷傳遞速率於 單位時間內可以處理的訊號量也就越多，而可以藉由量測有機半導體中 元件通道尺寸、驅動電壓與元件內部電流值經由換算而得，如下方程式：

I

W：通道寬度、L：通道長度、Ci：介電絕緣體電容常數、μ：場效傳遞

[12]。

圖 1.12 有機電晶體通道尺寸示意圖^[12]

然而在上述所討論到之電荷傳遞速率應為一常數，然而於其他的文

獻中提到有機材料傳遞速率隨著閘極電壓大小而有所改變^[13]，這是由於

圖 1.13 有機薄膜電晶體電性圖^[15]

1.2.4.4 臨限電壓(threshold voltage)

在電晶體的電性探討中，臨限電壓也是相當重要的一項參數，其量 測方式是利用一固定飽和的汲極電壓（VD sat），增加閘極的電壓所得的操 作曲線圖，由圖 1.13 右邊曲線區段向下做延伸線，交會於 X 軸的交點即 是臨限電壓（Vt），以圖 1.13 中顯示臨限電壓為-50V；而電晶體的啟動唯 有閘極電壓大於電晶體的臨限電壓（Vg＞Vt）時，源極和汲極間才會有 電流產生，電晶體元件方能執行工作。低臨限電壓的電晶體具有易操作、

省能源等特性，而影響電晶體臨界電壓大小的因素除了本身半導體材料 的特性外，另一影響因素是層狀結構中分子介面間排列次序性與缺陷程 度多寡，因此當元件內分子具有高次序的排列時，其臨限電壓值相對降 低。

總結來說對一有機材料而言，其電荷傳遞速率需高於 0.1 cm²/Vs、電 流開關比大於 10⁶以及臨限電壓範圍在 3~4 伏特時，方可能具有較佳之薄

膜電晶體特性與開發潛力^[16]。