有機薄膜電晶體之操作模式

在半導體物理中，金氧半(metal-insulator-semiconductor, MIS)位置的能帶理論為場效 電晶體操作的一個重要且基礎的原理。當閘極施加負偏壓時，半導體層與介電層介面會 有電洞電荷，此時的狀態稱為累積層(accumulation layer)，當閘極不施加電壓或施以略 小的正偏壓時，則介面處形成空乏區(depletion)呈關閉狀態。如果持續加高閘極的正偏 壓，達特定的臨界電壓(threshold voltage, Vth)時，在氧化層與半導體層的介面會開始出 現導電電子層，之後增加的偏壓，將不再改變空乏區的大小，而是用來增加導電電子層 的電子數目，這時源極與汲極可藉由此導電電子層形成之通道而導通。由閘極的電壓變 化，可將原本的p-type 半導體，轉變成具導通電子的 n 型通道，此導

反

有機半導體材料的導電機制

不像無機半導體材料，分子間的作用是以共價鍵的形式鍵結；有機半導體材料是以 微弱的凡德瓦力（Van Der Walls Forces）將分子與分子束縛在一起，所以有機材料的導 電機制與一般半導體材料有很大的差別。以傳導機制而言，有機材料中電子的分布方式 有局部狀態（Localized States）和非局部狀態（Delocalized States）。局部狀態的定義是

指電子只隸屬於某一特定的原子，反之則為非局部狀態。以π鍵為例，π鍵是原子之間分 享電子的一種鍵結，若可以從原子和原子之間的π鍵找出額外之電子，而並非跟鍵結有 直接關係的電子，我們就可以稱此電子處於非局部狀態。然而π鍵也是會有局部化和非 局部化兩類，圖1-10 顯示在苯環分子中局部之π鍵電子及非局部之π鍵電子分佈的情形。

圖1-9 (a)和(b)為局部化的 π 鍵，(c)為非局部化的 π 鍵。^[27]

的能量差就是所謂的LUMO-HOMO間隙，也是分子中要激發一個載子的最小 能量。

（a） （b） （c）

一般半導體材料由於有延續的能帶，都屬於非局部化的狀態，電子電洞可隨意的移 動，電子移動率相對受限比較小。而有機材料的電子電洞是處於局部狀態，電子電洞傳 導受到之限制相對的也比較大，所以有機材料電子移動率一般而言並不會太高。此外，

分子軌域的能階亦是有機材料導電機制中的重要理論，類似於無機半導體材料的能階，

LUMO 最 低 未 佔 有 分 子 軌 域 （ Lowest Unoccupied Molecular Orbital ） 類 似 於 導 帶 (Conduction Band)，是給電子傳輸的軌域，HOMO最高佔有分子軌域（Highest Occupied Molecular Orbital）則是類似於價帶（Valence Band），是給電洞傳輸的軌域。LUMO跟 HOMO間

目前有機材料中的載子傳導機制仍不明，尚未有一個科學家能夠真正的証實載子是 如何傳導。而現今比較常被提出的傳導模式有三種：偏極子(polaron)理論與雙偏極子

(bipolaron)理論^[28]、跳躍式理論(Hopping Model)^[29-34]和MTR（Multiple Trapping and elease）Model^[30]。

的結構上即為藉著單雙鍵的重新排列而在分子鏈上傳導，使得有 分子具有導電性。

R

1.4.1 偏極子(polaron)理論與雙偏極子(bipolaron)理論

偏極子與雙偏極子理論的傳導方式是屬於載子在分子間的傳遞，所謂的偏極子是指 當一個電子從共軛分子中移除，而缺少電子的地方相對於周圍則如同一個電洞的存在，

這電子電洞會和周圍的晶格產生耦合效應，使得分子能階重新排列，此載子與周圍晶格 的關係便稱為偏極子，新的能階則稱為polaron energy level。同理，此時再移除一個電 子，分子中又會產生一個新的偏極子，但如果是在原先的偏極子能階移除，則稱作雙偏 極子，偏極子能階也會變成更高的雙偏極子能階。若共軛分子存在很多的雙偏極子，便 有如無機半導體材料的高摻雜一般，其能量在能帶邊緣處重疊使在導帶與價帶之間形成 狹窄的雙偏極子能帶(bipolaron bands)。當外加一個電場，偏極子與雙偏極子則可於能帶 之間移動，在共軛分子

機

圖1-10 能帶中 polaron 的產生機制示意圖。^[28]

1.4.2 Hopping Model

共軛有機材料中電子是處於非局部狀態。Hopping model 將載子視為視以跳躍的方 式在分子間傳遞，但傳導電流的方式受到環境溫度影響很大。這是因為載子的跳躍跟聲

有關，其載子遷移率和溫度存在一個公式關係：

子

1/

0exp[ ( / ) ]T T0 ^α

μ μ= −

其中係數α 值介於 1 到 4 之間。由此得知 Hopping model 的載子遷移率隨著溫度的升高 增加，但相較於分子鏈內部的傳輸，其載子遷移率依然要小得多。

圖1-11 載子自分子間傳導(hopping)示意圖。^[35]

1.4.3

obility，μD）會跟非局部能階的載子移動率（μO）有關，可以表示成下 面的方程式：

而

Multiple Trap and Releasing(MTR)

在MTR model裡面，學者相信會有一條窄小的非局部之能帶，而此能帶的產生是跟 高密度的局部能階有相關連，其功用就像是缺陷（Traps）。當它們傳送經過非局部能階 時，電荷載子會藉由捕捉和熱釋放的方式跟局部能階互相影響。通常我們會有以下的假 設：第一，當載子傳達到一個缺陷時會有機率接近為1的機會被捕捉住，第二，捕捉住 的載子釋放是由一個熱活化的過程（Thermally Activated Process）所控制。而所造成的 漂移率（Drift M

⎟⎠

⎜ ⎞

⎝⎛−

= kT

E_T

D μ₀αexp

μ

ET 為缺陷能階，如果發生在單一個缺陷能階，ET 缺陷能階和非局部化能帶的邊緣距離 有關，而α 是在非局化邊緣有效之狀態密度和缺陷濃度的比率。MTR model 目前是最常 被用來計算a-Si 中的電荷傳導方式。

1.5 CMOS反相器(CMOS inverter)

Complementary MOS inverter 簡稱 CMOS inverter 是邏輯電路中最基本的單元，由 兩種不同電性的電晶體( NMOS 和 PMOS )組合而成，較單一電性元件所組成的 inverter，

具有更小的體積和更少的能量耗費，其最簡單的構造如圖1-13。

圖1-12 CMOS inverter 的(a)電路圖、(b)結構圖、(c)電性圖和(d)內部電晶體操作狀態。^[36]

由上圖可知，PMOS 和 NMOS 的閘極和汲極被連接起來，分別為電路的輸入端和 輸出端，且在PMOS 的源極輸入一個固定電壓 VDD，以圖1-13 為例，理想狀況下 CMOS inverter 在操作時，當輸入端電壓小於 VTN ( threshold voltage of NMOS )，NMOS 是關閉 的狀態而PMOS 則是開啟的狀態，此時輸出電壓會等於 VDD，在邏輯單位中的表示則是 1，當輸入端電壓大於 VDD-|VTP| ( threshold voltage of PMOS )，則反之，此時輸出電壓為 零，在邏輯單位中的表示就是 0，而在輸入電壓等於 VTN~ VDD-|VTP|時，可以計算出 inverter gain = dνo/dνi，這在放大器中，是非常重要的一個參數，關係著小訊號的放大倍 率，其中，NMOS 在 A 區和 B 區(見圖 1-13(d))是操作在飽和狀態，在 C 區則是操作在 未飽和狀態，而PMOS 卻是在 B 區和 C 區操作在飽和狀態，在 A 區則是未飽和狀態。

現今，即便是再複雜的電路也是利用這基本的CMOS inverter 原理去組織，藉由 0 和 1 的邏輯單位來傳遞和接收訊號。

1.6 電晶體量測上的各項重要參數

要判斷一顆有機薄膜電晶體的好壞，如同一般場效電晶體的主要判斷依據。不外乎 載子遷移率(mobility)要大、起始電壓(threshold voltage)要低、整流開關比(on/off ratio)要 高，以及遲滯效應(hysteresis)要小，亦都是電晶體是否優良且能夠穩定操作的重要依據。

圖1-13 OTFT 元件參數粹取示意圖。^[21]

(1)載子遷移率 (mobility) 端和汲極端外加的電壓，而VT就是起始電壓(threshold voltage)：

2

Ci代入，可藉此求出線性區的載子遷移率。

(ii) 當 VD大於VG時，電晶體的電性即進入飽和區，靠近汲極端的通道會產生夾止的現 象，飽和區的電流公式如下：

(

2

i

D G

WC T

)

I V V

L μ

= − (1-5)

我們取平方根再對 VG微分，即為式 1-6，取(ID)^1/2對 VG關係圖中的斜率，最後將 各項參數代入，即可得到飽和區的載子遷移率值。

2

D i

G

I WC

V L μ

∂ =

∂ (1-6)

(2)閘限電壓 (threshold voltage, Vt)

在薄膜電晶體的操作理論中，一般認為，由於主動層與介電層之間存在缺陷，所以 載子在傳輸時容易被缺陷所捕捉，如果元件要到可操作的狀態，必須先有一個電壓，此 電壓下傳導的載子恰好可將缺陷填滿，爾後開始有自由載子流動，該電壓即為閘限電 壓，此電壓值亦可視為電晶體開啟的最低值。若電晶體中存在愈多的缺陷，則所需的閘 限電壓則愈大。閘限電壓值的求法亦分為線性區與飽和區兩種，分別是利用式1-3 和式 1-6，在斜率處取切線，切線與 x 軸之交點即為兩區的閘限電壓值 (圖 1-14)。

(3)整流開關比 (on-off ratio)

On-off ratio 意味著一顆電晶體開啟和關閉時電流值的差異，其在薄膜電晶體中是相 當重要的參數，這對於能否應用在電路上相當的重要。以圖1-14 為例，愈大的 on-off ratio 代表其對比愈明顯，表示電晶體具有完全的開和關，且漏電流可視為相當的小，是為一

顆良好的薄膜電晶體元件。

(4)遲滯 (hysteresis)

遲滯是當對電晶體施加閘極電壓使其從關閉到開啟，再從開啟回到關閉來回掃描下 臨界電壓值的改變。當閘極來回掃描時，其汲極走向卻不一致也就是所謂的遲滯迴路，

如此將造成電晶體開關工作區之間的不穩定。

圖1-14 OTFT 元件遲滯電性示意圖。^[57]

第二章 研究背景與動機

由於有機材料有別於一般傳統無機材料的雙極性載子傳輸(ambipolar conduction)，

多以單一載子的傳輸為主(unipolar)，因此若電路使用有機材料做為半導體主動層會造成 設計上的許多困難與步驟繁複。有機材料有其成本低，製程簡單的優點，若能夠達到雙 極性載子傳輸的話，對於未來的電路設計將會節省很多成本。目前雙極性有機薄膜電晶 體 主 要 有 三 種 結 構( 圖 2-1) ， 雙 層 結 構 (bilayer) 、 混 合 結 構 (blend) 和 單 一 結 構 (single-component)。混合結構與單一結構都只有單層主動層，差別在於混合結構是用兩 種材料組成，個別提供N 型和 P 型的電性。單一結構則是只有一種半導體材料卻可感應 出兩種電性。雙層結構的主動層則是由一個P 型材料和一個 N 型材料堆疊而成，呈現雙 極性載子傳輸的特性。

圖2- 1 常見的雙極性有機薄膜電晶體結構。

雙極性有機薄膜電晶體的工作原理如圖 2- 2^[21]所示，假設操作在正偏壓，固定VG

且VG > VTh,e (VTh,e為累積電子的臨界電壓)，當 VG ≧ VD時，元件只有電子在流動，但 是隨著VD的增加，VG – VD < VTh,h(VTh,h為累積電洞的臨界電壓)時，靠近汲極端的區域 會產生電洞，此時主動層同時有電子和電洞的傳輸，若是VG ＜ VTh,e且VG – VD < VTh,h

時，會在汲極端注入電洞，且沒有電子通道產生，因此雙極性薄膜電晶體可隨著 VG、 VD的變化，電性會有所改變。

圖2- 2 (a)源極與汲極間通道對應的電位關係；(b)當源極與汲極和閘極間有一特定的電 位時，通道中會同時累積電子和電洞；(c)(d)分別為雙極性電晶體的 ID-VG和ID-VD

圖2- 2 (a)源極與汲極間通道對應的電位關係；(b)當源極與汲極和閘極間有一特定的電 位時，通道中會同時累積電子和電洞；(c)(d)分別為雙極性電晶體的 ID-VG和ID-VD