第一章 緒論
1.2 有機薄膜電晶體元件結構與基本操作原理
也可稱它為“場效電晶體”(field effect transistor)。
圖1-2 有機薄膜電晶體結構圖
電荷移動速率普遍低於無機矽半導體，而到目前所發表的有機半導體
ff current
寬和長也會影響電晶體的操作效率；如圖 1-3 右，寬（W）其實指的
體的臨界電壓（VT）；唯有在閘極電壓大於電晶體的起使電壓（VG
＞VT）且另外施加一電壓於汲極，電晶體兩個電極之間才會有電流 產生。
圖1-4 OTFTs 元件操作特性圖：（a）IDVD、（b）IDVG
在加電壓之下的電性圖；從圖形的數據中，
入一特定數學式9：
ID = W/2L Co G – VT)2
1/2對VG 而圖1-4 也是一般電晶體
代
µ (V
中，就可以推得電晶體的電荷移動率。其中ID是源極和汲極間的電 流，W是電晶體的寬，Co是絕緣層的電容量，µ是電荷移動率，L是 電晶體的長，VG是閘極電壓，VT是起始電壓。利用前式將ID
作圖，
體製作。而在過去有機薄膜電晶體研究上，上接觸式電極的元件模式 從作圖之斜率平方即可獲得有關電荷移動率的大小。
如圖 1-5 所示，一般文獻中所常見的元件結構多分為兩種，其 最大的差別是在於元件製程的最後兩個步驟，以下接觸式電極元件結 構為例，會先在介電層之上製作汲極與源極兩個金屬，最後再蒸鍍上 有機半導體。而上接觸式電極元件結構則為在介電層之上先蒸鍍有機 半導體層，再將汲極與源極兩個電極製作在半導體層之上，完成電晶
圖1-5 下接觸式電極元件結構（圖左），上接觸式電極元件結構（圖 右）
(top-contact devices)被廣為運用在有機電晶體元件的製程上10-12。但以 實 際 應 用 的 角 度 來 思 考 ， 下 接 觸 式 電 極 元 件 形 式(bottom-contact devices)更符合有機電晶體的製作。因為在有機元件製作過程中，有
機半導體材料因為機械強度通常較一般無機半導體來得弱，也比較容 易因為空氣中水氣和氧氣滲透的問題而使得元件特性降低，所以一般 元件製作過程中，會盡量避免讓已經沈積完成的有機半導體層在另外 一道製程程序中過渡暴露。最好的方法，就是讓有機半導體沈積的這 個步驟是所有製程中的最後一個程序。如此，下接觸式電極的有機電 晶體就成了最符合有機元件製作的模式。在下接觸式電極元件製作 中，需先將元件三個電極和介電層先以微影蝕刻方式分別堆疊並定義 各層圖形，最後才將有機半導體層以真空蒸鍍方式覆蓋在源極和汲極 之間，
型半導體（n-type）和傳電洞型半導體（p-type）。如 1-6 所示，
完成有機薄膜電晶體。
而 OTFTs 的操作原理和一般矽半導體相類似，有機半導體也 可以分為傳電子
圖
圖1-6 有機薄膜電晶體基本操作原理示意圖
無論是傳電子型或是傳電洞型的有機半導體，其材料本身會有 兩 個 能 階 ， 分 別 為 最 高 填 滿 軌 域 （HOMO） 和 最 低 未 填 滿 軌 域
（LUMO）。HOMO 能階主要功用在於傳遞電洞，而 LUMO 能階的 功用主要為傳遞電子。這與矽半導體中的價帶（valence band）和傳 導帶（conductive band）的意義相同。電晶體在操作過程中通常需要 於閘極與汲極施加一電壓，閘極有點類似整個電晶體的開關，經施加 電壓後會將電荷誘導在介電層和半導體層之間，而汲極施加電壓的作 用即為控制電晶體的電流流通。元件操作的程序也如圖1-6 所示，舉 傳電子型半導體為例，當施加一適當正電壓於閘極，此時半導體與介 電層間會因施加的電壓而產生電場，這個電場會使得半導體本身的 HOMO、LUMO 能階下降，同時若於汲極再施加一正電壓，那電晶 體的兩個電極間就會因為施加的電壓而產生電位差，所以就會有電流 流通汲極與源極之間。相同得原理也發生在傳電洞型的有機薄膜電晶 體之上，只是施加的電壓要改為負偏壓。圖 1-7 即為一簡易傳電洞正 型（p-type）有機半導體所製作成的 OTFT：
圖1-7 元件加電壓前（左）和施加電壓後（右）（摘錄自文獻 13）
圖左邊表示著當電晶體未受到任何外加電壓下（此處配合半導體的電 性施加為負壓），其有機半導體層內電荷是較為散亂的分佈，若在閘 極和汲極加一特定電壓，則會因為在電晶體電極間的場效應下，有機 半導體層會有明顯的電荷排列，而此一排列的行為，將有助於電流順 利流通源極和汲極之間，使得電晶體是處於一個“開”的狀態。當然在 實際上電晶體的運作情形，有著更複雜的物理意義，這裡僅是用簡單 的定性上說明來解釋電晶體的構成和基本操作原理。