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。[21]
最近有關有機薄膜電晶體之雙極性傳輸研究中有研究團隊發現，影響該有機薄膜電 晶體是P型或N型的因素，除了通道層的有機材料之外，還有一個關鍵因素是在閘極介電 層之上[56]。一般常見的有機薄膜電晶體是以P型為主，除了因為N型有機材料在大氣中 較不穩定易受水氧影響而較難以製備外，在閘極外加偏壓下，電洞的累積比起電子的累 積更容易形成，因此一般常見的有機薄膜電晶體常常是僅具Ｐ型通道的特性。據研究中 發現，位於閘極介電層與有機半導體通道層間之官能基是造成電子之捕捉（traps）捕缺 的主因，因此提出以無捕陷（trap-free）的高分子有機層作為介電層，進而使得N型通道 更易產生，使N型有機薄膜電晶體的製作更加簡易。
本論文將利用pentacene和 N,N'-Dioctyl-3,4,9,10-perylenedicarboximide (PTCDI-C8) 兩種有機材料製作成雙層結構的雙極性有機薄膜電晶體。其中，pentacene屬於P型通道 且在大氣環境下中穩定的有機半導體材料；PTCDI-C8則是N型通道但難以在大氣環境下 中不穩定的材料。我們利用 poly(methyl methacrylate) (PMMA)與poly(vinyl cinnamate) (PVCN)作為有機介電層，使N型通道不但可以能順利出現在大氣環境下呈現，且使電性 上達到接近無遲滯現象。最後將Ambipolar OTFTs製作成反相器(inverter)，且操作在正偏 壓和負偏壓。
第三章 實驗架構