基于聚合物混合体系的薄膜晶体管及其气敏特性的研究

发布时间：2020-07-22 03:37

【摘要】：有机薄膜晶体管(organic thin-film transistor,OTFT)作为有机电子学领域内的一种基本电子元器件,具有材料来源广泛、制备工艺简单、与柔性及大面积衬底兼容等显著优点,近年来在柔性集成电路、物理及化学传感器、可穿戴器件等领域受到了广泛的研究关注。随着载流子迁移率的不断提升,OTFT的器件性能已经能够胜任诸多实际应用的需求,因而当前研究的重点正逐渐地由器件性能的优化向功能化应用的探索转移。其中,基于OTFT的气体传感器,由于其具有敏感材料设计灵活、信号放大、多参数检测等特点,在危险气体探测与智慧医疗领域具有广阔的应用前景。以往研究者主要围绕敏感材料的化学结构修饰、薄膜形貌调控、界面工程等方面对气体探测性能进行优化,然而,绝大多数的气体敏感层都由单一有机敏感材料组成,这极大地限制了其本征的气敏响应。因此,本工作中,我们将半导体聚合物/宽带隙共轭聚合物混合的方法引入OTFT型气体传感器中,研究了混合体系对器件性能及气敏特性的影响。研究内容主要包括以下三个部分:1.基于聚3-己基噻吩(poly(3-hexylthiophene),P3HT)/聚9-乙烯基咔唑(poly(9-vinylcarbazole),PVK)混合体系,通过调节敏感层中的混合比例,我们发现当质量比为1:1时,器件对二氧化氮(NO_2)的响应在整体气体浓度范围内得到了最为显著的提升,而此时的材料成本下降为纯P3HT器件的1/8;同时,该器件具备良好的工作稳定性、可重复性、可低压工作能力与气体选择性等优异特性。2.基于P3HT/(poly[N,N?-bis(4-butylphenyl)-N,N?-bis(phenyl)benzidine],poly-TPD)混合体系,我们发现随着体系中poly-TPD含量的增加,混合器件在整体气体浓度范围内对NO_2的气敏响应逐渐增大。特别地,当poly-TPD的质量占比为90%时,电流响应度的提升最为明显,最终实现了242.6 ppb的极限探测灵敏度;同时,器件具备良好的气体选择性与一定的环境稳定性。3.上述两种混合体系的研究中,当栅极电压由-40 V切换为0 V时,器件对NO_2的响应得到了进一步的提升、功耗大幅降低,我们从多级陷阱-释放模型与栅压调节沟道深度的两种理论角度,对栅压调控气敏响应的机理进行了分析。综上所述,本工作研究了聚合物混合体系对OTFT器件性能及气体传感性能的影响,并探究了栅极电压对气敏响应的调控,为OTFT型气体传感器领域的敏感材料选择、低电压操作及性能优化提供了新的思路。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN321.5
【图文】：

结构示意图,气体传感器,能层,端器

薄膜晶体管及其气体传感器不断深入，已经形成了一套从其器一步地，在气体传感器的研究中，本参数指标已经确立，同时敏感材从上述各个方面对 OTFT 及其气体的器件结构端器件，OTFT 的基本结构可以看iconductor, MIS）结构衍生而来。如层与金属层（栅极）之间，构成了层的费米能级，使半导体层中的能层的界面处载流子累积或耗尽，最

示意图,顶接,基本结构,示意图

(c) (d) 四种 OTFT 基本结构的示意图 (a) 顶栅底接触；(b) 顶栅顶接触；(c) 接触；(d) 底栅顶接触（Gate、Source、Drain 为栅、源、漏电极，Die为介电层，Organic Semiconductor 为有机半导体层，Substrate 为衬底）注意的是，OTFT 的器件结构有可能对器件性能产生显著的影栅结构，顶栅型器件具有如下优点：（1）栅电极与源、漏电极的打印工艺制备；（2）由于栅电极与介电层都沉积在半导体层产生了“自封装”的效果，可以有效地减缓器件工作时环境变的影响，提升了器件的工作稳定性。另一方面，如果考虑制备坏下方的有机半导体层，则底栅型器件更为适用。此外，就金件采用共面式（coplanar）结构，即源、漏电极与沟道位于半导的接触电阻更大，因此采用交错式（staggered）结构，即源、漏半导体层两侧更佳[83]。因此，在实际应用中应根据具体的参数件结构。

输出特性曲线,源漏电压,工作特性曲线,输出特性曲线

工作时的电流电压关系分为两种，输出特性、转移源漏电压和栅极电压的变化。器件的工作模式可以道（gradual channel）”理论模型来近似分析，由于远小于垂直方向的电场，即需要长沟道器件，常见微米至数十微米，符合长沟道条件。该模型中，随压输出特性经历从线性区（linear regime）逐渐到饱，如图 2-3(a)所示。其中，线性区是指 VDS远小于于电阻，电流随着 VDS增长而线性增加；当 VDS达一个高阻区不断耗尽载流子，使得沟道呈夹断（pi着 VDS的增长而增加，趋于饱和值，即进入饱和区G的关系，则会得到如图 2-3(b)所示的转移特性曲线重要参数，包括：阈值电压（threshold voltage, VT）obility, ）、开态电流（on current, Ion）、关态电流（f ratio, Ion/Ioff）、开启电压（Von）、亚阈值摆幅（ swing, SS）。

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