有机半导体材料传输机制和有机二极管的电学性能的研究

发布时间：2017-05-14 19:03

  本文关键词：有机半导体材料传输机制和有机二极管的电学性能的研究，，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：由于具有低成本和容易制造的优点,以及广泛的潜在应用前景,比如有机发光二极管(OLEDs)、有机场效应晶体管(OFETs)、有机太阳能电池、有机半导体激光、有机热电器件、有机探测器和传感器、柔性显示等,有机半导体近年已经成为多学科的研究热点。虽然有许多新材料不断被合成,新器件制作出来,但是有机半导体的载流子输运机制还没有完全研究清楚。而载流子的传输机制对于合成新材料和提高器件的性能是非常重要的基础。目前已公认有机半导体的电流是空间电荷限制电流(SCL),而陷阱对SCL电流特性运输模型是一个重要的因素。文献中有两类考虑陷阱效应的模型。第一种用同样的方式对待所有载流子,陷阱效应通过将载流子迁移率看作为电场、载流子密度函数考虑两个有代表性的方法是Pasveer等人的统一模型和Pai的指数模型。第二类模型将载体子分为自由和束缚两种,其代表是迁移率边模型(ME)。ME模型将态密度(DOS)分为可移动态和束缚阱态,对n型(p型)材料而言可移动态具有迁移率μ0,位于迁移率边上面(下面)。但是这些模型都各有一些不足,所以我们提出了三种改进模型,并针对Pai的指数模型改进了文献中的解析电流电压公式。首先,我们提出一种双高斯态密度模型,两个态密度分别对应于束缚和自由载流子。计算表明非对称势垒对于描述有机二极管的电流电压关系是很重要的,电流电压曲线在低压端的斜率对另一端的势垒高度很敏感,而整个曲线整体上的斜率对低压端的势垒高度很敏感。将该模型用于三种有机二极管,在迁移率看作仅是温度的函数的条件下,理论能够很好的描述实验电流电压关系。第二,我们对基于单高斯态密度的迁移率边模型进行简化,根据最近文献中关于载流子服从爱因斯坦关系的实验结果,提出有机半导体中的自由载流子可以看作是非简并的,而束缚载流子应该被看作是简并的。这使关于束缚载流子的积分能够在计算机程序中很容易实现。对四种有机二极管,通过求解漂移-扩散方程得到的电流电压关系与实验数据存在明显偏差。为此,我们提出一种具有指数尾部的新态密度,由此计算的电流电压关系与实验数据与实验数据符合很好,提取出来的迁移率随温度的变化关系满足简单的Arrhenius行为,表明新态密度具有一定合理性。第三,我们注意到文献中关于有机半导体的输运模型都没有考虑电中性条件,我们指出有机二极管在没有偏压得情况下应该满足电中性条件。为此,我们在文献中Nicolai等人模型的基础上,提出对于p型材料,其位于禁带中的束缚电荷应该是束缚电子,利用Pai的指数模型将迁移率表示为电场强度的指数函数,对四种有机二极管计算的电流电压关系与实验符合很好。最后,由于描述SCL的泊松方程和漂移扩散方程即使数值求解也是很困难的,长期以来,SCL都是采用忽略漂移电流且只适合高压情况的Mott-Gurney公式近似描述。但是解析电流电压公式对于器件建模和数据分析都是很重要的,所以最近Bruyn等人在迁移率为常数的条件下推导出了考虑扩散的解析电流电压公式。我们利用Pai的指数模型将迁移率看作电场强度的指数函数,改进了Bruyn等人的解析公式。对四种有机二极管的计算表明,未改进公式不能够很好描述从低压到高压范围的实验电流电压数据,而改进公式与数值解的结果符合很好,并且都能够很好描述实验电流电压数据。
【关键词】：有机场效应晶体管 非对称势垒 高斯陷阱 爱因斯坦关系
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN304;TN31
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• Chapter 1 Introduction11-21
• 1.1 General Introduction11-12
• 1.2 Research Status and development trends12-19
• 1.3 Objective and Methodology19
• 1.4 Thesis Structural View19-21
• Chapter 2 Material Classification and Organic Devices21-36
• 2.1 Introduction21
• 2.2 Organic semiconductor Material21-22
• 2.3 Classification of organic semiconductor material22-25
• 2.3.1 Classification of organic semiconductor by molecular structure22-24
• 2.3.2 Classification of organic semiconductor by carrier transport24-25
• 2.4 The organic electronic device25-36
• 2.4.1 Organic light-emitting diode (OLED)25-28
• 2.4.2 Organic field effect transistor (OFET)28-30
• 2.4.3 The Choice of Basis Functions30-33
• 2.4.4 Semiconductor Laser33-36
• Chapter 3 Charge Transport Mechanism36-45
• 3.1 Introduction36
• 3.2 Charge Carriers36-40
• 3.2.1 Generation and recombination of carriers37-38
• 3.2.2 Majority and minority carriers38
• 3.2.3 Carrier mobility38
• 3.2.4 Drift mobility and conductivity38-40
• 3.2.5 Diffusion40
• 3.3 Techniques of Measurements of Carrier Mobilities40-45
• 3.3.1 Time of flight41-42
• 3.3.2 The steady-state DC current - voltage characteristics42-43
• 3.3.3 Field-Effect Transistor Configuration43-45
• Chapter 4 Charge Transport Modeling and Theories45-53
• 4.1 Introduction45
• 4.2 Charge transport modeling45-48
• 4.2.1 The polaron hopping model45-47
• 4.2.2 Multiple captures and release (MTR)47-48
• 4.3 Transitions in organic semiconductors48-53
• 4.3.1 Transition between band and band49
• 4.3.2 Exciton between band and band49-52
• 4.3.2.1 Frenkel excitons50
• 4.3.2.2 Wannier-Mott excitons50-51
• 4.3.2.3 Charge-transfer exciton (CT exciton)51-52
• 4.3.3 Peierls Transition52-53
• Chapter 5 Proposed Double Gaussian Model with Non-Symmetric Potential Barriersat Contacts for Organic Diodes53-70
• 5.1 Introduction53-55
• 5.2 Fundamental Model55-60
• 5.3 Analysis60-64
• 5.4 Application to devices64-70
• Chapter 6 Introduced The Exponential Tail For Organic Diodes By Using NewDensity Of State In Mobility Edge Model70-81
• 6.1 Introduction70-71
• 6.2 Improvement of ME model71-75
• 6.3 Application to devices75-81
• Chapter 7 Modified Transport Model For Organic Diodes Considering NeutralCondition And Two Type Of Density Of State81-97
• 7.1 Introduction81-82
• 7.2 Advance of new DOS and modified drift-diffusion model82-88
• 7.3 Application to devices88-97
• Chapter 8 Improved Model For Diffusion-Limited Current In OrganicMetal-Insulator-Metal Diodes97-112
• 8.1 Introduction97-98
• 8.2 Outline of fundamental formulae98-100
• 8.3 Application to device100-112
• Chapter 9 Conclusion112-114
• Acknowledgement114-115
• References115-127
• Research Results Obtained During the Study for Doctorate Degree127-128

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