半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能研究論文

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摘要：隨著科技和經(jīng)濟的進步發(fā)展，半導(dǎo)體器件在我們生活中的應(yīng)用越來越廣泛，而在半導(dǎo)體器件中有機半導(dǎo)體應(yīng)用最為廣泛。本文即將探索和解說有機半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能，揭開其神秘的面紗。該文主要從有機半導(dǎo)體同無機半導(dǎo)體的發(fā)展歷程及其其概念導(dǎo)入，其次在分析有機半導(dǎo)體的優(yōu)劣點，解說有機半導(dǎo)體的場效應(yīng)現(xiàn)象，最后以納米ZnO線(棒)的試驗解說其電學(xué)性質(zhì)

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體有機半導(dǎo)體電學(xué)性能

一、從有機半導(dǎo)體到無機半導(dǎo)體的探索

1.1有機半導(dǎo)體的概念及其研究歷程

什么叫有機半導(dǎo)體呢?眾所周知，半導(dǎo)體材料是導(dǎo)電能力介于導(dǎo)體和絕緣體之間的一類材料，這類材料具有獨特的功能特性。以硅、鍺、砷化嫁、氮化嫁等為代表的半導(dǎo)體材料已經(jīng)廣泛應(yīng)用于電子元件、高密度信息存儲、光電器件等領(lǐng)域。隨著人們對物質(zhì)世界認識的逐步深入，一批具有半導(dǎo)體特性的有機功能材料被開發(fā)出來了，并且正嘗試應(yīng)用于傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料的領(lǐng)域。

在1574年，人們就開始了半導(dǎo)體器件的研究。然而，一直到1947年朗訊(Lueent)科技公司所屬貝爾實驗室的一個研究小組發(fā)明了雙極晶體管后，半導(dǎo)體器件物理的研究才有了根本性的突破，從此拉開了人類社會步入電子時代的序幕。在發(fā)明晶體管之后，隨著硅平面工藝的進步和集成電路的發(fā)明，從小規(guī)模、中規(guī)模集成電路到大規(guī)模、超大規(guī)模集成電路不斷發(fā)展，出現(xiàn)了今天這樣的以微電子技術(shù)為基礎(chǔ)的電子信息技術(shù)與產(chǎn)業(yè)，所以晶體管及其相關(guān)的半導(dǎo)體器件成了當今全球市場份額最大的電子工業(yè)基礎(chǔ)。，半導(dǎo)體在當今社會擁著卓越的地位，而無機半導(dǎo)體又是是半導(dǎo)體家族的重中之重。

1.2有機半導(dǎo)體同無機半導(dǎo)體的區(qū)別及其優(yōu)點

與無機半導(dǎo)體相比，有點半導(dǎo)體具有一定的自身獨特性，表現(xiàn)在：

(l)、有機半導(dǎo)體的成膜技術(shù)更多、更新，如真空蒸鍍，溶液甩膜，Langmtrir一Blodgett(LB)技術(shù)，分子自組裝技術(shù)，從而使制作工藝簡單、多樣、成本低。利用有機薄膜大規(guī)模制備技術(shù)，可以制備大面積的器件。

(2)、器件的尺寸能做得更小(分子尺度)，集成度更高。分子尺度的減小和集成度的提高意味著操作功率的減小以及運算速度的提高。

(3)、以有機聚合物制成的場效應(yīng)器件，其電性能可通過對有機分子結(jié)構(gòu)進行適當?shù)男揎?在分子鏈上接上或截去適當?shù)脑雍突鶊F)而得到滿意的結(jié)果。同時，通過化學(xué)或電化學(xué)摻雜，有機聚合物的電導(dǎo)率能夠在絕緣體(電阻率一10一Qcm)到良導(dǎo)體這樣一個很寬的范圍內(nèi)變動。因此，通過摻雜或修飾技術(shù)，可以獲得理想的導(dǎo)電聚合物。

(4)、有機物易于獲得，有機場效應(yīng)器件的制作工藝也更為簡單，它并不要求嚴格地控制氣氛條件和苛刻的純度要求，因而能有效地降低器件的成本。

(5)、全部由有機材料制備的所謂“全有機”的場效應(yīng)器件呈現(xiàn)出非常好的柔韌性，而且質(zhì)量輕。

(6)通過對有機分子結(jié)構(gòu)進行適當?shù)男揎棧梢缘玫讲煌阅艿牟牧?，因此通過對有機半導(dǎo)體材料進行改性就能夠使器件的電學(xué)性能達到理想的結(jié)果。

1.3有機半導(dǎo)體材料分類

有機半導(dǎo)體層是有機半導(dǎo)體器件中最重要的功能層，對于器件的性能起主導(dǎo)作用。所以，有機半導(dǎo)體器件對所用有機半導(dǎo)體材料有兩點要求:

(l)、高遷移率；(2)、低本征電導(dǎo)率。

高的遷移率是為了保證器件的開關(guān)速度，低的本征電導(dǎo)率是為了盡可能地降低器件的漏電流，從而提高器件的開關(guān)比。用作有機半導(dǎo)體器件的有機半導(dǎo)體材料按不同的化學(xué)和物理性質(zhì)主要分為三類:一是高分子聚合物，如烷基取代的聚噬吩;二是低聚物，如咪嗯齊聚物和噬吩齊聚物;三是有機小分子化合物，如并苯類，C6。，金屬酞著化合物，蔡，花，電荷轉(zhuǎn)移鹽等。

二、制作有機半導(dǎo)體器件的常用技術(shù)

有機半導(dǎo)體性能的好壞多數(shù)決定于半導(dǎo)體制作過程因此實驗制備技術(shù)就顯得尤為重要。下面將對一些人們常用器件制備的實驗技術(shù)做簡要的介紹：

(1)、真空技術(shù)。它是目前制備有機半導(dǎo)體器件最普遍采用的方法之一，主要包括真空鍍膜、濺射和有機分子束外延生長(OMBE)技術(shù)。

(2)、溶液處理成膜技術(shù)。它被認為是制備有機半導(dǎo)體器件最有發(fā)展?jié)摿Φ募夹g(shù)，適用于可溶性的有機半導(dǎo)體材料。常用的溶液處理成膜技術(shù)主要包括電化學(xué)沉積技術(shù)、甩膜技術(shù)、鑄膜技術(shù)、預(yù)聚物轉(zhuǎn)化技術(shù)、分子自組裝技術(shù)、印刷技術(shù)等。

三、有機半導(dǎo)體器件的場效應(yīng)現(xiàn)象

為了便于說明有機半導(dǎo)體器件的場效應(yīng)現(xiàn)象，本文結(jié)合有機極性材料制作有機半導(dǎo)體器件對薄膜態(tài)有機場效應(yīng)進行分析。試驗中，將有機極性材料經(jīng)過真空熱蒸鍍提純之后溶在DMF溶液中，濃度是20Omg/ml，使用超聲波清洗機促進它們充分并且均勻的溶解，經(jīng)過真空系統(tǒng)中沉積黃金薄膜作為器件的源極和漏極。在類似條件下，在玻璃襯底上制作了極性材料的薄膜形態(tài)晶粒，研究發(fā)現(xiàn)：

在有機極性材料形態(tài)，有塊狀、樹枝狀和針狀。不同的薄膜態(tài)形態(tài)，在不同柵極電壓VG的作用下有不同的Ids(流過器件的源極和漏極的電流)一Vds(加在器件的源極和漏極之間的電壓)曲線。

1、塊狀形貌結(jié)構(gòu)的薄膜態(tài)有機器件的Ids－Vds(性能曲線，變化范圍是從－150V到15OV、柵極電壓的變化范圍是從－200V到200V。當柵極電壓Vg以100V的間隔從－200V變化到200V時，Ids隨著Vds的增加而增加，此時沒有場效應(yīng)現(xiàn)象。

2、針狀形貌結(jié)構(gòu)的薄膜態(tài)有機器件的Ids－Vds性能曲線，當Vds從－75V增加到75V，柵極電壓VG的變化范圍是一200V~20OV，遞增幅度是5OV。此時器件具有三種性能規(guī)律:(1)在固定的柵極電壓Vg下，當從Vds－75V增加到75V時，電流Ids也隨之增加;(2)在固定的外加電壓Vds下，當柵極電壓Vg從－2O0V增加到2OOV時，電流Ids也隨之增加;(3)如果沒有對器件施加Vds電壓，只要柵極電壓Vds存在，就會產(chǎn)生Ids電流，產(chǎn)生電池效應(yīng)。

通過上述的解說我們對有機半導(dǎo)體器件的電學(xué)性能已有一定的了解了。下面我們即將通過試驗來揭開其神秘的面紗。

四、有機半導(dǎo)體的光電性能探討——以納米ZnO線(棒)的光電性能研究為例

近年來，納米硅的研究引起了社會的廣泛的關(guān)注，本文中我們將采用場發(fā)射系統(tǒng)，測試利用水熱法制備的硅基陣列化氧化鋅納米絲的場發(fā)射性能。圖11是直徑為30和100nm兩個氧化鋅陣列的場發(fā)射性能圖,其中圖11a和b分別是上述兩個樣品的I_V圖和F_N圖。從圖11a中可以看出氧化鋅納米絲的直徑對場發(fā)射性能有很大的影響,直徑為30nm的氧化鋅陣列的開啟場強為2V/μm門檻場強為5V/μm;而直徑為100nm的氧化鋅陣列的開啟場強為3V/μm,門檻場強大于7V/μm。并且從圖11b中可以知道,ln(J/E2)和1/E的關(guān)系近似成線性關(guān)系,可知陰極的電子發(fā)射與F_N模型吻合很好,表明其發(fā)射為場發(fā)射,其性能比文獻報道的用熱蒸發(fā)制備的陣列化氧化鋅的場發(fā)射性能要好[25]。這主要是由于氧化鋅的二次生長,導(dǎo)致所得氧化鋅陣列由上下兩層組成,具有較高的密度以及較小的直徑,在電場的作用下,更多的電子更容易從尖端的氧化鋅納米絲發(fā)射,從而降低了它們的開啟場強和門檻場強。

我們測試了硅基陣列化納米ZnO的光致熒光譜,如圖12所示。從圖中可知,600~700℃和300~400℃下熱蒸發(fā)合成的陣列化ZnO納米絲的峰位分別在393nm(虛線)及396nm(實線)。PL譜上強烈的紫外光的峰證明:合成的ZnO納米絲有較好的結(jié)晶性能和較少的氧空位缺陷。由于在高溫區(qū)合成的納米絲有較細的尖端,故有少量藍移。

通過上述針對納米ZnO線(棒)的試驗，我們能對硅基一維納米的電學(xué)性能進行了初步的探討。相信這些工作將為今后的硅基一維納米材料在光電方面的應(yīng)用提供一個良好的基礎(chǔ)。

參考文獻

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