organische elektronik einstieg in lukrative nischen ... · samsung galaxy s6 quelle: konica minolta...
TRANSCRIPT
www.tu-ilmenau.dePage 1
großflächig und flexible Substrate
billige Technologie
Funktionalität wie
• Lichtemission (transparente,
flexible, weisse OLEDs, Display)
• Energieerzeugung (Solarzelle)
• Sensorik
Organische Elektronik Einstieg in lukrative Nischen
VL Polymerelektronik Einführung
VL Polymerelektronik Einführung
www.tu-ilmenau.dePage 2
felxibles LG-Smartphone (Quelle: IDTechEx)
LG: OLED TV
OLED
Samsung Galaxy S6
Quelle: www.oled-info.com
Konica Minolta Beleuchtung
Quelle: CES 2016
Samsung Galaxy
Surface Tablet 12“
www.tu-ilmenau.dePage 3
VL Polymerelektronik Einführung
Potentielle Anwendungen:
Steuerung für Aktiv-Matrix-Displays (ID>10µA)
als Sensoren
in logischen Schaltkreisen
RFID-tag für 13.56MHz
PolyIC (P3HT, L=5µm)
Philips (P3HT, L=4µm)
OFET
www.tu-ilmenau.dePage 4
VL Polymerelektronik Einführung
ca. 20% der Effizienz von Si-
Solarzellen
flexibel deshalb neuartige
Anwendungen (z.B.
Stromversorgung für kleine mobile
Geräte wie MP3-Player, Skipass)
Solarzelle
Quelle: Fraunhofer ISE Freiburg
www.tu-ilmenau.dePage 5
VL Polymerelektronik Einführung
Atomorbitale
1s-Orbital 2s-Orbital
px-Orbital py-Orbital pz-Orbital
www.tu-ilmenau.dePage 6
VL Polymerelektronik Einführung
Beispiel: CH4
Hybridisierung
www.tu-ilmenau.dePage 7
VL Polymerelektronik Einführung
Ethen: C2H4
sp2-Hybrid -Bindung
-Bindung
Polyacetylen: (C2H2)n
www.tu-ilmenau.dePage 8
VL Polymerelektronik Einführung
Materialien
www.tu-ilmenau.dePage 9
VL Polymerelektronik Einführung
Dotierung
Shirakawa,
MacDiarmid,
Heeger
Dotierung von
Polyacetylen mit
Chlor, Brom oder
Jod
www.tu-ilmenau.dePage 10
VL Polymerelektronik Eigenschaften
Schrödinger-Gleichung
2 2
2
( ) ( , ) ( ) ( , )2
V r r k E k r km r
Operator pot. Gesamt-
kin. Energie Energie energie
( , ) - W e lle n fu n k tio nr k
( , ) ( )i r k
n kr k e u r Blochsche Theorem:
E(k)
kb- /2-/2
www.tu-ilmenau.dePage 11
VL Polymerelektronik Eigenschaften
1D Tight-Binding Modell
0 12 c o s ( )
kE E t k b
3
1( ) ( ) ( )
x a at d r r b e V r r
E0
www.tu-ilmenau.dePage 12
VL Polymerelektronik Eigenschaften
undimerisiert
dimerisiert
einfach: C-C > 1.39Å
doppel: C-C < 1.39Å
Ursache: Peierls Instabilität
Dimerisierung
www.tu-ilmenau.dePage 13
VL Polymerelektronik Eigenschaften
-3 -2 -1 0 1 2 3-6
-4
-2
0
2
4
6
kb
E(k
) (e
V)
0eV
0.75eV
t1=2.6eV
E0=0eV
2 2
0 1( 2 co s( ) s in ( ) )
kE E t kb kb
www.tu-ilmenau.dePage 14
VL Polymerelektronik Eigenschaften
1.39Å
1.36Å
1.42Å
1.34Å
1.54Å
www.tu-ilmenau.dePage 15
VL Polymerelektronik Eigenschaften
HOMO ()
LUMO (*)EC
EV
PPV (Poly-phenylen-vinylene)
Bändermodell anwendbar
Neutrale Polymerkette
www.tu-ilmenau.dePage 16
VL Polymerelektronik Eigenschaften
Entspricht einer Redoxreaktion:
Prozess verbunden mit:
Gegenionen zwischen Ketten
Ladungen auf der Kette
Erzeugen eines Paares von Zuständen im Gap
energetische Lage von Besetzung abhängig
Wechsel von Einfach- und Doppelbindung
Dotierung
www.tu-ilmenau.dePage 17
VL Polymerelektronik Eigenschaften
Polaron= Ladung + Gitterverzerrung
negativ positiv
www.tu-ilmenau.dePage 18
VL Polymerelektronik Eigenschaften
Polaronen im Bändermodell
HOMO (- 1 Zustand)
LUMO ( -1 Zustand) LUMO ( -1 Zustand)
HOMO (- 1 Zustand)
Q= - e S= ½ Q= e S= ½
negativ positiv
www.tu-ilmenau.dePage 19
VL Polymerelektronik EigenschaftenBipolaronen
HOMO (- 1 Zustand)
LUMO ( -1 Zustand) LUMO ( -1 Zustand)
HOMO (- 1 Zustand)
Q= - 2e S= 0 Q= 2e S= 0
negativ positiv
Bipolaron entsteht aus Polaronen gleicher Ladung
energetische Lage der Zustände ändert sich
www.tu-ilmenau.dePage 20
VL Polymerelektronik Eigenschaften
HOMO (- 1 Zustand)
LUMO ( -1 Zustand) LUMO ( -1 Zustand)
HOMO (- 1 Zustand)
Q= 0 S= 0 Q= 0 S= 1
Singulett Triplett
Exziton entsteht aus Polaronen unterschiedlicher Ladung
wichtig für OLED
www.tu-ilmenau.dePage 21
VL Polymerelektronik Eigenschaften
Nichtentartete Statistik
Polaronen Bipolaronen
0
0
e x p
( )e x p
F P
p
F P
p
E En n
k T
E Ep n
k T
0
0
22 e x p
( 2 )2 e x p
F B
B
F B
B
E En n
k T
E Ep n
k T
Bildungsenergien Dichten
EP
-EP
EB/2nP
EV
pP
nB
pB-EB/2
EFEC
log (Dichten)
www.tu-ilmenau.dePage 22
VL Polymerelektronik Eigenschaften
Bipolaronen Polaronen
energetisch günstiger
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.010
10
1012
1014
1016
1018
1020
1022
Polaronen
Bipolaronen
p
n
co
nce
ntr
atio
n (
cm
-3)
EF (eV)
Ep=0.8eV E
B/2=0.7eV
-1.0 -0.5 0.0 0.5 1.010
10
1012
1014
1016
1018
1020
1022
Ep=0.8eV E
B/2=0.9eV
co
nce
ntr
atio
n (
cm
-3)
EF (eV)
Polaronen
Bipolaronen
p
n
www.tu-ilmenau.dePage 23
VL Polymerelektronik Transport
Leitfähigkeit
www.tu-ilmenau.dePage 24
VL Polymerelektronik Transport
Struktur
www.tu-ilmenau.dePage 25
VL Polymerelektronik Transport
Hopping
R0 0 T0 g
3D
2D
1D
1 / 4
9 1
8 kF
N T
1 / 3
2
1
kF
DN T
1 / 2
1
1
2 kF
DN T
2 2
0e
F phN R
2 3 2
0e
F
D
phN R
2 3 2
0e
F
D
phN R
31 8 .1
kF
N
2
2
2 7
kD
FN
1
8
kD
FN
1
4
1
3
1
2
www.tu-ilmenau.dePage 26
VL Polymerelektronik Transport
Hopping
0 100 200 30010
-20
10-17
10-14
10-11
10-8
10-5
=107
cm-1
=2.418x1013
s-1
T (K)
(S
/cm
)
3D mit NF=10
19
(eVcm3
)-1
2D mit NF=10
20
(eVcm3
)-1
1D mit NF=2x10
21
(eVcm3
)-1
10-10
10-7
10-4
10-1
102
10-10
10-8
10-6
10-4
10-2
100
empirisch µ=0.76
3D
2D (NL=1/0.5nm)
1D (NA=1/(0.5nm)
2
)
µ (c
m2/V
s) (S/cm)
=107
cm-1
=2.418x1013
s-1
www.tu-ilmenau.dePage 27
VL Polymerelektronik Transport
AC-Leitfähigkeit
trans-polyacethylene polyethylene terephthalate
www.tu-ilmenau.dePage 28
VL Polymerelektronik Transport
DOS
1/ 2
2 1( )
k k
c
c CD N
T T
2
0 01
( ) e xp22
c
aa
N VD
0| |
( ) e x p2
c
c
a a
ND
Parabolische Bandstruktur
Gaußverteilung
Exp. Verteilung-1 0 1 2 3
1010
1012
1014
1016
1018
1020
1022
EC
E (eV)
D (c
m-3
eV-1
)
parabolisches Band
Gauß
exponentiell
EV
www.tu-ilmenau.dePage 29
VL Polymerelektronik Transport
2
0 01
( ) e xp22
c
aa
N VD
Gaußverteilung
breiter Übergang: nichtentartete Näherung?
40 30 20 10 0 -1010
-8
10-6
10-4
10-2
100
numerical
nondegenerated
degenerated
n/N
0
(V0-
F)/kT
a=100mV
-1001020304010
-8
10-6
10-4
10-2
100
numerical
nondegenerated
a/kT
0
1
2
3
4
5
6 n/N
0
(V0-
F)/kT
www.tu-ilmenau.dePage 30
VL Polymerelektronik Transport
0 0
0 0
| | | |( ) e x p e x p
2 2
c c
c
a a
N NTD
T k T k T
0 0
e xpk
c Fn T
N T T T
0
0 0
0
T
T ( )Te x p
T T ks in
T
c Fn
N T
exponentiell
Näherungen:
• Boltzmann for T > T0
Boltzmann nicht
anwendbar für T<T0
40 30 20 10 0 -1010
-8
10-6
10-4
10-2
100 broad, T>T
0
T/T0
1 analytical
numerical
0.65
0.3
approximated
0.65
0.3 T/T0
numerical
1.5
10
Boltzmann
1.5
10
n/N
0
c-
F/kT
narrow, T>T0
0 c F
T T a n d ε - ε /kT 1
www.tu-ilmenau.dePage 31
VL Polymerelektronik Transport
0( ) ex p Eµ µ T
T
g
Limketkai: Temperature- Konzentrations- und Feld- abhängig
Pool-Frenkel: von Temperatur und Feld abhängig
mit µ0(300)=10-3cm2/Vs; =3.4K(cm/V)1/2; g=6.66x10-3(cm/V)1/2
( ) ( )
0
031
0 0
2 2
1 6 e( ) w ith
e 2 2 k2 2 3
F
F
T
TT T
T TF
F
c F F
T T T Eµ p x T
B T T T T
with BC=2.8; T0=450K; 0=4.5x108S/cm; =0.58x108cm-1
www.tu-ilmenau.dePage 32
VL Polymerelektronik Transport
Pasveer/Coehoorn: Temperature- Konzentrations-
und Feld- abhängig
with a=1.6x10-7cm; h0=0.1eV; C1=2x10-3; C2=0.42; =0.08eV
2 2 3
0 1 2ˆ ˆ ˆ( , ) e x p ( ) e x p 0 .5 ( )( 2 )µ T p µ C C p a
2
3 / 2 eˆ( , ) ex p 0 .4 4 ( 2 .2 ) 1 0 .8 1
E aµ µ T p
2 2
0
0 2
ˆ ˆe ln ( ) ln ( ln 4 )ˆ 2
ˆk
aµ
T
www.tu-ilmenau.dePage 33
VL Polymerelektronik Transport
Beweglichkeit
Abhängigkeit von
Konzentration Feld
1010
1012
1014
1016
1018
1020
10-11
10-9
10-7
10-5
10-3
µ (
cm
2/V
s)
p (cm-3)
Pasveer
Limketkai (0=20S/cm)
Limketkai (0=400S/cm)
101
102
103
104
105
106
10-6
10-5
10-4
10-3
10-2
µ (
cm
2/V
s)
E (V/cm)
Pasveer
Limketkai
Pool-Frenkel
www.tu-ilmenau.dePage 34
VL Polymerelektronik OLED
+
-
Kathode
Anode+
-
HOMO
LUMO
1
1
2
23
3
h·4
Funktionsprinzip
www.tu-ilmenau.dePage 35
VL Polymerelektronik OLED
www.tu-ilmenau.dePage 36
VL Polymerelektronik OLED
MEH-PPVPoly[2-methoxy-5-(2-
ethylhexyloxy)-1,4-
phenylenevinylene]
ITO
Glas
MEH-PPV
Ca
Einschicht-OLED
www.tu-ilmenau.dePage 37
VL Polymerelektronik OLED
Einfluss
Kathodenmaterial Schichtdicke
Quelle: JAP vol. 75 (1994) p. 1656
• kaum Einfluss auf IU
• Abnehmende Effizienz
mit Zunahme Kathode
starker Einfluss auf IU
www.tu-ilmenau.dePage 38
VL Polymerelektronik OLED
Stromdichte
über Barriere:
e x p 1S
T
UJ J
U
Diffusionstheorie:1 / 2
0
2 e ( )= e N e x p
k
D D B
S C n
r
N U U VJ µ
T
Thermische Emission:
* 2
* 2 *
3
4 e k= T e x p m it
k
B
S
V mJ A A
T h
Tunnelstromdichte:
2 3 / 2* * 1 / 22e 4 ( 2 )
e x p - m it k 3e
B
B
VA E mJ
V E h
www.tu-ilmenau.dePage 39
VL Polymerelektronik OLED
Stromdichte
Raumladungsbegrenzter Strom (SCLC):
2
0 3
9
8r
UJ µ
d
Mott-Gurney:
SCLC mit tiefen Trap (exp. verteilt):
11
0
2 1
0
2 1e m it
1 ( 1)e
r
C
t
n TJ µ N
N L T
ggg
g
ggg
g g
www.tu-ilmenau.dePage 40
VL Polymerelektronik OLED
Hysterese
Ursache Traps
A: Diodenverhalten mit n=2.5
B: Bahnwiderstand R=5kW
C: Leckströme, Traps, SCLC
D: Anstieg durch Bildkrafteffekt
sehr langsame Messung schnelle Messung
www.tu-ilmenau.dePage 41
VL Polymerelektronik OLED
Hysterese: abhängig von Verzögerungszeit
Ursache Trapumladung
ITO/NPB/Ca-OLED
-6 -4 -2 0 210
-14
10-12
10-10
10-8
10-6
delay time (s)
0.5
2
10
65
+3V -> -7V
-7V -> +3V
abs
(I) (A
)
V (V)
www.tu-ilmenau.dePage 42
VL Polymerelektronik OLED
Trap bei Et – EV=0.5eV
Simulation
-8 -6 -4 -2 0 210
-22
10-20
10-18
10-16
10-14
10-12
10-10
I (A
)
V (V)
steady-state
transient with td=6s
-8V -> 1V
1V -> -8V
160 170 180 190 200
0
4
8
t (s) I (
10
-19A
)
-4.9V
3ms
www.tu-ilmenau.dePage 43
VL Polymerelektronik OLED
0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
simulation µ (cm2
/Vs)
10-3
10-5
fit
10-3
10-5
Im (M
)
Re (M)
10-4
10-2
100
102
104
106
108
0.00
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
simulation µ (cm2
/Vs)
10-3
10-5
fit
10-3
10-5
C1
C2
C3
R1
R2
Im (M
)
f (Hz)
R3
www.tu-ilmenau.dePage 44
VL Polymerelektronik OLED
Mehrschichtstruktur
Lochinjektionsschicht
CuPc
Lochtransportschicht
(HTL hole transport layer)
NPB
Elektronentransportschicht
(ETL electron transport layer)
Alq3
www.tu-ilmenau.dePage 45
VL Polymerelektronik OLED
Mehrschichtstruktur
zusätzlich EML emission layer
www.tu-ilmenau.dePage 46
VL Polymerelektronik OLED
Jablonski Diagramm
S0
S1
T1
FA P
iscic
A – Absorption; F - Fluoreszenz; P – Phosphoreszenz;
isc – inter system crossing; ic – internal conversion
www.tu-ilmenau.dePage 47
VL Polymerelektronik OLED
UDC Universal Display Corporation
Quelle: www.udcoled.com
www.tu-ilmenau.dePage 48
VL Polymerelektronik OLED
pin-OLED Technologie
pin-OLED auf Metallsubstrat
Quelle: www.novaled.com
www.tu-ilmenau.dePage 49
VL Polymerelektronik OLED
Quelle: www.novaled.com
www.tu-ilmenau.dePage 50
VL Polymerelektronik OLED
www.comedd.fraunhofer.de
Transparente OLED
PEDOT
basierte
Elektrodenhttp://www.oled-info.com
www.tu-ilmenau.dePage 51
VL Polymerelektronik OLED
www.comedd.fraunhofer.de
Farb-steuerbare OLED
www.tu-ilmenau.dePage 52
VL Polymerelektronik OLED
Roll-to-Roll (r2r) Technologie
Quelle: www.comedd.fraunhofer.de
www.tu-ilmenau.dePage 53
VL Polymerelektronik OLED
CIE Farbnormtabelle
R: 700nm x=0.7355 y=0.2645
G: 546,1nm x=0.2658 y=0.7243
B: 435,nm x=0.1669 y=0.0085
White point: x=0.3333 y=0.3333
www.tu-ilmenau.dePage 54
VL Polymerelektronik OLED
Liquid Crystal
White Backlight
Color Filter
Transparent Electrode
Polarizer
Polarizer
AC Voltage
(Field Effective)
LCD (liqiud crystal display)
www.tu-ilmenau.dePage 55
VL Polymerelektronik OLED
Cathode
Anode
EL Multi Layer
PassivationDC Current
OLED display
www.tu-ilmenau.dePage 56
VL Polymerelektronik OLED
OLED display
Side-by-side
www.tu-ilmenau.dePage 57
VL Polymerelektronik OLED
OLED display
Weiße OLED mit Farbfilter
www.tu-ilmenau.dePage 58
VL Polymerelektronik OLED
D a ta L i ne
S c an L i n e
EL
Passiv Matrix Display
mth Data Line
Rd
Rs Rs Rs
Cel CelEL EL EL
1st Scan line 2nd Scan line nth Scan line
Cel
Rd
www.tu-ilmenau.dePage 59
VL Polymerelektronik OLED
C a t h o d e
D a t a L i n e
S c a n L i n e E L
A n o d e
Aktiv Matrix Display
www.tu-ilmenau.dePage 60
VL Polymerelektronik OLED
Electrophoretic display
www.tu-ilmenau.dePage 61
VL Polymerelektronik OLED
Entwicklung
2007: Sony: OLED TV XEL-1, 11“Auflösung: 1024x600
Kontrast: 1.000.000:1
Helligkeit 200cd/m2
Lebensdauer: 30.000h
2009: LG: OLED TV 15“ Auflösung: 1366x768
Kontrast: 10.000.000:1
Reaktionszeit: 1ms
Dicke: 1.4mm
Lebensdauer: 30.000h
Quelle: www.oled-info.com
Samsung: transparente OLED
www.tu-ilmenau.dePage 62
VL Polymerelektronik OLED
Entwicklung
2009: Sony: 2.5“ rollbares Display mit OTFTAuflösung: 160x120
Kontrast: 1.000:1
Helligkeit 100cd/m2
Dicke: 300µm
Sony: OLED TV 21“ Auflösung: 1366x768
Kontrast: 1.000.000:1
Dicke: 1.4mm
Quelle: www.oled-info.com
www.tu-ilmenau.dePage 63
VL Polymerelektronik OLED
2010: CES (consumer electronic show) 3D-OLED TV
Sony: 24“ (1920x1080)
Samsung: 14“ und 14“-Notebook-Display 40% transparent
Samsung: Super AMOLED 3.1“in Wave S8500
Pixel-Anordnung: Pen Tile
RGBG
Sony: 4.1“ rollbares Display mit OTFTAuflösung: 432x240
Kontrast: 1.000:1
Helligkeit 100cd/m2
Dicke: 80µm
Quelle: www.oled-info.com
www.tu-ilmenau.dePage 64
VL Polymerelektronik OLED
2010: LG: OLED TV 31“ Dicke: 0.29cm
Refresh-Rate: 600Hz
2011: Samsung: Super AMOLED Plus 4.3“
in Galaxy S2Pixel-Anordnung: RGB
50% mehr Sub-Pixel
Quelle: www.oled-info.com
Du Pont: 4,3“ gedruckter AMOLED Dicke: 0.29cm
Refresh-Rate: 600Hz
www.tu-ilmenau.dePage 65
VL Polymerelektronik OLED
2012: CES 55“-Display
Samsung LG
RGB WRGB
Sharp: 13,5“ OLED TV (3840x2160)
und 3,4“ flexibles Display
(540x960)
Treibertransistoren: IGZO
www.tu-ilmenau.dePage 66
VL Polymerelektronik OLED
2013: CES Trend: gewölbte Displays oder 4K (3840x2160)
LG: 55“ OLED TV (1920x1080)
Modell EA9800
Dicke: 4,3mm
Preis: ca. 6.000,-€
Quelle: www.oled-info.com
Samsung: 55“ OLED TV (1920x1080)
Modell KE55S9C
Preis: ca. 8.000,-€
www.tu-ilmenau.dePage 67
VL Polymerelektronik OLED
Panasonic: 56“ 4K OLED TV
Modell KE55S9C
Dicke: 8,9mm
gedruckt
Sony: 56“ 4K2K OLED TV
Quelle: www.oled-info.com
2014: CES Trend: gewölbte Displays und 4K (3840x2160)
Panasonic: 58“ 4K OLED TV
geplant: 65“, 85“
www.tu-ilmenau.dePage 68
VL Polymerelektronik OLED
2014:
LG: 18“ OLED Display rollbar auf 3cm
Samsung: 55“ 4K
biegsam
Quelle: www.oled-info.com
2016:
LG: 77“ 4K OLED TV
www.tu-ilmenau.dePage 69
VL Polymerelektronik OLED
Beleuchtung
Quelle: www.oled-display.net
www.tu-ilmenau.dePage 70
VL Polymerelektronik OLED
Weiße OLED
Lichtausbeute:
Glühbirne: 15lm/W
Halogenlapmen: 19lm/W
Leuchtstoffröhre: 60lm/W
Energiesparlampe: 60…90lm/W
OLED muss 100lm/W erzielen
Quelle: Optik&Photonik April 2010
www.tu-ilmenau.dePage 71
VL Polymerelektronik OLED
Weiße OLED
Quelle: Optik&Photonik April 2010
www.tu-ilmenau.dePage 72
VL Polymerelektronik OLED
Triplett-Harvesting-Methode
Quelle: Optik&Photonik April 2010
Emitter: blau rot
X
www.tu-ilmenau.dePage 73
VL Polymerelektronik OLED
Auskopplungseffizienz
Quelle: Optik&Photonik April 2010
www.tu-ilmenau.dePage 74
VL Polymerelektronik OLED
EST 100meV
notwendig
Quelle: Nature, vol.492 (2012), p. 234
Thermally activated delayed fluorescence (TADF)
www.tu-ilmenau.dePage 75
VL Polymerelektronik OLED
Thermally activated delayed fluorescence (TADF)
Quelle: www.oled-info.com
www.tu-ilmenau.dePage 76
VL Polymerelektronik OLED
2009: Philips: Lumiblade
Osram: Orbeos
25lm/W , d=2mm, 2800K
2010:
Osram: flexible OLED
32lm/W , d 100µm, 1000cd/m2
Quelle: www.oled-info.com
www.tu-ilmenau.dePage 77
VL Polymerelektronik OLED
2013: Philips und Audi:
3D (gewölbte OF) OLED
Merck Material gedruckt
2014: LG Chem:
Tischlampe mit Smart
Phone steuerbar, 9 Modi
Quelle: www.oled-info.com
2015: Konica Minolta:
Japanisches
Tulpenfestival
www.tu-ilmenau.dePage 78
-
+Kathode
Anode
+
-
HOMO
LUMO
h·
Funktionsprinzip
VL Polymerelektronik Solarzelle
www.tu-ilmenau.dePage 79
VL Polymerelektronik Solarzelle
transparent electrode
PEDOT/PSSpolymer
fullerenemetal electrode
transparent electrode
PEDOT/PSS
metal electrode
Hetero-Zweischicht Bulk-Hetero
Löcherinjektion in p-HL (Donator, Polymer)
Elektronenijektion in n-HL (Akzeptor, Fulleren)
www.tu-ilmenau.dePage 80
VL Polymerelektronik Solarzelle
Funktionsprinzip Heterostruktur
Quelle IAPP
www.tu-ilmenau.dePage 81
VL Polymerelektronik Solarzelle
Elektron vom LUMO des
PPV in LUMO des CN-PPV
da energetisch günstiger
Ladungstrennung
www.tu-ilmenau.dePage 82
VL Polymerelektronik Solarzelle
Donator
AkzeptorC60
MDMO PPV
PCBM
www.tu-ilmenau.dePage 83
VL Polymerelektronik Solarzelle
IPHmax häufig bei negativen U
reduziert FüllfaktorEinfluss Serienwiderstand
www.tu-ilmenau.dePage 84
VL Polymerelektronik Solarzelle
www.tu-ilmenau.dePage 85
VL Polymerelektronik Solarzelle
Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/solar_cell
www.tu-ilmenau.dePage 86
VL Polymerelektronik Solarzelle
Tandemsolarzelle
Quelle: Science, vol.
317 , 222 (2007)
www.tu-ilmenau.dePage 87
VL Polymerelektronik Solarzelle
Quelle: Science, vol. 317 , 222 (2007)
TiOx electron transport
and collecting layer
www.tu-ilmenau.dePage 88
VL Polymerelektronik Solarzelle
Quelle: Science, vol. 317 , 222 (2007)
Tandemzelle
Jsc = 7.8mA/cm2; Voc = 1.24 V
FF = 0.67 he = 6.5%
Einzelzellen
PCPDTBT:PCBM he = 3%
P3HT:PC70 BM he = 4.7%
www.tu-ilmenau.dePage 89
VL Polymerelektronik Solarzelle
www.tu-ilmenau.dePage 90
VL Polymerelektronik Solarzelle
Quelle: heliatek.com
Solarfolie Solarzelle
www.tu-ilmenau.dePage 91
VL Polymerelektronik Solarzelle
Grätzel-Zelle (Farbstoffzelle)
www.tu-ilmenau.dePage 92
VL Polymerelektronik Solarzelle
Grätzel-Zelle (Farbstoffzelle)
HTM - hole-transport material (poly-triarylamine)
FTO - fuorine-doped tin oxide
CH3NH3PbI3 - perovskite
Quelle: DOI: 10.1038/NPHOTON.2013.80
www.tu-ilmenau.dePage 93
VL Polymerelektronik OFET
Si - MOSFET
S
G
p-siliconD
n+ n+• Inversionstransistor
• ID unabhängig von Si-Dicke
G
polymer
S D
Au Au
OFET
• Anreicherung und Verarmung
• dünne Schicht für Ausschalten TFT
www.tu-ilmenau.dePage 94
VL Polymerelektronik OFET
0 -2 -4 -6 -80
-2
-4
-6
I D (µ
A)
UDS
(V)
VGS
= -8V
-6V
-4V
-2V
2 0 -2 -4 -6 -80
-2
-4
-6
I D (n
A)
UGS
(V)
VDS
= -8V
VDS
= -1V
Ausgangs-KLF Transfer-KLF
p-Kanal-OFET
www.tu-ilmenau.dePage 95
VL Polymerelektronik OFET
Shockley Gleichung
( )
2
''fo r
2
D S
D is G S th D S D S G S th
VwI C V V V V V V
L
( )2
''fo r
2
G S th
D is D S G S th
V VwI C V V V
L
Aktiver Bereich:
Sättigungsbereich:
www.tu-ilmenau.dePage 96
VL Polymerelektronik OFET
Beweglichkeit
Aktiver Bereich:
Sättigungsbereich:
''
D S
D
m is D S
G S V
d I wg C V
d V L
''
2D S
D
is
G SV
d I wC
d V L
www.tu-ilmenau.dePage 97
VL Polymerelektronik OFET
p-leitende Materialien
www.tu-ilmenau.dePage 98
VL Polymerelektronik OFET
p-leitende
Polymere
Adv. Mater. 2013, 25, 4210
www.tu-ilmenau.dePage 99
VL Polymerelektronik OFET
n-leitende Materialien
www.tu-ilmenau.dePage 100
VL Polymerelektronik OFET
n-leitende
Polymere
Adv. Mater. 2013, 25, 4210
www.tu-ilmenau.dePage 101
VL Polymerelektronik OFET
ambipolare
Polymere
Adv. Mater. 2013, 25, 4210
www.tu-ilmenau.dePage 102
VL Polymerelektronik OFET
n+-silicon gate
SiO2
OH OH OH OH
SiO2
O O O O
Si(CH3)3 Si(CH3)3 Si(CH3)3Si(CH3)3
SiO2
Silanisierung
O2-Plasma: 2 min @ 300W
HMDS: 26 h @ 60°C
Spülen: 3min Toluol, 3min Diethylether
www.tu-ilmenau.dePage 103
VL Polymerelektronik OFET
Organische Isolatoren
PVP- polyvinylphenol PVC - polyvinylchloride
PS – polystyrene PVDF - polyvinylidenfluoride
PMMA - polymethylmetacrylate PMS – poly[-methylstyrene]
PVA – polyvinylalcohol CYPEL - cyanoethylpullulan
www.tu-ilmenau.dePage 104
VL Polymerelektronik OFET
AlOx+SAM
N-alkyl phosphonik acids Cn-PA
Quelle: Org. Elec. 10(2009)1442
2.44nm … 0.41nm
www.tu-ilmenau.dePage 105
VL Polymerelektronik OFET
Organic semiconductor
Substrate
Gate dielectric
Gate electrode
Drain Source
Organic semiconductor
Substrate
Gate dielectric
Source
Gate electrode
Drain
Gate dielectric
Substrate
Organic semiconductor
Source Drain
Gate electrode
Source
Gate dielectric
Substrate
Organic semiconductor
Gate electrode
Drain
TOP gate
bottom gate
www.tu-ilmenau.dePage 106
VL Polymerelektronik OFET
S
Substrat
Org. HL
IsolatorD
G
S
Substrat
Org. HL
Isolator
D
G
TOC BOC
G
S D
insulator
G
S D
insulator
www.tu-ilmenau.dePage 107
VL Polymerelektronik OFET
6,13-bis(triisopropylsilylethynyl)
pentacene (TIPS-Pentacen)
Schichtherstellung aus der Lösung
Tempern bei ca. 100°C
Beweglichkeit 0.1 … 1cm2/Vs
2,8difluoro-5,11-bis(triethylsilylethyny)
anthradithiophene (diF-TESADT)
www.tu-ilmenau.dePage 108
VL Polymerelektronik OFET
Soft lithography Ink-jet
Quelle: APL 85 (2004) 5730 Quelle: nmat 3 (2004) 137
www.tu-ilmenau.dePage 109
VL Polymerelektronik OFET
02 | 2 |
e
ln
b
d ep
A
A
b T
i
lN
NU
n
maximale Schichtdicke abhängig von Dotierung
p o ly d ep
d l
1016
1017
1018
1019
0
50
100
150
200
250
NA (cm-3)
l dep
(nm
)
EG=2eV
r=3
www.tu-ilmenau.dePage 110
VL Polymerelektronik OFET
Schwellspannung
1015
1016
1017
1018
0
5
10
15
20
25
dP3HT
=20nm
dP3HT
=40nm
dPVP
(nm)
400
200
50
Vth
(V)
NA (cm
-3
)
0 100 200 300 400 5000
5
10
15
20
25
Vth (
V)
dPVP
(nm)
dP3HT
(nm)
60
40
20
10
2
''
e2 fo r
A P o ly P o ly
th F B b P o ly d ep
is d ep
N d dV V d l
C l
www.tu-ilmenau.dePage 111
VL Polymerelektronik OFET
Schwellspannung
2
'' '' ''
e 1 12 e
2
A P o ly P o ly
th F B b F B A P o ly
is d ep is g eo
N d dV V V N d
C l C C
www.tu-ilmenau.dePage 112
VL Polymerelektronik OFET
2 1
0
2 1
( )
d s
d
gu
m
g s g d
ih
i
gh
j C C
Grenzfrequenz
Transitfrequenz: f=fT für |h21|=1
CgdCgs gm vgs
ig id
S
Vds=0
www.tu-ilmenau.dePage 113
VL Polymerelektronik OFET
10-3
10-2
10-1
100
101
0.1
1
10
100
fT
100kHz
1MHz
10MHz
L (µ
m)
µ (cm2
/Vs)
VGSeff
=10V
Polymere Oligomere
''
''
2
S ä tt ig u n g :
( )
2 ( )
( )2
g s g d in s in s
m in s G S th
m
T
g s g d
T G S th
C C C C w L
wg µ C V V
L
gf
C C
µf V V
L
Grenzfrequenz
www.tu-ilmenau.dePage 114
VL Polymerelektronik OFET
Grenzfrequenz
BOC-OFET: dox=50nm; dP3HT=50nm; µ=0.02cm2/Vs
Aktiver Bereich: VDS=-1V; VGS=-6V
10-4
10-2
100
102
104
106
108
0
50
100
150
200
250
curr
ent g
ain
|h21
| (dB
)
frequency (Hz)
L (µm)
20
10
6
2
1
0.5
0.2
0.05
22
T D S
µf V
L
0.1 1 1010
2
104
106
108
simulation
analytical
cuto
ff fre
quen
cy (H
z)
channel lenght (µm)
www.tu-ilmenau.dePage 115
VL Polymerelektronik OFET
2 ( )
m
T
in s p a ra s it ic
gf
C C
Einfluss parasitärer Kapazitäten:
Reduzierung durch
selbstjustierte Kontakte
z.B. durch
Rückseitenbeleuchtung
S D
gate
Cp CinsCp
P3HT S D
gate
Cins
P3HT
Photoresis
t
S D
Folien-Substrat
Polymer
Organisher IsolatorG ResistResist
www.tu-ilmenau.dePage 116
VL Polymerelektronik OFET
Grenzfrequenz S/D zu Gate Überlappung
BOC
oL oL
D S
t
p a r2 ( )
µVf
L L L
2p a r o L
L L 0.1 1 1010
2
104
106
108
VGS
=-6V; VDS
=-1V
f T (H
z)
L (µm)
simulation
oL=0
oL=5µm
oL=10µm
analytical
www.tu-ilmenau.dePage 117
VL Polymerelektronik OFET
S
G
DS‘ D‘RS RD
D S
T 2
''
o L G S th2 ( ) 1 2 ( )
in s
µVf
wL L L µ C R V V
L
0,01 0,1 1 10 10010
1
102
103
104
105
106
channel length (µm)
cuto
ff fre
quen
cy (H
z)
R (MW)
3.5
35
350
D G S th
A n n a h m e :
S DR R R
R I V V
Einfluss von Serienwiderständen
www.tu-ilmenau.dePage 118
VL Polymerelektronik OFET
BOC
Einfluss von Serienwiderständen
0.1 1 1010
2
104
106
108
simulation
oL=0
oL=5µm
oL=10µm
analytical
VGS
=-6V; VDS
=-1V
f T (H
z)
L (µm)
R=0
R=1.75kWcm
0.1 1 1010
2
104
106
R=0
R=1.75kWcm
LoL
=5µm
cuto
ff fre
quen
cy (H
z)
channel lenght (µm)
TOC
BOC
Rpa
r
Rpa
r
TOC
www.tu-ilmenau.dePage 119
VL Polymerelektronik OFET
Kapazitäten Cgs und Cgd
-3 -2 -1 00
100
200
300
400
500
VDS
(V)
0
-0.5
-1
-1.5
Cgd
Cgs
Cp (p
F)
VGS
(V)
0 -1 -2 -30
100
200
300
400
500
Cgd
Cgs
Cp (p
F)
VDS
(V)
VGS
=-2V
-2.5V
-3V
OFET mit AlOx/SAM Isolator dis=5.3nm; L=200µm; f=500Hz
www.tu-ilmenau.dePage 120
VL Polymerelektronik OFET
Simulation für P3HT-OFET: µ=10-3cm2/Vs; NA=1016cm-3
Kontakt
-50
-40
-30
-20
-10
0-12 -10 -8 -6 -4 -2 0
VBp
(eV)
0
0.3
0.4
VGS
(V)
I D (p
A/µ
m)
TOC
BOC
5
4
3
2
1
00 -2 -4 -6 -8 -10 -12
VGS
(V)
gm
(pS
/µm
)
VBp
(eV)
0
0.3
0.4
TOC
BOC
TKL SteilheitVDS= -1V
www.tu-ilmenau.dePage 121
VL Polymerelektronik OFET
Simulation für P3HT-OFET: µ=10-3cm2/Vs; NA=1016cm-3
Kontakt
VGS= -12V
0 -2 -4 -6 -8 -10 -120
-50
-100
-150
-200
-250
VBp
(eV)
0
0.3
0.4
TOC
BOC
I D (p
A/µ
m)
VDS
(V)
G
S D
insulator
G
S D
insulator
BOC
TOC
www.tu-ilmenau.dePage 122
VL Polymerelektronik OFET
Einfluss des Schottky-Effektes
VGS = -3V S/D=4.6eV
0
e
4B p
r
EV
Barrierenerniedrigung:
OFET mit AlOx/SAM Isolator dis=5.3nm; L=2µm
0 -1 -2 -30
-10
-20
-30
4.5eV
4.6eV
4.7eV
S/D
= 4.8eV
I D (µ
A)
VDS
(V)
0 -1 -2 -30
1
2
3
4
5
S/D
= 4.6eV
-1.8V
-2.1V
-2.4V
-2.7V
VGS
= -3V
gd (µ
S)
VDS
(V)
www.tu-ilmenau.dePage 123
VL Polymerelektronik OFET
ol ol
5µm
Einfluss der S/D-Überlappung im TOC
VGS = -12V, L=25µm
0 -2 -4 -6 -8 -100
-20
-40
-60
-80
-100
-120
-140
TOC ol (µm)
5
2.5
0.5
0
BOC
I D (p
A/µ
m)
VDS
(V)
VBp
(eV)
0
0.4
www.tu-ilmenau.dePage 124
VL Polymerelektronik OFET
-250
-200
-150
-100
-50
00 -2 -4 -6 -8 -10 -12
VDS
(V)
I D (n
A)
µ (cm
2
/Vs)
1x10-3
1x10-6
1x10-7
Anisotropie der Beweglichkeit für TOC
µ|| =10-3cm2/Vs
0 -2 -4 -6 -8 -10 -120
2
4
6
8
10
12 -12
-10
-8
-6
gd (
nS
/µm
)
VDS
(V)
G
S D
insulator
µ||µ µ
VGS=-12V
µ =10-7cm2/Vs
www.tu-ilmenau.dePage 125
VL Polymerelektronik OFET
Beweglichkeitsmodelle
BOC: TPD-MEH-PPV-OFET: L=25µm; dox=100nm
10-8
10-6
10-4
10-2
100
-8 -6 -4 -2 00.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
constant
Limketkai
with T0=400eV
Pasveer/Coehorn
=0.08eV
ID/I
D(-
8V
)
ID/I
D(-
8V
)
VGS
(V)
VDS=-1V
nichtlineare Kennlinie
0 -2 -4 -6 -8 -100.0
-0.5
-1.0
-1.5
-2.0
-2.5
L (µm)
25
1
constant
Limketkai with T0=400eV
Pasveer/Coehorn =0.08eV
I D*L
/w (
nA
)V
DS (V)
VGS=-10V
www.tu-ilmenau.dePage 126
VL Polymerelektronik OFET
Modifizierte IV-Charakteristik (Marinov/Deen)
oberhalb Subthreshold- Subthreshold-Bereich
2 2
0
( , ) ( , )(1 | |)
2
E O D R E O D RG S S G S D
D is D S
V V V V V VwI µ C V V
L
g g
g
( )
0{ ( )} m it 0
G S th
µµ V V V x
V
g
g
g
g
( , ) ln 1 e x pG S th
E O D R G S S S
S S
V V VV V V V
V
( , ) e x pG S th
E O D R G S S S
S S
V V VV V V V
V
( , )
E O D R G S G S thV V V V V V
www.tu-ilmenau.dePage 127
VL Polymerelektronik OFET
Source Drain40 nm pentacene
300 nm SiO2
heavily doped Si
Gate
OTS
OFET
L=30µm; w=600µm
µ=0.85cm2/Vs
LUMO=3.22eV
HOMO=5.07eV -50 -25 0 25 5010
-15
10-12
10-9
10-6
10-3
S=60mV/dec
S=930mV/dec
measurement
simulation
without traps
I D (A
)
VGS
(V)
VDS=-50V
www.tu-ilmenau.dePage 128
VL Polymerelektronik OFET
Exponentielle Traps
VDS = -50V
Donator: N0,td=1019cm-3; Es=0.1eV
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 5010
-17
10-15
10-13
10-11
10-9
10-7
10-5
I D (
A/µ
m)
VGS
(V)
E0-E
V (eV)
without
0
0.1
0.2
0.3
Akzeptor: N0,td=1018cm-3; Es=0.1eV
-50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 5010
-17
10-15
10-13
10-11
10-9
10-7
10-5
I D (
A/µ
m)
VGS
(V)
EV-E
0 (eV)
without
0
0.3
0.5
0.7
0.9
www.tu-ilmenau.dePage 129
VL Polymerelektronik OFET
DNTT: L=2µm; w=20µm; dox=30nm; dDNTT=30nm
3.6nm AlOx + 1.7nm SAM gate dielectric
0 -1 -2 -30
-4
-8
-12
LC (µm)
200
20
5
VGS
= -3 V
I D (µ
A)
VDS
(V)
Nichtlinearität bei kleinen VDS
www.tu-ilmenau.dePage 130
VL Polymerelektronik OFET
Drainleitwert
Messung LC =5µm Simulation mit Traps
0 -1 -2 -30
1
2
3
-1.8V
-2.1V
-2.4V
-2.7V
VGS
= -3V
gd (µ
S)
VDS
(V)
0 -1 -2 -30
2
4
6
gd (µ
S)
VDS
(V)
VGS
= -3V
-2.7V
-2.4V
-2.1V
-1.8V
D0=2x1020cm-3eV-1
E0-EV =0.1eV and ES=0.1eV
www.tu-ilmenau.dePage 131
VL Polymerelektronik OFET
0,0 0,5 1,0 1,510
14
1016
1018
1020
Acceptor-like
states DA(E)
energy (eV)
desn
ity o
f sta
tes
(cm
-3eV
-1)
EV
EC
deep states
tail states
Donor-like
states DD(E)
0, ,
0 ;( ) e x p
A D A D
A D
S
E ED E D
E
Amorphes Si-Modell für Traps
www.tu-ilmenau.dePage 132
VL Polymerelektronik OFET
Ambipolare OFETs
silicon
SiO2
pentacene
PTCDI-C13H27
Au
Mg
+-
Rekombinationsrate
www.tu-ilmenau.dePage 133
VL Polymerelektronik OFET
Ambipolare OFETs
www.tu-ilmenau.dePage 134
VL Polymerelektronik OFET
Ambipolare OFETs
1,8-naphtoylene(trifluoromethylbenzimidazole)
-4,5-dicarboxylic acid imide
pentacene
Appl. Phys. Lett. 2013, 10, 073303
www.tu-ilmenau.dePage 135
VL Polymerelektronik OFET
Sony Mai 2010: OLET organic light-emitting transistor
15nm
40nm
7nm
Vorteil:
Effizienz h =5% OLED 2%
Nachteil:
geringe Leuchtdichte
h+
e-emission
www.tu-ilmenau.dePage 136
VL Polymerelektronik OFET
Ambipolare OFETs
Adv. Mat. 2012, 24, 647
diketopyrrolopyrrole-thienothiophene
www.tu-ilmenau.dePage 137
VL Polymerelektronik OFET
OFET für Electrophoretic Displays
Quelle: J. of Displ. Techn. 3 (2007) 57
www.tu-ilmenau.dePage 138
VL Polymerelektronik OFET
OFET für AMOLED
Quelle: Plastic Electronics Conf. 2010
www.tu-ilmenau.dePage 139
VL Polymerelektronik OFET
Sony Mai 2010: Rollable OTFT driven OLED display
OFET:
L=5µm
µ=0.4cm2/Vs
Ion/Ioff = 106
Größe: 4.1 inch wide; 80µm dick
Pixelzahl: 432x240xRGB pixel
Pixelgröße: 210µmx210µm
Auflösung: 121ppi (pixel per inch)
Max. Leuchtdichte: >100cd/m2
Kontrast: >1000:1
Min. Krümm.-Rad.: 4mm
Treiberschaltung: 2T-1C
www.tu-ilmenau.dePage 140
VL Polymerelektronik OFET
Charge trapping memory
AuNP
Quelle: Nano Letters 10 (2010) 2884PVP ca. 400nm
www.tu-ilmenau.dePage 141
VL Polymerelektronik OFET
Floating gate OFET
Quelle: Science vol. 326, p.1516 Sekitani
AlOx (4nm)/SAM (2nm)
L=50µm, w=500µm
www.tu-ilmenau.dePage 142
VL Polymerelektronik OFET
Floating gate OFET
Quelle: Science vol. 326, p.1516 Sekitani
Strom durch Isolator
www.tu-ilmenau.dePage 143
VL Polymerelektronik OFET
13.56 MHz RFID tag
Quelle: Plastic Electronics Conf. 2010
Logik
Modulation
www.tu-ilmenau.dePage 144
VL Polymerelektronik OFET
Schottkydiode
300nm
50MHz:
Adiode=10µmx170µm
RL=50kW;CL=47nF;
Vsupply=10V; VA=18V
Quelle: Nature Mat. 4 (2005) 597
Digitale Schaltungen MOS-basiert
www.tu-ilmenau.dePage 145
VL Polymerelektronik OFET
statische Techniken dynamische Techniken
NMOS PMOS CMOS d-MOS CCD
CMOS (complementary MOS) - Inverter
www.tu-ilmenau.dePage 146
VL Polymerelektronik OFET
Problem für OFET - Inverter:
p und n-Kanal OFETs mit einstellbarer Vth auf einem Substrat
Vout
Vin
Inverter Kenngrößen
www.tu-ilmenau.dePage 147
VL Polymerelektronik OFET
dynamische Kennwerte:
Leistungsaufnahme beim Schalten
Verzögerungszeiten
Noise margin (Reserve Signal- zu Rauschpegel)
Vout
Vin
Vtrip
Statische Kennwerte:
Ausgangs Low-Pegel VOL
Ausgangs High-Pegel VOH
midpoint VoltageVM
Verstärkung (gain) = ∂Vout/∂Vin
Vtrip – Differenz zwischen gain = -1
Ausgangsstrom High-Zustand IDD(OH)
Ausgangsstrom Low-Zustand IDD(OL)
statische Leistungsaufnahme
www.tu-ilmenau.dePage 148
• semiconductor properties• bottom contact device
" -2
5 .3 n m
6 8 5 n F c m
4 .1
3 0 n m
5µ m
o x
o x
o x
sc
d
C
d
L
1 6 -3
2 -1 -1
3 .0 e V , 2 .0 e V
5 1 0 c m
0 .1c m V s
g
A
E
N
Transistor Parameters
VL Polymerelektronik OFET
-3 -2 -1 0 110
-12
10-11
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
Nif [cm
-2]
0
1x1012
-1x1012
-5x1012
I D [
A]
VGS
[V]
L=5µm, w=100µmV
DS=-3V
Diode load inverter
(PELS p-channel enhancement load saturation)
www.tu-ilmenau.dePage 149
VL Polymerelektronik OFET
p-Kanal Anreicherungstyp Vth < 0V
|VDS| > |VGS-Vth| Last in SättigungTreiber weit und kurz, Last schmal und lang
0 1 2 30
1
2
3
20
10
5
2
1
=(w/L)Treiber
/(w/L)Last
Vo
ut [
V]
Vin [V]
0 1 2 30
1
2
3
4
20
10
5
2
1
=(w/L)Treiber
/(w/L)Last
ga
in [1
]
Vin [V]
PELT p-channel
enhancement load triode
www.tu-ilmenau.dePage 150
Vee > 0V -> |VDS| < | VGS-Vth|
-> linearer Bereich
VL Polymerelektronik OFET
0 1 2 30
1
2
3
N''
if [cm
-2]
11012
-11012
Vee
[V]
0.0 0.5 1.0
Vo
ut [
V]
Vin [V]
0 1 2 30
1
2
3
4
N''
if [cm
-2]
11012
-11012
VSS
[V]
0.0 0.5 1.0
ga
in [1
]
Vin [V]
zero VGS load inverter
PDLT (p-ch. depletion
mode technology)
www.tu-ilmenau.dePage 151
0 1 2 30
5
10
15
20
25
Nit [10
12cm
-2]
5
5
1
w load [µm]
1000
200
1000
drive: L=5µm, w=1000µm
load: L=5µm
ga
in [1]
Vin [V]
0 1 2 30
1
2
3
w load [µm] 1000 200 1000
Nit [10
12cm
-2]
5 5 1
Vo
ut [
V]
Vin [V]
drive: L=5µm, w=1000µmload: L=5µm
Modifikation der Schwellspannung
durch Grenzflächenzustände Nit
VL Polymerelektronik OFET
Vergleich der Invertertypen dynamisch
0 5 10 15 20 25
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
V [
V]
time [ms]
Vin
Vout
PELT (Vee
=1.0V)
PELS
PDLT
www.tu-ilmenau.dePage 152
VL Polymerelektronik OFET
PDLT-Inverter mit Doppel-
gate Transistoren
www.tu-ilmenau.dePage 153
-3 -2 -1 0 110
-11
10-10
10-9
10-8
10-7
10-6
10-5
10-4
doxtg
=100nm
w=1000µm
Nif=1x10
12cm
-2
L=5µm
VDS
[V]
-3
-0.2
Vtg-source
[V]
3
0
-3
I D [A
]
VGS
[V]
Zusätzlich:
Top-Gate 100nm BCB
Austrittsarbeit 4.3eV
0 1 2 30
1
2
3
Vtg-gnd
[V]
0
-3
-6
-10
=1
Vo
ut [
V]
0 1 2 3
0
1
2
3
4
5
Vtg-gnd
[V]
0
-3
-6
-10
=1
ga
in [1
]
Vin [V]
VL Polymerelektronik OFET
Plastik Prozessor
Intel 4004 4bit µP Imcec plastic 8bit µP
Jahr 1971 2011
Größe 0,3 x 0,4cm2 DIP16 1,96 x 1,72cm2 25µm Folie 32pins
U / P 15V / 1W 10V / 92µW
Halbleitermaterial Silicon PMOS µ~450cm2/Vs Pentacence µ~0,15cm2/Vs
Transistoranzahl 2300 3381
Kanallänge/Wafer 10µm / 2“ Wafer 5µm / 6“ Wafer
Operationen/s 92000 40
http://www.4004.com/ http://www.imec.be/
www.tu-ilmenau.dePage 154
VL Polymerelektronik OFET
Organic Electronics 8 (2007) 552–558Organic Electronics 11 (2010) 169–174
Unterschiedliche Gatematerialien
IEEE Trans. on Electr. Dev. 61 (2014) 2220
Organische PDLT-Inverter
www.tu-ilmenau.dePage 155
VL Polymerelektronik OFET
Organic Electronics 8 (2007) 552–558Organic Electronics 11 (2010) 169–174
IEEE Trans. on Electr. Dev. 61 (2014) 1175
Organische PELS-Inverter
www.tu-ilmenau.dePage 156
VL Polymerelektronik OFET
Probleme p-Kanal Inverter
• Leistungsaufnahme auch im stationären Fall
• eventuell verschiedene Schwellspannungen nötig
• Aspektverhältnis zwischen Treiber- und Lasttransistor
ungünstig
• geringe Verstärkung
Alternativen wie CMOS Schaltungen auch für OFET´s
notwendig
www.tu-ilmenau.dePage 157
VL Polymerelektronik OFET
Organische CMOS Inverter
App. Phys. Lett. , 104 (2014) 053301
www.tu-ilmenau.dePage 158
VL Polymerelektronik OFET
PVP
hexadecafluorphtalocyanine
Organische CMOS Inverter
App. Phys. Lett. , 104 (2014) 153303
www.tu-ilmenau.dePage 159
VL Polymerelektronik OFET
ambipolar: PTVPhI-Eh