【摘要】：有機薄膜晶體管(organic thin-film transistor,OTFT)作為有機電子學(xué)領(lǐng)域內(nèi)的一種基本電子元器件,具有材料來源廣泛、制備工藝簡單、與柔性及大面積襯底兼容等顯著優(yōu)點,近年來在柔性集成電路、物理及化學(xué)傳感器、可穿戴器件等領(lǐng)域受到了廣泛的研究關(guān)注。隨著載流子遷移率的不斷提升,OTFT的器件性能已經(jīng)能夠勝任諸多實際應(yīng)用的需求,因而當(dāng)前研究的重點正逐漸地由器件性能的優(yōu)化向功能化應(yīng)用的探索轉(zhuǎn)移。其中,基于OTFT的氣體傳感器,由于其具有敏感材料設(shè)計靈活、信號放大、多參數(shù)檢測等特點,在危險氣體探測與智慧醫(yī)療領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。以往研究者主要圍繞敏感材料的化學(xué)結(jié)構(gòu)修飾、薄膜形貌調(diào)控、界面工程等方面對氣體探測性能進行優(yōu)化,然而,絕大多數(shù)的氣體敏感層都由單一有機敏感材料組成,這極大地限制了其本征的氣敏響應(yīng)。因此,本工作中,我們將半導(dǎo)體聚合物/寬帶隙共軛聚合物混合的方法引入OTFT型氣體傳感器中,研究了混合體系對器件性能及氣敏特性的影響。研究內(nèi)容主要包括以下三個部分:1.基于聚3-己基噻吩(poly(3-hexylthiophene),P3HT)/聚9-乙烯基咔唑(poly(9-vinylcarbazole),PVK)混合體系,通過調(diào)節(jié)敏感層中的混合比例,我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)質(zhì)量比為1:1時,器件對二氧化氮(NO_2)的響應(yīng)在整體氣體濃度范圍內(nèi)得到了最為顯著的提升,而此時的材料成本下降為純P3HT器件的1/8;同時,該器件具備良好的工作穩(wěn)定性、可重復(fù)性、可低壓工作能力與氣體選擇性等優(yōu)異特性。2.基于P3HT/(poly[N,N?-bis(4-butylphenyl)-N,N?-bis(phenyl)benzidine],poly-TPD)混合體系,我們發(fā)現(xiàn)隨著體系中poly-TPD含量的增加,混合器件在整體氣體濃度范圍內(nèi)對NO_2的氣敏響應(yīng)逐漸增大。特別地,當(dāng)poly-TPD的質(zhì)量占比為90%時,電流響應(yīng)度的提升最為明顯,最終實現(xiàn)了242.6 ppb的極限探測靈敏度;同時,器件具備良好的氣體選擇性與一定的環(huán)境穩(wěn)定性。3.上述兩種混合體系的研究中,當(dāng)柵極電壓由-40 V切換為0 V時,器件對NO_2的響應(yīng)得到了進一步的提升、功耗大幅降低,我們從多級陷阱-釋放模型與柵壓調(diào)節(jié)溝道深度的兩種理論角度,對柵壓調(diào)控氣敏響應(yīng)的機理進行了分析。綜上所述,本工作研究了聚合物混合體系對OTFT器件性能及氣體傳感性能的影響,并探究了柵極電壓對氣敏響應(yīng)的調(diào)控,為OTFT型氣體傳感器領(lǐng)域的敏感材料選擇、低電壓操作及性能優(yōu)化提供了新的思路。
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TN321.5
【圖文】：

薄膜晶體管及其氣體傳感器不斷深入，已經(jīng)形成了一套從其器一步地，在氣體傳感器的研究中，本參數(shù)指標(biāo)已經(jīng)確立，同時敏感材從上述各個方面對 OTFT 及其氣體的器件結(jié)構(gòu)端器件，OTFT 的基本結(jié)構(gòu)可以看iconductor, MIS）結(jié)構(gòu)衍生而來。如層與金屬層（柵極）之間，構(gòu)成了層的費米能級，使半導(dǎo)體層中的能層的界面處載流子累積或耗盡，最

(c) (d) 四種 OTFT 基本結(jié)構(gòu)的示意圖 (a) 頂柵底接觸；(b) 頂柵頂接觸；(c) 接觸；(d) 底柵頂接觸（Gate、Source、Drain 為柵、源、漏電極，Die為介電層，Organic Semiconductor 為有機半導(dǎo)體層，Substrate 為襯底）注意的是，OTFT 的器件結(jié)構(gòu)有可能對器件性能產(chǎn)生顯著的影柵結(jié)構(gòu)，頂柵型器件具有如下優(yōu)點：（1）柵電極與源、漏電極的打印工藝制備；（2）由于柵電極與介電層都沉積在半導(dǎo)體層產(chǎn)生了“自封裝”的效果，可以有效地減緩器件工作時環(huán)境變的影響，提升了器件的工作穩(wěn)定性。另一方面，如果考慮制備壞下方的有機半導(dǎo)體層，則底柵型器件更為適用。此外，就金件采用共面式（coplanar）結(jié)構(gòu)，即源、漏電極與溝道位于半導(dǎo)的接觸電阻更大，因此采用交錯式（staggered）結(jié)構(gòu)，即源、漏半導(dǎo)體層兩側(cè)更佳[83]。因此，在實際應(yīng)用中應(yīng)根據(jù)具體的參數(shù)件結(jié)構(gòu)。

工作時的電流電壓關(guān)系分為兩種，輸出特性、轉(zhuǎn)移源漏電壓和柵極電壓的變化。器件的工作模式可以道（gradual channel）”理論模型來近似分析，由于遠(yuǎn)小于垂直方向的電場，即需要長溝道器件，常見微米至數(shù)十微米，符合長溝道條件。該模型中，隨壓輸出特性經(jīng)歷從線性區(qū)（linear regime）逐漸到飽，如圖 2-3(a)所示。其中，線性區(qū)是指 VDS遠(yuǎn)小于于電阻，電流隨著 VDS增長而線性增加；當(dāng) VDS達(dá)一個高阻區(qū)不斷耗盡載流子，使得溝道呈夾斷（pi著 VDS的增長而增加，趨于飽和值，即進入飽和區(qū)G的關(guān)系，則會得到如圖 2-3(b)所示的轉(zhuǎn)移特性曲線重要參數(shù)，包括：閾值電壓（threshold voltage, VT）obility, ）、開態(tài)電流（on current, Ion）、關(guān)態(tài)電流（f ratio, Ion/Ioff）、開啟電壓（Von）、亞閾值擺幅（ swing, SS）。

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