Organische Elektronik Einstieg in lukrative Nischen ... · Samsung Galaxy S6 Quelle: Konica Minolta...
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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
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VL Polymerelektronik Einführung
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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“
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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
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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
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VL Polymerelektronik Einführung
Atomorbitale
1s-Orbital 2s-Orbital
px-Orbital py-Orbital pz-Orbital
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VL Polymerelektronik Einführung
Beispiel: CH4
Hybridisierung
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VL Polymerelektronik Einführung
Ethen: C2H4
sp2-Hybrid -Bindung
-Bindung
Polyacetylen: (C2H2)n
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VL Polymerelektronik Einführung
Materialien
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VL Polymerelektronik Einführung
Dotierung
Shirakawa,
MacDiarmid,
Heeger
Dotierung von
Polyacetylen mit
Chlor, Brom oder
Jod
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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:
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E(k)
kb- /2-/2
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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
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VL Polymerelektronik Eigenschaften
undimerisiert
dimerisiert
einfach: C-C > 1.39Å
doppel: C-C < 1.39Å
Ursache: Peierls Instabilität
Dimerisierung
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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
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VL Polymerelektronik Eigenschaften
1.39Å
1.36Å
1.42Å
1.34Å
1.54Å
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VL Polymerelektronik Eigenschaften
HOMO ()
LUMO (*)EC
EV
PPV (Poly-phenylen-vinylene)
Bändermodell anwendbar
Neutrale Polymerkette
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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
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VL Polymerelektronik Eigenschaften
Polaron= Ladung + Gitterverzerrung
negativ positiv
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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
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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
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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
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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)
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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
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VL Polymerelektronik Transport
Leitfähigkeit
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VL Polymerelektronik Transport
Struktur
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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
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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
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VL Polymerelektronik Transport
AC-Leitfähigkeit
trans-polyacethylene polyethylene terephthalate
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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VL Polymerelektronik OLED
+
-
Kathode
Anode+
-
HOMO
LUMO
1
1
2
23
3
h·4
Funktionsprinzip
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VL Polymerelektronik OLED
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VL Polymerelektronik OLED
MEH-PPVPoly[2-methoxy-5-(2-
ethylhexyloxy)-1,4-
phenylenevinylene]
ITO
Glas
MEH-PPV
Ca
Einschicht-OLED
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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VL Polymerelektronik OLED
Mehrschichtstruktur
Lochinjektionsschicht
CuPc
Lochtransportschicht
(HTL hole transport layer)
NPB
Elektronentransportschicht
(ETL electron transport layer)
Alq3
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VL Polymerelektronik OLED
Mehrschichtstruktur
zusätzlich EML emission layer
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VL Polymerelektronik OLED
Jablonski Diagramm
S0
S1
T1
FA P
iscic
A – Absorption; F - Fluoreszenz; P – Phosphoreszenz;
isc – inter system crossing; ic – internal conversion
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VL Polymerelektronik OLED
UDC Universal Display Corporation
Quelle: www.udcoled.com
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www.tu-ilmenau.dePage 48
VL Polymerelektronik OLED
pin-OLED Technologie
pin-OLED auf Metallsubstrat
Quelle: www.novaled.com
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VL Polymerelektronik OLED
Quelle: www.novaled.com
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www.tu-ilmenau.dePage 50
VL Polymerelektronik OLED
www.comedd.fraunhofer.de
Transparente OLED
PEDOT
basierte
Elektrodenhttp://www.oled-info.com
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VL Polymerelektronik OLED
www.comedd.fraunhofer.de
Farb-steuerbare OLED
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VL Polymerelektronik OLED
Roll-to-Roll (r2r) Technologie
Quelle: www.comedd.fraunhofer.de
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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
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VL Polymerelektronik OLED
Liquid Crystal
White Backlight
Color Filter
Transparent Electrode
Polarizer
Polarizer
AC Voltage
(Field Effective)
LCD (liqiud crystal display)
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VL Polymerelektronik OLED
Cathode
Anode
EL Multi Layer
PassivationDC Current
OLED display
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VL Polymerelektronik OLED
OLED display
Side-by-side
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www.tu-ilmenau.dePage 57
VL Polymerelektronik OLED
OLED display
Weiße OLED mit Farbfilter
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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
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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
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www.tu-ilmenau.dePage 60
VL Polymerelektronik OLED
Electrophoretic display
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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
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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
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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
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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
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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
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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,-€
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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“
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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
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VL Polymerelektronik OLED
Beleuchtung
Quelle: www.oled-display.net
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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
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VL Polymerelektronik OLED
Weiße OLED
Quelle: Optik&Photonik April 2010
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VL Polymerelektronik OLED
Triplett-Harvesting-Methode
Quelle: Optik&Photonik April 2010
Emitter: blau rot
X
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VL Polymerelektronik OLED
Auskopplungseffizienz
Quelle: Optik&Photonik April 2010
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VL Polymerelektronik OLED
EST 100meV
notwendig
Quelle: Nature, vol.492 (2012), p. 234
Thermally activated delayed fluorescence (TADF)
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VL Polymerelektronik OLED
Thermally activated delayed fluorescence (TADF)
Quelle: www.oled-info.com
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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
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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
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-
+Kathode
Anode
+
-
HOMO
LUMO
h·
Funktionsprinzip
VL Polymerelektronik Solarzelle
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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)
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VL Polymerelektronik Solarzelle
Funktionsprinzip Heterostruktur
Quelle IAPP
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VL Polymerelektronik Solarzelle
Elektron vom LUMO des
PPV in LUMO des CN-PPV
da energetisch günstiger
Ladungstrennung
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VL Polymerelektronik Solarzelle
Donator
AkzeptorC60
MDMO PPV
PCBM
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VL Polymerelektronik Solarzelle
IPHmax häufig bei negativen U
reduziert FüllfaktorEinfluss Serienwiderstand
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VL Polymerelektronik Solarzelle
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VL Polymerelektronik Solarzelle
Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/solar_cell
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www.tu-ilmenau.dePage 86
VL Polymerelektronik Solarzelle
Tandemsolarzelle
Quelle: Science, vol.
317 , 222 (2007)
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VL Polymerelektronik Solarzelle
Quelle: Science, vol. 317 , 222 (2007)
TiOx electron transport
and collecting layer
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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%
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VL Polymerelektronik Solarzelle
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www.tu-ilmenau.dePage 90
VL Polymerelektronik Solarzelle
Quelle: heliatek.com
Solarfolie Solarzelle
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VL Polymerelektronik Solarzelle
Grätzel-Zelle (Farbstoffzelle)
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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
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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
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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
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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:
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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
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VL Polymerelektronik OFET
p-leitende Materialien
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VL Polymerelektronik OFET
p-leitende
Polymere
Adv. Mater. 2013, 25, 4210
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VL Polymerelektronik OFET
n-leitende Materialien
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VL Polymerelektronik OFET
n-leitende
Polymere
Adv. Mater. 2013, 25, 4210
![Page 101: Organische Elektronik Einstieg in lukrative Nischen ... · Samsung Galaxy S6 Quelle: Konica Minolta Beleuchtung Quelle: CES 2016 Samsung Galaxy ... EE pn kT 2 exp 0 0 2 (2 ) 2 exp](https://reader033.fdocument.pub/reader033/viewer/2022050608/5faf800f5df2425f155923b8/html5/thumbnails/101.jpg)
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VL Polymerelektronik OFET
ambipolare
Polymere
Adv. Mater. 2013, 25, 4210
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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
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VL Polymerelektronik OFET
Organische Isolatoren
PVP- polyvinylphenol PVC - polyvinylchloride
PS – polystyrene PVDF - polyvinylidenfluoride
PMMA - polymethylmetacrylate PMS – poly[-methylstyrene]
PVA – polyvinylalcohol CYPEL - cyanoethylpullulan
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VL Polymerelektronik OFET
AlOx+SAM
N-alkyl phosphonik acids Cn-PA
Quelle: Org. Elec. 10(2009)1442
2.44nm … 0.41nm
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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
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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
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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)
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VL Polymerelektronik OFET
Soft lithography Ink-jet
Quelle: APL 85 (2004) 5730 Quelle: nmat 3 (2004) 137
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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)
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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VL Polymerelektronik OFET
Ambipolare OFETs
silicon
SiO2
pentacene
PTCDI-C13H27
Au
Mg
+-
Rekombinationsrate
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VL Polymerelektronik OFET
Ambipolare OFETs
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VL Polymerelektronik OFET
Ambipolare OFETs
1,8-naphtoylene(trifluoromethylbenzimidazole)
-4,5-dicarboxylic acid imide
pentacene
Appl. Phys. Lett. 2013, 10, 073303
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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
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VL Polymerelektronik OFET
Ambipolare OFETs
Adv. Mat. 2012, 24, 647
diketopyrrolopyrrole-thienothiophene
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VL Polymerelektronik OFET
OFET für Electrophoretic Displays
Quelle: J. of Displ. Techn. 3 (2007) 57
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VL Polymerelektronik OFET
OFET für AMOLED
Quelle: Plastic Electronics Conf. 2010
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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
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VL Polymerelektronik OFET
Charge trapping memory
AuNP
Quelle: Nano Letters 10 (2010) 2884PVP ca. 400nm
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VL Polymerelektronik OFET
Floating gate OFET
Quelle: Science vol. 326, p.1516 Sekitani
AlOx (4nm)/SAM (2nm)
L=50µm, w=500µm
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VL Polymerelektronik OFET
Floating gate OFET
Quelle: Science vol. 326, p.1516 Sekitani
Strom durch Isolator
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www.tu-ilmenau.dePage 143
VL Polymerelektronik OFET
13.56 MHz RFID tag
Quelle: Plastic Electronics Conf. 2010
Logik
Modulation
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VL Polymerelektronik OFET
Schottkydiode
300nm
50MHz:
Adiode=10µmx170µm
RL=50kW;CL=47nF;
Vsupply=10V; VA=18V
Quelle: Nature Mat. 4 (2005) 597
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Digitale Schaltungen MOS-basiert
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VL Polymerelektronik OFET
statische Techniken dynamische Techniken
NMOS PMOS CMOS d-MOS CCD
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CMOS (complementary MOS) - Inverter
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VL Polymerelektronik OFET
Problem für OFET - Inverter:
p und n-Kanal OFETs mit einstellbarer Vth auf einem Substrat
Vout
Vin
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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
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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
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Diode load inverter
(PELS p-channel enhancement load saturation)
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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]
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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]
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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
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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
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VL Polymerelektronik OFET
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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
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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/
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VL Polymerelektronik OFET
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Organic Electronics 8 (2007) 552–558Organic Electronics 11 (2010) 169–174
Unterschiedliche Gatematerialien
IEEE Trans. on Electr. Dev. 61 (2014) 2220
Organische PDLT-Inverter
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VL Polymerelektronik OFET
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Organic Electronics 8 (2007) 552–558Organic Electronics 11 (2010) 169–174
IEEE Trans. on Electr. Dev. 61 (2014) 1175
Organische PELS-Inverter
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VL Polymerelektronik OFET
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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
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Organische CMOS Inverter
App. Phys. Lett. , 104 (2014) 053301
www.tu-ilmenau.dePage 158
VL Polymerelektronik OFET
PVP
hexadecafluorphtalocyanine
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Organische CMOS Inverter
App. Phys. Lett. , 104 (2014) 153303
www.tu-ilmenau.dePage 159
VL Polymerelektronik OFET
ambipolar: PTVPhI-Eh