Ηλεκτρικός χαρακτηρισμός συμβατικών πυκνωτών MOS και MIS με πολυμερικά ημιαγώγιμα λεπτά στρώματα.

Abstract

Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η διεξαγωγή μετρήσεων για τη μελέτη των ηλεκτρικών ιδιοτήτων των δομικών στοιχείων των Transistors επίδρασης πεδίου με κρυσταλλικό και οργανικό ημιαγωγό. Δηλαδή, εξετάζονται οι δομές MOS των MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) και οι MIS των MISFETs (Metal Insulator Semiconductor field-effect Transistors) αντιστοίχως με πολυμερές μονωτικό και ημιαγωγό, ώστε να εντοπιστούν οι διαφορές τους. Ειδικότερα οι οργανικοί ημιαγωγοί χρησιμοποιούνται στα οργανικά τρανζίστορ επίδρασης πεδίου (Organic Field-Effect Transistors) τα οποία έχουν γίνει αντικείμενο εκτεταμένης έρευνας λόγω της προοπτικής τους για χρήση σε εφαρμογές εύκαμπτων και ελαφρών ηλεκτρονικών διατάξεων χαμηλού κόστους. Στην Εργασία αυτή γίνεται μια αναφορά σχετικά με τους κρυσταλλικούς (ανόργανους) ενδογενείς και εξωγενείς ημιαγωγούς (1o Κεφάλαιο) όπως και για τους οργανικούς (πολυμερικούς) ημιαγωγούς. Ειδικότερα στους τελευταίους ημιαγωγούς (2ο Κεφάλαιο) αναλύεται η χημική δομή των πολυμερικών υλικών τα οποία χρησιμοποιούνται για την κατασκευή των ημιαγωγών αυτών. Καθώς επίσης γίνεται και μια αναφορά για την χρησιμότητα των οργανικών υλικών στην ηλεκτρονική τεχνολογία σχετικά με τους ανόργανους ημιαγωγούς . Επίσης, αναλύεται ο λόγος που τα δομικά στοιχεία MOS και MIS των Transistors επίδρασης πεδίου παρουσιάζουν χωρητική συμπεριφορά στις διάφορες καταστάσεις πόλωσης, ισοδυναμώντας με διατάξεις πυκνωτών (3ο & 4ο Κεφάλαιο). Εργαστηριακά μελετήθηκε η χρήση των δομών MOS με ημιαγώγιμο υπόστρωμα πυριτίου n-τύπου και p-τύπου αντιστοίχως (5ο Κεφάλαιο). Επίσης, μετρήθηκαν εργαστηριακά δομές πυκνωτών MIS με οργανικό ημιαγωγό το πολυθειοφαίνιο p-τύπου (6ο Κεφάλαιο). Ο ηλεκτρικός χαρακτηρισμός των δομών πραγματοποιήθηκε μέσω της λήψης μετρήσεων της χωρητικότητας και της αγωγιμότητας σε διάφορες τάσεις πόλωσης και συχνότητες. Από την ανάλυση των ηλεκτρικών μετρήσεων υπολογίσθηκαν διάφοροι παράμετροι που χαρακτηρίζουν τις δομές MOS και MIS. Συγκεκριμένα στις διατάξεις MOS και MIS οριοθετήθηκαν οι διάφορες καταστάσεις πόλωσης, προσδιορίστηκε στη θερμοκρασία δωματίου, η πυκνότητα της νόθευσης των ημιαγωγών, η τάση επίπεδης ζώνης, και η τάση κατωφλίου. Επίσης, υπολογίστηκαν το πάχος του διηλεκτρικού, τα διεπιφανειακά φορτία του οξειδίου, η σειριακή αντίσταση επαφών καθώς και οι απώλειες που προβάλει το διηλεκτρικό. Επιπλέον, στους πυκνωτές MOS ελήφθησαν μετρήσεις με τον ημιαγωγό εκτεθειμένο και στο ορατό φως.

The purpose of this work is to conduct measurements to study the electrical properties of Transistors field-effect components with crystalline and organic semiconductor. That is, the MOS structures of MOSFETs (Metal Oxide Semiconductor Field-Effect Transistors) and MISFETs (Metal-Insulator-Semiconductor field-effect Transistors) respectively with polymeric insulator and semiconductor are investigated to identify their differences. In particular, organic semiconductors are used in organic field-effect transistors which have been the subject of extensive research due to their potential for use in applications of flexible aIn this work a reference is made to the crystalline (inorganic) intrinsic and extrinsic semiconductors (Chapter 1) as well as to the organic (polymeric) semiconductors. In particular, regarding to the latter semiconductors (Chapter 2), the chemical structure of the polymeric materials which used to manufacture these semiconductors is analysed too. As well as a reference is made to the usefulness of organic materials in electronic technology regarding to inorganic semiconductors. It is also analyzed why the MOS and MIS components of the Field Impact Transistors exhibit capacitive behavior in the various polarization states, equivalent to capacitors (Chapter 3 & 4). The electrical properties of MOS structures with n-type and p-type semiconductor substrates were studied (Chapter 5). Laboratory structures of MIS capacitors with an organic semiconductor p-type polythiophene (Chapter 6) were also measured. The electrical characterization of the structures was carried out by taking measurements of capacitance and conductivity at various polarization voltages and frequencies. Various parameters characterizing the MOS and MIS structures were calculated from the analysis of the electrical measurements. Specifically, the different polarization states were determined in MOS and MIS, at room temperature, semiconductor doping density, flat band voltage, and threshold voltage. The thickness of the dielectric, the interfacial oxide charges, the serial contact resistance as well as the dielectric losses were also calculated. In addition, measurements with the semiconductor even exposed to visible light were taken on the MOS capacitorsnd lightweight low-cost electronic devices.