Simulação do impacto das armadilhas nas características elétricas de um transistor de filmes finos orgânicos

Monografia (graduação)—Universidade de Brasília, Instituto de Ciências Exatas, Departamento de Ciência da Computação, 2015.A substituição de materiais semicondutores inorgânicos por alternativas orgânicas é uma tecnologia microeletrônica promissora, proporcionando flexibilidade e sustentabilidade a preços baixos. Com o intuito de desenvolver mais essa tecnologia emergente, há um maior interesse em otimizar os dispositivos correspondentes para revelar o verdadeiro potencial que os materiais orgânicos têm a oferecer. Este projeto procura explicar como a distribuição de armadilhas (espacialmente e energeticamente) em um semicondutor orgânico pode afetar as concentrações de elétrons e lacunas móveis, as características elétricas de transistores de filmes finos e as medidas de mobilidade. Nesse âmbito, um simulador da Equação de Poisson unidimensional foi implementado usando a plataforma MATLAB. O simulador é capaz de simular densidade de cargas, potencial de superfície e potencial eletrostático ao longo da seção transversal do semicondutor. Baseadas em procedimentos simples de regressão para a dependência da concentração de cargas livres (não-capturadas) pelo potencial eletrostático, foram desenvolvidas equações analíticas para as características elétricas de transistores de filmes finos com grandes densidades de armadilhas. Conforme o modelo semianalítico desenvolvido, vários tópicos foram investigados: o impacto da densidade de armadilhas nas características de transferência e saída do transistor; o impacto de uma distribuição exponencial das energias de armadilhas dentro da banda proibida; as consequências para procedimentos de extração de valores de mobilidade baseados nas características do transistor e a modelagem de um transistor de filmes finos de tipo-p e tipo-n, empregando o P3HT como um semicondutor orgânico com um valor real para a densidade de armadilhas.The replacement of inorganic semiconducting materials by organic alternatives is a promising microelectronic technology, providing flexibility and sustainability at lower prices. In order to develop this forthcoming technology further, there is a greater interest to optimize corresponding devices to reveal the true potential that organic materials can offer. The given project looks to explain how the trap distribution (spatially and energetically) in an organic semiconductor can affect mobile electron and hole concentrations, the electric characteristics of thin-film transistors and mobility measurements. To this extent, an one-dimensional Poisson’s Equation solver was implemented using a MATLAB platform. The solver is capable of simulating charge density, surface potential and electrostatic potential along the semiconductor cross-section. Based on simple fitting procedures for the electrostatic potential dependance of the free (not-trapped) charge concentration, analytic equations for the electric characteristics of thin-film transistors with high trap densities were developed. According to the developed semi-analytic model, several topics were investigated: the impact of trap density on the transfer and output characteristics of the transistor; the impact of an exponential distribution of trap energies within the band gap; the consequences for extraction procedures of mobility values based on transistor characteristics and the modelling of a p- and n-type thin-film transistor, employing P3HT as organic semiconductor with a realistic value for the trap density