Effective thickness dependence on charge carrier transport in electrolyte-gated organic field-effect transistors
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Data de Publicação: | 2022 |
Tipo de documento: | Dissertação |
Idioma: | eng |
Título da fonte: | Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) |
Texto Completo: | http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/27497 |
Resumo: | Transistores orgânicos de efeito de campo (OFETs, do inlês) começaram a ser estudados na década de 1980. Desde então, diversos estudos focaram na melhora do desempenho desses dispositivos orgânicos, investigando propriedades de transporte dos polímeros conjugados, a geometria dos dispositivos, materiais, tipos de junção, etc. Esses esforços se devem às vantagens que os OFETs apresentam em comparação com seus equivalentes inorgânicos: baixo custo de produção, flexibilidade mecânica e fabricação por processamento de solução. Mais recentemente, a classe dos transistores eletrolíticos chamou muita atenção devido suas possibilidades de aplicações como biosensores, interfaces neuromórficas, circuitos integrados, entre outras. Os transistores eletrolíticos são comumente baseados na mesma arquitetura dos OFETs, mas substituem a camada dielétrica de porta por um dielétrico contendo íons, como por exemplo, líquidos iônicos ou filmes sólidos de géis iônicos. Dentre os transistores eletrolíticos, é possível obter dois modos de operação distintos, nos quais a modulação ocorre por: (i) o efeito de campo somente, nomeando o dispositivo como FET de porta eletrolítica (EGOFET, do inglês) ou (ii) dopagem eletroquímica, quando íons difundem no semicondutor, recebendo o nome de transistor orgânico eletroquímico (OECT, do inglês). Enquanto os OECTs receberam seu primeiro modelo teórico em 2007, os EGOFETs ainda são comumente descritos a partir de modelos desenvolvidos para os OFETs. O presente trabalho visa a modelagem teórica de OFETs e EGOFETs por meio de uma mobilidade de efeito de campo constante e não-constante, dependente da espessura da camada de acumulação ao longo do semicondutor/canal. Considerando efeitos do transporte de portadores de carga por meio de caminhos de percolação e uma distribuição de armadilhas rasas, foi possível demonstrar que o presente modelo pode ser comparado aos modelos anteriormente estabelecidos para os OFETs, mas apresentado vantagens que enriquecem as informações sobre a variação da espessura da camada ativa ao longo do canal e sua dependência na mobilidade de efeito de campo. Ao aplicar o modelo ao transporte de portadores de carga em EGOFETs, que possuem uma alta capacitância devido ao eletrólito, o presente modelo mostrou-se mais adequado para descrever o comportamento desses dispositivos. Além dos regimes de operação comuns aos transistores com modulação por efeito de campo, o modelo foi capaz de descrever alguns efeitos não-ideais. Um desses efeitos é um crescimento na curva de saída entre a transição dos regimes de acumulação e saturação, que será chamada aqui como protuberância. Essa protuberância já foi reportada experimentalmente por muito tempo, sendo atribuída a várias hipótese fenomenológicas. Bons ajustes entre o presente modelo e dados experimentais foram feitos, por meio dos quais foi possível atribuir esse fenômeno a uma transição entre transporte 2D para 3D nos EGOFETs. Outro fenômeno não-ideal é um comportamento não-ôhmico na região de acumulação da corrente de saída, o qual foi modelado e atribuído a uma dependência na distribuição exponencial de armadilhas rasas. Esses dois efeitos nunca haviam sido modelados anteriormente na literatura de EGOFETs. Além disso, o presente modelo apresenta uma vantagem pela sua simplicidade, facilitando o entendimento dos fenômenos e um fácil ajuste de dados experimentais. |
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2022-02-24T14:56:47Z2022-02-24T14:56:47Z2022-02-01LUGINIESKI, Marcos. Dependência da espessura efetiva no transporte de portadores de carga em transistores orgânicos de efeito de campo com porta eletrolítica. 2022. Dissertação (Mestrado em Física e Astronomia) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, 2022.http://repositorio.utfpr.edu.br/jspui/handle/1/27497Transistores orgânicos de efeito de campo (OFETs, do inlês) começaram a ser estudados na década de 1980. Desde então, diversos estudos focaram na melhora do desempenho desses dispositivos orgânicos, investigando propriedades de transporte dos polímeros conjugados, a geometria dos dispositivos, materiais, tipos de junção, etc. Esses esforços se devem às vantagens que os OFETs apresentam em comparação com seus equivalentes inorgânicos: baixo custo de produção, flexibilidade mecânica e fabricação por processamento de solução. Mais recentemente, a classe dos transistores eletrolíticos chamou muita atenção devido suas possibilidades de aplicações como biosensores, interfaces neuromórficas, circuitos integrados, entre outras. Os transistores eletrolíticos são comumente baseados na mesma arquitetura dos OFETs, mas substituem a camada dielétrica de porta por um dielétrico contendo íons, como por exemplo, líquidos iônicos ou filmes sólidos de géis iônicos. Dentre os transistores eletrolíticos, é possível obter dois modos de operação distintos, nos quais a modulação ocorre por: (i) o efeito de campo somente, nomeando o dispositivo como FET de porta eletrolítica (EGOFET, do inglês) ou (ii) dopagem eletroquímica, quando íons difundem no semicondutor, recebendo o nome de transistor orgânico eletroquímico (OECT, do inglês). Enquanto os OECTs receberam seu primeiro modelo teórico em 2007, os EGOFETs ainda são comumente descritos a partir de modelos desenvolvidos para os OFETs. O presente trabalho visa a modelagem teórica de OFETs e EGOFETs por meio de uma mobilidade de efeito de campo constante e não-constante, dependente da espessura da camada de acumulação ao longo do semicondutor/canal. Considerando efeitos do transporte de portadores de carga por meio de caminhos de percolação e uma distribuição de armadilhas rasas, foi possível demonstrar que o presente modelo pode ser comparado aos modelos anteriormente estabelecidos para os OFETs, mas apresentado vantagens que enriquecem as informações sobre a variação da espessura da camada ativa ao longo do canal e sua dependência na mobilidade de efeito de campo. Ao aplicar o modelo ao transporte de portadores de carga em EGOFETs, que possuem uma alta capacitância devido ao eletrólito, o presente modelo mostrou-se mais adequado para descrever o comportamento desses dispositivos. Além dos regimes de operação comuns aos transistores com modulação por efeito de campo, o modelo foi capaz de descrever alguns efeitos não-ideais. Um desses efeitos é um crescimento na curva de saída entre a transição dos regimes de acumulação e saturação, que será chamada aqui como protuberância. Essa protuberância já foi reportada experimentalmente por muito tempo, sendo atribuída a várias hipótese fenomenológicas. Bons ajustes entre o presente modelo e dados experimentais foram feitos, por meio dos quais foi possível atribuir esse fenômeno a uma transição entre transporte 2D para 3D nos EGOFETs. Outro fenômeno não-ideal é um comportamento não-ôhmico na região de acumulação da corrente de saída, o qual foi modelado e atribuído a uma dependência na distribuição exponencial de armadilhas rasas. Esses dois efeitos nunca haviam sido modelados anteriormente na literatura de EGOFETs. Além disso, o presente modelo apresenta uma vantagem pela sua simplicidade, facilitando o entendimento dos fenômenos e um fácil ajuste de dados experimentais.Organic field-effect transistors (OFETs) began to be studied in the 1980s. Since then, several studies have focused on improving the performance of these organic devices, investigating transport properties of conjugated polymers, device geometry, materials, types of junctions, etc. So many efforts have been made due to the advantages that OFETs show in comparison to their inorganic counterparts as low manufacturing cost, mechanical flexibility and manufactured through solution processing. More recently, the class of electrolyte-based transistors draws a lot of attention due to the possibilities of applications such as biosensors, neuromorphic interfaces, integrated circuits, to cite a few. Electrolyte-based transistors are commonly based on the same OFET architecture but replace its dielectric gate layer with a dielectric gate with ionic species as, e.g., ionic liquids or ion gel solid films. Within electrolyte-based transistors types, it is possible to obtain two distinguished modes of operation, whose transconductance occurs due to: (i) the field-effect only, naming it as Electrolyte-gated FETs (EGOFETs) or (ii) electrochemical doping, when ions diffuse into the semiconductor and naming it as Organic Electrochemical Transistors (OECTs). While OECTs received their first theoretical modeling in 2007, EGOFETs are still commonly described from models developed for the organic field-effect transistor. The present work aims at the theoretical modeling of OFETs and EGOFETs through constant and non-constant field-effect mobility dependent on the effective thickness along the semiconductor/channel. Considering effects on the charge carriers transport due to the percolation paths and an exponential shallow trap distribution, it was demonstrated that the present model can be comparable to previously models established for OFETs with advantages of enriched information about the variation of the thickness of the accumulation layer along the channel and its dependence on field-effect mobility. When considering applying the present model to EGOFETs charge carrier transport that has a high capacitance of the electrolytes, the model proved to be more suitable for describing the behavior of transistors with an electrolyte gate operating by field effect. Beyond the common modes of operation regimes from transistors under field-effect transconductance the model was capable of describing some non-ideal ones. One of these non-ideal effects is a growth of the output current curve between the transition of accumulation to saturation regimes, what will be called as a protuberance. This protuberance has been reported experimentally for a long time, attributed to several phenomenological hypotheses. Suitable fits from the present model and experimental data were made, whose analysis attributes this phenomenon to a transition from 2D to 3D transport in EGOFETs. Another non-ideal phenomenon is the non-ohmic behavior in the accumulation region from the output current curve that was fitted with the present model, attributing it as being dependent on the energetic exponential shallow traps distribution. The two mentioned non-ideal behaviors have never been modeled before in the proposed EGOFETs-models literature. Furthermore, the great advantage of this model is its simplicity, facilitating the understanding of the phenomena and the easy adjustment of experimental data.Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)engUniversidade Tecnológica Federal do ParanáCuritibaPrograma de Pós-Graduação em Física e AstronomiaUTFPRBrasilhttp://creativecommons.org/licenses/by-nc/4.0/info:eu-repo/semantics/openAccessCNPQ::CIENCIAS EXATAS E DA TERRA::FISICAFísicaTransistoresPolímeros condutoresEletroquímica orgânicaCarga e distribuição elétricaSemicondutoresDielétricosTransistorsConducting polymersOrganic electrochemistryElectric charge and distributionSemiconductorsDielectricsEffective thickness dependence on charge carrier transport in electrolyte-gated organic field-effect transistorsDependência da espessura efetiva no transporte de portadores de carga em transistores orgânicos de efeito de campo com porta eletrolíticainfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisCuritibaSeidel, Keli Fabianahttps://orcid.org/0000-0002-1618-0873http://lattes.cnpq.br/0437996218263828Serbena, Jose Pedro Mansuetohttp://lattes.cnpq.br/2394399340475167Coutinho, Douglas Josehttps://orcid.org/0000-0002-9924-7817http://lattes.cnpq.br/1916064207740861Serbena, Jose Pedro Mansuetohttp://lattes.cnpq.br/2394399340475167Seidel, Keli Fabianahttps://orcid.org/0000-0002-1618-0873http://lattes.cnpq.br/0437996218263828Santos, Lucas Fugikawahttps://orcid.org/0000-0001-7376-2717http://lattes.cnpq.br/0101178832675166https://orcid.org/0000-0003-1500-7857http://lattes.cnpq.br/9501666172711402Luginieski, Marcosreponame:Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT))instname:Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)instacron:UTFPRCC-LICENSElicense_rdflicense_rdfapplication/rdf+xml; charset=utf-8914http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/27497/2/license_rdf24013099e9e6abb1575dc6ce0855efd5MD52LICENSElicense.txtlicense.txttext/plain; charset=utf-81290http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/27497/3/license.txtb9d82215ab23456fa2d8b49c5df1b95bMD53ORIGINALtransportecargatransistoresorganicos.pdfapplication/pdf7038318http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/27497/1/transportecargatransistoresorganicos.pdf258e863234b7491143c849151f99e437MD51TEXTtransportecargatransistoresorganicos.pdf.txttransportecargatransistoresorganicos.pdf.txtExtracted texttext/plain188875http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/27497/4/transportecargatransistoresorganicos.pdf.txt048c84633d51ac9413c2e4078960fed1MD54THUMBNAILtransportecargatransistoresorganicos.pdf.jpgtransportecargatransistoresorganicos.pdf.jpgGenerated Thumbnailimage/jpeg1319http://repositorio.utfpr.edu.br:8080/jspui/bitstream/1/27497/5/transportecargatransistoresorganicos.pdf.jpg6f6be5252aeda0df9051311f91ab316fMD551/274972022-02-25 03:06:35.316oai:repositorio.utfpr.edu.br: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ório de PublicaçõesPUBhttp://repositorio.utfpr.edu.br:8080/oai/requestopendoar:2022-02-25T06:06:35Repositório Institucional da UTFPR (da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (RIUT)) - Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR)false |
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