有机半导体中载流子迁移率的测定

有机半导体中载流子迁移率的各种方法的测试原理。

主要有如下JV) ,飞行2(CW) 直流电流2电压特性法( steady2state DC 几种:稳态时间法(time of flight , TOF) ,瞬态电致发光法(transientelectroluminescence , transient EL) ,瞬态电致发
光法的修正方法即双脉冲方波法和线性增压载流子瞬态法(carrier extraction by linearly increasing voltage ,CELIV) ,暗注入空间电荷限制电流(dark injection space charge limited current , DI SCLC) ,场效应晶体管方法(field2effect transistor , FET) ,时间分辨微波传导技术(time2resolved microwave conductivity technique , TRMC) ,电压调制毫米波谱(voltage2modulated millimeter2wave spectroscopy , VMS) 光诱导瞬态斯塔克谱方法(photoinducedtransient Stark spectroscopy) ,阻抗(导纳) 谱法(impedance (admittance) spectroscopy) 。

实验测定方法
一些传统无机半导体迁移率的测量方法是比较
成熟的,如利用霍耳效应[11 ] (根据定义,电流密度等
于载流电荷密度乘以平均漂移速率。

电流密度可以
通过测量电流强度和样品尺寸而求得,载流电荷密
度可以通过在弱磁场下测量经典霍耳系数而求得。

因此,迁移率是一个可以通过直接测量而求得的
近来开发的拉曼散射技术[12 ] (通过微观拉曼
但并不适用) ,成像实验来研究载流子密度与迁移率．
于低迁移率的无定型有机半导体。

目前报道的比较
常用的测量无定型有机半导体载流子迁移率的方法
主要有如下几种:稳态(CW) 直流电流2电压特性法
JV ) , 飞行时间法( time of flight , (steady2state DC 2TOF) ,瞬态电致发光法(transient electroluminescence ,
transient EL) ,瞬态电致发光法的修正方法即双脉冲
方波法和线性增压载流子瞬态法(carrier extraction by
linearly increasing voltage ,CELIV) ,暗注入空间电荷限
制电流(dark2injection space2charge2limited current , DI SCLC) , 场效应晶体管方法( field2effect transistor ,
FET) , 时间分辨微波传导技术( time2resolved
microwave conductivity technique , TRMC) ,电压调制毫
米波谱(voltage2modulated millimeter2wave spectroscopy , VMS) , 光诱导瞬态斯塔克谱方法( photoinduced
transient Stark spectroscopy ) , 阻抗( 导纳) 谱法
(impedance (admittance) spectroscopy) 。

下面将简要介
绍这几种测量技术的原理及方法。

1.稳态电流2电压方法
稳态电流2电压方法是最简单的一种测量载流
子迁移率的方法。

直接得到的参数是电流电压特性
和器件的厚度。

·
没有任何能: (1) 个条件3 在低电场下需要满足
V F 为常数下整个半导体内带弯曲,在给定电压;
μF 无关,即要求电流不能太大与电场,不要因(2)
μF 而改变; (3) 通过半导体随焦耳热效应而引起抽取的电流应小于饱和热电子发射电流。

则可以通
过公式:
J nqμV/d
0 =
J nμ代表载流0 代表载流子密度代表电流密度, ,V d 是器件的薄膜厚度。

为外加电压子的迁移率,,
由于结构的无序性和杂质的存在,有机半导体中存
在大量的载流子陷阱能级,这些陷阱很容易俘获载
流子,从而使半导体内部存在大量的空间电荷。

当
电场逐渐升高, 电流过渡到空间电荷限制电流
(space charge limited current , SCLC) 时,如果没有陷阱
分布,则满足Child's 定律。

在这里,都是默认迁移率不随电场变化,是个固
定值,当电场增高以后,这个假设就出现很大偏差,
所以这个方法一般应用于低场区。

2 飞行时间(TOF) 法
TOF 技术是目前用以测量载流子迁移率最有
效、最广泛的方法。

在光脉冲的激发下,在ITO 透明电极一侧将产
生电子2空穴对,在电场作用下,一种载流子会在有
机半导体样品中传输并被另一侧的电极接受。

载流．
子在半导体内部的传输通常有两种形式:非色散传
输( non2dispersive transport ) 和色散传输( dispersive transport) 。

μd/(tE)
tr =
可直接计算出载流子的迁移率。

瞬态电致发光(transient EL) 法
瞬态电致发光法是一种电脉冲测量方法,通过一个电脉冲发生器来给器件提供一个方波电压脉冲,这时器件就会产生一个
时间依赖的电致发光信号,也就是所谓的单脉冲瞬
态电致发光法。

由于有机半导体材料的载流子迁移
率低,器件开始发光的时间与脉冲电压有一定的时
t d ) ,这个延迟通常认为和发光器件中少数间延迟(
载流子的迁移率有关,这也是和TOF 方法相比的一
个最大的不同。

这样通过这个延迟就可以确定少数
载流子的迁移率。

双脉冲瞬态电致发光方法是单脉冲瞬态电致发
光方法的改进。

(1) 双方波方法:由Amlan J . Pal 等
发展,这种实验方法通过适当调节第二个脉冲的延迟时间可以研
究本征的积累电荷的弛豫动力学。

(2) 锯齿双波法
是线性增压载流子瞬态法( carrier extraction by
linearly increasing voltage ,CELIV) 。

通过公式
td[μA)]^0.5max = 2/(3(A 是比例常数) (4)
即可得到迁移率的值。

这种方法的优点一是设备简
单,只需示波器和函数发生器即可;二是可以不受接
触势垒的影响得到迁移率和体电导;三是不仅有可
能研究类似TOF 迁移率的最大电流的时间演化过
程,也可以研究受陷阱控制的准迁移率的最大电流
的时间演化过程。

但是与TOF 方法相比,唯一的缺
点仍然是只能测量空穴的迁移率。

以上两种是针对
单脉冲实验技术给出了优化,针对瞬态电致发光技
术的应用仅局限于双层器件的缺点,Blom 和Friend
等针对单层器件也给出了各自的优化。

(1) Blom 方
法: 在不同电压下通过改变脉冲宽
t d , 度来获得真实的与真实载流子复合位置无关的μ。

Friend 方法也可以达到同样目的。

从而得到迁移率
这样确定的载流子度越时间就
可以避免考虑在什么位置复合的问题,所以单层器
件也可以应用瞬态电致发光的方法。

3. 暗注入空间电荷限制电流(DI SCLC) 法
DI SCLC 法的电路连接需要一个桥式电路。

场效应晶体管方法(field effect transistor , FET)
利用场效应晶体管技术也可以得到场效应迁移
率。

具体方法可分两种:
一是利用源漏饱和区,
二是利用转移曲线,
4. 闪光光解时间分辨微波传导技术( flash
photolysis time resolved microwave conductivity techni2
que , FR TRMC)
时间分辨微波传导技术始于20 世纪40 代中
期,70 年代早期,Warman 和De Hass 开发了脉冲辐
解时间分辨微波传导技术( pulse2radiolysis time2
resolved microwave conductivity technique , PR2TRMC) ,
到了80 年代,又开发出升级版的闪光光解时间分辨
微波传导技术(flash2photolysis time2resolved microwave conductivity technique , FR2TRMC) ,而且不需要电极。

从此,此项技术被广泛应用于测量稀释聚合物溶液
中的载流子迁移率。

得到的是微波相位的变化和振幅的衰减,以及迁移率与频率的关系。

FR2TRMC 试验装置主要由4 部分
组成: (1) 微波源; (2) (脉冲) 激发源; (3) 装样品的微
波腔; (4) 用来检测微秒级尺度内微波功率改变的仪器。