第二章-迁移率测量-3-SCLC-2012
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carrier mobility, and d is the sample thickness.
2、较高电压区 1）Pure space-charge limited conduction with no traps (Pure SCLC regime, Pure SCLC导电区)
电流 J = 9/8q ε0 εr μ V 2 / d 3 (Child’s law)
3.3.2、空间电荷对电流的贡献 空间电荷 ＝ 自由移动载流子 ＋ 陷阱中的载流子 自由移动载流子浓度通过如下公式直接影响电导率：
陷阱中的载流子浓度主要影响半导体中场强的分布。
因此，半导体中空间电荷的密度将影响半导体二极管中的 电流大小。空间电荷密度较大时，二极管中的电流主要由 空间电荷的密度来决定，此时二极管中的电流被称为（由） 空间电荷限定的电流，电流大小处于SCLC导电区。 Space-Charge-Limited-Current
三个假设条件：
1）属于Pure SCLC导电，Θ ＝1 2） εr ＝ 3.9
3）不考虑迁移率的场强依赖性
J = 9/8q ε0 εr μ (V-VRs-Vbi ) 2 / d 3
(Modified Child’s law)
பைடு நூலகம்
举例4：P.W.M. Blom, et al., Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 092105. ITO (+)/PPV/Ag (-) hole dominated device
where ε0 is 自由空间电容率 and εr is 相对介电常数. 2）Space-charge limited conduction with traps
电流 J = 9/8q ε0 εr Θ μ V 2 / d 3 (Mott–Gurney equation) where Θ is a factor smaller than unity (shallow traps and
高势垒
LUMO 2.8 eV
无空穴注入势垒
电子注入存在高势垒
Au (+) 5.1 eV
Au (-)
HOMO 5.1 eV
2） ITO (+)/MEH-PPV/Au (-) hole dominated device
高势垒
LUMO 2.8 eV
低空穴注入势垒
电子注入存在高势垒
ITO (+) 4.8 eV
1、Thermoionic or Schottky emission 热离子发射或肖特基发射 在低偏压下占主导。
电极1
电极2
有机半导体
2、Fowler–Nordheim Tunneling（隧穿） 在高偏压下占主导。
载流子注入的种类： 由半导体的HOMO、LUMO
及电极功函共同决定。
常见电极的功函： Au: 5.1 eV, ITO: 4.8, Al: 4.28,
无欧姆导电区，直接出现SCLC导电区
三个假设条件：
1）属于Pure SCLC导电，Θ ＝1 2） εr ＝ 3
3）不考虑迁移率的场强依赖性
举例3：P.W.M. Blom, et al., Adv. Funct. Mater. 13 (2003) 43.
ITO (+)/PEDOT:PSS/PCBM/LiF/Al (-) electron dominated device 无欧姆导电区，直接出现SCLC导电区
举例2：Z. An, et al., Adv. Mater. 17 (2005) 2580. ITO (+)/PDI 1-2/ITO (-) electron dominated device 先出现欧姆导电区，后出现SCLC导电区。
PDI 1-2 HOMO: 6.3 eV, LUMO: 4.1 eV ITO功函：4.5 eV
不足：比较多假设条件，导致SCLC迁移率与其它方法 （如TOF, FET等）所得迁移率有较大地偏差，并且SCLC 迁移率的大小偏低。偏压是否去除内建电势的影响有随意 性。
高势垒
LUMO 2.8 eV
Ca (+) 2.9 eV
Ca (-)
高空穴注入势垒
低电子注入势垒
HOMO 5.1 eV
3.3、空间电荷的生成及对电流的贡献 3.3.1、空间电荷的生成
偏压＝ 0，电中性 x
小偏压，少量净电荷 x
-------------
高偏压，大量净电荷 x
-------------------------
Ag: 4.26, Mg: 3.66, Ca: 2.87, Ba: 2.7
典型聚合物的HOMO、LUMO： MEH-PPV：HOMO 5.1, LUMO 2.8 PFO：HOMO 5.8, LUMO 2.8
几种器件结构类型：
1） Au (+)/MEH-PPV/Au (-) hole dominated device
实际材料中一定存在陷阱，Θ < 1， 该方法得出的迁移率μ小于实际值。
一般假设Θ ＝1，C可实验测定。使用
SCLC区J-V数据，按logJ-V重新作图，
通过直线斜率和截距得出γ和μ0。再根 据如下μ -场强依赖公式计算μ 。
举例2：P.W.M. Blom, et al., Appl. Phys. Lett. 68 (1996) 3308. ITO (+)/PPV/Au (-) hole dominated device
无欧姆导电区，直接出现SCLC导电区
三个假设条件：
1）属于Pure SCLC导电，Θ ＝1 2） εr ＝ 3
3）不考虑迁移率的场强依赖性
J = 9/8q ε0 εr μ (V-Vbi ) 2 / d 3
(Modified Child’s law)
3.7、SCLC方法测试迁移率的特点和不足
特点：器件样品制备比较简单，测试条件简便。
3.5、I-V特性的分区还存在复杂性
举例1：P.W.M. Blom, et al., Appl. Phys. Lett. 68 (1996) 3308.
ITO (+)/PPV/Au (-) hole dominated device
无欧姆导电区，直接出现SCLC导电区（可由SCLC公式拟合） 。
其原因可能是由于在该场强 范围内，注入的载流子密度 已经很高，足够产生空间电 荷区。
Ca(+)/PPV/Ca (-) electron dominated device 先出现欧姆导电区，后出现SCLC导电区。
举例2：P.W.M. Blom, et al., Adv. Funct. Mater. 13 (2003) 43.
ITO (+)/PEDOT:PSS/PCBM/LiF/Al (-) electron dominated device 无欧姆导电区，直接出现SCLC导电区（可由SCLC公式拟合）。
＝ Current dominated by Space Charge.
3.4、I-V特性的分区
1、较低电压区：Ohmic conduction regime (欧姆导电区)
电流 J = qn μ V/d
where q is the electronic charge, n is the carrier density, μ is the
第二章 有机半导体材料载流子迁移率测试方法
三、空间电荷（导致的）受限电流法（SCLC） Space-Charge-Limited-Current
3.1、器件结构
器件结构： 单层有机（发光）二极管，
并加上直流偏压。
有机半导体厚度： 几十纳米～几百纳米。
电极1
电极2
有机半导体
3.2、载流子的产生
载流子的产生（注入）：
Au (-)
HOMO 5.1 eV
3） ITO (+)/MEH-PPV/Al (-) hole dominated device
高势垒
LUMO 2.8 eV
低空穴注入势垒
电子注入存在高势垒
ITO (+) 4.8 eV
Al (-)
HOMO 5.1 eV
4） Ca (+)/MEH-PPV/Ca (-) electron dominated device
nonperfectly ohmic contact at the electrode/organic interfaces)
举例1：A.J. Campbell, et al., J. Appl. Phys. 82 (1997) 6326.
ITO (+)/MEH-PPV/Al (-) hole dominated device 先出现欧姆导电区，后出现SCLC导电区。
3.6、通过I-V曲线的SCLC区计算（拟合）迁移率
举例1：Z. An, et al., Adv. Mater. 17 (2005) 2580. ITO (+)/PDI 2/ITO (-) electron dominated device
先出现欧姆导电区，后出现SCLC导电区。
使用如下经验公式：
2、较高电压区 1）Pure space-charge limited conduction with no traps (Pure SCLC regime, Pure SCLC导电区)
电流 J = 9/8q ε0 εr μ V 2 / d 3 (Child’s law)
3.3.2、空间电荷对电流的贡献 空间电荷 ＝ 自由移动载流子 ＋ 陷阱中的载流子 自由移动载流子浓度通过如下公式直接影响电导率：
陷阱中的载流子浓度主要影响半导体中场强的分布。
因此，半导体中空间电荷的密度将影响半导体二极管中的 电流大小。空间电荷密度较大时，二极管中的电流主要由 空间电荷的密度来决定，此时二极管中的电流被称为（由） 空间电荷限定的电流，电流大小处于SCLC导电区。 Space-Charge-Limited-Current
三个假设条件：
1）属于Pure SCLC导电，Θ ＝1 2） εr ＝ 3.9
3）不考虑迁移率的场强依赖性
J = 9/8q ε0 εr μ (V-VRs-Vbi ) 2 / d 3
(Modified Child’s law)
பைடு நூலகம்
举例4：P.W.M. Blom, et al., Appl. Phys. Lett. 86 (2005) 092105. ITO (+)/PPV/Ag (-) hole dominated device
where ε0 is 自由空间电容率 and εr is 相对介电常数. 2）Space-charge limited conduction with traps
电流 J = 9/8q ε0 εr Θ μ V 2 / d 3 (Mott–Gurney equation) where Θ is a factor smaller than unity (shallow traps and
高势垒
LUMO 2.8 eV
无空穴注入势垒
电子注入存在高势垒
Au (+) 5.1 eV
Au (-)
HOMO 5.1 eV
2） ITO (+)/MEH-PPV/Au (-) hole dominated device
高势垒
LUMO 2.8 eV
低空穴注入势垒
电子注入存在高势垒
ITO (+) 4.8 eV
1、Thermoionic or Schottky emission 热离子发射或肖特基发射 在低偏压下占主导。
电极1
电极2
有机半导体
2、Fowler–Nordheim Tunneling（隧穿） 在高偏压下占主导。
载流子注入的种类： 由半导体的HOMO、LUMO
及电极功函共同决定。
常见电极的功函： Au: 5.1 eV, ITO: 4.8, Al: 4.28,
无欧姆导电区，直接出现SCLC导电区
三个假设条件：
1）属于Pure SCLC导电，Θ ＝1 2） εr ＝ 3
3）不考虑迁移率的场强依赖性
举例3：P.W.M. Blom, et al., Adv. Funct. Mater. 13 (2003) 43.
ITO (+)/PEDOT:PSS/PCBM/LiF/Al (-) electron dominated device 无欧姆导电区，直接出现SCLC导电区
举例2：Z. An, et al., Adv. Mater. 17 (2005) 2580. ITO (+)/PDI 1-2/ITO (-) electron dominated device 先出现欧姆导电区，后出现SCLC导电区。
PDI 1-2 HOMO: 6.3 eV, LUMO: 4.1 eV ITO功函：4.5 eV
不足：比较多假设条件，导致SCLC迁移率与其它方法 （如TOF, FET等）所得迁移率有较大地偏差，并且SCLC 迁移率的大小偏低。偏压是否去除内建电势的影响有随意 性。
高势垒
LUMO 2.8 eV
Ca (+) 2.9 eV
Ca (-)
高空穴注入势垒
低电子注入势垒
HOMO 5.1 eV
3.3、空间电荷的生成及对电流的贡献 3.3.1、空间电荷的生成
偏压＝ 0，电中性 x
小偏压，少量净电荷 x
-------------
高偏压，大量净电荷 x
-------------------------
Ag: 4.26, Mg: 3.66, Ca: 2.87, Ba: 2.7
典型聚合物的HOMO、LUMO： MEH-PPV：HOMO 5.1, LUMO 2.8 PFO：HOMO 5.8, LUMO 2.8
几种器件结构类型：
1） Au (+)/MEH-PPV/Au (-) hole dominated device
实际材料中一定存在陷阱，Θ < 1， 该方法得出的迁移率μ小于实际值。
一般假设Θ ＝1，C可实验测定。使用
SCLC区J-V数据，按logJ-V重新作图，
通过直线斜率和截距得出γ和μ0。再根 据如下μ -场强依赖公式计算μ 。
举例2：P.W.M. Blom, et al., Appl. Phys. Lett. 68 (1996) 3308. ITO (+)/PPV/Au (-) hole dominated device
无欧姆导电区，直接出现SCLC导电区
三个假设条件：
1）属于Pure SCLC导电，Θ ＝1 2） εr ＝ 3
3）不考虑迁移率的场强依赖性
J = 9/8q ε0 εr μ (V-Vbi ) 2 / d 3
(Modified Child’s law)
3.7、SCLC方法测试迁移率的特点和不足
特点：器件样品制备比较简单，测试条件简便。
3.5、I-V特性的分区还存在复杂性
举例1：P.W.M. Blom, et al., Appl. Phys. Lett. 68 (1996) 3308.
ITO (+)/PPV/Au (-) hole dominated device
无欧姆导电区，直接出现SCLC导电区（可由SCLC公式拟合） 。
其原因可能是由于在该场强 范围内，注入的载流子密度 已经很高，足够产生空间电 荷区。
Ca(+)/PPV/Ca (-) electron dominated device 先出现欧姆导电区，后出现SCLC导电区。
举例2：P.W.M. Blom, et al., Adv. Funct. Mater. 13 (2003) 43.
ITO (+)/PEDOT:PSS/PCBM/LiF/Al (-) electron dominated device 无欧姆导电区，直接出现SCLC导电区（可由SCLC公式拟合）。
＝ Current dominated by Space Charge.
3.4、I-V特性的分区
1、较低电压区：Ohmic conduction regime (欧姆导电区)
电流 J = qn μ V/d
where q is the electronic charge, n is the carrier density, μ is the
第二章 有机半导体材料载流子迁移率测试方法
三、空间电荷（导致的）受限电流法（SCLC） Space-Charge-Limited-Current
3.1、器件结构
器件结构： 单层有机（发光）二极管，
并加上直流偏压。
有机半导体厚度： 几十纳米～几百纳米。
电极1
电极2
有机半导体
3.2、载流子的产生
载流子的产生（注入）：
Au (-)
HOMO 5.1 eV
3） ITO (+)/MEH-PPV/Al (-) hole dominated device
高势垒
LUMO 2.8 eV
低空穴注入势垒
电子注入存在高势垒
ITO (+) 4.8 eV
Al (-)
HOMO 5.1 eV
4） Ca (+)/MEH-PPV/Ca (-) electron dominated device
nonperfectly ohmic contact at the electrode/organic interfaces)
举例1：A.J. Campbell, et al., J. Appl. Phys. 82 (1997) 6326.
ITO (+)/MEH-PPV/Al (-) hole dominated device 先出现欧姆导电区，后出现SCLC导电区。
3.6、通过I-V曲线的SCLC区计算（拟合）迁移率
举例1：Z. An, et al., Adv. Mater. 17 (2005) 2580. ITO (+)/PDI 2/ITO (-) electron dominated device
先出现欧姆导电区，后出现SCLC导电区。
使用如下经验公式：