Este trabalho apresenta o estudo do comportamento da mobilidade de portadores em transistores SOI nMOS e pMOS avançados planares e de porta tripla através de simulações tridimensionais e resultados experimentais. Devido à sua estrutura física, os transistores de porta tripla apresentam duas mobilidades, uma referente ao canal de condução na porta superior (orientação cristalográfica ) e uma referente ao canal de condução das portas laterais (orientação cristalográfica ). Inicialmente foi feito um estudo comparativo dos métodos de extração da mobilidade através de simulações numéricas tridimensionais dos dispositivos de porta tripla, tendo como objetivo analisar o comportamento dos diferentes métodos de extração da mobilidade efetiva de portadores e separação das mobilidades da porta superior e laterais, para fazer a escolha dos métodos mais adequados para aplicação nos resultados experimentais. De modo geral todos os métodos estudados sofrem maior influência com a redução do comprimento de canal devido aos efeitos da resistência série e de canal curto. Dentre os métodos estudados o que apresenta maior influência com a redução do comprimento de canal é o por gm,máx que apresentou maiores erros. E o método por Y-function apresentou o melhor comportamento com a redução do comprimento de canal, seguido pelo método Split C-V. Para os dispositivos com comprimento de canal acima de 0,5micro metros o maior erro encontrado foi de 13% para os métodos McLarty e Y-function. Neste caso os métodos por gm,máx e Split C-V apresentaram melhores resultados. Com relação à largura de canal os métodos por gm,máx e Split C-V tiveram os melhores resultados com a utilização de dispositivos de porta tripla. Foi observado que para dispositivos com Wfin maior que 0,7 micro metros os maiores erros encontrados foram de 11,2 % para o método Y-function e 10% para o método por gm,máx. No entanto, para dispositivos com Wfin menores que 0,7 micro metros os métodos Y-function e McLarty apresentaram os piores resultados chegando a quase 50% de erro para o dispositivo mais estreito (Wfin = 50nm). Quanto aos métodos de separação das mobilidades todos os métodos estudados apresentaram bons resultados e se mostraram eficientes mostrando um erro máximo de 11,3%. O que os diferencia é o grau de dificuldade de aplicação. Posteriormente foram realizadas medidas experimentais a fim de possibilitar o entendimento dos fenômenos físicos relacionados à mobilidade de portadores. Primeiramente foram analisados os dispositivos de porta tripla em temperatura ambiente e em baixa temperatura para dispositivos nMOS e pMOS. O estudo foi feito em dispositivos com diferentes comprimentos e larguras de canal a fim de analisar os efeitos das dimensões nesta tecnologia. Em seguida são apresentados os resultados para dispositivos SOI avançados planares em temperatura ambiente com variação da largura de canal e com aplicação de tensão no substrato, com objetivo de analisar o comportamento da mobilidade na primeira interface (óxido de porta/canal) e na segunda interface (óxido enterrado/canal). Esse estudo foi realizado com a aplicação de dois diferentes métodos de extração da mobilidade. Por fim foi feito um estudo de um novo método para extração da mobilidade de portadores chamado de magnetoresistência que consiste na aplicação de um campo magnético perpendicular ao fluxo de corrente do transistor. O uso do campo magnético altera a resistividade do canal, de onde é possível extrair a mobilidade. Foram apresentados os resultados com a utilização deste método para os dispositivos de porta tripla tipo nMOS com variação do comprimento de canal (90 a 910 nm) e da temperatura (200K a 77K). / This work presents a study of the carrier mobility behavior in planar and triple gate advanced SOI nMOS and pMOS transistors through three-dimensional simulations and experimental results. Due to its physical structure, the triple gate transistors presents two mobilities, one referring to the conduction channel on the top gate (crystallographic orientation ) and one referring to the conduction channel on the lateral gates (crystallographic orientation ). Initially, a comparative study of the mobility extraction methods through three-dimensional numerical simulations of the triple gate devices was made, with the purpose to analyze the behavior of different effective carrier mobility and separation of top and lateral gates mobilities extraction methods, to make the choice of the suitable methods for application in the experimental results. From a general way, all the studied methods suffer higher influence with channel length reduction due to short channel and the series resistance effects. Among the studied methods, the method by gm,max presents the higher influence with the channel length reduction that shows the bigger errors. The Y-function method presents the best behavior with the channel length reduction, followed by Split C-V method. For the devices with channel length above 0.5 mirco meters the highest error founded was 13% for McLarty and Y-function methods. In this case the gm,max and Split C-V methods presented the better results. With regard to the channel width the Split C-V and gm,max methods presented the better results with the use of triple gate devices. It was observed that for devices with Wfin higher than 0.7 mirco meters the highest errors founded were 11.2% for the Y-function method and 10% for gm,max method. Nevertheless, for devices with Wfin smaller than 0.7 micro meters the Yfunction and McLarty methods presented the worst results arriving almost 50% of error for the narrowest device (Wfin = 50nm). With regard to mobilities separation methods all the studied methods presented good results and had shown efficient showing a maximum error of 11.3%. The difference between them is the application difficulty level. After that, experimental measures were made in order to make possible the understanding of physical phenomena related to carrier mobility. Firstly, it was analyzed the triple gate devices at room and low temperatures for nMOS and pMOS devices. The study was done in devices with different channel lengths and widths in order to analyze the dimensions effects in this technology. After that it was present the results for planar advanced SOI devices at room temperature with variation of channel width and with the application of back gate voltage, with the purpose to analyze the behavior of the mobility in the first interface (gate oxide/channel) and second interface (buried oxide/channel). This study was done with the application of two different mobility extraction methods. Finally a study of a new mobility extraction method called magnetoresistance was made; this method consists in a perpendicular magnetic field application to transistor current flow. The uses of magnetic field change the channel resistivity, where it is possible to extract the mobility. It was presented results with the use of this method for triple gate nMOS devices with variation of channel length (90 a 910 nm) and temperature (200K to 77K).

Este trabalho apresenta o estudo do comportamento da mobilidade de portadores em transistores SOI nMOS e pMOS avançados planares e de porta tripla através de simulações tridimensionais e resultados experimentais. Devido à sua estrutura física, os transistores de porta tripla apresentam duas mobilidades, uma referente ao canal de condução na porta superior (orientação cristalográfica ) e uma referente ao canal de condução das portas laterais (orientação cristalográfica ). Inicialmente foi feito um estudo comparativo dos métodos de extração da mobilidade através de simulações numéricas tridimensionais dos dispositivos de porta tripla, tendo como objetivo analisar o comportamento dos diferentes métodos de extração da mobilidade efetiva de portadores e separação das mobilidades da porta superior e laterais, para fazer a escolha dos métodos mais adequados para aplicação nos resultados experimentais. De modo geral todos os métodos estudados sofrem maior influência com a redução do comprimento de canal devido aos efeitos da resistência série e de canal curto. Dentre os métodos estudados o que apresenta maior influência com a redução do comprimento de canal é o por gm,máx que apresentou maiores erros. E o método por Y-function apresentou o melhor comportamento com a redução do comprimento de canal, seguido pelo método Split C-V. Para os dispositivos com comprimento de canal acima de 0,5micro metros o maior erro encontrado foi de 13% para os métodos McLarty e Y-function. Neste caso os métodos por gm,máx e Split C-V apresentaram melhores resultados. Com relação à largura de canal os métodos por gm,máx e Split C-V tiveram os melhores resultados com a utilização de dispositivos de porta tripla. Foi observado que para dispositivos com Wfin maior que 0,7 micro metros os maiores erros encontrados foram de 11,2 % para o método Y-function e 10% para o método por gm,máx. No entanto, para dispositivos com Wfin menores que 0,7 micro metros os métodos Y-function e McLarty apresentaram os piores resultados chegando a quase 50% de erro para o dispositivo mais estreito (Wfin = 50nm). Quanto aos métodos de separação das mobilidades todos os métodos estudados apresentaram bons resultados e se mostraram eficientes mostrando um erro máximo de 11,3%. O que os diferencia é o grau de dificuldade de aplicação. Posteriormente foram realizadas medidas experimentais a fim de possibilitar o entendimento dos fenômenos físicos relacionados à mobilidade de portadores. Primeiramente foram analisados os dispositivos de porta tripla em temperatura ambiente e em baixa temperatura para dispositivos nMOS e pMOS. O estudo foi feito em dispositivos com diferentes comprimentos e larguras de canal a fim de analisar os efeitos das dimensões nesta tecnologia. Em seguida são apresentados os resultados para dispositivos SOI avançados planares em temperatura ambiente com variação da largura de canal e com aplicação de tensão no substrato, com objetivo de analisar o comportamento da mobilidade na primeira interface (óxido de porta/canal) e na segunda interface (óxido enterrado/canal). Esse estudo foi realizado com a aplicação de dois diferentes métodos de extração da mobilidade. Por fim foi feito um estudo de um novo método para extração da mobilidade de portadores chamado de magnetoresistência que consiste na aplicação de um campo magnético perpendicular ao fluxo de corrente do transistor. O uso do campo magnético altera a resistividade do canal, de onde é possível extrair a mobilidade. Foram apresentados os resultados com a utilização deste método para os dispositivos de porta tripla tipo nMOS com variação do comprimento de canal (90 a 910 nm) e da temperatura (200K a 77K). / This work presents a study of the carrier mobility behavior in planar and triple gate advanced SOI nMOS and pMOS transistors through three-dimensional simulations and experimental results. Due to its physical structure, the triple gate transistors presents two mobilities, one referring to the conduction channel on the top gate (crystallographic orientation ) and one referring to the conduction channel on the lateral gates (crystallographic orientation ). Initially, a comparative study of the mobility extraction methods through three-dimensional numerical simulations of the triple gate devices was made, with the purpose to analyze the behavior of different effective carrier mobility and separation of top and lateral gates mobilities extraction methods, to make the choice of the suitable methods for application in the experimental results. From a general way, all the studied methods suffer higher influence with channel length reduction due to short channel and the series resistance effects. Among the studied methods, the method by gm,max presents the higher influence with the channel length reduction that shows the bigger errors. The Y-function method presents the best behavior with the channel length reduction, followed by Split C-V method. For the devices with channel length above 0.5 mirco meters the highest error founded was 13% for McLarty and Y-function methods. In this case the gm,max and Split C-V methods presented the better results. With regard to the channel width the Split C-V and gm,max methods presented the better results with the use of triple gate devices. It was observed that for devices with Wfin higher than 0.7 mirco meters the highest errors founded were 11.2% for the Y-function method and 10% for gm,max method. Nevertheless, for devices with Wfin smaller than 0.7 micro meters the Yfunction and McLarty methods presented the worst results arriving almost 50% of error for the narrowest device (Wfin = 50nm). With regard to mobilities separation methods all the studied methods presented good results and had shown efficient showing a maximum error of 11.3%. The difference between them is the application difficulty level. After that, experimental measures were made in order to make possible the understanding of physical phenomena related to carrier mobility. Firstly, it was analyzed the triple gate devices at room and low temperatures for nMOS and pMOS devices. The study was done in devices with different channel lengths and widths in order to analyze the dimensions effects in this technology. After that it was present the results for planar advanced SOI devices at room temperature with variation of channel width and with the application of back gate voltage, with the purpose to analyze the behavior of the mobility in the first interface (gate oxide/channel) and second interface (buried oxide/channel). This study was done with the application of two different mobility extraction methods. Finally a study of a new mobility extraction method called magnetoresistance was made; this method consists in a perpendicular magnetic field application to transistor current flow. The uses of magnetic field change the channel resistivity, where it is possible to extract the mobility. It was presented results with the use of this method for triple gate nMOS devices with variation of channel length (90 a 910 nm) and temperature (200K to 77K).

A importância da pesquisa em eletrônica orgânica, se comparada à microeletrônica convencional baseada principalmente em silício, surge pela presença de inúmeros semicondutores e técnicas de deposição de baixo custo e em grande superfície. Os Transistores de Filmes Finos Orgânicos (OTFTs, do inglês Organic Thin-Film Transistors) são a unidade fundamental em circuitos eletrônicos e, geralmente, apresentam a estrutura de um transistor de efeito de campo. Podem ser fabricados sobre substratos plásticos e oferecem grande número de aplicações como: mostradores, etiquetas de identificação por rádio frequência e eletrônica têxtil. Além disso, há demanda por componentes eletrônicos portáteis e baratos, principalmente como sensores em diagnósticos médicos e veterinários in-situ. A geometria de OTFT mais utilizada em sensores na atualidade é a bottom gate sobre substratos de silício altamente dopado e com óxido de porta inorgânico. Polímeros como poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) vêm sendo amplamente utilizados pela comunidade científica, atestando o potencial comercial deste semicondutor em sensores. Neste contexto, esta tese apresenta o desenvolvimento de transistores à base de P3HT como sensores na detecção de analitos em fase vapor. O estudo é composto por uma etapa inicial de caracterização da mobilidade dos portadores de carga por técnicas de transiente de corrente, seguida pela otimização do desempenho de parâmetros elétricos do transistor através de alterações no processamento dos filmes dielétrico e semicondutor. Enfim, conclui-se a investigação através do entendimento dos fatores ligados à degradação do OTFT após exposição à atmosfera e sob estresse elétrico, além do detalhamento da sensibilidade e especificidade do sensor. Sensores de P3HT oferecem enorme potencial de detecção de amônia, cetonas e compostos organoclorados. Outros semicondutores poliméricos são provavelmente necessários para maior especificidade em relação a vapor dágua e álcoois. / Research on organic electronics, compared to conventional silicon-based microelectronics, is necessary as it offers plenty of semiconductors and low-cost deposition techniques that can be performed over wide surfaces. Organic Thin-Film Transistors (OTFTs) are the fundamental unity in electronic circuits and, usually, display the metal insulator semiconductor field-effect transistor (MISFET) structure. OTFTs can be processed over cheap plastic substrates and integrate a high number of applications as: flexible displays, radio frequency identification tags, textile electronics and sensors (e.g. chemical and biological compounds). Nowadays, consumers demand portable and low-cost electronic devices, mainly as sensors for in-situ medical and veterinarian diagnosis. The most widely used OTFT structure in sensing is the bottom-gate/bottom-contact FET over highly-doped silicon substrates and inorganic dielectrics. Polymers as poly(3-hexylthiophene) (P3HT) have found increasing acceptance by the scientific community, attesting their potential as semiconductors for commercial applications. In this context, the thesis lies in the development of organic transistors based in P3HT polymer for the detection of vapor-phase compounds. This study begins with transistor performance optimization through changes in dielectric and semiconductor processing. Thin-film thickness and P3HT cast solution drying time are the main studied parameters. It involves also the understanding of device performance degradation when exposed to atmosphere and under bias stress, before finally mapping sensitivity and specificity against gaseous analytes. P3HT-based sensors are potentially interesting for ammonia, ketones and organochlorides detection. Other polymeric semiconductors may be necessary to increase specificity against water steam and alcohol analytes.

The PHD project has two main goals. The first one is specifically related to investigations on molecular dynamics, structural conformations and packing of polyfluorene-based polymers. For this purpose, Wide Angle X-Ray Diffraction (WAXD), Solid-State Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and Dynamical-Mechanical Thermal Analysis (DMTA) are being used as the main techniques. The second goal is to correlate molecular phenomena, as characterized in the first part, with opto-electronic properties of polyfluorene when used as active layer in an electronic device, such as a Polymer Light-Emitting Diode (PLED). In the second part, fabrication of devices and their electrical characterization as a function of temperature are the main objectives. Impedance Spectroscopy, Current-Voltage characterization of the devices and Time-Of-Flight (TOF) techniques are among the main techniques to be used in the second part of the project. Therefore, the project combines fundamental studies on molecular dynamics with technological performance of organic electronic. / O projeto de doutorado entitulado \"Correlação das Propriedades Óticas e Elétricas com a Estrutura Física e Dinâmica Molecular de Filmes e Dispositivos de Polifluorenos e Derivados\". O primeiro é especificamente ligado a investigação da dinâmica molecular, conformação estrutural e empacotamento de polímeros derivados do polifluoreno. Para isso, Difração de Raio-X de Alto Ângulo (WAXD)1, Ressonânica Magnética no Estado Sólido (RMN) e Análise Térmica Dinâmico Mecânica (DMTA) serão utilizadas como técnicas principais. O segundo objetivo é o de correlacionar, os fenômenos observados na primeira parte do projeto, com as propriedades opto-eletrônicas dos filmes poliméricos sendo utilizados como camada ativa em dispositivos eletrônicos do tipo Diodo Polimérico Emissor de Luz (PLED). Na segunda parte, a fabricação dos dispositivos e sua caracterização como função da temperatura serão os principais objetivos. Espectroscopia de Impedância, Corrente-Voltagem, Tempo de Vôo (TOF) e Photo-CELIV serão as principais técnicas de caracterização utilizadas. Dessa forma, o projeto combina estudos fundamentais de aspectos moleculares com o desempenho tecnológico de dispositivos optoeletrônicos.

A importância da pesquisa em eletrônica orgânica, se comparada à microeletrônica convencional baseada principalmente em silício, surge pela presença de inúmeros semicondutores e técnicas de deposição de baixo custo e em grande superfície. Os Transistores de Filmes Finos Orgânicos (OTFTs, do inglês Organic Thin-Film Transistors) são a unidade fundamental em circuitos eletrônicos e, geralmente, apresentam a estrutura de um transistor de efeito de campo. Podem ser fabricados sobre substratos plásticos e oferecem grande número de aplicações como: mostradores, etiquetas de identificação por rádio frequência e eletrônica têxtil. Além disso, há demanda por componentes eletrônicos portáteis e baratos, principalmente como sensores em diagnósticos médicos e veterinários in-situ. A geometria de OTFT mais utilizada em sensores na atualidade é a bottom gate sobre substratos de silício altamente dopado e com óxido de porta inorgânico. Polímeros como poli(3-hexiltiofeno) (P3HT) vêm sendo amplamente utilizados pela comunidade científica, atestando o potencial comercial deste semicondutor em sensores. Neste contexto, esta tese apresenta o desenvolvimento de transistores à base de P3HT como sensores na detecção de analitos em fase vapor. O estudo é composto por uma etapa inicial de caracterização da mobilidade dos portadores de carga por técnicas de transiente de corrente, seguida pela otimização do desempenho de parâmetros elétricos do transistor através de alterações no processamento dos filmes dielétrico e semicondutor. Enfim, conclui-se a investigação através do entendimento dos fatores ligados à degradação do OTFT após exposição à atmosfera e sob estresse elétrico, além do detalhamento da sensibilidade e especificidade do sensor. Sensores de P3HT oferecem enorme potencial de detecção de amônia, cetonas e compostos organoclorados. Outros semicondutores poliméricos são provavelmente necessários para maior especificidade em relação a vapor dágua e álcoois. / Research on organic electronics, compared to conventional silicon-based microelectronics, is necessary as it offers plenty of semiconductors and low-cost deposition techniques that can be performed over wide surfaces. Organic Thin-Film Transistors (OTFTs) are the fundamental unity in electronic circuits and, usually, display the metal insulator semiconductor field-effect transistor (MISFET) structure. OTFTs can be processed over cheap plastic substrates and integrate a high number of applications as: flexible displays, radio frequency identification tags, textile electronics and sensors (e.g. chemical and biological compounds). Nowadays, consumers demand portable and low-cost electronic devices, mainly as sensors for in-situ medical and veterinarian diagnosis. The most widely used OTFT structure in sensing is the bottom-gate/bottom-contact FET over highly-doped silicon substrates and inorganic dielectrics. Polymers as poly(3-hexylthiophene) (P3HT) have found increasing acceptance by the scientific community, attesting their potential as semiconductors for commercial applications. In this context, the thesis lies in the development of organic transistors based in P3HT polymer for the detection of vapor-phase compounds. This study begins with transistor performance optimization through changes in dielectric and semiconductor processing. Thin-film thickness and P3HT cast solution drying time are the main studied parameters. It involves also the understanding of device performance degradation when exposed to atmosphere and under bias stress, before finally mapping sensitivity and specificity against gaseous analytes. P3HT-based sensors are potentially interesting for ammonia, ketones and organochlorides detection. Other polymeric semiconductors may be necessary to increase specificity against water steam and alcohol analytes.

The PHD project has two main goals. The first one is specifically related to investigations on molecular dynamics, structural conformations and packing of polyfluorene-based polymers. For this purpose, Wide Angle X-Ray Diffraction (WAXD), Solid-State Nuclear Magnetic Resonance (NMR) and Dynamical-Mechanical Thermal Analysis (DMTA) are being used as the main techniques. The second goal is to correlate molecular phenomena, as characterized in the first part, with opto-electronic properties of polyfluorene when used as active layer in an electronic device, such as a Polymer Light-Emitting Diode (PLED). In the second part, fabrication of devices and their electrical characterization as a function of temperature are the main objectives. Impedance Spectroscopy, Current-Voltage characterization of the devices and Time-Of-Flight (TOF) techniques are among the main techniques to be used in the second part of the project. Therefore, the project combines fundamental studies on molecular dynamics with technological performance of organic electronic. / O projeto de doutorado entitulado \"Correlação das Propriedades Óticas e Elétricas com a Estrutura Física e Dinâmica Molecular de Filmes e Dispositivos de Polifluorenos e Derivados\". O primeiro é especificamente ligado a investigação da dinâmica molecular, conformação estrutural e empacotamento de polímeros derivados do polifluoreno. Para isso, Difração de Raio-X de Alto Ângulo (WAXD)1, Ressonânica Magnética no Estado Sólido (RMN) e Análise Térmica Dinâmico Mecânica (DMTA) serão utilizadas como técnicas principais. O segundo objetivo é o de correlacionar, os fenômenos observados na primeira parte do projeto, com as propriedades opto-eletrônicas dos filmes poliméricos sendo utilizados como camada ativa em dispositivos eletrônicos do tipo Diodo Polimérico Emissor de Luz (PLED). Na segunda parte, a fabricação dos dispositivos e sua caracterização como função da temperatura serão os principais objetivos. Espectroscopia de Impedância, Corrente-Voltagem, Tempo de Vôo (TOF) e Photo-CELIV serão as principais técnicas de caracterização utilizadas. Dessa forma, o projeto combina estudos fundamentais de aspectos moleculares com o desempenho tecnológico de dispositivos optoeletrônicos.