Neste trabalho, são discutidas as características de transistores de filmes finos (TFTs) nos quais nanopartículas de óxido de zinco (ZnO) são empregadas como material ativo na camada semicondutora. O crescimento contínuo do interesse por este componente está associado à busca pelo desenvolvimento da tecnologia de dispositivos eletrônicos flexíveis, transparentes e de baixo custo. TFTs integrados com nanopartículas de ZnO são apresentados, e uma extensa rotina de caracterização elétrica transiente é realizada para avaliar como estes dispositivos se comportam e degradam ao longo do tempo. Foram medidas, ao total, 80 amostras de transistores integrados em duas configurações distintas: inverted staggered e inverted coplanar. A partir das medidas analisadas foram identificados dois grupos de comportamentos elétricos dominantes, os quais foram classificados em: efeitos abruptos e efeitos de memória. A partir dos dados coletados, foram formuladas hipóteses para modelar o comportamento típico observado. Para tanto, utiliza-se dos mecanismos de atividade de traps, de interação da camada semicondutora com o meio ambiente, de polarização de dipolos e difusão de cargas móveis no dielétrico, de formação de caminhos percolados paralelos pelas nanopartículas e de difusão de vacâncias de oxigênio e íons metálicos que podem estar associados ao comportamento elétrico observado. / In this work, the characteristics of thin-film transistors (TFTs) employing nanoparticulated zinc oxide (ZnO) as the active semiconductor channel layer are discussed. The growing interest in this component is associated to the development of low-cost, flexible and transparent electronic devices. The TFTs integrated with ZnO nanoparticles are presented and an extensive transient electrical characterization campaign was performed in order to evaluate how these devices behave and degrade over time. The measurement was performed for 80 samples of two different integration setups: inverted staggered and inverted coplanar. In the performed tests two main disturbances were identified, which were classified as abrupt and memory effects. From the collected data, hypothesis to model the observed typical behavior are formulated. Trapping activity, ambient interaction, dielectric dipoles, mobile charges, formed parallel-paths, oxygen vacancies and metallic ions diffusion are mechanisms that may be associated to the observed behavior.

Neste trabalho, são discutidas as características de transistores de filmes finos (TFTs) nos quais nanopartículas de óxido de zinco (ZnO) são empregadas como material ativo na camada semicondutora. O crescimento contínuo do interesse por este componente está associado à busca pelo desenvolvimento da tecnologia de dispositivos eletrônicos flexíveis, transparentes e de baixo custo. TFTs integrados com nanopartículas de ZnO são apresentados, e uma extensa rotina de caracterização elétrica transiente é realizada para avaliar como estes dispositivos se comportam e degradam ao longo do tempo. Foram medidas, ao total, 80 amostras de transistores integrados em duas configurações distintas: inverted staggered e inverted coplanar. A partir das medidas analisadas foram identificados dois grupos de comportamentos elétricos dominantes, os quais foram classificados em: efeitos abruptos e efeitos de memória. A partir dos dados coletados, foram formuladas hipóteses para modelar o comportamento típico observado. Para tanto, utiliza-se dos mecanismos de atividade de traps, de interação da camada semicondutora com o meio ambiente, de polarização de dipolos e difusão de cargas móveis no dielétrico, de formação de caminhos percolados paralelos pelas nanopartículas e de difusão de vacâncias de oxigênio e íons metálicos que podem estar associados ao comportamento elétrico observado. / In this work, the characteristics of thin-film transistors (TFTs) employing nanoparticulated zinc oxide (ZnO) as the active semiconductor channel layer are discussed. The growing interest in this component is associated to the development of low-cost, flexible and transparent electronic devices. The TFTs integrated with ZnO nanoparticles are presented and an extensive transient electrical characterization campaign was performed in order to evaluate how these devices behave and degrade over time. The measurement was performed for 80 samples of two different integration setups: inverted staggered and inverted coplanar. In the performed tests two main disturbances were identified, which were classified as abrupt and memory effects. From the collected data, hypothesis to model the observed typical behavior are formulated. Trapping activity, ambient interaction, dielectric dipoles, mobile charges, formed parallel-paths, oxygen vacancies and metallic ions diffusion are mechanisms that may be associated to the observed behavior.

Neste trabalho, são discutidas as características de transistores de filmes finos (TFTs) nos quais nanopartículas de óxido de zinco (ZnO) são empregadas como material ativo na camada semicondutora. O crescimento contínuo do interesse por este componente está associado à busca pelo desenvolvimento da tecnologia de dispositivos eletrônicos flexíveis, transparentes e de baixo custo. TFTs integrados com nanopartículas de ZnO são apresentados, e uma extensa rotina de caracterização elétrica transiente é realizada para avaliar como estes dispositivos se comportam e degradam ao longo do tempo. Foram medidas, ao total, 80 amostras de transistores integrados em duas configurações distintas: inverted staggered e inverted coplanar. A partir das medidas analisadas foram identificados dois grupos de comportamentos elétricos dominantes, os quais foram classificados em: efeitos abruptos e efeitos de memória. A partir dos dados coletados, foram formuladas hipóteses para modelar o comportamento típico observado. Para tanto, utiliza-se dos mecanismos de atividade de traps, de interação da camada semicondutora com o meio ambiente, de polarização de dipolos e difusão de cargas móveis no dielétrico, de formação de caminhos percolados paralelos pelas nanopartículas e de difusão de vacâncias de oxigênio e íons metálicos que podem estar associados ao comportamento elétrico observado. / In this work, the characteristics of thin-film transistors (TFTs) employing nanoparticulated zinc oxide (ZnO) as the active semiconductor channel layer are discussed. The growing interest in this component is associated to the development of low-cost, flexible and transparent electronic devices. The TFTs integrated with ZnO nanoparticles are presented and an extensive transient electrical characterization campaign was performed in order to evaluate how these devices behave and degrade over time. The measurement was performed for 80 samples of two different integration setups: inverted staggered and inverted coplanar. In the performed tests two main disturbances were identified, which were classified as abrupt and memory effects. From the collected data, hypothesis to model the observed typical behavior are formulated. Trapping activity, ambient interaction, dielectric dipoles, mobile charges, formed parallel-paths, oxygen vacancies and metallic ions diffusion are mechanisms that may be associated to the observed behavior.

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.

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.