This thesis describes the use of charge modulation spectroscopy to investigate the negative and positive charge-induced absorptions in conjugated semiconducting polymers as a way to experimentally compare the wavefunctions of electrons and holes. Interactions between light and charges including fluorescence quenching and photocurrent are also explored. Conjugated polymers have an electronic structure with an energy gap between the highest occupied molecular orbital (HOMO) and the lowest unoccupied molecular orbital (LUMO). In the neutral ground state, there are no optical transitions at photon energies lower than this gap. When an excess charge is added to a conjugated polymer, the charge couples with a local structural reorganisation forming a localised entity known as a polaron. The polaron has two new electronic states within the energy gap symmetrically spaced about the midgap energy. Typically two new optical transitions between the polaronic states are allowed and can be accessed with sub gap energies. In order to probe the sub gap polaron absorptions charges can be added by electrical injection. Electrical injection in a transistor configuration provides a controlled way to measure the absorption of a known number of charges in the solid state and without triplet or singlet absorptions complicating the spectra as observed in photo-induced absorption. By taking advantage of recently developed ambipolar transistors where both holes and electrons can be accumulated in the same device a comparison can be made between the negative and positive polaron wavefunctions. Two polyfluorene polymers were chosen as examples where quantum chemical calculations predict either the same or different wavefunctions for the electron and hole. Poly(9,9-di-n-octylfluorene) (F8) is a hydrocarbon-only polymer which is expected to have similar electron and hole wavefunctions, whereas the related co-polymer, poly(9,9-di-n-octylfluorene-alt-benzothiadiazole) (F8BT) is expected to have an electron wavefunction that is more localized that the hole. The ambipolar transistors used in this thesis are typified by a dominant contact resistance which introduces difficulties in the charge modulation spectroscopy experiment. New techniques for simultaneous electrical and optical characterisation are developed and new device structures and fabrication processes are introduced in order to overcome a number of artifacts and improve the accuracy of the measurement allowing quantitative comparisons to be made. The increase in transistor or diode current with energy gap illumination and the quenching of fluorescence in the presence of charges is also investigated and a new method for imaging charge trapping and device operation in transistors with luminescent semiconductors is introduced.

Cette thèse a exploré comment, en mélangeant des matériaux avec des propriétés électriques différentes, il est possible de fabriquer des transistors avec des performances accrues. Des transistors organiques à effet de champ basés sur un oligothiophène (DH4T) ont été fabriqués et optimisés jusqu’à ce que les mobilités mesurées fussent supérieures à celles observées dans des films évaporés. Ces résultats ont été obtenus par le contrôle précis des interfaces et de la vitesse d’évaporation. Des polymères de type p ont été mélangés à des polymères de type n. Chaque solution obtenue a été utilisée pour la fabrication de transistors ambipolaires. Les transistors ont été caractérisés et il a été possible de fabriquer des transistors avec des mobilités équilibrées pour chaque paire de polymères. Des transistors à effet de champ basés sur un mélange de P3HT et d’une molécule photochromique (DAE-Me) ont été fabriqués. Le courant a été mesuré pendant et entre les irradiations et il a été démontré qu’une mémoire non-volatile à multiple niveaux peut être fabriquée / This thesis explored how, by blending of materials with different electrical characteristics, it is possible to fabricate transistors with new or improved performances. First, organic field-effect transistors based on a single oligothiophene, DH4T, were fabricated and optimized until the measured mobility was superior to that observed in vacuum deposited films. This was achieved through careful tuning of the interfaces using self-assembled monolayers and by strong control of the solvent- evaporation rate. P-type polymers were blended with an n-type polymer. Each resulting solution was used for the fabrication of ambipolar field-effect transistors. These devices were characterized and it was found that for each pair of p- and n-type polymers, a transistor with balanced mobilities and high Ion/Ioff could be fabricated. Finally field-effect transistors based on a blend of P3HT and a photoswitchable diarylethene (DAE-Me) were fabricated. The current was measured during and between irradiations and it was demonstrated that a non-volatile multilevel memory could be fabricated.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Simulation und Modellierung organischer Feldeffekt-Transistoren (OFETs). Mittels numerischer Simulationen wurden detaillierte Untersuchungen zu mehreren Problemstellungen durchgeführt. So wurde der Einfluss einer exponentiellen Verteilung von Trapzuständen, entsprechend dem sogenannten a-Si- oder TFT-Modell, auf die Transistorkennlinien untersucht. Dieses Modell dient der Beschreibung von Dünnschicht-Transistoren mit amorphen Silizium als aktiver Schicht und wird teils auch für organische Transistoren als zutreffend angesehen. Dieser Sachverhalt wird jedoch erstmals in dieser Arbeit detailliert untersucht und simulierte Kennlinien mit gemessenen Kennlinien von OFETs verglichen. Insbesondere aufgrund der Dominanz von Hysterese-Effekten in experimentellen Kennlinien ist jedoch eine endgültige Aussage über die Gültigkeit des a-Si-Modells schwierig. Neben dem a-Si-Modell werden auch noch andere Modelle diskutiert, z.B. Hopping-Transport zwischen exponentiell verteilten lokalisierten Zuständen (Vissenberg, Matters). Diese Modelle liefern, abhängig von den zu wählenden Modellparametern, zum Teil ähnliche Abhängigkeiten. Möglicherweise müssen die zu wählenden Modellparameter selbst separat gemessen werden, um eindeutige Schlussfolgerungen über den zugrundeliegenden Transportmechanismus ziehen zu können. Unerwünschte Hysterese-Effekte treten dabei sowohl in Transistorkennlinien als auch in Kapazitäts-Spannungs- (CV-) Kennlinien organischer MOS-Kondensatoren auf. Diese Effekte sind bisher weder hinreichend experimentell charakterisiert noch von ihren Ursachen her verstanden. In der Literatur findet man Annahmen, dass die Umladung von Trapzuständen oder bewegliche Ionen ursächlich sein könnten. In einer umfangreichen Studie wurde daher der Einfluß von Trapzuständen auf quasistatische CV-Kennlinien organischer MOS-Kondensatoren untersucht und daraus resultierende Hysterese-Formen vorgestellt. Aus den Ergebnissen läßt sich schlussfolgern, dass allein die Umladung von Trapzuständen nicht Ursache für die experimentell beobachteten Hysteresen in organischen Bauelementen sein kann. Eine mögliche Erklärung für diese Hysterese-Effekte wird vorgeschlagen und diskutiert. In einem weiteren Teil der Arbeit wird im Detail die Arbeitsweise des source-gated Dünnschicht-Transistors (SGT) aufgezeigt, ein Transistortyp, welcher erst kürzlich in der Literatur eingeführt wurde. Dies geschieht am Beispiel eines Transistors auf der Basis von a-Si als aktiver Schicht, die Ergebnisse lassen sich jedoch analog auch auf organische Transistoren übertragen. Es wird geschlussfolgert, dass der SGT ein gewöhnlich betriebener Dünnschicht-Transistor ist, limitiert durch das Sourcegebiet mit großem Widerstand. Die detaillierte Untersuchung des SGT führt somit auf eine Beschreibung, die im Gegensatz zur ursprünglich verbal diskutierten Arbeitsweise steht. Ambipolare organische Feldeffekt-Transistoren sind ein weiterer Gegenstand der Arbeit. Bei der Beschreibung ambipolarer Transistoren vernachlässigen bisherige Modelle sowohl die Kontakteigenschaften als auch die Rekombination von Ladungsträgern. Beides wird hingegen in den vorgestellten numerischen Simulationen erstmalig berücksichtigt. Anhand eines Einschicht-Modellsystems wurde die grundlegende Arbeitsweise von ambipolaren (double-injection) OFETs untersucht. Es wird der entscheidende Einfluß der Kontakte sowie die Abhängigkeit gegenüber Variationen von Materialparametern geklärt. Sowohl der Kontakteinfluß als auch Rekombination sind entscheidend für die Arbeitsweise. Zusätzlich werden Möglichkeiten und Einschränkungen für die Datenanalyse mittels einfacher analytischer Ausdrücke aufgezeigt. Es zeigte sich, dass diese nicht immer zur Auswertung von Kennlinien herangezogen werden dürfen. Weiterhin werden erste Simulationsergebnisse eines ambipolaren organischen Heterostruktur-TFTs mit experimentellen Daten verglichen.

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Simulation und Modellierung organischer Feldeffekt-Transistoren (OFETs). Mittels numerischer Simulationen wurden detaillierte Untersuchungen zu mehreren Problemstellungen durchgeführt. So wurde der Einfluss einer exponentiellen Verteilung von Trapzuständen, entsprechend dem sogenannten a-Si- oder TFT-Modell, auf die Transistorkennlinien untersucht. Dieses Modell dient der Beschreibung von Dünnschicht-Transistoren mit amorphen Silizium als aktiver Schicht und wird teils auch für organische Transistoren als zutreffend angesehen. Dieser Sachverhalt wird jedoch erstmals in dieser Arbeit detailliert untersucht und simulierte Kennlinien mit gemessenen Kennlinien von OFETs verglichen. Insbesondere aufgrund der Dominanz von Hysterese-Effekten in experimentellen Kennlinien ist jedoch eine endgültige Aussage über die Gültigkeit des a-Si-Modells schwierig. Neben dem a-Si-Modell werden auch noch andere Modelle diskutiert, z.B. Hopping-Transport zwischen exponentiell verteilten lokalisierten Zuständen (Vissenberg, Matters). Diese Modelle liefern, abhängig von den zu wählenden Modellparametern, zum Teil ähnliche Abhängigkeiten. Möglicherweise müssen die zu wählenden Modellparameter selbst separat gemessen werden, um eindeutige Schlussfolgerungen über den zugrundeliegenden Transportmechanismus ziehen zu können. Unerwünschte Hysterese-Effekte treten dabei sowohl in Transistorkennlinien als auch in Kapazitäts-Spannungs- (CV-) Kennlinien organischer MOS-Kondensatoren auf. Diese Effekte sind bisher weder hinreichend experimentell charakterisiert noch von ihren Ursachen her verstanden. In der Literatur findet man Annahmen, dass die Umladung von Trapzuständen oder bewegliche Ionen ursächlich sein könnten. In einer umfangreichen Studie wurde daher der Einfluß von Trapzuständen auf quasistatische CV-Kennlinien organischer MOS-Kondensatoren untersucht und daraus resultierende Hysterese-Formen vorgestellt. Aus den Ergebnissen läßt sich schlussfolgern, dass allein die Umladung von Trapzuständen nicht Ursache für die experimentell beobachteten Hysteresen in organischen Bauelementen sein kann. Eine mögliche Erklärung für diese Hysterese-Effekte wird vorgeschlagen und diskutiert. In einem weiteren Teil der Arbeit wird im Detail die Arbeitsweise des source-gated Dünnschicht-Transistors (SGT) aufgezeigt, ein Transistortyp, welcher erst kürzlich in der Literatur eingeführt wurde. Dies geschieht am Beispiel eines Transistors auf der Basis von a-Si als aktiver Schicht, die Ergebnisse lassen sich jedoch analog auch auf organische Transistoren übertragen. Es wird geschlussfolgert, dass der SGT ein gewöhnlich betriebener Dünnschicht-Transistor ist, limitiert durch das Sourcegebiet mit großem Widerstand. Die detaillierte Untersuchung des SGT führt somit auf eine Beschreibung, die im Gegensatz zur ursprünglich verbal diskutierten Arbeitsweise steht. Ambipolare organische Feldeffekt-Transistoren sind ein weiterer Gegenstand der Arbeit. Bei der Beschreibung ambipolarer Transistoren vernachlässigen bisherige Modelle sowohl die Kontakteigenschaften als auch die Rekombination von Ladungsträgern. Beides wird hingegen in den vorgestellten numerischen Simulationen erstmalig berücksichtigt. Anhand eines Einschicht-Modellsystems wurde die grundlegende Arbeitsweise von ambipolaren (double-injection) OFETs untersucht. Es wird der entscheidende Einfluß der Kontakte sowie die Abhängigkeit gegenüber Variationen von Materialparametern geklärt. Sowohl der Kontakteinfluß als auch Rekombination sind entscheidend für die Arbeitsweise. Zusätzlich werden Möglichkeiten und Einschränkungen für die Datenanalyse mittels einfacher analytischer Ausdrücke aufgezeigt. Es zeigte sich, dass diese nicht immer zur Auswertung von Kennlinien herangezogen werden dürfen. Weiterhin werden erste Simulationsergebnisse eines ambipolaren organischen Heterostruktur-TFTs mit experimentellen Daten verglichen.