Das Hauptziel dieser Arbeit war ursprünglich die Umsetzung des Konzeptes des Bipolartransistors mit organischen Halbleitern. Obwohl dieses elektronische Bauteil eine Grundfeste klassischer Elektronik darstellt, war es bislang nicht möglich Stromverstärkung mit organischen Halbleitern nachzuweisen. Das Prinzip
des Bipolartransistors ist eng verknüpft mit der Diffusionslänge der Minoritätsladungsträger. Aufgrund der amorphen Struktur typischer organischer Materialien,
sind Diffusionsprozesse in der Regel stark unterdrückt. Eine mögliche Lösung sind organische Halbleiterkristalle, welche aufgrund ihrer Ordnung signifikant längere Diffusionslängen gewährleisten sollten.
Der erste Teil dieser Arbeit untersucht Wachstumsmethoden unterschiedlicher Kristallkonfiguration des Halbleiters Rubrene in Dünnschichtform. Ein besonderer Fokus liegt hierbei auf dem Einfluss von Dotierung auf den Kristallisationsprozess. Drei der Kristallphasen werden auf optimale Reproduzierbarkeit optimiert und umfangreich mit strukturellen Methoden untersucht. Die Strukturanalyse wird erweitert durch Untersuchungen des vertikalen Leitungsverhaltens der unterschiedlichen Kristallphasen in reiner, lochdotierter und elektronendotierter Form. Dünne Schichten aus Rubrene in der triklinen Kristallform zeigen hierbei Rekordwerte für die vertikale Beweglichkeit.
Der zweite Teil dieser Arbeit untersucht elektronische Bauelemente basierend auf diesen Kristallen. Zunächst werden organische Schottky, pn und pin Dioden analysiert sowie der Einfluss der einzelnen Schichten auf die elektrischen Eigenschaften der Bauelemente. Als eine mögliche Anwendung dieser Dioden werden Halbwellengleichrichter untersucht, welche im Bereich über 1 GHz operieren können. Diese stellen somit die zur Zeit schnellsten organischen Halbleiterbauelemente dar. Des Weiteren werden organische Feldeffekttransistoren in lateraler und vertikaler Ausführung untersucht, um den Nutzen dieser Kristallschichten für moderne Transistorkonzepte zu verdeutlichen. Schlussendlich werden Konzepte zur Realisierung eines organischen Bipolartransistors untersucht. Darauf basierend wird das erste Bauelement dieser Art vorgestellt, welche funktionierende Stromverstärkung zeigt. Dies stellt den ersten Schritt in der Untersuchung einer neuen Klasse an organischen Bauelementen dar. Des Weiteren bietet es neue Möglichkeiten der Untersuchung fundamentaler Eigenschaften, im Speziellen im Bezug auf Minoritätsladungsträgerdiffusion. / The main motivation of this thesis was originally the realization of the Organic Bipolar Junction Transistor (OBJT), an electronic device that has not been shown in literature yet. Its functionality is intimately tied to minority charge carrier diffusion. However, diffusion lengths are usually low in amorphous organic semiconductors. Thus, methods regarding the growth and doping of thin-flms of crystalline rubrene crystals are investigated. The higher degree of order provided by crystals makes longer diffusion lengths possible.
The first part of this thesis studies the growth of different crystal polymorphs of rubrene on various substrates and changing conditions, including the infuence of doping on the growth process. Three crystal phases are optimized for reproducible processing and investigated via structural measurements. The analysis of the crystal properties is followed up by a study of vertical conduction properties of pristine, p-doped, and n-doped crystals. All three types of crystals are successfully doped. The analysis reveals record-high vertical charge carrier mobilities for the triclinic polymorph of the thin-film form of rubrene.
The second part of this thesis presents electronic devices based on these layers. At first, organic Schottky, pn, and pin diodes are discussed, including the influence of the individual layers on the electric properties. As an exemplary application, half-wave rectifier operating in the GHz-regime are studied, representing the fastest organic electronic device to date. Furthermore, Organic Field-Effect Transistors (OFETs) and Vertical Organic Field-Effect Transistors (VOFETs) based on these crystalline thin-őlms are made, showing promising properties in the field of vertical transistor designs. The last chapter presents investigations of several designs, stacks, and geometries regarding OBJTs. The worlds first functioning OBJT is developed, showing ampliőcation of the input-current. It is the őrst step towards an entirely new class of organic devices, offering not only new technological opportunities but new aspects of physics in regard to minority carrier diffusion as well. / Hłowny zaměr tutoho doktorskeho dzěła je realizacija prěnjeho bipolarneho transistora na zakładźe organiskich połwodźakow. Byrnjež je tuta komponenta jedna z najwažnišich a najstaršich w polu klasiskeje elektroniki, njeběše hač dotal móžno priběranje sylnosće na zakładźe milinoweho pruda pokazać. Princip bipolarneho transistora je wusko zwjazany z konceptom diffuzije minoritnych nabitkow. Organiske materialije su zwjetša amorfne, štož na difuziju bazowace procesy potłóči. Problem hodźi so rozrisać hdyž so wužija organiske połwodźace kristale kotřiž jich wjetšeho porjada dla, dlěšu difuziju zmóžnja.
Prěni dźěl dźěła wopisa wšelakore konőguracije kristalow organiskeho połwodźa-ka rubren w formje ćenkich worštow. Wosebity fokus leži při tym na dotěrowanju kristalow a wliw dotanta na kristalizaciju. Tři wuzwolene polymorfy so op-timěruja a wobšěrnje strukturelnje přepytuja. Dale so elektriske kajkosće wšěch třoch kristalnych fazow přepytuja na zakładźe intrinsiskich, p-dotěrowanych a n-dotěrowanych kristalow. Trikliniske kristale pokazuja rekordne hódnoty za wertikalnu pohibliwosć.
Druhi dźěl wobjednawa elektroniske komponenty na bazy tutych kristalow.Schottky, pn a pin diody na zakładźe rubrena so prezentuja, kaž tež wliw jed-notliwych worštow na elektriske kajkosče. Jako prikład so jednore wusměrjaki pokazaja, kotřriž hodźa we wobłuku ultra-wysokich frekwencow nałožować. Potajkim jedna so wo najspěšniše organiske komponenty po nětcišim stawje wedomosće. Dale so organiske transistory na bazy pólneho efekta přepytuja, kotřiž pokazaja hódnosć tutych worštow za elektroniske komponenty kotřiž wužija lateralny a wertikalny transport zromadnje. Posledni dźěl wobjednawa eksperimenty na polu organiskich bipolarnych transistorow. Wopisa so prěni organiski elektroniski element, kiž pokaza posylnjenje signala na zakładźe miliny. Je to prěni krok přepytowanja noweje klasy organiskeje elektroniki, kiž skiči nowe metody přepytowanja fundamentalnych procesow w tutych materialijach.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:76953 |
| Date | 13 December 2021 |
| Creators | Sawatzki, Franz Michael |
| Contributors | Leo, Karl, Lüssem, Björn, Technische Universität Dresden |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | English |
| Detected Language | English |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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