Gaussian density of states driven numerical modeling of organic field-effect transistors

Modélisation numérique des transistors à effet de champ organiques basé sur la densité d’états Gaussienne

• Auteur / Autrice : Yongjeong Lee
• Direction : Yvan Bonnassieux
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 16/10/2020
• Etablissement(s) : Institut polytechnique de Paris
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale de l'Institut polytechnique de Paris
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne)
• Jury : Président / Présidente : Alistair Rowe
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Yvan Bonnassieux, Paul L. Heremans, Olivier Simonetti, Sungyeop Jung, Benjamin Iniguez
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paul L. Heremans, Olivier Simonetti

Mots clés

Mots clés contrôlés

Électronique organique

Transistors à effet de champ

Modélisation des données (informatique)

Mots clés libres

Modélisation numérique

Electronique organique

Transistors à effet de champ organiques

Densité d'état gaussienne

Modélisation de physique

Gaussian density-Of-States

Numerical modeling

Organic electronics

Device physics

Organic field-Effect transistors

Résumé

Bien que la physique des transistors organiques ait été largement étudiée, l'analyse avec la densité d'états Gaussianne fait toujours défaut malgré la nature désordonnée des semi-conducteurs organiques. Étant donné que le transport et l'injection de charges ont lieu à la densité d'états Gaussienne, cette structure énergétique distinctive des semi-conducteurs organiques pourrait rendre le processus d'accumulation de charges, et donc le fonctionnement du dispositif, différent. Cette thèse est consacrée à la compréhension de l'effet de la densité d'états Gaussienne sur les paramètres des transistors organiques, la tension de seuil, la mobilité du porteur de charge et la barrière d'injection via des simulations 2D basées sur des éléments finis numériques et la validation expérimentale. La tension de seuil est comprise par le piégeage de charge dans la secondaire densité d'états Gaussianne ainsi que dans la densité d'états intrinsèque. Nous montrons que le chevauchement des deux densité d'états en raison du désordre induit des comportements de seuil spécifiques des transistors organiques. Deuxièmement, le transport est étudié via le modèle gaussien désordonné sur des sites spatiaux aléatoires de semi-conducteurs organiques. Ce modèle peut offrir un résultat précis par rapport au modèle avec un réseau cubique. De plus, nous proposons une paramétrisation correcte du modèle pour des polymères aux petites molécules. Enfin, la barrière d'injection basée sur la charge et le transport est étudiée et comparée. Les avantages et les limites de chaque modèle sont évalués.

Although the device physics of organic field-effect transistors (OFETs) has been widely studied, the analysis with energetic distribution of the density-of-states (DOS) is still lacking in spite of the disordered nature of organic semiconductors. Because charge transport and injection take place at the Gaussian DOS, this distinctive energetic structure of organic semiconductors could make the charge-accumulation process, and hence the device operation, different. This thesis is dedicated to understanding the effect of Gaussian DOS on device parameters of OFETs, the threshold voltage, charge-carrier mobility and injection barrier via numerical finite-element based 2D simulations and experimental validation. The threshold voltage is comprehended by the charge trapping into the secondary Gaussian trap DOS as well as the intrinsic Gaussian DOS. We show that the overlap of two Gaussian DOSs due to the disorder induces specific threshold behaviors of OFETs. Second, the hopping transport is studied via Gaussian disordered model (GDM) on random spatial sites of organic semiconductors. This model can offer a precise result over GDM with cubic lattice. Also, we propose a correct parametrization of the model for wide range of materials from polymers to small molecules. Lastly, charge-based and transport-based injection barrier are studied and compared with Gaussian DOS. The advantages and limits of each model are evaluated.