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

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

Yongjeong Lee (1)

1 LPICM - Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces [Palaiseau]

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.

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.

Mots clés: Gaussian density-Of-States; Numerical modeling; Organic electronics; Device physics; Organic field-Effect transistors

Mots clés: Modélisation numérique; Electronique organique; Transistors à effet de champ organiques; Densité d'état gaussienne; Modélisation de physique

Domaines: Physique [physics]

Yongjeong Lee. Modélisation numérique des transistors à effet de champ organiques basé sur la densité d’états Gaussienne. Physics [physics]. Institut Polytechnique de Paris, 2020. English. ⟨NNT : 2020IPPAX043⟩. ⟨tel-03047006⟩