有机掺杂和无机掺杂的区别

2022-10-03 23:07:29   文档大全网     [ 字体: ] [ 阅读: ]

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1 掺杂浓度:

有机半导体中的载流子通常定域在分子内,而无机半导体中的载流子则具有离域化的特点。因此有机半导体的载流子迁移率普遍低于无机半导体。在室温下,无机半导体载流子迁移率为102104cm2/(Vs),而高度有序的有机半导体中载流子迁移率上限约40cm2/(Vs)。在其他无序有机小分子体系中典型的迁移率为105103cm2/(Vs) 载流子迁移率大小是决定材料导电性的重要指标,通常材料电导率与载流子迁移率及载流子浓度成正比。由于有机材料载流子迁移率低,所以需提高载流子浓度来增加电导率。获得较高载流子浓度的方法之一就是进行掺杂。由于与无机半导体掺杂机制不同,有机半导体的掺杂浓度相对于无机半导体很高,通常无机半导体掺杂浓度为10-6,而有机半导体为1 %-5 %,而导电聚合物掺杂浓度往往在2040%左右。 2 掺杂机制

无机半导体通过原子的替代来实现掺杂,而导电聚合物中的掺杂则是氧化还原过程,通过电荷的转移来实现的。可逆性不同,半导体中无脱掺杂的过程,而导电聚合物中不仅存在脱掺杂的过种,而且掺杂和脱掺杂的过程是可逆的。



1 Si中的代位施主杂质



无机半导体以Si为例,设在Si的晶格中存在一个代位的P原子,如图1P原子将以5个价电子中的4个与邻近的4Si原子形成共价键,与纯Si相比,其多出一个电子这个多余的电子应该填充在导带,可以在整个晶体中运动,但是P原子此时具有正电性,会对该电子有库仑吸引力,只有电子具有一定能量时,电子才能进入导带。虽然其被束缚,



2 施主能级示意图



但是它提供了一个中间的能级,此能级低于Si导带底能量。这时电子到达导带所需能量变小,所以导电率变大。我们将向晶体提供电子而自身成为正离子的杂质成为施主杂质,被正离子束缚的电子所处能级为施主能级,如图2ECEDEV分别代表导带底、施主能级和价带顶位置。施主向导带释放电子所需能量即施主电离能为 εD = EC ED,这比无掺杂时电子到达导带所需能量ε = EC EV低得多,从而提高了电导率。此时主要以电子为载


流子导电,为N型半导体。

当在Si中掺杂B时原理类似,只是载流子主要为空穴,所以是P型半导体。无机半导体是原子掺杂,而有机半导体是分子或离子掺杂,因此在无机半导体中掺杂原子占有晶格格点,而有机半导体中有机分子和掺杂分子以电荷转移的形式存在。



3 有机半导体掺杂载流子产生示意图

a)非掺杂本证载流子;(b)掺杂p型载流子;(c)掺杂p型载流子。 空心圆代表空穴,黑色圆圈代表电子SCAD分别代表半导体、受体和给体

有机半导体掺杂时载流子的形成如图3,(a)是没有掺杂时产生本征载流子的情形,LUMO中存在的自由电子HOMO中的自由空穴数量相当,无空间电荷。(b)中,通过掺杂强氧化性电子受体,在有机半导体附近引入空置能级LUMOA,因而通过热激发过程,电子由主体材料(半导体)HOMO能级转移到客体材料(掺杂材料)LUMOA能级,半导体材料中出现空穴,形成p型载流子。(c)通过掺杂强还原性电子给体,使半导体的导带附近引入填充电子的能级HOMOD,通过热激发电子由客体(掺杂材料)HOMOD转移到主体(有机半导体)LUMO,从而半导体中出现过剩电子,形成n型载流子。

有机半导体也存在不是氧化还原过程的掺杂,例如聚苯胺的质子酸掺杂,聚苯胺的质子酸掺杂没有改变主链上的电子数目,只是质子进入高聚物主链上才使链带正电,为维持电中性,阴离子也进入高聚物的主链。



4 聚苯胺的质子酸掺杂




总之,无机半导体掺杂是改变了能带结构,而有机半导体掺杂是一个氧化还原过程,无机半导体掺杂不可逆,而有机半导体掺杂是完全可逆的。有机半导体中比较多见的是氧化掺杂。 3 掺杂手段

a 无机半导体掺杂技术

(1)热扩散技术:需要进行较高温度的热扩散。施主或受主杂质原子要直接进入半导体晶格的间隙中去是很困难的,只有当晶体中出现有晶格空位后,杂质原子才有可能进去占据这些空位,并从而进入到晶体。为了让晶体中产生出大量的晶格空位,所以,就必须对晶体加热,让晶体原子的热运动加剧,以使得某些原子获得足够高的能量而离开晶格位置、留下空位(与此同时也产生出等量的间隙原子,空位和间隙原子统称为热缺陷),也因此原子的扩散系数随着温度的升高而指数式增大。对于Si晶体,要在其中形成大量的空位,所需要的温度大致为1000度左右,这也就是热扩散的温度。

(2)离子注入技术:为了使施主或受主杂质原子能够进入到晶体中去,需要首先把杂质原子电离成离子,并用强电场加速、让这些离子获得很高的动能,然后再直接轰击晶体、并“挤”进到里面去;这就是“注入”。当然,采用离子注入技术掺杂时,必然会产生出许多晶格缺陷,同时也会有一些原子处在间隙中。所以,半导体在经过离子注入以后,还必须要进行所谓退火处理,以消除这些缺陷和使杂质“激活" b 有机半导体掺杂技术

对于小分子,可进行共升华可控掺杂,这不仅可以控制掺杂比例,而且可以实现稳定的多层掺杂和未掺杂层结构。





5 共升华掺杂装置示意图



导电聚合物掺杂方法有化学方法、化学方法、质子酸掺杂、光掺杂以及电荷注入掺杂等。


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