PEDOT:PSS kapı elektrodlu alan-etkili transistörlerde kapı yalıtkanının transistör parametreleri üzerine etkileri
The effects of gate insulator on transistor parameters of organic field-effect transistors with PEDOT:PSS gate electrode
Yazar: TAYFUN YARDIM
Danışman: PROF. DR. İBRAHİM YÜCEDAĞ
Düzce Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik ve Bilgisayar Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Organik alan-etkili transistörler (OFET'ler) esnek yapıları ve düşük üretim maliyetleri
nedeniyle bir elektronik bileşen olarak elektronik devrelerde kullanılmak üzere son
dönemde yoğun olarak çalışılmaktadır. OFET'lerde organik yarıiletkenin yanında kapı
yalıtkanı da yarıiletken-dielektrik arayüzeyindeki yük taşınımını etkileyen bir etmen
olması dolayısıyla çok önemli bir bileşendir. Uygun kapı yalıtkanlarının OFET'e
eklenmesiyle transistörlerin performansı ciddi oranlarda yükselebilmektedir. Bu
bağlamda, OFET'lerin elektronik parametre değerlerini iyileştirmek için üniversitemiz
kimyacıları tarafından sentezlenen ve literatürde çok kullanılan poli(metil-metakıralat)
(PMMA)'ya göre mekanik olarak esneklik avantajına sahip organik polimer poli(metilakrilat) (PMA) ince-film halinde ve polimerin jel haline getirilmesi vasıtasıyla jel halinde
üretilen transistörlerde kapı yalıtkanı olarak kullanılmıştır. Ayrıca PMA polimerinin
orjinal olarak sentezlenen dört adet kopolimeri de (P18, P28, P29 ve P30) polimerizasyon
sürecinde metil akrilata (MA) belli oranlarda soya yağı eklenmesiyle elde edilmişdir.
İnce-film halinde kaplanan PMA, PMMA'ya göre daha yüksek mobilite ve daha düşük
eşik gerilimi (VTH) gibi bir özellik sergilese de akım açma-kapama oranı (ION⁄IOFF) ve
eşikaltı salınımı (SS) gibi parametrelerde, yüksek kapı sızıntı akımından (IOFF) dolayı
düşük performans göstermiştir. IOFF değerini ve transistörün çalışma voltajını düşürmek
adına PMA ve yukarıda bahsedilen kopolimerleri jel haline getirilmiş ve OFET'lerde kapı
yalıtkanı olarak kullanılmıştır. Sonuç olarak bu şekilde üretilen transistörlerle hem
çalışma voltajlarının düşürülebildiği hem de kopolimerlerdeki polimerleşme sürecinde
soya yağı MA oranının arttırılmasıyla jel dielektriklerin bağıl dielektrik katsayılarının
düşürülebildiği ve bu sayede OFET'in en önemli parametrelerinden biri olan mobilitenin
yükseltilebildiği görülmüştür. Dahası, kapı yalıtkanlarının jel haline getirilip
kullanılmasıyla IOFF akımının da azaltılabileceği ispatlanmıştır. Bunların yanında şunu da
belirtmek gerekir ki; poli(3,4-etilendioksitiyofen) polistren sülfonat (PEDOT:PSS)
organik iletken formulasyonunun kapı elektrodu olarak tasarımlarda kullanılmasıyla
cihazların performansının dahada yükselebildiği tespit edilmiştir. Son olarak, yukarıda
bahsedilen kapı yalıtkanları ve teknikleri kullanılarak basit ve ucuz yöntemlerle üretilen
OFET'lerin elektronik osilatör ve evirici gibi elektronik devrelerinde devre elemanı
olarak kullanılma potansiyelinin olduğu söylenebilir.

Abstract:
Organic field-effect transistors (OFETs), recently have been studied intensively for their
usage as an electronic component in electronic circuits because of their flexibility and
low production costs. In OFETs, besides the organic semiconductor, gate insulators are
also important components since they have a high impact on the charge transport in the
semiconductor-dielectric interface. Performance of the transistors can be improved
significantly via adding compatible gate insulators in OFETs. In this regard, in order to
enhance the parameter values of the OFETs, poly(methyl-acrylate (PMA) which was
synthesized by chemist of our university and more flexible compared to the heavily used
poly(methyl-methacrylate) (PMMA) in the literature was used as gate insulators in OFETs
both as thin-film and gel states. Copolymers of the PMA (P18, P28, P29, and P30) were
originally synthesized and obtained by adding particular amount of soybean oil to the
methyl acrylate (MA) in the polymerization process. Even though coated thin-film PMA
was proven to have a higher mobility and lower threshold voltage (VTH) compared to the
coated PMMA thin-film, on-to-off current ratio (ION⁄IOFF) and subthreshold swing (SS)
parameters were exhibited a lower performance since the higher gate leakage current
(IOFF). Therefore, PMA and above-mentioned copolymers of the PMA were transformed
into the gel state and used as gate insulators in order to decrease the IOFF and operating
voltage of the devices. Consequently, it was demonstrated that operating voltage of the
devices can be decreased in this way. Furthermore, relative dielectric constant of the gel
dielectric can also be decreased by increasing the soybean oil to MA weight ratio in the
polimerization process and it was proven that this led the enhancement of mobility.
Moreover, it was shown that transforming the gate insulators into gel state lowers the
value of IOFF. Besides all of that, it was shown that using the poly(3,4-
ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS) formulation as a gate
electrode in designs enhanced the performance of the devices further. Finally, it can be
said that by using above mentioned gate insulators and simple techniques, OFETs can be
fabricated with a low budget and then they can be potentially used in electronic oscillator
and inverter circuits.