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1、南京邮电大学毕 业 设 计（论 文）题 目掺杂半导体中载流子浓度的数值计算专 业光电信息工程学生姓名 班级学号 指导教师 指导单位光电工程学院 日期： 2012 年 3 月 12 日至 2012 年 6 月 15 日毕业设计（论文）原创性声明本人郑重声明：所提交的毕业设计（论文） ，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已注明引用的内容外，本毕业设计（论文）不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本研究做出过重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明并表示了谢意。论文作者签名：日期： 年 月 日摘 要从上世纪末和本世纪初开始,有机半导体材料研究引起了业界的广
2、泛重视,使有机半导体器件的实验室制作水平得到大幅提高,并逐步进入当前的商品发展阶段。本文概述了有机半导体的发展历程、各种器件结构与特性及其技术现状。本课题基于最低未被占据分子轨道（LUMO）和最高被占据分子轨道(HOMO)的高斯态密度分布与载流子在允许量子态中的费米-狄拉克分布，提出有机半导体中物理掺杂的理论模型。利用电中性条件,结合电子和空穴浓度计算式，推导出了当施主和受主同时存在时，费米能级的计算式，利用 Matlab 编程，计算费米能级 EF的大小和平衡状态下的载流子的浓度。并基于此将所求得的费米能级 EF带回原方程，分析研究了特定物理条件，如温度、掺杂浓度、有机材料禁带宽度等对载流子浓
3、度的影响。关键字：有机半导体；掺杂；Matlab 绘图；费米能级 EF；载流子浓度ABSTRACTSince the late 1990s and early 2000s, the research of organic semiconductor materials has attracted great attention in related fields, which dramaticly improved the fabrication level of organic semiconductor devices in laboratory environments. Current
4、ly, the field of organic semiconductor devices is entering commercial phase. An overview about the history, structures and properties, the present status of organic semiconductor devices is presented.A theory for carrier concentration in physically doped organic semiconductors has been presented bas
5、ed on Gaussian energy distribution of the lowest unoccupied molecular orbitals (LUMO) and the highest occupied molecular orbitals ( HOMO) as well as the Fermi-Dirac distribution of carriers in allowed quantum states. According to the condition of electrical neutrality , formulae of Fermi energy are
6、deduced associated with computation results of electron and void concent ration ,when donor and acceptor exist at the same time.A new graphic method is described for calculating the Fermi energy，the free electron and free hole concentrations，and the ionized impurity concentrations in semiconductors
7、material with the drawing function of Matlab software.Then, the dependence of carrier concentration on doping concentration, ambient temperature and energy gap of organic semiconductors were numerically investigated. Keyword:Organic semiconductor;doped;Matlab graphics;The Fermi energy EF;Carriers co
8、ncentration目 录第一章 绪论 .11.1 有机半导体的历史 .11.2 有机半导体的现状 .11.3 有机半导体器件的应用与市场 .2第二章 有机半导体简介 .42.1 有机半导体材料的分子特征 .42.2 有机半导体材料中的载流子及电传输.52.3 常见的有机半导体器件 .72.3.1 有机发光二极管.72.3.2 OFET .9 2.3.3 有机半导体传感器.102.3.4 有机太阳能电池.11第三章 掺杂有机半导体中载流子浓度 .133.1 计算载流子浓度的理论模型 .133.2 掺杂有机半导体载流子浓度的影响因素 .153.2.1 Matlab 软件介绍.153.2.2 温
9、度对掺杂有机半导体载流子浓度的影响.163.2.3 掺杂浓度对有机半导体载流子浓度的影响.193.2.3 不同能级关系时掺杂对有机半导体载流子浓度的影响.223.3 总结.26结束语 .28致 谢 .29参考文献 .30附录： .31南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文）0第一章 绪论1.1 有机半导体的历史 近几十年来有机半导体材料的研究进程中的一些大事如下：1954 年，日本科学家赤松、井口等人发现掺 Cl 的芳香族碳水化合物的薄膜中能产生电流，导电率为 0.1S/cm，于是首次提出了有机半导体这一概念，从此开辟了有机半导体材料及其器件的研究领域。1974 年日本科学家白川英树等
10、人首次聚合成聚乙炔薄膜，为绝缘体。1977 年美国宾州大学，白川英树等人，通过掺杂使聚乙炔薄膜成为良导体，从而出现了导电聚合物，可与铜媲美。1986 年 Tsumura 等人首次应用聚噻吩有机半导体材料作为有源层制备得到OFET。当时得到的器件载流子迁移率只有 210-5cm2/Vs，但自此揭开了 OFET 的研究热潮。1987 年美国 Kodak 公司研究实验室 C.W.Tang（华裔科学家邓青云博士）等用有机小分子薄膜材料研制成有机发光二极管(OLED)。1990 年英国剑桥大学 Cavendish 实验室 J.H.Burroughes 等在 NATURE 上发表文章，报道他们研制成功聚合
11、物有机发光二极管（高分子） 。这项研究成果在全世界掀起了有机发光二极管（OLED）的研究热潮。1997 年起，人们逐渐将研究重点转移到薄膜的形态结构控制、界面态、器件集成有机半导体上。2000 年 10 月美国 Bell 实验室 J.H.Schon（舍恩）等在 Nature 上报道他们用自组装分子单层研制成有机分子场效应管,推动了分子电子学的新进展,被评为当年国际十大科技成就之一。基于这样一种 OFET 机构，Schon 还首次实现了高分子材料的超导性。2006 年至今，有机半导体的性能已经有了突破性的进展，科研人员正致力于发觉他们的实际应用性，功能化的 OLED、OFET 正被提上日程。1.
12、2 有机半导体的现状随着信息社会的不断发展，单一功能的材料与器件越来越难以满足应用领域的各种需求，因此一批具有半导体特性的有机功能材料如塑料和高分子聚合物等陆续被开发出来，并且正在尝试应用于由 Si 和 GaAs 等传统半导体材料所占领的领域。有机半导体材料具有原料易得、廉价、重量轻、制备工艺简单、环境稳定性好以及可制作成大面积柔性器件等优点。而且这类器件即使报废了也可以回收再利用，非常符合当前大力倡导的节能环保理念。长久以来人们普遍认为有机物是不导电的，因此被广泛用作绝缘材料，直到 20 世纪 70 年代，美国物理学家A.J.Heeger、化学家 M.MacDiarmid 和日本化学家 H.
13、Shirakawa 共同发现对聚乙南京邮电大学 2012 届本科生毕业设计（论文）1炔分子进行掺杂可以使其变成良导体，从而拉开了有机半导体技术研究的序幕，这三位科学家凭借该项重大发现成为 2000 年诺贝尔化学奖得主。自上世纪 80 年代以来，有机半导体研究领域云集了众多世界知名公司、大学与研究机构，如美国的 IBM、柯达、通用显示公司、固态显示实验室、普林斯顿大学、英国剑桥大学、日本索尼公司、NEC 公司、丰田公司、韩国三星和 LG 以及印度科学院等，不断开发出能改善有机半导体特性和稳定性的新材料和制造技术，而新材料和新技术的应用又极大地促进了有机场效应晶体管(OFET) 、有机发光二极管(OLED) 和有机光伏电池(OPC) 以及有机传感器等有机电子器件和有机光电子器件性能的提高。当前有机半导体器件的应用正在不断扩大，市场份额也在逐年增长。人们也发现有机材料中的电学掺杂一直是改善有机光电子器件性能的有效方法。通过电学掺杂可提高有机材料的导电性，在有机电致发光器件的载流子
