有机半导体器件的光电转换技术解析
1. 有机半导体的特性
有机半导体与传统的硅基半导体在诸多方面存在显著差异。当光子被有机半导体吸收时,会形成束缚的电子 - 空穴对,即激子,其结合能在 0.3 至 1eV 之间。这是因为电子从一条分子链跃迁到相邻链需要额外的能量。
与硅器件通过掺杂杂质形成 p 型(空穴过剩)或 n 型(电子过剩)区域不同,有机半导体难以采用相同的掺杂方式,大多保持本征状态,电荷相对较少。而且,在硅中电子和空穴的传输难易程度差异相对较小,而有机半导体在电子传输和空穴传输方面表现出更大的差异,具有内在的电子或空穴传输偏好,这对实际器件的形成至关重要。此外,有机半导体中电荷的传输速度(即电荷迁移率)远低于硅,典型的电荷迁移率为 10⁻⁴ 至 10⁻³ cm²V⁻¹s⁻¹,而硅中的空穴迁移率为 800 cm²V⁻¹s⁻¹,电子迁移率为 1200 cm²V⁻¹s⁻¹,但随着更好材料的发现,有机半导体的电荷迁移率通常在不断提高。
有机半导体材料主要有小分子和聚合物两种形式:
- 小分子 :如并五苯和 PCBM(苯基 - C61 - 丁酸甲酯),通常难溶或微溶,结构较为刚性,但有可能形成晶体结构,从而提高电荷迁移率。
- 聚合物 :具有较宽的光谱吸收带隙,因为电子离域可以在较长的链段上发生。它们可以制成可溶的形式,因此可以进行溶液加工,这使得它们有可能与高通量的卷对卷技术兼容。此外,聚合物还可以与柔性基板一起使用,开拓了许多潜在的有趣应用。
2. 有机光检测原理
有机半导体光电二极管与硅光电二极管类似,由夹在两个电极之间的 p 型半导体和