Modeling and Simulation of Organic Semiconductors

Organic semiconductors in general are a family of polymers that are based on pi-conjugated carbon atoms. In the last years the development of electronic devices based on these materials has been considerably intensified. Applications such as thin film transistors, organic light emitting diodes, and displays are promising and inexpensive alternatives as compared to the well established silicon technology.
In this project, theoretical models for current transport in semiconducting polymers have been developed in order to enable a better understanding of measurement data and predictions of the electronic properties of materials and devices by means of simulation. Two approaches have been pursued, based on the Monte Carlo method and analytical models, respectively. Both approaches employ the classical Miller-Abrahams rate and a Gaussian disorder model.
A three-dimensional Kinetic Monte Carlo Simulator has been developed, taking into account both current transport in the bulk and the injection and extraction of charge carriers at the contacts. Since the electric characteristics of organic devices are often dominated by the contacts, the latter have been  modeled carefully. Space charge and image charge effects, an improved injection model, inter-band transitions, and molecular doping have been taken into account. The simulator has been calibrated mainly by comparison with the empirical data of Zinc Phthalocyanine.
Based on variable range hopping theory, different models have been developed that can explain the dependences of the carrier mobility in organic semiconductors on electric field, temperature, carrier concentration, and doping and trap concentration. The charge injection process between metal and organic semiconductor is examined for organic light-emitting diodes.
Finally, compact models of organic thin film transistors and unipolar organic light-emitting diodes to be used in circuit simulation have been proposed.

Organische Halbleiter gehören zu einer speziellen Klasse von Kunststoffen, die sich durch ein konjugiertes Bindungssystem auszeichnen. In den vergangenen Jahren wurde die Entwicklung von Kunststoff-basierten, elektronischen Bauelementen zunehmend intensiviert. Anwendungen wie organische Dünnfilmtransistoren, organische Leuchtdioden und Displays versprechen vielfältige und vor allem kostengünstige Alternativen zur herkömmlichen Silizium-Technologie.
In diesem Projekt wurden theoretische Modelle für den Stromtransport in halbleitenden Polymeren mit dem Ziel entwickelt, existierende Messdaten besser erklären zu können und die elektrischen Eigenschaften von Materialien und Bauelementen durch Simulation voraussagen zu können. Dazu wurden zwei Ansätze verfolgt, die einerseits auf der Monte Carlo Methode und andererseits analytischer Modellbildung beruhen. In beiden Fällen wird der klassischen Ratenausdruck von Miller und Abrahams und ein Gauß'sches Unordnungsmodell verwendet.
Es wurde ein drei-dimensionaler kinetischer Monte Carlo Simulator entwickelt, welcher sowohl den Stromtransport in Inneren des Halbleiters als auch die Injektion und Extraktion von Ladungsträgern an den Kontakten exakt modelliert. Da das elektrische Verhalten organischer Bauelemente in den meisten Fällen durch die Kontakte bestimmt wird, wurde auf deren Modellierung besonderes Augenmerk gelegt. Raumladungs- und Spiegelladungseffekte, ein verbessertes Injektionsmodell, Interband-Übergänge und molekulare Dotierung werden berücksichtigt. Die Kalibrierung des Simulators erfolgte  hauptsächlich für Zink-Phthalozyanin.
Im zweiten Ansatz wurden basierend auf der so-genannten variable-range-hopping-Theorie verschiedene Modelle entwickelt, die den funktionalen Abhängigkeiten der Ladungsträger-Beweglichkeit vom elektrischen Feld, der Temperatur, sowie der Konzentration von Ladungsträgern, Dopanten und Haftstellen Rechnung tragen. Die Injektion von Ladungsträgern mittels Metallkontakten wurde für den Fall organischer Leuchtdioden untersucht. Zu diesem Zweck wurden Modelle hergeleitet, welche die Abhängigkeit des Injektionsstromes von der Temperatur, dem elektrischen Feld und der Barrierenhöhe an der Grenzfläche zwischen Halbleiter und Kontakt beschreiben.
Weiters wurden Kompaktmodelle für Dünnfilmtransistoren und organische Leuchtdioden zur Verwendung in der Schaltkreissimulation entwickelt.