内容简介
本书聚焦有机半导体及器件的缺陷核心问题，立足传统半导体缺陷研究基础，针对有机半导体因分子取向无序、范德华力微弱而更易形成缺陷的特性，构建系统的知识体系。全书共7章，以“基础-理论-机制-技术-应用”为逻辑脉络：第1章概述有机半导体、其掺杂特性及OLED、OPV、OFET等核心器件架构；第2章对比晶体、非晶体与有机半导体的有序/无序差异，解析态密度与局域态，夯实缺陷理论基础；第3章阐述缺陷对载流子输运及材料光学特性的影响；第4章详解ESR、荧光光谱、TSC、DLTS等缺陷研究技术的原理与应用；第5章梳理有机材料与器件中结构、杂质、界面等缺陷来源；第6章分析缺陷对器件效率、稳定性及老化的作用，最后展望研究方向。本书为理解有机半导体缺陷机制、提升器件可靠性提供关键支撑，可供半导体科研与产业人员阅读。全书彩图请见www.isto.co.uk/nguyen/defects.zip。
目录
前言
2.2.1局域态14
2.2.2态密度（DOS）14
2.3非晶半导体14
2.3.1局域态15
2.3.2态密度15
2.4有机半导体16
2.4.1聚合物结构16
2.4.2聚合物结晶度17
2.4.3共轭聚合物中的缺陷18
2.4.4小分子晶体中的缺陷18
2.4.5局域态219
2.4.6态密度219
2.5能态分布20
第3章半导体的缺陷与物理性质21
3.1有机半导体中的载流子输运21
3.1.1跃迁传导22
3.1.2均匀态密度模型23
3.1.3非均匀态密度模型23
3.2缺陷对载流子传输的影响26
3.2.1陷阱和复合中心27
3.2.2俘获机制和陷阱参数28
3.3半导体与缺陷的光学性质34
3.3.1缺陷与吸收35
3.3.2缺陷与发光36
第4章半导体缺陷研究技术40
4.1电子自旋共振（ESR）40
4.1.1ESR的基本概念40
4.1.2ESR谱线解析41
4.1.3电子核双共振（ENDOR）42
4.1.4利用ESR技术研究缺陷42
4.2光学技术44
4.2.1荧光光谱（FL）44
4.2.2热激发发光（TSL）光谱学46
4.3电学技术53
4.3.1热刺激电流（TSC）技术54
4.3.2电流-电压测量：空间电荷限制电流（SCLC）60
4.3.3阻抗谱（IS）69
4.3.4深能级瞬态谱（DLTS）84
4.3.5飞行时间（TOF）和线性增压载流子抽取（CELIV）技术96
第5章缺陷来源100
5.1有机半导体中的缺陷100
5.1.1结构缺陷100
5.1.2杂质缺陷101
5.2有机器件中的缺陷102
5.2.1半导体中的缺陷102
5.2.2表面和界面处的缺陷103
5.2.3扩散杂质导致的缺陷105
第6章有机器件的缺陷、性能和可靠性108
6.1缺陷对有机器件性能的影响108
6.1.1OLED中的缺陷与效率109
6.1.2OPV中的缺陷与效率110
6.1.3OFET中的缺陷与性能113
6.2缺陷对有机器件稳定性的影响114
6.2.1有机半导体及器件中老化机制概述115
6.2.2有机半导体及器件中的缺陷与老化117
第7章展望134
前言/序言
前言
在比利·怀尔德执导的电影中，一个角色说道:“好吧……人无完人！”以此来为其伴侣的缺点开脱，具体来说是为其生活方式开脱，这种生活方式与他之前所描述的大相径庭。这句话看似不言而喻，然而没人能说自己完全了解身边的每一个人。在材料与器件领域，众所周知，由于结构和架构中存在缺陷，任何事物都无法达到完美状态。例如，在室温条件下，传统半导体（如硅）本征材料的缺陷密度估计高于1011/cm3。由于缺陷会影响材料的质量和特性，进而影响使用这些材料的器件性能，因此控制缺陷密度对确保可靠性至关重要。事实上，当创造、生产、获取某种材料或器件时，我们都希望从中获得最佳性能和最长使用寿命。这不仅需要对生产过程进行严格控制，还需要对所使用材料的特性进行严格把控。在电子器件中，半导体的物理性质很大程度上取决于缺陷态。为了获得具有已知且可控缺陷参数的可再生材料，并确立其可靠性，必须识别和理解缺陷的形成机制、位置分布，明确缺陷密度。
如硅和锗等传统半导体都是晶体固体，其原子呈周期性排列。这种有序结构赋予了半导体极其有趣的电学和光学特性，这些特性被用于构建电子元件和器件。自晶体管发明以来，半导体在电子领域实现了无数应用，如电视、照明、计算机和手机等，为日常生活带来了极大便利。然而，正如维克多·雨果所言：“优点需远观，缺点要近察”，尽管首批采用传统半导体制造的电子设备具有诸多卓越特性，但人们很快发现，即便加工过程经过严格把控，许多设备仍会出现故障。通过对缺陷部件的调查研究表明，无论具体设备类型如何，材料特性始终在电子产品可靠性方面起着决定性作用，其良品率与缺陷存在直接关联。
完美材料并不存在，传统半导体的性能总会受到破坏晶体结构的缺陷影响。常见缺陷类型包括点缺陷（杂质、间隙原子、空位等）、位错以及晶界，这些缺陷既可能在加工过程中自然形成，也可能通过掺杂被有意引入，或因污染、老化等意外情况混入制备材料。在掺杂工艺中，人为引入杂质旨在通过在带隙内添加能态来调控半导体导电性，这些能态为导带或价带提供电荷载流子，此类缺陷对材料电学性能具有积极影响。但绝大多数情况下，缺陷会通过增强无序性、阻碍电荷传输、干扰半导体物理过程等方式，对材料性能和功能产生负面甚至破坏性影响。鉴于缺陷不可避免，必须精确掌握其形成机理与作用机制，才能实现有效控制乃至最终消除缺陷。传统半导体缺陷研究已发展出完善的测量技术体系，可准确测定材料与器件中的缺陷参数，深化对其起源及器件性能影响的理解。与此同时，针对材料结构、能量分布和载流子动力学的多种物理模型相继建立，成功应用于阐释绝大多数传统半导体的缺陷测量结果。
从结构角度看，有机半导体与传统半导体存在本质差异。由于有机分子缺乏固定取向和有序排列，这类材料被归类为非晶态物质。取向无序性结合微弱的范德华力，使得有机材料更易形成缺陷，这可以解释为仅需极小能量即可使分子偏离平衡位置。实际上，与无机半导体类似，在有机半导体的合成与加工过程中，同样会形成或引入杂质和点缺陷、位错及晶界等结构缺陷。鉴于其本征特性与化学结构，有机半导体相较于无机半导体对环境介质的接触更为敏感。有机材料与环境相互作用导致的结构变化，往往会在接触区域形成缺陷。由此可以推断，研究有机材料中的缺陷可采用与传统半导体相似的方法论和技术手段。但为充分考虑有机材料的特殊性质，必须运用并开发更先进的测量技术与方法学途径，同时对获得的结果进行有效分析与利用。
本书旨在全面阐述电子有机器件中所用半导体的缺陷与老化问题，全书架构如下：
第1章概述有机半导体与器件的基础知识，阐述该类材料的核心概念及在有机电子学中的主要应用。
第2章结合有序/无序概念、态密度（DOS）以及带隙内局域态，系统回顾无机与有机半导体中缺陷理论体系。
第3章详述缺陷对有机材料电学与光学特性的影响机制。这些特性不仅对OLED、OPV等有机器件的运行至关重要，也是缺陷测量技术的重要基础。
第4章重点介绍测定有机与传统半导体缺陷参数的核心测量技术，包括顺磁共振、光学与电学测试方法。本章既阐释各类方法的原理，也说明如何分析结果以提取缺陷参数(在可行的情况下)，并引用了文献中典型的有机器件缺陷测量案例。
第5章系统介绍不同有机半导体与器件的缺陷测量结果。研究表明，在所研究的有机器件中可检测到源自有源层、传输层、表面与界面以及扩散杂质的各类缺陷。
第6章通过研究缺陷对OLED、OPV和OFET等器件效率、寿命及老化过程的影响，建立缺陷与有机器件可靠性之间的关联模型。
在此，我衷心感谢ISTE出版社对本书的出版支持。希望本书能够帮助读者更深入地理解有机半导体及器件中缺陷问题的若干重要方面。
