WO2004021256A1 - Organisches bauelement zum überspannungsschutz und dazugehörige schaltung - Google Patents

Organisches bauelement zum überspannungsschutz und dazugehörige schaltung Download PDF

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    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
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    • G06K7/00—Methods or arrangements for sensing record carriers, e.g. for reading patterns
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    • H01C7/10—Non-adjustable resistors formed as one or more layers or coatings; Non-adjustable resistors made from powdered conducting material or powdered semi-conducting material with or without insulating material voltage responsive, i.e. varistors
    • H01C7/105—Varistor cores

Definitions

  • the invention relates to a component made of predominantly organic material, which offers surge protection for electronic circuits.
  • Electronic components for surge protection based on inorganic circuits based on conventional silicon semiconductor technology are known. Examples include Zener diodes and tunnel diodes.
  • Wearable electronics electronic circuits that are incorporated in textiles, etc. developed. They are inexpensive and can be produced over a large area by simple printing processes. These circuits need a constant voltage supply, whereby damage caused by voltage peaks, for example if the circuit of the transmitter antenna comes too close or if the RFID tag is moved too quickly through an alternating electromagnetic field, must be avoided.
  • no electronic component is known which - comparable to the organic field-effect transistor - mainly comprises organic material.
  • the present invention is therefore to create an electronic component which predominantly comprises organic material and which offers overvoltage protection, that is to say when an adjustable threshold voltage is exceeded or fallen below, the component acts as a resistor which interrupts the current flow and vice versa, the electrical capacitance of the component is low.
  • the invention relates to an electronic component for overvoltage protection, predominantly organic functional poly
  • the component has at least the following layers: a substrate, a primary electrode, an organic semiconducting functional layer and a secondary electrode, the threshold voltage being able to be set by the choice of the electrode materials and / or the material for the semiconducting layer.
  • the invention also relates to a circuit comprising at least two components, which predominantly comprise organic materials, connected in series for overvoltage protection, the series circuit realizing a threshold voltage which corresponds to a multiple of the threshold voltage of the individual components.
  • the component comprises at least one intermediate layer between one of the electrodes and the organic semiconductor layer.
  • the intermediate layer can for example be predominantly made of organic and / or oxidic material.
  • the threshold voltage can be set within a few volts.
  • the device is operated in the forward direction, which means that no current (or only a negligibly small current) flows up to the threshold voltage, whereas a very high current flows above the threshold voltage, so that the voltage of a power-limited current source collapses. No current flows in the reverse direction (or only a negligibly small current).
  • At least two components are connected in series.
  • a desired threshold voltage which corresponds to a multiple of the threshold voltage of the individual components, can thereby be achieved.
  • the simple construction of the component from conductive and semiconducting layers allows integration into organic circuits.
  • the conductive and / or the semiconducting layers can be produced by a method and / or by common process steps, for example printing processes.
  • Figure 1 shows the simple structure of the component according to the invention without intermediate layers.
  • FIG. 2 shows an embodiment with two intermediate layers
  • FIG. 3 shows two components which are connected in series
  • Figure 4 shows the corresponding current-voltage curves for Figure 3 and
  • FIG. 5 finally shows a component with a lateral structure.
  • the substrate 1 shows the substrate 1, for example made of a flexible film such as a polyester film, lying on it (realization of the vertical structure) the primary electrode 2, which is made of organic material such as Pani, PEDOT or of metals or alloys such as Gold, copper, aluminum, titanium, there is the semiconducting layer 3, which is based on organic material, for example made of polythiophene and / or polyfluorene, on which there is the secondary electrode 4, the material of which is again Pani, Pedot or a metal or an alloy like gold, copper, aluminum, titanium.
  • this component has a high threshold voltage, which can be adjusted by the choice of the electrode materials and the semiconductor material.
  • FIG. 2 shows a component which has a layer structure comparable to that of FIG. 1 with regard to layers 2 to 4 and substrate 1, but between primary electrode 2 and semiconducting layer 3 and between semiconducting layer 3 and secondary electrode 4, an intermediate layer (5,6) is installed, through which the threshold voltage is displaceable.
  • the intermediate layers 5, 6 can be made of various materials, e.g. organic material such as polythiophene, polyfluorene (both materials doped or undoped), Pani, Pedot or made of oxidic material such as metal oxide or silicon oxide.
  • FIG. 3 shows two components connected in series, the layer structure according to this embodiment being the same as that of the individual component in FIG. 1.
  • FIG. 4 shows the current-voltage characteristics of components connected in series. It can be seen how the series connection of several components (FIG. 3) can also achieve a threshold voltage which corresponds to a multiple of the threshold voltage of an individual component.
  • FIG. 5 shows the lateral structure of a component as is basically known from FIG. 1.
  • a substrate 1, a primary electrode 2, a semiconducting layer 3 and a secondary electrode 4 can be seen again.
  • the threshold voltage can be set very well by selecting suitable electrodes and / or semiconductor materials. Likewise, the threshold voltage can be shifted by one or two additional intermediate layers made of other semiconductor materials such as thin insulation layers or oxides. The series connection of several components mente also enables a rough adaptation to the respective requirements.
  • the capacitance of the component depends on the layer thickness and the material-specific dielectric constant of the organic semiconductor.
  • the capacity can be kept small by means of correspondingly thick layers.
  • the component is produced using known methods.
  • the individual layers are sputtered and / or evaporated or with soluble materials such as Polymers applied by spin coating and / or other coating processes and / or printing processes.
  • the structuring can be carried out on the one hand by conventional methods such as etching and lift-off in connection with lithography, or on the other hand by printing techniques.
  • the component e.g. from Figure 1, as follows: A metal layer 2 (e.g. gold) is sputtered onto a flexible polyester film 1, which is structured by means of lithography and etching. Then a semiconducting polymer (e.g. polythiophene) brought into solution is spun on by spin coating. After evaporation of the solvent, a homogeneous semiconducting layer 3 is formed. A secondary electrode 4 (e.g. aluminum) - structured by a shadow mask - is sputtered onto this.
  • a metal layer 2 e.g. gold
  • a semiconducting polymer e.g. polythiophene
  • a secondary electrode 4 e.g. aluminum
  • organic encompasses all types of organic, organometallic and / or organic-inorganic plastics (hybrids), in particular those which are referred to in English as "plastics" These are all types of substances with the exception of the semiconductors that form the classic diodes (germanium, silicon) and the typical metallic conductors.
  • a limitation in the dogmatic sense to organic material as carbon The material containing it is therefore not intended, rather the broad use of, for example, silicones is also contemplated.
  • the term should not be subject to any restriction with regard to the molecular size, in particular to polymeric and / or oligomeric materials, but it is also entirely possible to use "small molecules”.
  • the word component "poly er” in the functional polymer is historically determined and therefore contains no information about the presence of an actually polymeric compound.
  • an organic component is presented for the first time that functions as surge protection and can be integrated into organic circuits.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauelement aus vorwiegend organischem Material, das einen Überspannungsschutz für elektronische Schaltungen bietet und eine Schaltung, durch die ein Vielfaches an Schwellwertspannung eines einzelnen Bauelements realisiert werden kann.

Description

Organisches Bauelement zum Überspannungsschutz und dazugehörige Schaltung
Die Erfindung betrifft ein Bauelement aus vorwiegend organi- schem Material, das einen Überspannungsschutz für elektronische Schaltungen bietet.
Es sind elektronische Bauelemente zum Überspannungsschutz basierend auf anorganischen, auf herkömmlicher Siliziumhalblei- tertechnologie aufbauenden Schaltungen bekannt. Beispielhaft genannt seien Zener-Dioden und Tunnel-Dioden.
Organische elektronische Bauelemente und daraus aufgebaute Schaltungen werden im Hinblick auf lowest-cost Anwendungen wie RFID-Tags (Radio Frequency Identification) , Tickets,
Wearable electronics (elektronische Schaltungen, die in Textilien eingearbeitet sind), etc. entwickelt. Sie sind kostengünstig und durch einfache Druckprozesse großflächig herstellbar. Diese Schaltungen brauchen eine konstante Span- nungsversorgung, wobei Schäden durch Spannungsspitzen, beispielsweise wenn die Schaltung der Sende-Antenne zu nahe kommt oder wenn man das RFID Tag zu schnell durch ein elektromagnetisches Wechselfeld bewegt, vermieden werden müssen. Es ist bislang noch kein elektronisches Bauelement bekannt, das - vergleichbar zum organischen Feld-Effekt-Transistor - vorwiegend organisches Material umfasst.
Aufgabe der. vorliegenden Erfindung ist es daher, ein elektronisches Bauelement zu schaffen, das vorwiegend organisches Material umfasst und das einen Überspannungsschutz bietet, das heißt bei Unter- oder Überschreiten einer einstellbaren Schwellwertspannung wirkt das Bauelement als Widerstand, der den Stromfluss unterbricht und umgekehrt, wobei die elektrische Kapazität des Bauteils gering ist.
Gegenstand der Erfindung ist ein elektronisches Bauelement zum Überspannungschutz, vorwiegend organische Funktionspoly- mere umfassend, das Bauelement weist zumindest folgende Schichten auf: ein Substrat, eine primäre Elektrode, eine organische halbleitende Funktionsschicht und eine sekundäre Elektrode, wobei sich durch die Wahl der Elektrodenmaterialien und/oder des Materials für die halbleitende Schicht die Schwellwertspannung einstellen lässt. Außerdem ist Gegenstand der Erfindung eine Schaltung, zumindest zwei Bauelemente, die vorwiegend organische Materialien umfassen, zum Überspannungsschutz in Reihe geschaltet umfassend, wobei durch die Reihenschaltung eine Schwellwertspannung realisiert wird, die einem Mehrfachen der Schwellwertspannung der einzelnen Bauelemente entspricht.
Nach einer Ausführungsform umfasst das Bauelement zumindest eine Zwischenschicht zwischen einer der Elektroden und der organischen Halbleiterschicht. Die Zwischenschicht kann beispielsweise vorwiegend aus organischem und/oder oxidischem Material sein. Durch das Einfügen der zumindest einen Zwischenschicht lässt sich die Schwellwertspannung innerhalb einiger Volt einstellen.
Das Bauelement wird in Vorwärtsrichtung betrieben, das heißt, dass bis zu der Schwellwertspannung kein Strom (oder nur ein vernachlässigbar kleiner Strom) fließt, überhalb der Schwellwertspannung hingegen ein sehr hoher Strom, so dass die Spannung einer leistungsbegrenzten Stromquelle zusammenbricht. In Sperrrichtung fließt kein Strom (oder nur ein vernachlässig- bar kleiner Strom) .
Nach einer Ausführungsform werden zumindest zwei Bauelemente in Reihe geschaltet. Dadurch kann eine gewünschte Schwellwertspannung, welche dem Vielfachen der Schwellwertspannung der einzelnen Bauelemente entspricht, erreicht werden. Der einfache Aufbau des Bauelements aus leitenden und halbleitenden Schichten erlaubt eine Integration in organische Schaltungen. Die leitenden und/oder die halbleitenden Schichten können dabei durch ein Verfahren und/oder durch gemeinsame Prozessschritte, beispielsweise Druckverfahren, hergestellt werden.
Im folgenden wird die Erfindung noch anhand von Ausführungsformen näher erläutert.
Figur 1 zeigt den einfachen Aufbau des erfindungsgemäßen Bauteils ohne Zwischenschichten.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel mit zwei Zwischen- schichten,
Figur 3 zeigt zwei Bauelemente, die in Reihe geschaltet sind,
Figur 4 zeigt die entsprechenden Strom-Spannungskurven zu Figur 3 und
Figur 5 zeigt schließlich ein Bauelement mit einem lateralen Aufbau.
In Figur 1 ist das Substrat 1, beispielsweise aus einer flexiblen Folie wie einer Polyester-Folie, zu sehen, darauf liegend (Realisierung des vertikalen Aufbaus) die primäre Elektrode 2, die beispielsweise aus organischem Material wie Pani, PEDOT oder aus Metallen oder Legierungen wie Gold, Kupfer, Aluminium, Titan ist, darauf befindlich die halbleitende Schicht 3, die auf organischer Basis aus beispielsweise Po- lythiophen und/oder Polyfluoren ist, darauf die sekundäre Elektrode 4, deren Material wieder beispielsweise Pani, Pedot oder ein Metall oder eine Legierung wie Gold, Kupfer, Aluminium, Titan ist. Im Gegensatz zu herkömmlichen Bauelementen hat dieses Bauelement eine hohe Schwellwertspannung, welche sich durch die Wahl der Elektrodenmaterialien und des Halbleitermaterials einstellen lässt.
In Figur 2 ist ein Bauelement gezeigt, das einen mit der Fi- gur 1 vergleichbaren Schichtaufbau betreffend die Schichten 2 bis 4 und das Substrat 1 hat, wobei jedoch zwischen der primären Elektrode 2 und der halbleitenden Schicht 3 sowie zwischen der halbleitenden Schicht 3 und der sekundären Elektrode 4 jeweils eine Zwischenschicht (5,6) eingebaut ist, durch die die Schwellwertspannung verschiebbar ist. Die Zwischenschichten 5,6 können aus verschiedensten Materialien sein, wie z.B. organischem Material wie Polythiophen, Polyfluoren (beide Materialien dotiert oder undotiert) , Pani, Pedot oder aus oxidischem Material wie Metalloxid oder Siliziumoxid.
Figur 3 zeigt zwei Bauelemente in Reihe geschaltet, wobei der Schichtaufbau nach dieser Ausführungsform dem des Einzelbauelements der Figur 1 gleicht.
Figur 4 zeigt die Strom-Spannungskennlinien von in Reihe geschalteten Bauelementen. Dabei ist zu erkennen, wie durch die Reihenschaltung mehrerer Bauelemente (Figur 3) auch eine Schwellwertspannung, welche dem Vielfachen der Schwellwertspannung eines einzelnen Bauelements entspricht, erreicht werden kann.
Schließlich zeigt Figur 5 den lateralen Aufbau eines Bauelements wie es grundsätzlich aus Figur 1 bekannt ist. Zu erkennen ist wieder ein Substrat 1, eine primäre Elektrode 2, eine halbleitende Schicht 3 und eine sekundäre Elektrode 4.
Durch die Wahl geeigneter Elektroden und/oder Halbleitermaterialien lässt sich die Schwellwertspannung sehr gut einstellen. Ebenso kann durch ein oder zwei zusätzliche Zwi- schenschichten aus anderen Halbleitermaterialien wie z.B. dünnen Isolationsschichten oder Oxiden die Schwellwertspannung verschoben werden. Die Reihenschaltung mehrerer Bauele- mente ermöglicht zudem eine grobe Anpassung an die jeweiligen Anforderungen.
Die Kapazität des Bauelements ist abhängig von der Schichtdi- cke und der materialspezifischen Dielektrizitätszahl des organischen Halbleiters. Mittels entsprechend dicker Schichten kann die Kapazität klein gehalten werden.
Die Herstellung des Bauelements erfolgt mittels bekannter Verfahren. Die einzelnen Schichten werden durch Sputtern und/oder Verdampfen oder aber bei löslichen Materialien wie z.B. Polymeren durch Spincoating und/oder anderen Beschich- tungsverfahren und/oder Druckverfahren aufgebracht. Die Strukturierung kann einerseits durch herkömmliche Verfahren wie Ätzen und Lift-Off in Verbindung mit Lithographie vorgenommen werden oder andererseits durch Drucktechniken.
Konkret kann das Bauelement, z.B. aus Figur 1, wie folgt hergestellt werden: Auf einer flexiblen Polyester Folie 1 wird eine Metallschicht 2 (z.B. Gold) aufgesputtert, welche mittels Lithographie und Ätzen strukturiert wird. Anschließend wird ein in Lösung gebrachtes halbleitendes Polymer (z.B. Po- lythiophen) durch Spincoating aufgeschleudert . Nach dem Verdampfen des Lösungsmittels entsteht eine homogene halbleiten- de Schicht 3. Auf diese wird eine sekundäre Elektrode 4 (z.B. Aluminium) - durch eine Schattenmaske strukturiert - aufgesputtert.
Der Begriff „organisch", "organisches Material" oder "Funktionspolymer" oder "Polymer" umfasst hier alle Arten von organischen, metallorganischen und/oder organisch-anorganischen Kunststoffen (Hybride) , insbesondere die, die im Englischen z.B. mit "plastics" bezeichnet werden. Es handelt sich um alle Arten von Stoffen mit Ausnahme der Halbleiter, die die klassischen Dioden bilden (Germanium, Silizium) , und der typischen metallischen Leiter. Eine Beschränkung im dogmatischen Sinn auf organisches Material als Kohlenstoff- enthaltendes Material ist demnach nicht vorgesehen, vielmehr ist auch an den breiten Einsatz von z.B. Siliconen gedacht. Weiterhin soll der Term keiner Beschränkung im Hinblick auf die Molekülgröße, insbesondere auf polymere und/oder oligome- re Materialien unterliegen, sondern es ist durchaus auch der Einsatz von "small molecules" möglich. Der Wortbestandteil "poly er" im Funktionspolymer ist historisch bedingt und enthält insofern keine Aussage über das Vorliegen einer tatsächlich polymeren Verbindung.
Mit dieser Erfindung wird erstmals ein organisches Bauelement vorgestellt, das als Überspannungsschutz funktioniert und in organische Schaltungen integriert werden kann.

Claims

Patentansprüche
1. Elektronisches Bauelement zum Überspannungschutz, vorwiegend organische Funktionspolymere umfassend, zumindest fol- gende Schichten aufweisend: ein Substrat, eine primäre Elektrode, eine organische halbleitende Funktionsschicht und eine sekundäre Elektrode, wobei sich durch die Wahl der Elektrodenmaterialien und/oder des Materials für die halbleitende Schicht die Schwellwertspannung einstellen lässt.
2. Bauelement nach Anspruch 1, das zumindest eine Zwischenschicht zwischen einer der Elektroden und der organischen Halbleiterschicht hat.
3. Schaltung, zumindest zwei Bauelemente nach einem der Ansprüche 1 oder 2, zum Überspannungsschutz in Reihe geschaltet umfassend, wobei durch die Reihenschaltung eine Schwellwert- Spannung realisiert wird, die einem Mehrfachen der Schwellwertspannung der einzelnen Bauelemente entspricht.
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