Compact DC Modelling of Short-Channel Effects in Organic Thin-Film Transistors

Abstract

Els transistors orgànics de capa fina (TFT) són dispositius prometedors per a les pantalles flexibles de matriu activa i els conjunts de sensors, ja que poden fabricar-se a temperatures de procés relativament baixes i, per tant, no sols en vidre, sinó també en substrats polimèrics. Per a millorar el rendiment dinàmic dels dispositius i circuits TFT , una reducció agressiva de la longitud de canal provoca efectes extrínsecs en els dispositius que han de ser capturats per models compactes. Aquesta tesi presenta models analítics, basats en la física, de la degradació de la pendent subumbral, el roll-off del voltatge llindar i l'efecte DIBL en TFTs coplanars i escalonats que poden ser implementats en qualsevol model compacte de corrent continu arbitrari que estigui definit pel voltatge llindar i la pendent subumbral. Per tant, l'equació diferencial de Laplace es resol per a la geometria coplanar i escalonada aplicant la transformación Schwarz-Cristoffel. Les solucions del potencial serveixen de base per a la definició de les equacions del model. A més, es desenvolupen models compactes de les barreres Schottky dependents de la polarització en les interfícies font/semiconductor i drenador/semiconductor en els TFT coplanars i escalonats, que modelen la injecció i l'ejecció de portadors de càrrega, respectivament, com a corrent d'emissió termoiònica.

Los transistores orgánicos de capa fina (TFT) son dispositivos prometedores para las pantallas flexibles de matriz activa y los conjuntos de sensores, ya que pueden fabricarse a temperaturas de proceso relativamente bajas y, por tanto, no sólo en vidrio, sino también en sustratos poliméricos. Para mejorar el rendimiento dinámico de los dispositivos y circuitos TFT, una reducción agresiva de la longitud de los canales provoca efectos extrínsecos en los dispositivos que tienen que ser capturados por modelos compactos. Esta tesis presenta modelos analíticos, basados en la física, de la degradación de la pendiente subumbral, el roll-off del voltaje umbral y el efecto DIBL en TFTs coplanares y escalonados que pueden ser implementados en cualquier modelo compacto de corriente continua arbitrario que esté definido por el voltaje umbral y la pendiente subumbral. Por lo tanto, la ecuación diferencial de Laplace se resuelve para la geometría coplanar y escalonada aplicando la transformación Schwarz-Christoffel. Las soluciones del potencial sirven de base para la definición de las ecuaciones del modelo. Además, se desarrollan modelos compactos de las barreras Schottky dependientes de la polarización en las interfaces fuente/semiconductor y drenador/semiconductor en los TFT coplanares y escalonados, que modelan la inyección y la eyección de portadores de carga, respectivamente, como corriente de emisión termoiónica

Organic thin-film transistors (TFTs) are promising devices for flexible active-matrix displays and sensor arrays, since they can be fabricated at relatively low process temperatures and thus not only on glass, but also on polymeric substrates. In order to improve the dynamic TFT and circuit performance, an aggressive reduction of the channel length causes extrinsic de-vice effects that have to be captured by compact models. This dissertation presents analytical, physics-based models of the subthreshold-swing degra-dation, the thresholdvoltage roll-off and DIBL effects in coplanar and staggered TFTs that can be implemented in any arbitrary compact dc model that are defined by the threshold voltage and the subthreshold swing. Therefore, Laplace’s differential equation is solved for the coplanar and staggered geometry by applying the Schwarz-Christoffel transformation. The potential solutions serve as a basis for the definition of the model equations. Further-more, compact models of the biasdependent Schottky barriers at the source/semiconductor and drain/semiconductor interfaces in coplanar and staggered TFTs are derived, which model the charge carriers injection and ejection, respectively, as thermionic emission cur-rent. Thereby, in case of the source barrier, the Schottky barrier lowering effect due to im-age charges is captured and therefore, an analytical expression of the electric field at the source barrier is derived.