Charge-Based Compact Modeling of Capacitances and Low-Frequency Noise in Organic Thin-Film Transistors

Abstract

Els transistors orgànics de capa prima són candidats prometedors per a noves aplicacions electròniques a causa de la possibilitat de fabricar dispositius electrònics orgànics a baixes temperatures sobre substrats flexibles com el plàstic o el paper. Aquesta tesi doctoral tracta del desenvolupament d'un model compacte basat en la càrrega per a la descripció del comportament capacitiu i del soroll de baixa freqüència en transistors orgànics de capa prima. A partir d'un model de corrent continu existent, es deriven expressions per a les càrregues totals en condicions d'operació quasi estàtica. Els efectes no quasistàtics es capturen mitjançant diferents mètodes, com ara l'enfocament de segmentació de canals o funcions d'escalat depenents de la freqüència de les àrees del transistor on es calculen les càrregues. El model de les càrregues totals es verifica mitjançant mesures de capacitat d'un TFT orgànic esglaonat i per simulacions numèriques de TFT orgànics en les arquitectures esglaonades i coplanars mitjançant el simulador de dispositiu Sentaurus TCAD. Els models no quasistàtics es verifiquen mitjançant mesures d'admitància depenents de la freqüència d'un transistor esglaonat i per mesures de paràmetres de dispersió de transistors coplanars i esglalonats. El model compacte s'implementa en el llenguatge de descripció de hardware Verilog-A i la simulació d'un amplificador diferencial es compara amb les mesures, amb les quals es mostra un bon acord. El model de soroll es verifica mitjançant mesures de TFT orgànics esglalonats i simulacions TCAD. El model compacte mostra en general una bona concordança i flexibilitat en general pel que fa a l'arquitectura del dispositiu (per exemple, esglaonat o coplanar) i els materials utilitzats.

Los transistores orgánicos de capa fina son candidatos prometedores para nuevas aplicaciones electrónicas debido a la posibilidad de fabricar dispositivos electrónicos orgánicos a bajas temperaturas en sustratos flexibles como plástico o papel. Esta tesis doctoral trata del desarrollo de un modelo compacto basado en la carga para la descripción del comportamiento capacitivo y el ruido de baja frecuencia en transistores orgánicos de capa fina. A partir de un modelo DC existente, se desarrollan expresiones para las cargas totales en condiciones de operación cuasiestáticas. Los efectos no cuasiestáticos se capturan mediante diferentes métodos, como la aproximación de segmentación del canal o las funciones de escalado dependientes de la frecuencia de las áreas del transistor donde se calculan las cargas. El modelo para las cargas totales se verifica mediante medidas de capacitancia de un TFT orgánico escalonado y mediante simulaciones numéricas de TFT orgánicos en las arquitecturas escalonada y coplanar utilizando el simulador de dispositivo TCAD Sentaurus. Los modelos no cuasiestáticos se verifican mediante medidas de admitancia dependientes de la frecuencia de un transistor escalonado y mediante medidas de parámetros de dispersión de transistores coplanares y escalonados. El modelo compacto se implementó en el lenguaje de descripción de hardware Verilog-A y la simulación de un amplificador diferencial se compara con medidas, observándose una buena concordancia. El modelo de ruido se verifica mediante medidas de TFT orgánicos escalonados y mediante simulaciones TCAD. El modelo compacto muestra en general una buena concordancia y flexibilidad con respecto a la arquitectura del dispositivo (p. ej. escalonado o coplanar) y los materiales utilizados.

Organic thin-film transistors are promising candidates for novel electronics applications due to the possibility of fabricating organic electronic devices at low temperatures on flexible substrates like plastic or paper. This doctoral thesis deals with the development of a charge-based compact model for the description of the capacitive behavior and the low-frequency noise in organic thin-film transistors. Based on an existing DC model, expressions for the total charges under quasistatic operation conditions are derived. Non-quasistatic effects are captured by different methods, such as the channel-segmentation approach or frequency-dependent scaling functions of the areas in the transistor where charges are calculated. The model for the total charges is verified by capacitance measurements of a staggered organic TFT and by numerical simulations of organic TFTs in the staggered and coplanar architectures using the device simulator Sentaurus TCAD. The non-quasistatic models are verified by frequency-dependent admittance measurements of a staggered transistor and by scattering-parameter measurements of coplanar and staggered transistors. The compact model is implemented in the hardware description language Verilog-A and the simulation of a differential amplifier is compared to measurements, which shows a good agreement. The noise model is verified by measurements of staggered organic TFTs and by TCAD simulations. The compact model shows an overall good agreement and flexibility with respect to the device architecture (e. g. staggered or coplanar) and the used materials.