Compact Modeling of Variability in Organic Thin-Film Transistors

Abstract

En aquesta tesi doctoral, es van presentar una quantitat important d'investigacions sobre temes d’emmotllament de la variabilitat dels transistors de pel∙lícula prima (TFT, per les seves sigles en anglès) orgànics. Amb la finalitat de verificar‐los, es van fabricar i provar diversos substrats flexibles que contenien transistors de pel∙lícula prima orgànics i circuits basats en transistors de pel∙lícula prima, respectivament. Es va desenvolupar i es va verificar un model de variabilitat de corrent de drenatge basat en la càrrega física adequat per a transistors orgànics de pel∙lícula prima com a part central d’aquesta investigació. Posteriorment, es va presentar una alternativa eficient a la metodologia d'anàlisi estadística de Montecarlo que es pot fer servir per estudiar la variabilitat de circuits integrats. Es va provar el mètode proposat «Plantejament de la variabilitat basat en el soroll» (NOVA, per les seves sigles en anglès) en circuits basats en transistors de pel∙lícula prima orgànics i es va demostrar que és un mètode adequat per anàlisis de processament ràpid i desviacions de circuits estadístics. A continuació, es va implementar un model de soroll de freqüències baixes basat en la càrrega depenent del biaix semifísic per a transistors orgànics de pel∙lícula prima. El model que es proposa es basa en els efectes de la fluctuació de la mobilitat correlacionada amb la fluctuació del nombre de portadors de càrrega (ΔΝ) i els efectes de la fluctuació de la mobilitat (Hooge) (ΔΜ), i es pot aplicar a transistors de pel∙lícula prima fabricats a l'arquitectura de dispositius esglaonats invertits. A continuació, fent servir dades experimentals obtingudes fent servir miralls de corrent basats en transistors de pel∙lícula prima, es va analitzar la variabilitat de les característiques del circuit. Amb aquesta finalitat, es van fabricar i caracteritzar un gran nombre de miralls de corrent nominalment idèntics. Finalment, es va investigar el rendiment dels transistors de pel∙lícula prima orgànics quan són sotmesos a una flexió mecànica. El model compacte de corrent de drenatge que s’ha fet servir en aquest manuscrit pot captar aquest efecte ajustant el valor del paràmetre β exponencial de la llei de potència. En tots els casos, els resultats del model compacte que s’ha fet servir estan en concordança amb els res

Esta tesis doctoral presenta una vasta y significativa investigación relacionada con temas que cubren aspectos de modelado de la variabilidad de TFT orgánicos. Por motivos de verificación, se fabricaron y probaron varios sustratos flexibles que contenían TFT orgánicos y circuitos basados en TFT, como corresponde. Como aspecto primordial de la investigación, se desarrolló y verificó un modelo de variabilidad de corriente de drenaje basado en carga física adecuado para transistores orgánicos de película fina. En consecuencia, se ha presentado una eficiente alternativa a la metodología del análisis estadístico Montecarlo que puede ser utilizada para el estudio de la variabilidad de circuitos integrados. El método propuesto, el "enfoque de variabilidad basado en el ruido" (NOVA), ha sido probado en circuitos basados en TFT orgánicos y ha demostrado ser adecuado para procesos rápidos y análisis estadísticos de desajustes de circuitos. A continuación, se implementó un modelo semifísico de ruido de baja frecuencia basado en la carga dependiente del sesgo para transistores orgánicos de película fina. El modelo propuesto se basa en los efectos de la fluctuación de la movilidad correlacionada con la fluctuación del número de portadores de carga (ΔΝ) y la fluctuación de la movilidad (Hooge) (ΔΜ), y puede aplicarse a TFT fabricados con arquitectura de dispositivo escalonado invertido. A continuación, a partir de los datos experimentales obtenidos de espejos de corriente basados en TFT, se analizó la variabilidad de las características del circuito. Para ello, se fabricaron y caracterizaron un gran número de espejos de corriente nominalmente idénticos. Finalmente, se investigó el rendimiento de los cambios de TFT orgánicos al ser sometidos a flexión mecánica. El modelo compacto de CC utilizado en el presente trabajo puede capturar este efecto ajustando el valor del parámetro β del exponente de la ley de potencia. En todos los casos, los resultados del modelo compacto aquí utilizado concuerdan con los resultados de la medición.

In the current PhD thesis, a significant amount of research regarding topics that cover modeling aspects of variability of organic TFTs were presented. For verification reasons, seven flexible substrates containing organic TFTs and TFT-based circuits were fabricated and tested, accordingly. A physical charge-based drain-current variability model suitable for organic thin-film transistors was developed and verified, as the core of this research. Subsequently, an efficient alternative to the Monte Carlo statistical-analysis methodology that can be used for the variability study of integrated circuits has been presented. The proposed ''Noise-Based Variability Approach'' (NOVA) method has been tested on circuits based on organic TFTs and has been shown to be suitable for fast process and mismatch statistical circuit analyses. The principle advantage of NOVA over Monte Carlo is the significantly shorter processing time, which makes NOVA beneficial for circuit designers. Next, a semi-physical bias-dependent charge-based low-frequency noise model for organic thin-film transistors, a topic relevant to compact modeling of variability aspects, was implemented. The proposed model is based on charge carrier-number fluctuation-correlated mobility fluctuation (ΔΝ) and mobility-fluctuation (Hooge) (ΔΜ) effects, and it can be applied to TFTs fabricated in the inverted staggered device architecture. Using experimental data obtained from TFT-based current mirrors, the variability of the circuit characteristics were analyzed. For this purpose, a large number of nominally identical current mirrors were fabricated and characterized. Finally, the performance of organic TFTs changes when they are subjected to mechanical bending was investigated. The DC compact model utilized in the current manuscript is able to capture this effect by adjusting the value of the power-law exponent parameter β. In all cases, the results of the compact model utilized here are in good agreement with the measurement results.