Μελέτη τρανζίστορ λεπτού υμενίου (πολυκρυσταλλικών και οργανικών) και σχεδιασμού κυκλωμάτων οδήγησης εικονοστοιχείων

Abstract

The impact of the light illumination on the drain current of polycrystalline silicon thin-film transistors (TFT) is studied in this work. The increase of the output current as a result of raised light intensity is modeled, based on measured experimental data for different Vds and Vgs values and transistor sizes W/L. Also, a new semi-empirical light impact model (LIM) for both p-type and n-type polycrystalline thin-film transistors (poly-Si TFTs) is introduced and verified. The ratio of the produced current under a specific light intensity (Id) over the dark current (Idark) is calculated. The new model has been also implemented in the circuit simulation program HSPICE. For both models comparative results between measurements and simulated characteristics are presented for different sizes of Widths/Lengths, different values of the Vds, Vgs voltages and of light intensities. Furthermore, an improved optical feedback circuit is proposed with only a few components and a wide range of Vdata voltages. Its operation is verified by simulation using the HSPICE simulator, PSIA2 TFT model and our previously published light-impact model (LIM) of polycrystalline TFTs. Additionally, the new optical feedback pixel driver (OFPD) is compared with previously published OFPDs and its advatanges are pointed out and discussed. A testing scheme of an optical feedback pixel driver is proposed, discussed and simulated by HSPICE. A basic characteristic of the specific circuit is that the gray scales of the pixel are created by pulse width modulation. So, the integral of the output Ipixel current (which is proportional to Ioled) has to be measured or calculated and used for testing. The testing procedure that is proposed enables the detection and identification of common processing defects up to 96%, as verified from simulation results. Although Ipixel current is tend to be very low, the measuring system used, using special instrumentation ICs, is successfully simulated and verified by HSPICE. Pentacene and PTCDI-C13 have been used as organic semiconductors for the fabrication of p- and n-type organic thin-film transistors (OTFTs). Both types of semiconductors are wellestablished and demonstrate good performance in devices separately, but few competitive results have been reported in complementary designs. In this manuscript, we show the fabrication, electrical characterization and simulation of an organic complementary inverter using pentacene and PTCDI-C13 as active semiconductors. Simulation was done using a model with physical aspects. We report good fitting of p-type and n-type parameters for the OTFT model and good results for DC transfer characteristics of the organic complementary inverter. The fitting of the parameters of the OTFT model is performed using an optimized parameter extraction technique which is using fuzzy logic to adjust the parameters to its optimal value.

Η διδακτορική διατριβή έχει ως ?ασικό της αντικείμενο τα πολυκρυσταλλικά (poly-Si TFT) και οργανικά τρανζίστορ λεπτού υμενίου (OTFT). Αρχικά μελετήθηκαν σαν ξεχωριστά στοιχεία, έ- γιναν μετρήσεις και παρατηρήθηκε η συμπερι?ορά τους υπό διά?ορες συνθήκες. Αργότερα α?ού μοντελοποιήθηκαν κάποια φαινόμενα, ?άσει μετρήσεων και ?εωρίας, σχεδιάστηκε και προσομοιώθηκε επιτυχώς ένα κύκλωμα οδήγησης εικονοστοιχείου (pixel) οθόνης. Το πρώτο μέρος ολοκληρώνεται με την ανάπτυξη μεθόδου ανίχνευσης σ?αλμάτων σε κυκλώματα οδήγη- σης εικονοστοιχείων. Στο δεύτερο μέρος της διατριβής παρουσιάζεται η μελέτη και κατασκευή των οργανικών τρανζίστορ λεπτού υμενίου. Κατασκευάσθηκαν, μετρήθηκαν και προσομοιώ- ?ηκαν μεμονωμένα τρανζίστορ λεπτού υμενίου, τύπου p αλλά και n, και συμπληρωματικοί αντιστρο?είς (Complemetary Inverter) χρησιμοποιώντας μια νέα μάσκα που δίνει την δυνατό- τητα κατασκευής αντιστρο?έων δια?ορετικών λόγων πλάτους και μήκους καναλιού (W/L). Στο πρώτο μέρος η μελέτη, οι μετρήσεις και η μοντελοποίηση της επίδρασης του λευκού φωτός επάνω στα πολυκρυσταλλικά τρανζίστορ λεπτού υμενίου είναι αυτό που ?α μας απασχο- λήσουν αρχικά. Το φως μπορεί να επηρεάσει έως και 600% το ?εύμα του πολυκρυσταλλικού υλικού, φαινόμενο που μπορεί να αξιοποιηθεί στην σχεδίαση κυκλωμάτων. Με την χρήση λοι- πόν της επίδρασης αυτής σχεδιάστηκε κύκλωμα οδήγησης εικονοστοιχείων οθονών ενεργούς μήτρας (Active Matrix) με οργανικές φωτοδιόδους (AMOLED) με ανάδραση φωτός. Τα κυκλώ- ματα αυτά των τρανζίστορ λεπτού υμενίου χρησιμοποιούνται στις ?λεπτές? οθόνες, πχ υγρών κρυστάλλων (LCD), πλάσματος (plasma) και πλέον και στις οθόνες οργανικών φωτοδιόδων που από τις αρχές του 2009 έχουν αρχίσει να εμ?ανίζονται όλο και περισσότερο σε κινητές συ- σκευές όπως κινητά τηλέ?ωνα, συσκευές αναπαραγωγής μουσικής (mp3 players) κ.α. Τέλος, παρουσιάζεται μια νέα μέθοδο ανίχνευσης ?λαβών για ενεργές μήτρες εικονοστοιχείων με ικανο- ποιητικά αποτελέσματα. Η ανίχνευση ?λαβών αποτελεί ?ασικό στάδιο στην κατασκευή οθονών και αν γίνεται αποτελεσματικά μειώνει το γενικό κόστος. Στο δεύτερο μέρος παρουσιάζεται η κατασκευή και μέτρηση σε συνθήκες κενού οργανικών τρανζίστορ λεπτού υμενίου και των δυο τύπων. Η κατασκευή έγινε με την μέθοδο εξάχνωσης σε κενό με ?έρμανση (Thermal Vacuum Evaporation) δια?όρων οργανικών υλικών (Pentacene, PTCDI-C13, DP-PTCD). Στην συνέχεια α?ού κατασκευάστηκε μια νέα μάσκα επιτεύχθηκε και η κατασκευή αντιστρο?έων συμπληρωματικής λογικής δια?όρων μεγεθών καναλιού. Ακολούθη- σε, η μέτρηση με την χρήση ακίδων σε κενό και τέλος η προσομοίωση με το πρόγραμμα Cadence. Λόγω έλλειψης τεχνολογίας οργανικών τρανζίστορ στο προανα?ερθέν λογισμικό, εισήχθει μοντέλο οργανικών τρανζίστορ για να διεκπεραιωθεί η προσομοίωση, α?ού είχε προηγηθεί η εξαγωγή, προσαρμογή και ?ελτιστοποίηση των παραμέτρων του μοντέλου για την συγκεκριμένη τεχνολογία.