Circuit analysis methodology for organic transistors [Elektronische Ressource] = Methodik zur Schaltungsanalyse für organische Transistoren / vorgelegt von Jürgen Krumm

CIRCUIT ANALYSIS METHODOLOGY FORORGANIC TRANSISTORS—METHODIK ZUR SCHALTUNGSANALYSE FÜRORGANISCHE TRANSISTORENDer Technischen Fakultät derUniversität Erlangen-Nürnbergzur Erlangung des GradesDOKTOR – INGENIEURvorgelegt vonJürgen KrummErlangen – 2008Als Dissertation genehmigt vonder Technischen Fakultät derUniversität Erlangen-NürnbergTag der Einreichung: 26.11.2007Tag der Promotion: 03.03.2008Dekan: Prof. Dr.-Ing. habil. J. HuberBerichterstatter: Prof. Dr.-Ing. W. H. GlauertProf. Dr.-Ing. habil. R. WeigelIDanksagungDiese Arbeit entstand als Ergebnis meiner wissenschaftlichen Tätigkeit am Lehrstuhl fürRechnergestützten Schaltungsentwurf der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.Ich bedanke mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Wolfram H. Glauert für die hervorragende Be-treuung und Begutachtung dieser Arbeit. Für die freundliche Übernahme des Zweitgutachtensdanke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Robert Weigel. Bei den folgenden Personenbedanke ich mich für die vielen fachlichen Diskussionen bzw. für das Korrekturlesen vonKapiteln meiner Arbeit: Ahmed Amar, Dr. Robert Blache, Dr.-Ing. Markus Böhm, Dr. Hen-ning Rost, Katharina Schätzler, Wolfgang Schirmer und Dr. Dietmar Zipperer. Ferner giltmein Dank den Lehrstuhlkollegen Elke Eckert, Wolfgang Magerl und Klaus Schneider, mitdenen ich an verschiedenen Projekten aus der Polymerelektronik arbeiten durfte.
Publié le : mardi 1 janvier 2008
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Source : WWW.OPUS.UB.UNI-ERLANGEN.DE/OPUS/VOLLTEXTE/2008/922/PDF/DISS.PDF
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CIRCUIT ANALYSIS METHODOLOGY FOR
ORGANIC TRANSISTORS

METHODIK ZUR SCHALTUNGSANALYSE FÜR
ORGANISCHE TRANSISTOREN
Der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
zur Erlangung des Grades
DOKTOR – INGENIEUR
vorgelegt von
Jürgen Krumm
Erlangen – 2008Als Dissertation genehmigt von
der Technischen Fakultät der
Universität Erlangen-Nürnberg
Tag der Einreichung: 26.11.2007
Tag der Promotion: 03.03.2008
Dekan: Prof. Dr.-Ing. habil. J. Huber
Berichterstatter: Prof. Dr.-Ing. W. H. Glauert
Prof. Dr.-Ing. habil. R. WeigelI
Danksagung
Diese Arbeit entstand als Ergebnis meiner wissenschaftlichen Tätigkeit am Lehrstuhl für
Rechnergestützten Schaltungsentwurf der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg.
Ich bedanke mich bei Herrn Prof. Dr.-Ing. Wolfram H. Glauert für die hervorragende Be-
treuung und Begutachtung dieser Arbeit. Für die freundliche Übernahme des Zweitgutachtens
danke ich Herrn Prof. Dr.-Ing. Dr.-Ing. habil. Robert Weigel. Bei den folgenden Personen
bedanke ich mich für die vielen fachlichen Diskussionen bzw. für das Korrekturlesen von
Kapiteln meiner Arbeit: Ahmed Amar, Dr. Robert Blache, Dr.-Ing. Markus Böhm, Dr. Hen-
ning Rost, Katharina Schätzler, Wolfgang Schirmer und Dr. Dietmar Zipperer. Ferner gilt
mein Dank den Lehrstuhlkollegen Elke Eckert, Wolfgang Magerl und Klaus Schneider, mit
denen ich an verschiedenen Projekten aus der Polymerelektronik arbeiten durfte. Besonders
bedanken möchte ich mich auch bei meinen Zimmerkollegen Thomas Bürner, Werner Haas
und Reinhard Hofmann für das nette Arbeitsumfeld. Für die organisatorische Hilfe im Vor-
feld und während der Promotionsprüfung bedanke ich mich bei Frau Roswitha Rauch, der
Sekretärin des Lehrstuhls.
Schließlich danke ich meiner Familie für ihre Unterstützung.
Erlangen, Mai 2008
Jürgen KrummIIContents III
Contents
1 Introduction 1
1.1 Circuit Simulation in the Optimization of OFETs . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.2 Aim of this Thesis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.3 Scientific Contribution of this Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.4 Outline of this Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2 Concepts of Low-Cost Organic Electronics 7
2.1 State of the Art in Organic Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Organic Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 Oligomers and Polymers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 Unipolar and Ambipolar Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.3 Charge Transport Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Organic Field-Effect Transistors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.1 Device Characteristics of an OFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3.2 Differences between MOSFET and OFET . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.4 Printing and Roll-to-Roll Fabrication . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.5 Chapter Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3 OFET Modeling for Circuit Simulation 19
3.1 Model Requirements for Circuit Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3.2 Existing Models for OFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
3.2.1 Shichman-Hodges Model (Level-1 Model) . . . . . . . . . . . . . . 22
3.2.2 Model for Polycrystalline TFTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
3.2.3 Model for Amorphous TFTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
3.2.4 Analytic VRH Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
3.2.5 General Table-based Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
3.2.6 Dresden Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
3.2.7 Modeling of Complementary OFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.2.8 Modeling of Ambipolar OFETs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48IV Contents
3.3 Popular Procedures for Parameter Extraction . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.1 Procedures for the Level-1 Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
3.3.2 Extraction Procedures for TFT Models . . . . . . . . . . . . . . . . 59
3.3.3 Parameter Fitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
3.4 Automation of Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
3.4.1 Existing Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
3.4.2 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
3.5 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4 V Method 69Sat
4.1 Extraction based onV Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70Sat
4.2 Modeling based onV Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Sat
4.2.1 V -Type Table-Based Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73Sat
4.2.2 Linvar Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
4.3 Experimental Results on Transistor Fitting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.1 Analysis of a Level-1 Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.3.2 Analysis of Model for Polycrystalline TFTs . . . . . . . . . . . . . . 77
4.3.3 Effect of Contact Resistance on Level-1 Model . . . . . . . . . . . . 81
4.3.4 Compensation of Contact Resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
4.3.5 Analysis of a PDHTT Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.6 Modeling of a P3HT Transistor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
4.3.7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
4.4 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5 Analysis of OFET-Based Logic Circuits 93
5.1 Logic Circuits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.1.1 Basic Circuit Concepts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
5.1.2 Enhancements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.2 Circuit Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
5.3 Characterization of Robustness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.3.1 Method of Equilibrium Zones . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
5.3.2 Concept of Noise Margin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
5.3.3 Unity Gain Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
5.3.4 Method of Maximum Squares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
5.3.5 VTC Gain Considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
5.3.6 Discussion of Characterization Methods . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.4 Timing Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
5.5 Automation of Circuit Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115Contents V
5.5.1 Tools for Characterization of Logic Circuits . . . . . . . . . . . . . . 115
5.5.2 General Characterization Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116
5.5.3 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
5.6 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
6 Analysis Concept 121
6.1 Typical Analysis Flow . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
6.2 Novel Analysis Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
6.2.1 Data Management . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
6.2.2 Modeling System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2.3 Analysis Control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
6.2.4 Simulator Encapsulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
6.3 Analysis Examples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
6.3.1 Analysis of an Inverter in Current-Source Configuration . . . . . . . 136
6.3.2 Analysis of NOR-Gates in Current-Source Configuration . . . . . . . 143
6.3.3 Analysis of Parameter-dependent Gate Behavior . . . . . . . . . . . 146
6.4 Chapter Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
7 Summary and Further Work 151
7.1 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
7.2 Further Work . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
A List of Symbols 155
B List of Acronyms 161
C Glossary 163
D Symbols and Truth Tables for Logic Circuits 167
E Simulation Software 169
Bibliography 170VIVII
Abstract
In this work, a novel computer-aided methodology for the analysis of the performance of
organic transistors (OFETs) in logic circuits is described. The basic idea of the concept is to
provide an integrated environment which includes data management, modeling of transistors,
and the automatic analysis of organic circuits. Existing OFET models as well as procedures
and software tools for extracting their model parameters are analyzed. A novel formalism
which compares the quality of models is defined using a model quality chart. Furthermore, a
novel method of extracting basic model parameters in dependence on the gate-source voltage
is detailed. It aids in visualizing which type of model best maps a given transistor. Two
transistor models are presented: a table-based model and an analytical model. Procedures for
characterizing static and dynamic behavior of basic logic circuits are discussed as well as tools
for deriving appropriate performance figures. Novel methods of extracting the robustness
of logic gates are presented. Several examples demonstrate the application of the analysis
methodology to organic logic circuits and OFET modeling issues, respectively.
Kurzfassung
In dieser Arbeit wird eine neue, Computer-gestützte Methodik zur Performanceanalyse von
organischen Transistoren (OFETs) in Logikschaltungen beschrieben. Das Konzept basiert
auf der Grundidee, eine integrierte Umgebung für die Datenverwaltung, die Modellierung
von Transistoren und die automatische Analyse organischer Schaltungen bereitzustellen. Ex-
istierende OFET-Modelle sowie Prozeduren und Software-Werkzeuge zur Extraktion der zuge-
hörigen Modellparameter werden untersucht. Ein neuer Formalismus, um die Qualität einzel-
ner Modelle mit Hilfe einer Qualitätscheckliste zu vergleichen, wird definiert. Ein neues Ver-
fahren zur Extraktion grundlegender Modellparameter in Abhängigkeit von der Gate-Source-
Spannung wird beschrieben. Das Verfahren visualisiert, durch welchen Modelltyp ein ge-
gebener Transistor am besten abgebildet werden kann. Zwei Transistormodelle werden vorge-
stellt: ein Tabellenmodell und ein analytisches Modell. Verfahren und Software-Werkzeuge,
um das statische und dynamische Verhalten grundlegender Logikschaltungen zu charakter-
isieren und zugehörige Kennzahlen zu ermitteln, werden diskutiert. Neue Methoden zur Bes-
timmung der Gatterrobustheit werden vorgestellt. Mehrere Beispiele zeigen die Anwendung
der Analysemethodik bei organischen Logikschaltungen bzw. bei Fragestellungen der OFET-
Modellierung.VIII

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