Characterization and compact modeling of printed electrolyte-gated thin film transistors and circuits
Creators: name: Feng, Xiaowei
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2021

description: Die Herstellung konventioneller Elektronik ist ein hochkomplexer Prozess, der hohe Kosten erfordert. In diesem Zusammenhang gewinne die gedruckte Elektronik sowohl in der Wissenschaft als auch in der Industrie eine erhöhte Aufmerksamkeit. Der Hauptgrund dafür ist die Vereinfachung des Herstellungsprozesses durch additive Drucktechnologien wie Inkjet-Druck. Dies hat Vorteile wie die bedarfsgerechte Herstellung und minimaler Materialverbrauch. Außerdem wird eine vielfältige Auswahl verschiedener Substratmaterialien ermöglicht. Im Zentrum der Entwicklung von Schaltungen auf Basis gedruckter Elektronik stehen gedruckte Transistoren. In letzter Zeit sind Metalloxidhalbleiter wie Indiumoxid aufgrund ihrer hohen Ladungsbeweglichkeit zu vielversprechenden Materialien für die Herstellung gedruckter elektronischer Bauelemente geworden. Darüber hinaus bietet der Elektrolyt-Gate-Ansatz aufgrund der großen Gate-Kapazität, die durch die elektrischen Doppelschichten bereitgestellt wird, auch die Vorteile, einen Niederspannungsbetrieb im Sub-1 V-Bereich zu erreichen. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung gedruckter Bauteile und Schaltungen in Nischenanwendungen. Um das Design und die Herstellung von gedruckten Schaltungen zu erleichtern, ist die Entwicklung kompakter Modelle erforderlich. Die meisten existierenden Arbeiten haben sich bisher auf die Untersuchung des statischen Verhaltens von Transistoren konzentriert. Hierbei wird das dynamische und das Rauschverhalten der Bauteile häufig vernachlässigt. Ziel dieser Arbeit ist es daher, die umfassende Untersuchung der Kapazitäts sowie Rauscheigenschaften Tintenstrahl-gedruckter Dünnschichttransistoren mit einem flüssig-prozessierbaren Feststoffelektrolyten als Isolator (EGT) und einem Indiumoxid-Halbleiter als Kanalmaterial durchzuführen.. Es werden geeignete Modellierungsansätze vorgeschlagen, um das elektrische Verhalten genau zu erfassen. Dies ermöglicht eine erweiterte Analyse analoger, digitaler sowie gemischter analog-digitaler Schaltungen. In dieser Arbeit wird die Kapazität von EGTs mittels spannungsabhängiger Impedanzspektroskopie charakterisiert. Intrinsische und extrinsische Effekte werden durch Verwendung von De-Embedding-Teststrukturen getrennt. Des Weiteren wird ein Ersatzschaltbild erstellt, um genaue Simulationen des gemessenen Frequenzgangs der Gate-Impedanz zu ermöglichen. Auf dieser Grundlage zeigt sich, dass Top-Gate EGTs das Potenzial haben, eine Schaltfrequenz im kHz-Bereich zu erreichen, wenn die Materialien und der Druckprozess weiter optimiert werden. Darüber hinaus wird ein Meyer-ähnliches Modell vorgeschlagen, um die Kapazitäts-Spannungs-Eigenschaften der Anschlusskapazität genau zu erfassen. Es werden sowohl parasitäre Kapazitäten als auch nicht-quasistatische Effekte berücksichtigt. Die resultierenden Modelle ermöglichen weitere AC- und transiente Simulationen komplexer Schaltungen in der EGT-Technologie. Im Folgenden werden Untersuchungen zu den Rauscheigenschaften gedruckter EGTs durchgeführt. Das Niederfrequenzrauschen wird anhand eines eigens dafür optimierten Versuchsaufbaus charakterisiert. Durch Untersuchung der gemessenen Rauschspektren im Transistor-Drainstrom bei verschiedenen Gate-Spannungen wurde die Ladungsträgerschwankung mit korrelierter Mobilitätsschwankung als primärer Rauschmechanismus bestimmt. Auf dieser Grundlage kann das normalisierte Flachband-Spannungsrauschen als Hauptleistungsmetrik berechnet werden, was im Vergleich zu anderen Dünnschichttechnologien, die auf Dielektrika und Halbleitern wie IZO und IGZO basieren, einen erheblich niedrigeren Wert aufweist.. Ein plausibler Grund könnte die große Gate-Kapazität sein, die durch die elektrische Doppelschicht erzeugt wird. Daher eigenen sich gedruckte EGTs für beispielsweise rauscharme Anwendungen in der Sensorik. Abschließend werden verschiedene Schaltungsdesigns vorgeschlagen, die auf EGT-Technologie basieren. Dies beinhaltet grundlegende digitale Schaltungen wie Inverter Strukturen und Ringoszillatoren. Ihre Leistungsmetriken, einschließlich der Gatterlaufzeit und dem Stromverbrauch, werden ausführlich charakterisiert. Des Weiteren wird das erste Design eines gedruckten Brückengleichrichters unter Verwendung von EGTs mit eine nahe-null-Volt-Schwellspannung in einer Dioden-Konfiguration vorgestellt. Der vorgestellte Gleichrichter ist in der Lage, Eingangsspannungen mit kleiner Amplitude von circa 100 mV effektiv zu verarbeiten. Dies ist besonders im Anwendungsbereich des Energy-Harvestings von Interesse. Zusätzlich werden die zuvor etablierten Kapazitätsmodelle auf diesen Schaltungen verifiziert. Ein Vergleich der Simulations- und Messdaten zeigt deren sehr gute Übereinstimmung und verifiziert die entwickelten Kapazitätsmodelle.