Ανάπτυξη μοντέλων τρανζίστορ λεπτών υμενίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου σε πρόγραμμα προσομοίωσης κυκλωμάτων (Spice): σχεδιασμός κυκλωμάτων TFTs
Creators: name: Παππάς, Ηλίας Ν.
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2010
Subjects: Τρανζίστορ λεπτού υμενίου
Συμπαγές μοντέλο
Επίπεδες Οθόνες
Εικονοστοιχείο
Thin-film transistors
Polycrystalline silicon film
AMOLED displays
Pixels design

description: Η παρούσα διδακτορική διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος περιλαμβάνει την ανάπτυξη μοντέλου ρεύματος των τρανζίστορ λεπτού υμενίου πολυκρυσταλλικού υμενίου, αφού πρώτα προηγηθεί μια μικρή εισαγωγή στην οποία θα γίνει περιγραφή των χαρακτηριστικών και των ιδιοτήτων των TFTs. Το μοντέλο ρεύματος είναι απλό, συμπαγές και συνεχές, χαρακτηριστικά που το καθιστούν αποτελεσματικό για χρήση σε προγράμματα προσομοίωσης κυκλωμάτων τύπου Spice. Επίσης, στο πρώτο μέρος θα γίνει η μοντελοποίηση τρανζίστορ λεπτού υμενίου νανό-κρυσταλλικού πυριτίου και η σύγκρισή τους με τα TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Δεδομένου ότι μελετήθηκε εκτενώς στη διεθνή βιβλιογραφία η αξιοπιστία των TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου, στην παρούσα διατριβή θα μελετηθεί η αξιοπιστία των TFTs νανοκρυσταλλικού πυριτίου υπό συνθήκες ηλεκτρικής καταπόνησης και θα προταθεί τρόπος βελτίωσης της αξιοπιστίας τους με την κατασκευή TFTs σε διστρωματικά υμένια άμορφου πυριτίου / νανοκρυσταλλικού πυριτίου. Για περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης των TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου με σμίκρυνση των διαστάσεων πύλης, στο τέλος του πρώτου μέρους θα μελετηθούν διατάξεις δύο πυλών για καλύτερο έλεγχο των φαινομένων μικρού διαύλου. Επίσης θα γίνει συγκριτική μελέτη των TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου απλής και διπλής πύλης τόσο στην απόδοση των διατάξεων όσο και κυκλωμάτων με βάση αυτά τα τρανζίστορ. Στο δεύτερο μέρος της διδακτορικής διατριβής, μελετήθηκε ο σχεδιασμός αναλογικών κυκλωμάτων με την χρήση TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Τα τρανζίστορ αυτά, εξαιτίας της διαδικασίας κατασκευής τους, παρουσιάζουν σημαντικές μεταβολές των ηλεκτρικών τους χαρακτηριστικών, και κυρίως της τάσης κατωφλίου. Οι μεταβολές της τάσης κατωφλίου επιδρούν στο σχεδιασμό των αναλογικών κυκλωμάτων, μιας και οι τεχνικές σχεδίασης που υπάρχουν για τα συμβατικά MOSFETs δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Επιπλέον, πολλά από τα χαρακτηριστικά μιας επίπεδης οθόνης εξαρτώνται από τη σταθερότητα που επιδεικνύουν τα αναλογικά κυκλώματα και κυρίως τα εικονοστοιχεία (pixels) του πίνακα της οθόνης. Τα αναλογικά κυκλώματα που θα παρουσιαστούν στο δεύτερο μέρος, είναι κυκλώματα οδήγησης τάσης και ρεύματος, τα οποία εμφανίζουν σταθερή απόδοση ανεξάρτητα από τις μεταβολές της τάσης κατωφλίου των τρανζίστορ. Επίσης, θα προταθούν δύο νέες τοπολογίες εικονοστοιχείων για οθόνες οργανικών φωτοδιόδων. Η πρώτη προγραμματίζεται με τάση και η δεύτερη προγραμματίζεται με ρεύμα. Το μεγάλο πλεονέκτημα και των δύο τοπολογιών είναι ο μικρός χρόνος απόκρισης που παρουσιάζουν και τα καθιστούν έτσι κατάλληλα για να χρησιμοποιηθούν σε οθόνες OLED υψηλών προδιαγραφών στις οποίες ο χρόνος προγραμματισμού είναι περιορισμένος. Στο τέλος υπάρχει μια ανασκόπηση των σημαντικότερων συμπερασμάτων που προέκυψαν από την υλοποίηση της διδακτορικής διατριβής και θα γίνουν προτάσεις για μελλοντική εργασία.
description: The present Ph.D thesis is divided into two parts. The first part is started with a small introduction about thin-film transistors, including their operation and structures. Afterwards, the development of a new drain current model of polycrystalline silicon thin-film transistors (poly-Si TFTs) is presented. The new model is simple, compact and continuous and these characteristics indicate that the new model is suitable for Spice-like circuit simulations. Apart from the poly-Si TFTs model, a new drain current model of nano-crystalline silicon thin-film transistors (nc-Si TFTs), is developed, when the transistor operates in the above threshold voltage region and including the band tail states. The proposed model was successfully applied to a high number of fabricated nc-Si TFTs, with various gate geometries by using the same values of the model’s parameters. Another important parameter is the reliability of the transistors. The reliability of the transistors is examined through dc and ac stress. First, the nc-Si and amorphous silicon TFTs were examined, separately, under dc and ac stress and the results have shown that nc-Si TFTs have constant behavior but the leakage current is high and, on the other hand, a-Si TFTs have shown a shift to their input characteristics when the stress time is increased. The solution to their individual problems is the bilayer a-Si / nc-Si TFTs. The bilayer a-Si / nc-Si TFTs stress results have shown that the small width transistor have more stable behavior due to the corner effect and impact of the hot carriers. At the end of the first part, the potential advantages of the symmetric double gate poly-Si TFTs were examined. The double gate poly-Si TFTs were designed with the ATLAS program while their parameters’ values were extracted from measurement of fabricated single gate poly-Si TFTs. A parametric analysis for various gate length, starting from 50 μm up to 0.5 μm, were performed and the results have shown that the double gate poly-Si TFTs have a better channel control, compared to the singles ones. Finally, the simple 2-transistors-1-capacitor pixel design was implemented by using single and double gate poly-Si TFTs. The conclusion of the analysis was that the double gate implementation can lead to low voltage or more silicon area efficient circuit designs. The second part of this PhD thesis involves the circuit design for flat panel displays applications, implemented with poly-Si TFTs. Furthermore, the second part includes the analog circuit design dedicated to LCD and OLED displays. The proposed analog circuits are two voltage drivers for LC displays and two current drivers for OLED displays. These analog circuits can be used as the output buffers in the column drivers of an Active Matrix array display. Moreover,, a new voltage-programmed pixel circuit design is presented. The new pixel design is, theoretically, the fastest pixel (smallest response time) that exists in the literature. Finally, a new current mirror type, current-programmed pixel with smaller response time, compared to the existing current mirror type pixel.