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DESARROLLO DE MODELOS ANAALÍTICOS DE DISPOSITIVOS ELECTRÓNICOS AVANZADOS PARA SU INCORPORACIÓN EN SIMULADORES CIRCUITALES TIPO SPICE. SIP 20080254 DIRECTOR. DR. LUIS MARTÍN RESÉNDIZ MENDOZA 1. RESUMEN Considerando el rápido desarrollo de aparatos electrónicos y su introducción en todos los aspectos de la vida social y económica, el conocimiento de los dispositivos avanzados en los que se fundamenta este desarrollo resulta indispensable para aplicarlo a los problemas concretos que nos rodean. En el presente proyecto se da especial atención al estudio de los dispositivos de última generación, como son los transistores de capa fina orgánicos. Un conocimiento más profundo del comportamiento eléctrico de estos dispositivos orgánicos, y el contar con modelos analíticos adecuados para el diseño de circuitos integrados, son de gran importancia para los diseñadores de estos circuitos. 2. INTRODUCIÓN Las tecnologías de impresión en la fabricación de dispositivos electrónicos y en específico en la electrónica orgánica en los últimos años ha tenido resultados prometedores, como su principal ventaja con respecto a la electrónica inorgánica, es la posibilidad de fabricar dispositivos sobre sustratos flexibles (plásticos y papel). Para evitar utilizar la estrategia de “prueba y error” en la fabricación de circuitos que emplean estos dispositivos, es útil tener herramientas de simulación circuital que sean fiables y fáciles de ocupar. Debido a lo anterior el grupo de trabajo desarrollo un modelo compacto para la modelación de OTFTs hechos con diferentes materiales, el cual presenta una aproximación de la descripción de la movilidad en transistores de capa fina orgánicos. En este proyecto se plantea la implementación del modelo en un simulador circuital (SMASH – Dolphin Integration) utilizando el lenguaje de descripción de hardware Verilog‐A. El tener el modelo implementado nos permitirá realizar simulaciones tanto de dispositivos como de circuitos, lo que permitirá verificar y optimizar su diseño sin tener que realizar experimentos que conllevan un consumo de recursos y de tiempo. Por otro lado es importante señalar que este proyecto permitirá sentar las bases de una línea de investigación de la Maestría en Tecnología Avanzada con Especialidad en Ingeniería Electromagnética y Dispositivos Fotónicos que tiene como sede la SEPI‐UPIITA. 3. MÉTODOS Y MATERIALES Como primera meta se planteó el establecimiento de una metodología de simulación tecnológica de los transistores de capa fina orgánicos. Se realizó la simulación tecnológica de los transistores de capa fina utilizando el simulador ATLAS de Silvaco [1], este simulador nos permite diseñar la estructura del dispositivo estableciendo dimensiones y parámetros de los materiales. Como segunda meta se planteó la validación del modelo desarrollado. Lo que se logró al realizar la comparación de los resultados obtenidos de la simulación tecnológica con los experimentales. La estructura utilizada así como los parámetros de entrada para el simulador tecnológico se tomaron de [2]. Como meta principal se planteó la implementación del modelo en un simulador circuital. Lo anterior se logró utilizando el lenguaje de descripción de hardware Verilog‐A en el programa SMASH ver. 5.11 – Dolphin Integration [3]. [1] Silvaco International. ATLAS User’s Manual, Device Simulation Software. 1998. [2] M. Estrada, I. Mejia, A. Cerdeira, J. Pallares, L.F. Marsal, B. Iñiguez. Mobility model for compact modeling of OTFTs made with different materials. Solid State Electronics 2008; 52: 787‐794. [3] Open Verilog International. Verilog‐A Language Reference Manual, Analog Extensions to Verilog HDL. 2008. 4. RESULTADOS La Fig. 1 muestra la buena concordancia entre las características experimentales de transferencia y de salida con las simuladas obtenidas usando como entrada del simulador ATLAS, los parámetros de la distribución de estados localizados extraídos utilizando el modelo descrito en [2]. IS
2.2x10
-8
2.0x10
-8
1.8x10
-8
1.6x10
-8
1.4x10
-8
1.2x10
-8
1.0x10
-8
8.0x10
-9
6.0x10
-9
4.0x10
-9
-30 V
experimental
simulada
-20 V
-10 V
-9
2.0x10
0.0
-2.0x10
0V
-9
-40
-20
0
20
VD
(a) experimental
simulada
Idsvgreal
1E-9
VD= -1 V
1E-10
-40
-20
0
Vgsreal
20
EXPERIMENTAL
SIMULADA
Idsvgsat
1E-8
VD=-30 V
1E-9
-35
-30
-25
-20
-15
-10
Vgssatreal
-5
0
5
10
(b) Fig. 1. Características eléctricas medidas y simuladas (a) de salida y (b) de transferencia, para transistores orgánicos. La Fig. 2 muestra las características eléctricas de la simulación circuital de un OTFT utilizando como parámetros de entrada los extraídos de las mediciones experimentales. (a) (b) (c) Fig. 2. Características eléctricas simuladas utilizando SMASH; (a) transferencia lineal, (b) transferencia saturación y (c) salida, para transistores orgánicos. La Fig. 3 muestra la comparación de las características eléctricas experimentales, modeladas y simuladas de un OTFT. 2.20E-008
2.00E-008
ids0smash
ids10smash
ids20smash
ids30smash
ids0mod
ids10mod
ids20mod
ids30mod
ids0exp
ids10exp
ids20exp
ids30exp
1.80E-008
1.60E-008
1.20E-008
1.00E-008
8.00E-009
6.00E-009
4.00E-009
2.00E-009
0.00E+000
-2.00E-009
0
5
10
15
20
25
30
35
vds
(a) idslinsmash
idslinmod
idslinexp
1E-9
idslinsmash
ids0smash
1.40E-008
1E-10
0
5
10
15
vgs
(b) 20
25
30
idssatsmash
idssatmod
idssatexp
idssatsmash
1E-8
1E-9
0
5
10
15
vgs
20
25
30
(c) Fig. 2. Características eléctricas experimentales, modeladas y simuladas; (a) salida, (b) transferencia lineal y (c) transferencia saturación, para transistores orgánicos. 5. IMPACTO. La electrónica orgánica tiene el potencial de ser una tecnología disruptiva, es decir, una tecnología que lleva a la aparición de nuevos productos lo que permite la introducción generalizada de dispositivos electrónicos en nuestras vidas. Los semiconductores polímeros son prometedores y versátiles para la electrónica orgánica, estos materiales se disuelven en solventes orgánicos comunes y pueden ser procesados desde una solución liquida a temperatura ambiente. Las mejoras en el comportamiento eléctrico de los semiconductores polímeros en los últimos diez años han sido notables, sin embargo, se deben de hacer mayores esfuerzos en entender los fenómenos de transporte de carga presentes en los semiconductores polímeros para que llegue a ser una tecnología fiable, robusta, reproducible y predecible, y pueda ser utilizada en productos comerciales. La tecnología OLED está siendo comercializada como un mercado multibillonario de dólares. Los OLEDs son usados en pantallas de teléfonos celulares, estéreos de automóviles, cámaras digitales, consolas de videojuegos portátiles y en otros dispositivos tales como maquinas de afeitar y relojes. De acuerdo a la industria de pantallas, el mercado global de pantallas OLED incrementó a 2.3 billones de dólares en el 2008. En el 2003, 17.3 millones de OLEDs fueron vendidos alrededor del mundo y se espera que las ventas alcancen 366 millones de unidades en el 2010. Las pantallas OLED pueden ser de matriz pasiva o de matriz activa. Las pantallas OLED de matriz activa han reemplazado rápidamente a las de matriz pasiva apara aplicaciones a todo color. Los OLEDs de matriz activa han integrado un panel trasero como sustrato y son más adecuadas para videos y gráficos de alta resolución y alto contenido de información. Sin embargo son significativamente más caras que las pantallas de matriz pasiva. En una pantalla de matriz activa, el arreglo se sigue dividendo en filas y columnas, sin embargo cada pixel consiste de un OLED en serie con un transistor de capa fina (TFT). Los TFTs tienen una alta capacidad de manejo de corriente y una alta velocidad de cambio de estado. El TFT en cada pixel controla la brillantez y la corriente que fluye a través del OLED. Esta continua operación elimina la necesidad de las altas corrientes que se utilizan en las pantallas de matriz pasiva. El desarrollo de este proyecto permitió tener un conocimiento más profundo del comportamiento de los transistores de capa fina orgánicos y el contar con modelos eléctricos adecuados para el diseño de circuitos integrados, lo cual es de gran importancia para los diseñadores de estos circuitos y para su uso como herramienta en el diseño de aplicaciones en la matriz activa de pantallas OLEDs. Asi mismo es importante resaltar que este proyecto permitió sentar las bases para la propuesta del proyecto “Estudio y fabricación de dispositivos de capa fina y electroluminiscentes con estructura todo‐polímero mediante el uso de técnicas de impresión de patrones sobre sustratos flexibles”, que fue aprobado por CONACYT en el fondo sectorial SEP Ciencia Básica 2008, registro 82783. Lo que conlleva a atraer fondos externos para crear infraestructura de investigación en el IPN y en especial para el fortalecimiento de la línea de investigación en dispositivos orgánicos dentro de la Maestría en Tecnología Avanzada con especialidad en Ingeniería Electrica y Tecnologías Fotónicas que tiene como sede la SEPI – UPIITA perteneciente al PNPC del CONACYT.