Circuit Design and Compact Modeling in Printed Electronics Based on Inorganic Materials

Die gedruckte Elektronik ist ein im Vergleich zur konventionellen Siliziumtechnologie junges Forschungsgebiet. Die Idee hinter der gedruckten Elektronik ist es elektronische Bauteile wie Widerstande, Kapazitaten, Solarzellen, Dioden und Transistoren mit gangigen Druckmethoden herzustellen. Dabei ist es moglich die elektronischen Bauteile auf unbiegsamen Substrate, wie Glas oder Silizium, als auch auf biegsamen Substrate, wie Papier und Folie, zu drucken. Aufgrund des Druckprozesses, sind die Herstellungskosten gering, da drucken ein additiver Prozess ist und somit teure Masken obsolet sind. In einem Feldeffekttransistor, wird der Halbleiter zwischen zwei Elektroden (Drain- und Source) gedruckt. Die Drain- und Source-Elektroden werden dabei durch einen Vakuum- oder Druckprozess abgeschieden und strukturiert. Der halbleitende Kanal wird durch einen Dielektrikum von der Gate-Elektrode isoliert. Auch fur das Dielektrikum und die Gate-Elektrode sind ein Vakuum- oder Druckprozess denkbar. Standardmasig finden organische Materialien Einsatz in der gedruckten Elektronik. Leider weisen organische Halbleiter, in einem Feldeffekttransistor, nur eine geringe Ladungstragerbeweglichkeit ($\leq 1$ cm$^2$(Vs)$^{-1}$) auf. Die niedrige Ladungstragerbeweglichkeit fuhrt zu einer geringen Ladungstragerdichte im Halbleiter und als Resultat zu geringen Stromdichten. Auch sind grostenteils nur p-leitende Halbleiter fur den Einsatz in Schaltungen vorhanden, weswegen die meisten Schaltungen nur p-leitende Feldeffekttransistoren besitzen. Ein weiterer Nachteil der organischen Elektronik ist, dass die eingesetzten Dielektrika mit dem Halbleiter eine mangelhafte Grenzflache bildet. Deshalb sind Versorgungsspannungen in Bereich von 5 V keine Seltenheit. Eine interessante Alternative zu organischen Halbleitern sind Materialien die der Kategorie der Oxide zugeordnet sind. Zum Beispiel in Indiumoxid (In$_{2}$O$_{3}$) ist eine Ladungstraerbeweglichkeit um die 100 cm$^2$(Vs)$^{-1}$ messbar. Leider sind durch Oxide realisierte p-leitende Feldeffekttransistoren sehr selten, weshalb die meisten Schaltungen auf n-leitenden Feldeffekttransistoren basieren. Ein weiterer Nachteil von Metalloxidhalbleitern is das hohe Gluhtemperaturen ($\sim 400 \, ^\circ$C) benotigt werden um die richtige Kristallstruktur zu erzielen. Durch den Einsatz eines Elektrolyten, anstatt eines Dielektrikum, werden die benotigten hohen Versorgungsspannungen auf 1 V reduziert. Der Grund fur die Reduzierung der Versorgungsspannung liegt in der hohen Kapazitat ($\sim 5 \, \mu$F(cm)$^{-1}$), die sich zwischen der Gate-Elektrode und dem Kanal ausbildet. Die optimale Grenzflache zwischen der Gate-Elektrode und dem Elektrolyten sowie als auch zwischen dem Elektrolyten und dem Kanal, wo sich eine Helmholtz-Doppelschicht ausbildet, ist der Grund fur die hohe Kapazitat. In dieser Arbeit, werden die Vorteile der hohen Ladungstragerbeweglichkeit, resultierend von einem Indiumoxid-Kanal, und der niedrigen Versorgungsspannungen, durch den Einsatz eines Elektrolyten als Isolator, in einem gedruckten Transistor kombiniert. Daher ist das Ziel zunachst Transistoren basierend auf einem Elektrolyten und Indiumoxid-Kanal zu charakterisieren und zu modellieren. Auch werden Moglichkeiten zum Schaltungsentwurf mit der hier vorgestellten Transistortechnologie ausgearbeitet. Der Schaltungsentwurf wird anhand mikroelektronischen Zellen und Ringoszillator-Strukturen verifiziert. Wichtig fur den Schaltungsentwurf sind Modelle die fahig sind die elektrischen Eigenschaften eines Transistors abzubilden. Dabei muss die simulierte Kurve Stetigkeit und Kontinuitat aufweisen um Konvergenzprobleme wahrend der Simulation zu verhindern. Zur Modellierung der elektrischen Eigenschaften und Strome der Transistoren wird ein Modell basierend auf den Curtice-Modell entwickelt. Der Bereich uber der Schwellwertspannung wird daher durch das Curtice-Modell abgebildet und der Bereich unter der Schwellspannung durch ein aus Siliziumtransistoren bekanntes Standard-Modell beschrieben. Kontinuitat und Stetigkeit wird durch eine Interpolation zwischen den beiden Transistormodellen gewahrleistet. Ein Verglich zwischen gemessenen und simulierten Daten zeigt das das Modell die hier vorgestellte Transistortechnologie sehr gut abbilden kann. Das entwickelte Transistormodel wird zur unterstutzung des Schaltungsentwurf in einem Prozesskit (PDK) integriert. Dadurch ist das Verhalten einer Schaltung durch Simulation vorhersehbar. In der Simulation konnen auch der Einfluss der Umwelt, z.B. Luftfeuchtigkeit, auf die Transistoren analysiert werden. In der digitalen Schaltungstechnik wird ein p-leitender Feldeffekttransistor verwendet um ein Eingangssignal hochzusetzen, wahrend um ein Signal runterzusetzen, ein n-leitender Feldeffekttransistor von Vorteil ist. Da p-leitende Oxide selten und unzuverlassig sind, wird der p-leitende Feldeffekttransistor durch einen Widerstand (Transistor-Widerstand-Logik (TRL)) oder einen n-leitenden Feldeffekttransistor (Transistor-Transistor-Logik (TTL)) ersetzt. Ein Inverter in TRL weist bei einer Versorgungsspannung von 1 V einen Verstarkungsfaktor von ungefahr -5 auf und eine Signalverzogerung von 0.9 ms. Die Oszillatorfrequenz im entsprechend Ringoszillator betragt 296 Hz. Weitere Logikgatter (NAND, NOR und XOR) sind ebenfalls realisierbar mit TRL-Entwurfe. In TTL wird der p-leitende Feldeffekttransistor durch einen n-leitenden Verarmungstyps Feldeffekttransistor ersetzt. Die in der TTL entworfene Logikgatter verhalten sich identisch zu den TTR-Zellen aber die Frequenz vom Ringoszillator steigt bis in den unteren kHz-Bereich an. In TTL ist es ebenfalls moglich die Verlustleistung um einen Faktor von 6 zu reduzieren.