Modelado de fenómenos de histéresis y contactos en transistores orgánicos/poliméricos

Resumen

El funcionamiento de los dispositivos semiconductores orgánicos modernos está limitado por efectos no ideales que no se caracterizan por modelos tradicionales de transporte. En este trabajo, se estudian dos grandes problemas que afectan al comportamiento de los transistores orgánicos y poliméricos de lámina delgada: los efectos de los contactos y los mecanismos de atrapamiento y emisión de carga que se producen en el interior del dispositivo. El hecho de que estos dos mecanismos estén presentes simultáneamente hace más complejo el estudio de estos transistores. Se presenta en esta tesis un nuevo modelo compacto para transistores orgánicos de l¿amina delgada (OTFT). Permite describir características de salida de los transistores, incorporando los efectos de los contactos. El modelo se basa en expresiones físicamente realistas que describen el flujo de carga en la vecindad de los contactos que se han incorporado en un modelo de deriva desarrollado previamente. El modelo resultante sigue siendo compacto, al igual que el original, por lo que resulta de gran interés en simulaciones de circuitos con estos transistores. Un modelado adecuado necesita de parámetros que sean fácilmente extraíbles a partir de medidas experimentales y que contengan una relación con la física del dispositivo. Se propone también un método para extraer los parámetros del transistor, incluyendo los nuevos parámetros asociados a los contactos. Se ha comprobado el modelo con medidas experimentales tomadas en transistores de lámina delgada donde el material orgánico es ftalocianina de zinc. Los contactos de drenador y fuente son de oro. Se analizan las respuestas de estos y otros transistores en la zona lineal y en la de saturación. En la región de bajas tensiones de drenador se pueden observar en general respuestas tanto lineales como no lineales. Ambas situaciones son analizadas en este trabajo. El método de extracción de parámetros sugerido en esta tesis proporciona una forma de estudiar la evolución de la densidad de carga en la región de baja conductividad próxima al contacto. El método de extracción de parámetros se comprueba también con datos obtenidos de un transistor cuyos parámetros son conocidos. Este transistor conocido es realmente un artificio teórico que consta de un transistor ideal al que se le ha añadido en serie un elemento de dos terminales que simula unos contactos. Otro problema que deteriora el funcionamiento de los transistores de lámina delgada es el mecanismo de atrapamiento y emisión de carga por parte de trampas situadas en la estructura. Ello produce inestabilidades que son el origen de la histéresis en las curvas de salida o de transferencia de los transistores. La combinación de los fenómenos asociados a los contactos y a la histéresis hacen que el análisis de las curvas corriente tensión de los transistores sea más complicado. A pesar de ello se presenta un método de extracción de parámetros del transistor bajo la acción de estos dos mecanismos. El método se basa en el procedimiento desarrollado anteriormente en el caso de que no exista histéresis en las muestras. La nueva técnica de caracterización proporciona valores para la movilidad, la tensión umbral y la variación de la concentración de carga atrapada durante los ciclos de tensión. El hecho de que la tensión umbral varíe a medida que transcurre la medida incorpora dificultades a la hora de aplicar este método de extracción. En cualquier caso se proponen soluciones para solventar este inconveniente. Otro de los inconvenientes a los que también se les ha puesto solución es la existencia de varios conjuntos de parámetros que hacen coincidir el modelo teórico con los datos experimentales. Se han analizado las soluciones y buscado explicación física para ellas. Solo aquellas soluciones con un buen comportamiento físico se consideran aceptables. Para fijar qué soluciones son físicamente aceptables se analizan curvas corriente-tensión en el contacto y en el transistor intrínseco. Se estima el valor de la densidad de carga libre en la zona del contacto y en el canal a partir de estas curvas, se representan en función de la tensión de puerta y se comparan. La comparación de ambas permite encontrar la solución física buscada. Nuestros resultados se comparan con otros resultados que utilizan técnicas de medida más complejas, como es el caso de las medidas de cuatro puntas. Por ¿ultimo, se comparan distintos procedimiento de extracciòn de curvas corriente tensión asociadas al canal intrínseco del transistor a partir de curvas de salida en el transistor. Cada procedimiento proporciona valores diferentes de la variación de la densidad de carga atrapada en el transistor durante los ciclos de histéresis. Algunos procedimientos tienen en común que, aunque utilizan distintos modelos de transistor, todos reproducen fielmente las curvas de corriente tensión. Se analizan también otros procedimientos basados en un mismo modelo pero que extraen los efectos de los contactos de forma diferente. Con ello se pretende mostrar la importancia que tiene el utilizar un método apropiado de extracción de los efectos de los contactos de las curvas características de un transistor. Los efectos de los contactos no deben afectar en ninguna manera ni a la movilidad ni a las tensiones medidas en los terminales externos del transistor. El modelo compacto desarrollado en esta tesis se presenta como la mejor alternativa para resolver todos estos problemas.