Extracción evolutiva de parámetros en modelos compactos de transistores orgánicos de lámina delgada

Resumen

INTRODUCCIÓN Los transistores orgánicos de lámina delgada (OTFTs) han despertado un considerable interés en la Electrónica debido a las ventajas asociadas con los materiales orgánicos/poliméricos utilizados, como la flexibilidad, los bajos costos de fabricación y el peso, y sus posibles aplicaciones en dispositivos electrónicos flexibles de gran superficie, como pantallas y sensores [1]. Sin embargo, estos materiales también tienen limitaciones importantes, por ejemplo, una baja movilidad electrónica en comparación con semiconductores cristalinos inorgánicos, alta variabilidad del proceso, o deterioro por efecto de los contactos. En particular, los efectos de los contactos se han estudiado ampliamente con el objeto de incorporarlos en los modelos compactos de los transistores [2, 3, 4]. Los modelos compactos son modelos analíticos que pueden reproducir el comportamiento eléctrico de un dispositivo determinado en todas las regiones de operación. Por lo general, se basan en principios físicos, con algunos parámetros libres que se utilizan para asegurar una transición continua entre regiones o para mejorar la simplificación matemática necesaria de la física del dispositivo. Por lo tanto, estos modelos deben estar asociados con métodos para extraer sus respectivos parámetros, usando como base las características eléctricas del transistor deseado [4, 3, 5]. Los parámetros extraídos deben de tener un valor físico correcto, ya que un valor no válido causaría la invalidación de dicho resultado, significando esto un fallo en la búsqueda del conjunto de parámetros. Finalmente, el conjunto de parámetros extraídos debe proporcionar un buen acuerdo entre el modelo y los datos experimentales usados para la extracción. DESARROLLO TEÓRICO Esta tesis se centra en la definición de un procedimiento para extraer los parámetros de un modelo compacto para OTFTs, que incluye efectos de los contactos, a partir de las curvas de salida del dispositivo. La principal característica de este procedimiento es que garantiza la determinación del valor del conjunto de parámetros del modelo, resolviendo algunas de las limitaciones presentadas en procedimientos encontrados en la bibliografía. Para este propósito, se presentan una serie de objetivos que tendrán que cumplirse en el orden dado: 1. Describir una metodología eficiente para la extracción de parámetros de diferentes tipos de OTFTs, utilizando como base un modelo compacto para OTFTs que incluya los efectos en los contactos y un algoritmo evolutivo multi-objetivo (MOEA). 2. Validar el conjunto de parámetros extraídos con leyes físicas y eléctricas que describen el comportamiento del dispositivo empleado. La validación del conjunto de parámetros supondrá la validación del procedimiento evolutivo y del modelo compacto, ya que ambos son utilizados para realizar la extracción del conjunto de parámetros. 3. Dotar al procedimiento evolutivo de conocimiento experto. Con esto se persigue que el proceso de búsqueda del procedimiento evolutivo pueda explorar áreas más prometedoras, en las cuales cabe la posibilidad de encontrar conjuntos de parámetros más precisos. 4. Ampliar la funcionalidad del modelo compacto utilizado por el procedimiento evolutivo, y por lo tanto, el alcance del procedimiento evolutivo. El propósito de este objetivo es estandarizar el procedimiento evolutivo, con la finalidad de abarcar la mayor cantidad de fenómenos físicos y dispositivos posibles. Para llevar a cabo el desarrollo de esta tesis es necesario tener en cuenta las bases de funcionamiento de los OTFTs. Además, también se deben considerar aquellos efectos que degradan el rendimiento de los dispositivos, haciendo hincapié en los efectos de contacto. CONCLUSIONES A lo largo de esta tesis se han llegado a las siguientes conclusiones: 1. Se ha desarrollado un procedimiento evolutivo de extracción de parámetros. El procedimiento determina simultáneamente tanto los parámetros de un modelo compacto de OTFTs a partir de curvas experimentales de corriente-voltaje como los parámetros que caracterizan la región de contacto de los propios OTFTs. Este procedimiento mejora deficiencias encontradas en anteriores procedimientos de extracción de parámetros, por ejemplo, en aquellas situaciones en las que el conjunto de parámetros extraídos por otros procedimientos no cumple con su significado físico, o si existe un ajuste deficiente entre los datos experimentales y los resultados analíticos. En el último caso, el procedimiento evolutivo se puede utilizar como un método de optimización. El procedimiento evolutivo de extracción de parámetros se ha aplicado a las características de salida experimentales de diferentes transistores, obteniendo resultados muy precisos. 2. Para asegurar que los parámetros extraídos mantienen su significado físico, el procedimiento evolutivo se ha ampliado con reglas adicionales en forma de restricciones y objetivos de optimización. Estos cambios han dado lugar a un MOP con más de dos objetivos (MaOP). Para validar los cambios llevados a cabo, el procedimiento resultante ha sido aplicado a nuevos datos experimentales obteniendo también excelentes resultados. 3. Se ha propuesto una modificación del modelo de la región contacto para extender su aplicabilidad a fototransistores orgánicos. El modelo para la región de contacto de estos dispositivos incorpora los efectos de la iluminación. Este modelo es válido para todos los regímenes de operación de los transistores. Una vez más, el modelo compacto y el modelo de la región de contacto se validan con datos experimentales de varios OPTs bajo diferentes condiciones de iluminación. Los resultados muestran que tanto los efectos fotoconductores como los fotovoltaicos afectan a la región intrínseca del transistor, así como al comportamiento eléctrico de la región de contacto. Los parámetros utilizados en el modelo de la región de contacto están vinculados a estos efectos fotovoltaicos y fotoconductores. 4. Se ha propuesto una modificación final del modelo de la región de contacto para describir las características de corriente-voltaje de diferentes tipos de contactos. En este sentido, se ha propuesto un modelo estándar y semiempírico para la región de contacto de OTFTs, el cual ha sido integrado en el modelo compacto original que describe las características corriente-voltaje de OTFTs. Es un modelo versátil que reproduce el comportamiento de los contactos Schottky o limitados por carga espacial. Es un modelo unificado y simple, ya que solo se necesita el valor de un parámetro para distinguir entre los dos tipos de contactos. El modelo ha sido probado con datos experimentales procedentes de dispositivos con contactos Schottky y limitados por carga espacial. En particular, se ha detectado que la región de contacto de un sensor de amoniaco es muy sensible a la concentración de gas, de tal manera que un contacto limitado por carga espacial se transforma en un contacto Schottky con la presencia de gas. REFERENCIAS [1] Organic Electronics Association et al. OE-A roadmap for organic and printed electronics. White Paper (2017), 2017. [2] M. Jamal Deen, M.H. Kazemeini, and S. Holdcroft. Contact effects and extraction of intrinsic parameters in poly(3-alkylthiophene) thin film field-effect transistors. J. Appl. Phys., 103(12):124509, June 2008. [3] P. Lara Bullejos, J. A. Jiménez Tejada, S. Rodríguez-Bolívar, M. J. Deen, and O. Marinov. Model for the injection of charge through the contacts of organic transistors. Journal of Applied Physics, 105(8):084516, apr 2009. [4] J. A. Jiménez Tejada, J. A. López Villanueva, P. López-Varo, K. M. Awawdeh, and M. J. Deen. Compact modeling and contact effects in organic transistors. IEEE Trans. Electron Devices, 61(2):266{277, 2014. [5] Rodrigo Picos, Oscar Calvo, Benjamín Iñiguez, Eugeni García-Moreno, Rodolfo García, and Magali Estrada. Optimized parameter extraction using fuzzy logic. Solid-state electronics, 51(5):683{690, 2007.