有机场效应晶体管电路仿真模型的研究

论文摘要

有机场效应晶体管(Organic Field Effect Transistors, OFETs)是以有机半导体材料作为有源层的晶体管器件。和传统的无机半导体器件相比,有机场效应晶体管由于其在大面积低成本集成电路上的潜在应用而引起了广泛的研究。这些应用包括有源矩阵平板显示,射频智能标签,低端存储卡等。用于场效应晶体管的有机半导体材料通常具有以下典型特征:可在室温条件下大面积真空沉积,可通过旋涂方法成膜,能用于制备柔性电路元件。虽然目前已有许多针对材料及元器件的改善然而尚未有一个完整的器件描述及能够模拟预测该类器件电学特性的模型。而且,有机材料在稳定性上仍有许多待解决的问题存在,尚且需要进行进一步的电学研究测试。本文首先介绍了几种有机半导体的理论模型。包括小极化子模型,多重捕获与释放模型和跳跃传输理论模型。从现有的多种有机薄膜晶体管的仿真模型的理论中挑选一种较为合理的理论,即跳跃传输理论作为我们的研究理论基础。该理论认为具有高激发能的电荷可能跃迁很短的距离,而具有低激发能的电荷有可能跃迁较长的距离。基于跳跃传输理论,论文提出了有机薄膜晶体管的直流模型。模型中电流表达式依赖于沟道电荷聚集状态。通过一个简单的公式精确地给出了亚阈值区、线性区和饱和区电流的表达公式。模型不需要定义阈值电压和饱和电压为已知参数,数学表达式较为简单,并且适合计算机辅助作图。同时,论文从文献中提取了部分试验数据作为已知参数,使用MATLAB软件,通过多次拟合实验,得到了一组与实验数据符合较好的参数。证明了论文推导的有机薄膜晶体管的直流模型的正确性。同时,为了进一步寻找一种能够对有机薄膜晶体管性能仿真的仿真软件,我们又尝试了一种基于Hspice软件的Level 62 RPI TFT模型。该模型主要是针对无机薄膜晶体管的电路仿真模型。这里我们对有机材料与无机材料性能加以区别,修改了模型的一部分参数,通过多次拟合,得到了一组与文献实验数据吻合度较好的仿真曲线,并得到了一组适用于有机薄膜晶体管的模型参数。最后,本文又利用OTFT设计了几种基本逻辑电路,并且利用论文修改后的Level 62模型对几种逻辑电路进行模拟仿真,得到了较为理想的结果,再次证明了论文拟合得到的模型的正确性和实用性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 引论
• 1.2 晶体管的种类
• 1.2.1 金属-绝缘层-半导体晶体管 （MISFET）
• 1.2.2 肖特基栅场效应晶体管 （MESFET）
• 1.2.3 场效应晶体管 （FET）
• 1.3 有机场效应晶体管的发展历程
• 1.4 有机场效应晶体管的应用现状
• 1.4.1 有机存储电路元件
• 1.4.2 有机平板显示技术
• 1.4.3 有机超导材料制备
• 1.4.4 气体传感
• 1.4.5 有机激光
• 1.5 有机场效应晶体管发展趋势及未来展望
• 1.6 本文所做工作及创新点
• 第二章 有机场效应晶体管的研究与进展
• 2.1 有机场效应晶体管的基本结构、工作原理与性能评定
• 2.1.1 有机场效应晶体管的基本结构
• 2.1.2 有机场效应晶体管的工作原理
• 2.1.3 有机场效应晶体管的主要性能指标
• 2.2 有机半导体材料
• 2.2.1 p-沟道有机半导体材料
• 2.2.2 n-沟道有机半导体材料
• 2.3 绝缘层材料
• 2.4 有机场效应晶体管的制备技术
• 2.4.1 真空镀膜
• 2.4.2 溶液处理成膜
• 2.4.3 单晶技术
• 2.5 本章小结
• 第三章 有机场效应晶体管直流模型分析
• 3.1 常见有机半导体载流子传输模型
• 3.1.1 小极化子 （small polaron）模型
• 3.1.2 多重捕获释放模型 （MTR）
• 3.1.3 跳跃传输模型
• 3.2 基于跳跃传输理论的直流模型
• 3.2.1 直流模型的数学分析
• 3.2.2 直流模型的仿真实验
• 3.3 本章小结
• 第四章 基于HSPICE 的OFET 模型与电路设计
• 4.1 HSPICE 软件简介
• 4.2 LEVEL 62 RPI 模型研究
• 4.2.1 Level 62 RPI 模型直流电流分析
• 4.2.2 Level 62 RPI 模型电容特性
• 4.2.3 Level 62 RPI 模型建立与参数设置
• 4.3 参数提取与模型仿真验证
• 4.3.1 仿真实验一
• 4.3.2 验证仿真实验二
• 4.3.3 验证仿真实验三
• 4.4 基于LEVEL 62 模型的电路设计与仿真
• 4.4.1 反相器电路的设计
• 4.4.2 或非门 （nor） 电路的设计
• 4.4.3 同或门电路设计
• 4.5 本章小结
• 第五章 结束语
• 致谢
• 参考文献
• 硕士研究生期间发表论文情况