ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΗΛΙΑ Ν. ΠΑΠΠΑ Φυσικός Ραδιοηλεκτρολόγος M.Sc. Ανάπτυξη μοντέλων τρανζίστορ λεπτών υμενίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου σε πρόγραμμα προσομοίωσης κυκλωμάτων (Spice) - Σχεδιασμός κυκλωμάτων TFTs ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2010
ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΤΟΜΕΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗΣ ΚΑΙ ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΩΝ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΔΙΔΑΚΤΟΡΙΚΗ ΔΙΑΤΡΙΒΗ ΗΛΙΑ Ν. ΠΑΠΠΑ Πτυχιούχου Φυσικού, M.Sc. Ηλεκτρονική Φυσική Ανάπτυξη μοντέλων τρανζίστορ λεπτών υμενίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου σε πρόγραμμα προσομοίωσης κυκλωμάτων (Spice)-Σχεδιασμός κυκλωμάτων TFTs Επιβλέπων καθηγητής: Χαράλαμπος Δημητριάδης Τριμελής Συμβουλευτική Επιτροπή 1. Χ. Δημητριάδης 2. Σ. Σίσκος 3. Σ. Νικολαϊδης ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗ ΙΑΝΟΥΑΡΙΟΣ 2010
Στη γυναίκα μου Μαρία, για την αγάπη, την αφοσίωση και την υπομονή που επέδειξε όλα αυτά τα χρόνια.
Ευχαριστίες Θα ήθελα να ευχαριστήσω θερμότατα τον επιβλέποντα καθηγητή κ. Χαράλαμπο Δημητριάδη, ο οποίος μου έδωσε τη δυνατότητα να εκπονήσω αυτή τη διατριβή. Η βοήθεια του ήταν καθοριστικής διότι με καθοδηγούσε συνεχώς σε όλα τα στάδια ολοκλήρωσης της και παρείχε λύσεις σε κρίσιμα προβλήματα που παρουσιάστηκαν στην πορεία της. Επίσης, χάρη στην πολυετή του εργασία σε αυτό το θεματικό πεδίο και στις επαφές του, εξασφάλισε δείγματα από δύο εταιρίες του εξωτερικού και μπόρεσα να υλοποιήσω την εργασία μου. Ακόμη, θέλω να τον ευχαριστήσω γιατί μου παρείχε οικονομική υποστήριξη μέσω της ένταξης της διατριβής σε ερευνητικά προγράμματα. Επίσης, θα ήθελα να ευχαριστήσω το μέλος της τριμελούς επιτροπής, τον αναπληρωτή καθηγητή του Τμήματος Φυσικής, κ. Στυλιανό Σίσκο, για την μεγάλη βοήθεια που μου παρείχε στην ολοκλήρωση του δεύτερου μέρους της διδακτορικής διατριβής μου, που αφορούσε το σχεδιασμό αναλογικών κυκλωμάτων. Η άρτια συνεργασία μας και η σωστή καθοδήγηση του βοήθησαν στην επίτευξη των στόχων που είχαμε θέσει και στην τελική ολοκλήρωση της διατριβής μου. Τέλος, θα ήθελα να ευχαριστήσω τους διδάκτορες κ.κ. Ν. Χαστά και Ν. Αρπατζάνη για την πολύτιμη βοήθεια τους κατά τη διάρκεια των μετρήσεων των διατάξεων TFTs, το διδάκτορα κ. Α. Τσορμπατζόγλου, για τη βοήθεια του στην μοντελοποίηση των τρανζίστορ TFTs, τους διδάκτορες κ.κ. Ν. Βασιλειάδη και Θ. Νούλη για τη βοήθεια τους στο κυκλωματικό μέρος της διατριβής και τον διδάκτορα κ. Δ. Τάσση για τη βοήθεια του στις προσομοιώσεις των διατάξεων με το πρόγραμμα Silvaco ATLAS.
Στα πλαίσια της διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκαν οι κάτωθι δημοσιεύσεις: Διεθνή Περιοδικά 1. I. Pappas, S. Siskos and C. A. Dimitriadis, Polycrystalline Silicon TFTs Threshold Voltage Compensated Transconductor for Analog Circuit Design, submitted for publication in IEEE Circuits and Systems II, Express Briefs. 2. I. Pappas, S. Siskos and C. A. Dimitriadis, A New Threshold Voltage Compensation Technique of poly-si TFTs for AMOLED Displays Pixel Circuits, submitted for publication in Elsevier Journal of Displays. 3. I. Pappas, C. Theodorou, S. Siskos and C. A. Dimitriadis, A New Current- Programmed Pixel Design for Active Matrix Light Emitting Diode Displays, submitted for publication in IEEE Transactions on Electron Devices. 4. I. Pappas, S. Siskos, G. Ghibaudo and C. A. Dimitriadis, Comparison of two analog buffers implemented with low-temperature polysilicon thin-film transistors for Active Matrix Display applications, Journal of Physica Status Solidi, vol. 5, No. 12, p.p. 3854 3857, September 2008. 5. I. Pappas, C. A. Dimitriadis, S. Siskos, F. Templier, M. Oudwan and G. Kamarinos, Effect of Channel Width Shortening on the Stability of a-si:h/nc-si:h Bilayer Thin- Film Transistors, IEEE Electron Device Letters, vol. 29, No. 8, August 2008, p.p. 871-873. 6. I. Pappas, S. Siskos and C. A. Dimitriadis, A Fast and Compact Analog Buffer Design for Active Matrix Liquid Crystal Displays Using Polysilicon Thin-Film Transistors, IEEE Transactions on Circuits and System II: Express Briefs, vol. 55, No. 6, June 2008, p.p. 537-540. 7. I. Pappas, C. A. Dimitriadis, F. Templier, M. Oudwan and G. Kamarinos, Abovethreshold drain current model including band tail states in nanocrystalline silicon thin-film transistors for circuit implementation, Journal of Applied Physics, vol. 101, Art. No. 084506, April 2007. 8. I. Pappas, S. Siskos and C. A. Dimitriadis, A New Analog Buffer Using Low- Temperature Polysillicon Thin-Film Transistors for Active Matrix Displays, IEEE Transactions of Electron Devices, vol 54, No 2, p.p. 219-224, February 2007. 9. A. T. Hatzopoulos, I. Pappas, D. H. Tassis, N. Arpatzanis, C. A. Dimitriadis, F. Templier and M. Oudwan, Analytical current voltage model for nanocrystalline silicon thin-film transistors, Applied Physics Letters, vol 89, Art. No. 193504, November 2006. (cited: 4 times) 10. I. Pappas, A. T. Hatzopoulos, D. H. Tassis, N. Arpatzanis, S. Siskos and C. A. Dimitriadis, A simple and continuous polycrystalline silicon thin-film transistor model for SPICE implementation, Journal of Applied Physics, vol 100, 064506, September 2006.
Διεθνή Συνέδρια 1. I. Pappas, S. Siskos and C. A. Dimitriadis, A New Voltage-Programmed Pixel Design of poly-si TFTs for AMOLED Displays, accepted for publication in IEEE MELECON 2010. 2. I. Pappas, C. Theodorou, S. Siskos and C.A. Dimitriadis, A New Linear Voltage-to- Current Converter With Threshold Voltage Compensation for Analog Circuits Applications in Polycrystalline Silicon TFT Process, in Proceedings of 16 th IEEE International Conference on Electronics Circuits and Systems (ICECS2009), Hammamet 13-16 December, Tunisia, 2009. 3. I. Pappas, S. Siskos, G. Ghibaudo and C. A. Dimitriadis, A New Topology of Analogue Buffer Using Low-Temperature Polysilicon Thin-Film Transistors for Liquid Crystal Displays Applications, in Proceedings of XXII Conference on Design of Circuits and Integrated Systems (DCIS 2007), 21 23 November 2007, Seville, Spain. 4. I. Pappas. S. Siskos, G. Ghibaudo and C. A. Dimitriadis, A Comparison of Two Analogue Buffers, Implemented with Low-Temperature Polysilicon Thin-Film Transistors, for Active Matrix Displays Applications, in Proceedings of Third International Conference on Microelectronics, Microsystems and Nanotechnology (MMN 2007), 18-21 November 2007, Athens, Greece. 5. I. Pappas, L. Nalpantidis, V. Kalenteridis, S. Siskos, C.A. Dimitriadis and A. A. Hatzopoulos, A Τhreshold Voltage Variation Cancellation Technique for Analogue Peripheral Circuits of a Display Array Using Polysilicon TFTs, 2006 IEEE International Symposium on Circuits and Systems (ISCAS 2006), p.p. 3305-3308, 21-24 May 2006, Kos, Greece. 6. I. Pappas, A. T. Hatzopoulos, D. H. Tassis, N. Arpatzanis, S. Siskos, A.A. Hatzopoulos, C. A. Dimitriadis and G. Kamarinos, A Simple Polysilicon Thin-Film Transistor SPICE Model, in Proceedings of 25 th International Conference on Microelectronics (MIEL 2006), p.p. 513-516, 14-17 May 2006, Belgrade, Serbia and Montenegro. 7. I. Pappas, L. Nalpantidis, V.Kalenteridis, S. Siskos, A.A. Hatzopoulos, C.A. Dimitriadis, A new analogue driver using Poly-Si Thin-Film Transistors for Active Matrix Displays, in Proceedings of XX Conference on Design of Circuits and Integrated Systems (DCIS 2005), November 25-27, Lisboan, Portugal. 8. I. Pappas, L. Nalpantidis, V.Kalenteridis, S. Siskos, C.A. Dimitriadis, A study of different types of current mirrors using Polysilicon TFTs, Journal of Physics: Conference Series, Volume 10, 2005, p.p. 373-377. 2 nd Conference on Microelectronics, Microsystems and Nanotechnology (MMN 2004), 14-17 November 2004, Athens, Greece.
Κεφάλαιο Βιβλίου 1. I. Pappas, S. Siskos, C. A. Dimitriadis, book chapter: Active-Matrix Liquid Crystal Displays Operation, Electronics and Analog Circuit Design, book: New Developments in Liquid Crystals, In-Tech Publisher. ISBN: 978-953-7619-X-X (in press). Δίπλωμα Ευρεσιτεχνίας 1. Display element, display using the same and driving method for the same, Patent submitted in the European Patent Office (Patent No. : 09157123.2-1228, Date: 01/04/2009). Inventors: I. Pappas, S. Siskos and C. A. Dimitriadis.
Πρόλογος Τρέχουσα Κατάσταση της Τεχνολογίας Κίνητρα της Παρούσας Διδακτορικής Διατριβής Για περισσότερες από 4 δεκαετίες, οι οθόνες καθοδικού σωλήνα (Cathode Ray Tube CRT) ήταν αυτές που κυριάρχησαν ολοκληρωτικά στη βιομηχανία οθονών καθώς είχαν αξιοσημείωτες επιδόσεις. Η φωτεινότητα, ο λόγος αντίθεσης, η υψηλής ποιότητας εικόνες, η μεγάλη ταχύτητα και ευκρίνεια ήταν τα κύρια χαρακτηριστικά που καθιέρωσαν τις οθόνες CRT. Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, υπήρξε μια αλματώδης ανάπτυξη μικρών, φορητών συσκευών όπως τα κινητά τηλέφωνα, οι φορητοί υπολογιστές (laptops) και τα PDA, οι οποίες απαιτούσαν την προσαρμογή των οθονών στις απαιτήσεις τους. Ο μεγάλος όγκος ήταν το κυριότερο μειονέκτημα των CRT οθονών, το οποίο τις εμπόδιζε να χρησιμοποιηθούν σε αυτού του είδους τις συσκευές. Έτσι, έπρεπε να βρεθούν νέου τύπου οθόνες για να αντικαταστήσουν τις CRT. Η πιο ελκυστική λύση που εμφανίστηκε, ήταν οι επίπεδες οθόνες έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθεί ο όγκος που καταλαμβάνουν οι οθόνες στα συστήματα. Η τεχνολογία των επίπεδων οθονών έχει κάνει τεράστια άλματα την τελευταία δεκαετία και έχει κυριαρχήσει σε όλα τα ηλεκτρονικά, από τα κινητά τηλέφωνα και τους φορητούς υπολογιστές, μέχρι και στα οικιακά ηλεκτρονικά και στις μεγάλες τηλεοράσεις. Το πιο σημαντικό είδος επίπεδων οθονών ήταν αυτές των υγρών κρυστάλλων, με τις οποίες υλοποιήθηκαν οθόνες μεγάλων διαστάσεων, με πάρα πολύ καλά χαρακτηριστικά (ευκρίνεια, φωτεινότητα, αντίθεση κ.α.). Οι οθόνες υγρών κρυστάλλων είναι ετερόφωτες και απαιτείται η χρήση μιας πηγής φωτός στο πίσω μέρος της οθόνης. Ένα νέο είδος επίπεδων οθονών, που αναμένεται να φέρει επανάσταση, είναι αυτές που υλοποιούνται με οργανικές φωτοδιόδους (Organic Light Emitting Diodes OLEDs). Οι οθόνες αυτές θα είναι μικρότερου πάχους, με ακόμα καλύτερα χαρακτηριστικά γιατί οι οθόνες αυτές είναι αυτόφωτες. Επίσης, οι οθόνες φωτοδιόδων μπορούν να υλοποιηθούν σε πλαστικά υποστρώματα και έτσι να οδηγηθούμε σε εύκαμπτες οθόνες.
Η ραγδαία ανάπτυξη των επίπεδων οθονών δε θα μπορούσε να υπάρξει αν πρώτα δεν υπήρχε μια εξίσου σημαντική ανάπτυξη των τρανζίστορ λεπτού υμενίου (Thin Film Transistors TFTs). Τα τρανζίστορ λεπτού υμενίου μοιάζουν πολύ με τα συμβατικά τρανζίστορ MOSFETs, τόσο στη λειτουργία τους όσο και στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους. Παρόλο τις ομοιότητες, υπάρχουν και σημαντικές διαφορές που πηγάζουν από το διαφορετικό υπόστρωμα των TFTs. Σε αντίθεση με τα τυπικά MOSFETs, που έχουν σαν υπόστρωμα μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, το υπόστρωμα των TFT είναι ένα μονωτικό υλικό, συνήθως γυαλί. Η διαφάνεια του γυάλινου υποστρώματος υπήρξε ένας από τους κυριότερους λόγους χρησιμοποίησης των TFTs στη βιομηχανία οθονών, διότι το φως θα μπορούσε εύκολα να διαπεράσει τη γυάλινη επιφάνεια και να φτάσει στον θεατή. Τα TFTs έχουν τρεις ακροδέκτες: πύλη (gate G), πηγή (source S) και απαγωγό (drain D) και η εφαρμοζόμενη, στην πύλη, τάση ελέγχει τη συγκέντρωση των φορέων στο λεπτό, ενεργό, ημιαγωγικό υμένιο που υπάρχει μεταξύ πηγής και απαγωγού. Ανάλογα με το υλικό πυριτίου, από το οποίο είναι κατασκευασμένο το λεπτό υμένιο (ενεργό κανάλι), τα TFTs χωρίζονται σε διαφόρους τύπους. Έτσι υπάρχουν τα τρανζίστορ λεπτού υμενίου άμορφου υδρογονομένου πυριτίου (Hydrogenated Amorphous Silicon Thin-Film Transistors a:h-si TFT), τα τρανζίστορ λεπτού υμενίου πολυκρυσταλλικού πυριτίου (Polycrystalline Silicon Thin-Film Transistor poly-si TFTs), τα τρανζίστορ λεπτού υμενίου νανο-κρυσταλλικού πυριτίου (nano-crystalline silicon nc-si TFTs) και τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί τα τρανζίστορ οργανικού λεπτού υμενίου (Organic Thin-Film Transistor Organic TFTs). Κάθε είδος TFT έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του, τα οποία πηγάζουν ακριβώς από τα χαρακτηριστικά του υλικού του καναλιού. Από τα είδη των TFTs, τα άμορφου και πολυκρυσταλλικού πυριτίου TFTs είναι αυτά που χρησιμοποιούνται ευρέως στη βιομηχανία οθονών. Το κίνητρο της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η μελέτη των τρανζίστορ λεπτού υμενίου πυριτίου ξεκινώντας από το χαμηλότερο επίπεδο, που είναι το ίδιο το τρανζίστορ και η μοντελοποίηση της συμπεριφοράς του, μέχρι και το ανώτερο επίπεδο που είναι ο σχεδιασμός κυκλωμάτων για επίπεδες οθόνες. Τα είδη των τρανζίστορ λεπτού υμενίου που εξετάστηκαν ήταν τα πολυκρυσταλλικά και τα νανο-κρυσταλλικά TFTs. Στα βιομηχανικά εργαλεία προσομοίωσης κυκλωμάτων, υπάρχουν μόνο εμπειρικά
μοντέλα για τα TFTs πολυκρυσταλλικού και άμορφου πυριτίου. Επομένως, παρατηρείται ένα κενό στην προσομοίωση κυκλωμάτων, σχεδιασμένα με TFTs. Τα προτεινόμενα μοντέλα ρεύματος απαγωγού για τα τρανζίστορ λεπτών υμενίων πολυκρυσταλλικού και νανο-κρυσταλλικού πυριτίου που θα αναπτυχθούν στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής πρέπει να είναι απλά, αναλυτικά και συμπαγή σε όλες τις περιοχές λειτουργίας, έτσι ώστε να μπορούν εύκολα να προσαρμοστούν στα βιομηχανικά εργαλεία προσομοίωσης κυκλωμάτων. Η βαθύτερη κατανόηση της λειτουργίας των τρανζίστορ θα βοηθήσει στο επόμενο στάδιο της διδακτορικής διατριβής, που είναι ο σχεδιασμός κυκλωμάτων βασισμένα σε TFTs. Στο σχεδιασμό κυκλωμάτων, παρουσιάζει περισσότερο ενδιαφέρον ο αναλογικός σχεδιασμός παρά ο σχεδιασμός ψηφιακών κυκλωμάτων και συστημάτων. Στον ψηφιακό σχεδιασμό, τα τρανζίστορ TFTs λειτουργούν σαν διακόπτες, πράγμα που σημαίνει πως οι μεταβολές των χαρακτηριστικών των τρανζίστορ δεν επηρεάζουν τη λειτουργία των κυκλωμάτων. Επομένως, οι τεχνικές σχεδίασης ψηφιακών κυκλωμάτων, που υπάρχουν για τα συμβατικά MOSFETs, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και για τα τρανζίστορ TFTs. Αντίθετα, οι μεταβολές των χαρακτηριστικών παραμέτρων των τρανζίστορ, κυρίως της τάσης κατωφλίου και της ευκινησίας των φορέων, έχουν σαν αποτέλεσμα τις διαφοροποιήσεις των επιδόσεων των αναλογικών κυκλωμάτων. Αυτό έχει ως συνέπεια, οι τεχνικές σχεδίασης αναλογικών κυκλωμάτων που υπάρχουν στα συμβατικά MOSFETs, να μη μπορούν να χρησιμοποιηθούν στα TFTs. Τα τρανζίστορ λεπτού υμενίου πολυκρυσταλλικού υμενίου μπορούν να έχουν μεταβολές της τάσης κατωφλίου μέχρι και ± 300 mv, ακόμα και όταν τα τρανζίστορ είναι κατασκευασμένα πάνω στο ίδιο πλακίδιο. Η μεγάλη διαφορά της τάσης κατωφλίου αντικατοπτρίζεται σαν διαφορά στη λειτουργία, ίδιων αναλογικών κυκλωμάτων. Στις επίπεδες οθόνες, το αναλογικό block κυκλωμάτων είναι το block εξόδου και είναι αυτό που παράγει την εικόνα της οθόνης. Επομένως, η ομοιομορφία των επιδόσεων των αναλογικών κυκλωμάτων είναι ζωτικής σημασίας για τα χαρακτηριστικά της εικόνας που παράγει η οθόνη. Με βάση αυτά, ο αναλογικός σχεδιασμός κυκλωμάτων για εφαρμογές σε επίπεδες οθόνες με νέες τεχνικές σχεδίασης, που θα αναιρούν τις επιδράσεις της μεταβολής της τάσης κατωφλίου και θα οδηγούν στη σχεδίαση αναλογικών κυκλωμάτων με σταθερές επιδόσεις, είναι το κίνητρο της παρούσας διδακτορικής διατριβής.
Οργάνωση Παρούσας Διδακτορικής Διατριβής Η παρούσα διδακτορική διατριβή χωρίζεται σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος περιλαμβάνει την ανάπτυξη μοντέλου ρεύματος των τρανζίστορ λεπτού υμενίου πολυκρυσταλλικού υμενίου, αφού πρώτα προηγηθεί μια μικρή εισαγωγή στην οποία θα γίνει περιγραφή των χαρακτηριστικών και των ιδιοτήτων των TFTs. Το μοντέλο ρεύματος είναι απλό, συμπαγές και συνεχές, χαρακτηριστικά που το καθιστούν αποτελεσματικό για χρήση σε προγράμματα προσομοίωσης κυκλωμάτων τύπου Spice. Επίσης, στο πρώτο μέρος θα γίνει η μοντελοποίηση τρανζίστορ λεπτού υμενίου νανόκρυσταλλικού πυριτίου και η σύγκρισή τους με τα TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Δεδομένου ότι μελετήθηκε εκτενώς στη διεθνή βιβλιογραφία η αξιοπιστία των TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου, στην παρούσα διατριβή θα μελετηθεί η αξιοπιστία των TFTs νανοκρυσταλλικού πυριτίου υπό συνθήκες ηλεκτρικής καταπόνησης και θα προταθεί τρόπος βελτίωσης της αξιοπιστίας τους με την κατασκευή TFTs σε διστρωματικά υμένια άμορφου πυριτίου / νανοκρυσταλλικού πυριτίου. Για περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης των TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου με σμίκρυνση των διαστάσεων πύλης, στο τέλος του πρώτου μέρους θα μελετηθούν διατάξεις δύο πυλών για καλύτερο έλεγχο των φαινομένων μικρού διαύλου. Επίσης θα γίνει συγκριτική μελέτη των TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου απλής και διπλής πύλης τόσο στην απόδοση των διατάξεων όσο και κυκλωμάτων με βάση αυτά τα τρανζίστορ. Στο δεύτερο μέρος της διδακτορικής διατριβής, μελετήθηκε ο σχεδιασμός αναλογικών κυκλωμάτων με την χρήση TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Τα τρανζίστορ αυτά, εξαιτίας της διαδικασίας κατασκευής τους, παρουσιάζουν σημαντικές μεταβολές των ηλεκτρικών τους χαρακτηριστικών, και κυρίως της τάσης κατωφλίου. Οι μεταβολές της τάσης κατωφλίου επιδρούν στο σχεδιασμό των αναλογικών κυκλωμάτων, μιας και οι τεχνικές σχεδίασης που υπάρχουν για τα συμβατικά MOSFETs δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν. Επιπλέον, πολλά από τα χαρακτηριστικά μιας επίπεδης οθόνης εξαρτώνται από τη σταθερότητα που επιδεικνύουν τα αναλογικά κυκλώματα και κυρίως τα εικονοστοιχεία (pixels) του πίνακα της οθόνης. Τα αναλογικά κυκλώματα που θα παρουσιαστούν στο δεύτερο μέρος, είναι κυκλώματα οδήγησης τάσης και ρεύματος, τα οποία εμφανίζουν σταθερή απόδοση ανεξάρτητα από τις μεταβολές της τάσης κατωφλίου των τρανζίστορ. Επίσης, θα προταθούν δύο νέες τοπολογίες εικονοστοιχείων
για οθόνες οργανικών φωτοδιόδων. Η πρώτη προγραμματίζεται με τάση και η δεύτερη προγραμματίζεται με ρεύμα. Το μεγάλο πλεονέκτημα και των δύο τοπολογιών είναι ο μικρός χρόνος απόκρισης που παρουσιάζουν και τα καθιστούν έτσι κατάλληλα για να χρησιμοποιηθούν σε οθόνες OLED υψηλών προδιαγραφών στις οποίες ο χρόνος προγραμματισμού είναι περιορισμένος. Στο τέλος θα γίνει μια ανασκόπηση των σημαντικότερων συμπερασμάτων που προέκυψαν από την υλοποίηση της διδακτορικής διατριβής και θα γίνουν προτάσεις για μελλοντική εργασία.
Abstract For more than four decades, Cathode Ray Tube (CRT) Displays have been the dominant display technology providing very attractive performance. Brightness, contrast ratio, high image quality, speed and resolution were the main high standard specifications that CRTs were satisfied. The last two decades, there was a tremendous growth in small portable applications which required the necessary adjustment of the display technology to them. The large depth of the CRTs was the main disadvantage for preventing them to be used in these kinds of applications. Flat Panel Displays seem to be the most attractive solution to this problem. Displays engineers searched for many years in order to find the suitable flat panel display technologies that could replace CRT displays. The first successfully established flat panel technology was the plasma displays, which demonstrated to be of larger size and higher image quality compared to the CRT technology. However, the problem with the integration of plasma displays in small portable applications still exists. Finally, the inroad of the thin-film transistors liquid crystal displays (TFT-LCD), in late 1990 s, was a milestone in the displays industry and technology. The successful development of the TFT-LCDs was achieved not accidentally. It was the sequence of the liquid crystal cell technology development, in combination with the development of semiconductors technologies for large-area microelectronics on glass, like thin-film transistors. Although, both technologies were very-well known before the 90 s, an extended research for establishing compatible fabrication processes for the materials and the manufacturing equipment has led to the TFT-LCDs realization. TFT-LCDs were rapidly grown and dominated the displays industry, especially in small portable applications. The implementation of the TFT-LCD panel peripheral driving components with low-power CMOS blocks and, therefore, the compatibility with battery operation was the main reason for the ascendance of the TFT-LCD technology in small portable applications. Today, the TFT-LCD market has been expanded. They can be used in an extremely wide range of our everyday life products, like mobile phone applications, ATMs, PDAs, navigation systems, notebook PCs and home applications, such as wide screen TVs.
During the last years, a new type of flat panel displays has been proposed and developed. This type was based on the design of pixels by using Organic Light Emitting Diodes (OLEDs). The main advantage of the OLED displays is that the OLED are selfemitting devices and therefore, no back-light source is needed. The absent of the light source leads to the decrease of the display width. The emitting light of the OLED device is corresponding to the current that flows through the device. So, the OLED device is current driven device. In the past twenty years, the development of Thin-Film Transistors (TFTs) has become the spearhead of the electronic flat panel displays industry. However, the generation of TFTs is originated many years before, back to the earliest days of semiconductors physics. The TFTs principals and their potential utilities were settled nearly seventy years ago, but the remarkable development of the bipolar transistors and their technological cousin, the metal oxide semiconductor field-effective transistors (MOSFETs), has overshadowed the TFTs concept. The TFTs devices are separated, according the active layer material. Thereby, Hydrogenated Amorphous Silicon Thin- Film Transistors (a:h-si TFT), Polycrystalline Silicon Thin-Film Transistor (poly-si TFTs), nano-crystalline silicon (nc-si TFTs) and Organic Thin-Film Transistor (O - TFTs) TFT devices exist. The main disadvantage of the TFTs technologies is the instability of the device electrical characteristics, like threshold voltage and carriers mobility, which have been described in a previous paragraph. These instabilities provoke the repeated implementation of the circuit blocks with constant specifications and identical performance, even if the blocks are placed on the same wafer. In digital blocks, the impact of the parameters variations is negligible due to the fact that TFTs are switching elements. On the other hand, in analog blocks, the effects of the parameters variations are a major problem that the designers have to overcome since the existing, in the literature, analog blocks can not be used. Furthermore, measurements have shown that the threshold voltage variation has stronger impact on the analog circuit performance than the mobility variation indicating that the new analog topologies have to be designed in such way so that threshold voltage compensation is achieved. In this paragraph, following the example
of two compensation methods applied on an analog buffer design, complete description of the analog circuits design procedure with threshold voltage compensation is presented. This Ph.D thesis is divided into two parts. The first part includes the modelling of poly-si and nc-si TFTs devices. Each new model is simple, compact and continuous which means that these models are appropriate for being used in circuits simulation programs, like Spice. Furthermore, the reliability of the nc-si TFTs is examined in the terms of the DC stress and the improvement that bi-layer a-si:h / nc-s:h TFTs exhibits over the conventional nc-si TFTs is also examined. The second part includes the analog circuit design dedicated to LCD and OLED displays. The proposed analog circuits are two voltage drivers for LC displays and two current drivers for OLED displays. These analog circuits can be used as the output buffers in the column drivers of an Active Matrix array display. Furthermore, a new voltage-programmed pixel circuit design is presented. The new pixel design is, theoretically, the fastest pixel (smallest response time) that exists in the literature. Finally, a new current mirror type, current-programmed pixel with smaller response time, compared to the existing current mirror type pixel.
ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Μέρος Πρώτο Κεφάλαιο 1 ο : Εισαγωγή 1. Εισαγωγή..21 2. Τι είναι τα Τρανζίστορ Λεπτού Υμενίου TFTs...22 3. Ιστορική Αναδρομή...24 4. Δομές TFTs......27 5. Αρχή Λειτουργίας των TFTs.28 Αναφορές 34 Κεφάλαιο 2 ο : Μοντελοποίηση Τρανζίστορ Λεπτού Υμενίου Πολυκρυσταλλικού Πυριτίου 1. Χαρακτηριστικά Τρανζίστορ Λεπτού Υμενίου Πολυκρυσταλλικού Πυριτίου...36 2. Διαδικασία Κατασκευής Τρανζίστορ Λεπτού Υμενίου Πολυκρυσταλλικού Πυριτίου 40 3. Απλό και Συνεχές Μοντέλο Ρεύματος TFT pc-si για Spice Εφαρμογές 3.1. Μοντέλο Ρεύματος TFT pc-si.43 3.2. Σύγκριση Μοντέλου με Πειραματικές Μετρήσεις.47 3.2.1.Χαρακτηριστικές Εισόδου...47 3.2.2.Χαρακτηριστικές Εξόδου.. 51 3.2.3.Υλοποίηση Μοντέλου στο Πρόγραμμα AIM-Spice....55 Συμπεράσματα....58 Αναφορές....60 Κεφάλαιο 3 ο : Μοντελοποίηση Τρανζίστορ Λεπτού Υμενίου Νανοκρυσταλλικού Πυριτίου 1. Εισαγωγή.61 2. Διαδικασία Κατασκευής Τρανζίστορ Λεπτού Υμενίου Νανοκρυσταλλικού Πυριτίου...62
3. Μοντέλο Ρεύματος Απαγωγού TFT nc-si στην Περιοχή Πάνω από την Τάση Κατωφλίου....63 3.1. Θεωρητική Μελέτη του Μοντέλου.....64 3.2. Σύγκριση Μοντέλου με Πειραματικά Δεδομένα. 70 4. Εφαρμογή του Μοντέλου σε TFTs nc-si Μικρού Μήκους Καναλιού....74 5. Αξιοπιστία TFTs nc-si.....80 5.1. Αξιοπιστία TFTs a-si και nc-si....81 5.2. TFT Διστρωματικών Υμενίων a:h-si / nc:h-si....82 5.3. Διαδικασία Κατασκευής Διστρωματικών Υμενίων a:h-si / nc:h-si. 84 5.4. Ανάλυση Πειραματικών Δεδομένων Επίδραση Θερμών Φορέων...85 Συμπεράσματα....92 Αναφορές.... 94 Κεφάλαιο 4 ο :Προοπτικές Εξέλιξης TFTs TFTs Διπλής Πύλης 1. Εισαγωγή..97 2. Διαδικασία Σχεδίασης και Προσομοίωσης TFT pc-si Μονής και Διπλής Πύλης 2.1. Σχεδίαση TFT pc-si Μονής Πύλης........99 2.2. Σχεδίαση TFT pc-si Διπλής Συμμετρικής Πύλης.....104 2.3. Προσομοιώσεις και Σύγκριση TFTs pc-si Μονής Διπλής Συμμετρικής Πύλης 105 3. Σχεδιασμός και Σύγκριση Εικονοστοιχείων που Υλοποιούνται με TFTs pc-si Μονής και Διπλής Πύλης....110 Συμπεράσματα.....116 Αναφορές..118 Μέρος Δεύτερο Κεφάλαιο 5 ο : Εισαγωγή 1. Εισαγωγή....120 2. Είδη Επίπεδων Οθονών 2.1. Οθόνες Υγρών Κρυστάλλων....122 2.1.1. Υγροί Κρύσταλλοι. 123
2.1.2. Εικονοστοιχείο (Pixel Οθόνης Υγρών Κρυστάλλων) 124 2.2. Οθόνες Οργανικών Φωτοδιόδων 2.2.1. Οργανικές Φωτοδίοδοι (Organic Light Emitting Diode - OLED)...126 2.2.2. Μοντελοποίηση OLED....128 3. Τεχνικές Διευθυνσιοδότησης μιας Επίπεδης Οθόνης 3.1. Απευθείας Τεχνική Διευθυνσιοδότησης 129 3.2. Τεχνική Διευθυνσιοδότησης Παθητικού Πίνακα.. 130 3.3. Τεχνική Διευθυνσιοδότησης Ενεργού Πίνακα.. 132 4. Αρχιτεκτονική Περιφερειακών Κυκλωμάτων Οδήγησης μιας Active Matrix Οθόνης 4.1. Αρχιτεκτονική Active Matrix Οθόνης.. 134 4.2. Κυκλώματα Οδήγησης Πύλης / Γραμμής (Gate / Row Driver)... 136 4.3. Κυκλώματα Οδήγησης Δεδομένων / Στήλης (Data / Column Driver) 138 5. Προετοιμασία Προσομοίωσης Κυκλωμάτων..141 Αναφορές..146 Κεφάλαιο 6 ο : Κυκλώματα Οδήγησης Τάσης Ρεύματος 1. Εισαγωγή....148 2. Κυκλώματα Οδήγησης Τάσης 2.1.Γενική Τοπολογία Κυκλώματος Οδήγησης Τάσης...149 2.2. Προηγούμενες Εργασίες..151 2.3. Πρώτη Προτεινόμενη Τοπολογία Ακολουθητή Τάσης. 2.3.1. Περιγραφή Προτεινόμενης Τοπολογίας....154 2.3.2. Χαρακτηριστικά Σχεδίασης Προτεινόμενης Τοπολογίας...158 2.3.3. Αποτελέσματα Προσομοιώσεων... 160 2.4. Δεύτερη Προτεινόμενη Τοπολογία Ακολουθητή Τάσης 2.4.1. Περιγραφή Προτεινόμενης Τοπολογίας....164 2.4.2. Χαρακτηριστικά Σχεδίασης Προτεινόμενης Τοπολογίας...166 2.4.3. Αποτελέσματα Προσομοιώσεων... 167 3. Κυκλώματα Οδήγησης Ρεύματος 3.1. Τετραγωνικός Μετατροπέας Τάσης σε Ρεύμα..173
3.1.1. Θεωρητική Ανάλυση Κυκλώματος....174 3.1.2. Χαρακτηριστικά Σχεδίασης Μετατροπέα.. 177 3.1.3. Αποτελέσματα Προσομοιώσεων...177 3.2. Γραμμικός Μετατροπέας Τάσης σε Ρεύμα 3.2.1. Θεωρητική Ανάλυση Κυκλώματος....185 3.2.2. Κυκλώματα Υλοποίηση Τάσεων Πόλωσης...187 3.2.3. Χαρακτηριστικά Σχεδίασης Κυκλωμάτων.....190 3.2.4. Αποτελέσματα Προσομοιώσεων...190 Συμπεράσματα.. 194 Αναφορές..198 Κεφάλαιο 7 ο : Σχεδιασμός Εικονοστοιχείων Οργανικών Φωτοδιόδων 1. Εισαγωγή....200 2. Υπάρχουσες Τεχνικές Σχεδίασης για την Αναίρεση των Επιδράσεων των Μεταβολών της Τάσης Κατωφλίου.203 3. Νέα Τεχνική Σχεδίασης AMOLED pixel για την Αναίρεση των Επιδράσεων των Μεταβολών της Τάσης Κατωφλίου.....207 4. Νέα Τοπολογία AMOLED pixel Προγραμματιζόμενο με Τάση 4.1. Περιγραφή Νέου pixel. 209 4.2. Προδιαγραφές Σχεδίασης και Χαρακτηριστικά Νέας Τοπολογίας pixel...213 4.3. Ανάλυση Χρονικής Απόκρισης pixel....214 4.4. Αποτελέσματα Προσομοιώσεων.. 219 5. Νέα Τοπολογία AMOLED pixel Προγραμματιζόμενο με Ρεύμα 5.1. Εισαγωγή.....227 5.2. Περιγραφή Νέας Τοπολογίας CPPC AMOLED pixel......227 5.3. Ανάλυση Χρονικής Απόκρισης του CPPC pixel...230 5.4. Τεχνικά Χαρακτηριστικά Σχεδίασης του CPPC pixel......233 5.5. Αποτελέσματα Προσομοιώσεων.. 234 Συμπεράσματα.. 239 Αναφορές..242
Επίλογος Σύνοψη Συμπερασμάτων..244 Προτάσεις για Μελλοντική Έρευνα...252
Μέρος Πρώτο
Μέρος 1 ο Κεφάλαιο1 ο Εισαγωγή Κεφάλαιο 1 ο Εισαγωγή 1. Εισαγωγή Τις τελευταίες δύο δεκαετίες, η τεχνολογία των τρανζίστορ λεπτού υμενίου (Thin-Film Transistor - TFTs) έχει φτάσει στην κορύφωσή της. Αυτό οφείλεται στο γεγονός πως τα ολοκληρωμένα κυκλώματα μεγάλης επιφάνειας, τα οποία μπορούν να φτάσουν σε διαστάσεις μέχρι και 30 cm x 30 cm, μπορούν να κατασκευαστούν μόνο με TFTs. Τέτοιου είδους μεγάλης επιφάνειας ολοκληρωμένα κυκλώματα είναι κυρίως οι οθόνες και οι μνήμες. Ειδικότερα στην περίπτωση των οθόνων, η τεχνολογία των TFTs έφερε επανάσταση, καθώς σήμερα έχει κυριαρχήσει πλήρως, από τις μικρές οθόνες ρολογιών μέχρι οθόνες υπολογιστών και τις τηλεοράσεις πολλών ιντσών. Μάλιστα οι οθόνες TFT έχουν πολύ καλύτερα χαρακτηριστικά (ευκρίνεια, ανάλυση κ.α.), με ταυτόχρονη μείωση των διαστάσεών τους, σε σχέση με τις οθόνες καθοδικού σωλήνα (Cathode Ray Tube CRTs screens) που μονοπωλούσαν τη βιομηχανία οθονών τις προηγούμενες δεκαετίες. Όσον αφορά τις μνήμες, στην κατασκευή EEPROM χρησιμοποιούνται TFTs της τάξης των 5 μm εξαιτίας των απαιτήσεων για μικρό κόστος και υψηλή πυκνότητα. Τέλος, άλλο ένα πεδίο εφαρμογής των TFTs είναι τα οπτικά μέσα αντιγραφής, όπως οι σαρωτές (scanners) και τα οπτo-ηλεκτρονικά (optoelectronics). 21
Μέρος 1 ο Κεφάλαιο1 ο Τι είναι τα TFTs 2. Τι είναι τα Τρανζίστορ Λεπτού Υμενίου TFTs Τα τρανζίστορ λεπτού υμενίου είναι τρανζίστορ απομονωμένης πύλης εγκάρσιου ηλεκτρικού πεδίου (insulated - gate field effect transistor IGFET), που η λειτουργία τους και τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά τους είναι παρόμοια με αυτά των τυπικών τρανζίστορ MOSFETs. Τα TFTs έχουν τρεις ακροδέκτες: πύλη (gate G), πηγή (source S) και απαγωγό (drain D) και η εφαρμοζόμενη τάση στην πύλη ελέγχει τη συγκέντρωση των φορέων στο λεπτό, ενεργό, ημιαγωγικό υμένιο που υπάρχει μεταξύ πηγής και απαγωγού. Σε αντίθεση με τα τυπικά MOSFETs που έχουν σαν υπόστρωμα μονοκρυσταλλικού πυριτίου, το υπόστρωμα των TFT είναι ένα μονωτικό υλικό, συνήθως γυαλί. Αυτός είναι και ο λόγος για τον οποίο δεν υπάρχει ακροδέκτης στο υπόστρωμα, όπως στα MOSFETs. Το τυπικό πάχος του ενεργού ημιαγωγικού υμενίου είναι από μερικές εκατοντάδες angstroms έως περίπου ένα 1 μm, σε εξαιρετικές περιπτώσεις. Στις επίπεδες οθόνες, το φως πρέπει να διαπερνά μέσα από το υλικό του υποστρώματος για να μπορεί να φτάσει στο θεατή. Επομένως, το αδιαφανές μονοκρυσταλλικό πυρίτιο που χρησιμοποιείται στα συμβατικά MOSFETs είναι ακατάλληλο για τέτοιου είδους εφαρμογές. Αντίθετα, το γυαλί είναι το πιο σύνηθες χρησιμοποιούμενο υλικό για υπόστρωμα σε τέτοιου είδους εφαρμογές, εξαιτίας της υψηλής διαφάνειας που προσφέρει και του γεγονότος ότι είναι συμβατό με τη διαδικασία κατασκευής των τυπικών ημιαγωγών. Ένα λεπτό υμένιο πυριτίου εναποτίθεται πάνω στο γυαλί και τα τρανζίστορ κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας αυτό το υμένιο σαν ενεργό κανάλι. Βέβαια, τα τελευταία χρόνια γίνεται προσπάθεια ώστε το υπόστρωμα γυαλιού να αντικατασταθεί από ένα εύκαμπτο υλικό που να έχει ταυτόχρονα τις ίδιες ιδιότητες με το γυαλί (διαφάνεια και συμβατότητα), όπως το πλαστικό. Η χρήση του εύκαμπτου υποστρώματος θα ανοίξει νέους ορίζοντες και νέες προοπτικές στη βιομηχανία των οθονών. Επομένως, τα TFTs έχουν γίνει ένα αναπόσπαστο κομμάτι της τεχνολογίας των επίπεδων οθονών και των ηλεκτρονικών μεγάλης επιφάνειας. Τα τρανζίστορ λεπτού υμενίου χωρίζονται σε διάφορα είδη, ανάλογα με το υλικό από το οποίο είναι κατασκευασμένο το κανάλι (λεπτό υμένιο) του τρανζίστορ. Έτσι υπάρχουν τα TFTs λεπτού υμενίου άμορφου υδρογονομένου πυριτίου (Hydrogenated Amorphous Silicon Thin-Film Transistors a:h-si TFT), τα TFTs λεπτού υμενίου 22
Μέρος 1 ο Κεφάλαιο1 ο Τι είναι τα TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου (Polycrystalline Silicon Thin-Film Transistor pc-si TFTs), τα TFTs λεπτού υμενίου νανο-κρυσταλλικού πυριτίου (nano-crystalline silicon nc-si TFTs) και τα τελευταία χρόνια έχουν αναπτυχθεί τα TFTs λεπτού οργανικού υμενίου (Organic Thin-Film Transistor Organic TFTs). Κάθε είδος TFT έχει τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματά του, τα οποία πηγάζουν ακριβώς από τα χαρακτηριστικά του υλικού του καναλιού. Το πιο κλασσικό παράδειγμα είναι η διαφορετική ευκινησία των φορέων στο κανάλι εξαιτίας της διαφορετικής κρυσταλλικής δομής του υλικού που χρησιμοποιείται. Στο σχήμα 1.1 παρουσιάζεται η κρυσταλλική δομή και η ευκινησία στο άμορφο και πολυκρυσταλλικό πυρίτιο και συγκρίνονται αυτά με το συμβατικό μονοκρυσταλλικό πυρίτιο. Όπως μπορούμε να διακρίνουμε, η ευκινησία στο άμορφου πυρίτιο είναι μικρότερη σε σχέση με το πολυκρυσταλλικό και ακόμα μικρότερη σε σχέση με το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο. Αντίθετα, όμως, το κόστος κατασκευής του τρανζίστορ λεπτού υμενίου άμορφου πυριτίου είναι το μικρότερο σε σχέση με όλα τα άλλα είδη. Γενικά, όμως, μπορούμε να διακρίνουμε πως τα πλεονεκτήματα όλων των ειδών TFTs είναι η χαμηλού κόστους διαδικασία κατασκευής, το σχεδόν μηδενικό ρεύμα διαρροής και η πολύ καλή απομόνωση των τρανζίστορ μεταξύ τους όταν ολοκληρώνονται σε chip. Σχήμα 1.1. Σύγκριση κρυσταλλική δομής και ευκινησίας των φορέων του άμορφου και πολυκρυσταλλικού πυριτίου με το συμβατικό, μονοκρυσταλλικό πυρίτιο. 23
Μέρος 1 ο Κεφάλαιο1 ο Ιστορική Αναδρομή 3. Ιστορική Αναδρομή Τα τρανζίστορ λεπτού υμενίου, όπως τα γνωρίζουμε σήμερα, πρωτοκατασκευάστηκαν στα εργαστήρια της RCA, στα τέλη της δεκαετίας του 60, από τον P.K. Weimer [1.1]. Για την κατασκευή τους χρησιμοποιήθηκαν αρχικά πολυκρυσταλλικά σουλφίδια καδμίου (CdS), όμοια με αυτά που αναπτύχθηκαν για τη χρήση σε ανιχνευτές φωτός, μαζί με μονωμένα υμένια μονοξειδίου του πυριτίου (SiO). Στα πρώτα TFTs, οι επαφές της πηγής (Source) και του απαγωγού (Drain) βρίσκονται στην αντίθετη πλευρά του υμενίου, σε σχέση με την πύλη (Gate). Η δομή αυτή ονομάστηκε κλιμακωτή (staggered structure) και φαίνεται στο σχήμα 1.2. Σχήμα 1.2. Η Κλιμακωτή Δομή TFT του P.K. Weimer. Η θεωρητική μελέτη των τρανζίστορ λεπτού υμενίου δόθηκε από τους Borkan και Weimer, το 1963 [1.2]. Η μελέτη αυτή στηρίχθηκε στην ανάλυση του Shockley για τα JFET και ονομάστηκε προσέγγιση βαθμωτού καναλιού (gradual channel approximation). Για την περίπτωση των TFTs, θεωρήθηκε πως υπάρχει μεταβολή μόνο σε μια διάσταση x, κατά μήκος του καναλιού, ενώ η ευκινησία των φορέων στο κανάλι θεωρήθηκε σταθερή. Αυτό που άλλαξε δραματικά τις προοπτικές των TFTs, τη δεκαετία του 70, ήταν η διαπίστωση πως με τη χρήση κρυσταλλικού σελινιούχου καδμίου (CdSe TFT) είχε ως αποτέλεσμα την ταυτόχρονη μείωση του κόστους κατασκευής και των διαστάσεων των τρανζίστορ. Η εργασία στην οποία παρουσιάστηκε η χρυσή αυτή προοπτική ήταν του Lechner, το 1971 [1.3]. Η τεχνολογία των υγρών κρυστάλλων (Liquid Crystal-LC) είχε ανακαλυφθεί τη δεκαετία του 60 και η ερευνητική δραστηριότητα είχε επικεντρωθεί στην προσπάθεια για εφαρμογή τους σε πιο πολύπλοκες εφαρμογές, όπως οι 24
Μέρος 1 ο Κεφάλαιο1 ο Ιστορική Αναδρομή τηλεοράσεις. Το μεγαλύτερο πρόβλημα που παρουσιαζόταν ήταν οι παρεμβολές που εμφανίζονταν στα x-y ηλεκτρόδια διευθυνσιοδότησης των υγρών κρυστάλλων, που χρησιμοποιούνταν στον πίνακα της οθόνης. Ο Lechner και οι συνεργάτες του συνειδητοποίησαν πως αν εφαρμοστεί ένα μη γραμμικό κυκλωματικό στοιχείο σε κάθε x-y διατομή του υγρού κρυστάλλου, θα υπήρχαν εντυπωσιακές προοπτικές εξέλιξης της κατασκευή οθόνων υγρών κρυστάλλων, αφού θα βελτιώνονταν με αυτόν τον τρόπο τα χαρακτηριστικά τους. Έτσι χρησιμοποιήθηκε ένα TFT μαζί με έναν πυκνωτή, ο οποίος θα αποθήκευε και θα διατηρούσε την τιμή της τάσης του υγρού κρυστάλλου σε κάθε εικονοστοιχείο (pixel). Στο υπόλοιπο της δεκαετίας του 70, η ερευνητική δραστηριότητα περιορίστηκε στην προσπάθεια βελτίωσης των χαρακτηριστικών των TFTs που σχετίζονται άμεσα με την εφαρμογή τους στις οθόνες. Τα χαρακτηριστικά αυτά ήταν η ευκινησία των φορέων στο κανάλι, ο ρυθμός ανοίγματος-κλεισίματος (ΟΝ / OFF ratio) του τρανζίστορ και τα ρεύματα διαρροής (leakage currents). Αξίζει να σημειωθεί εδώ ότι η τάση κατωφλίου των τρανζίστορ τότε κυμαινόταν από 6 έως 8 V. Η επόμενη χρονολογία σταθμός για την εξέλιξη των TFTs ήταν το 1979, γιατί τότε παρουσιάστηκε ένα νέο υλικό που επέφερε ριζικές αλλαγές. Οι LeComber, Spear και Ghaith παρουσίασαν [1.4] ένα νέο τρανζίστορ λεπτού υμενίου με τη χρήση άμορφου υδρογονομένου πυριτίου σαν ενεργό στρώμα του καναλιού. Το άμορφο υδρογονομένο πυρίτιο χρησιμοποιήθηκε γιατί είχε διαπιστωθεί νωρίτερα πως, σε αντίθεση με το καθαρό άμορφο πυρίτιο, μπορούσε να ντοπαριστεί με δότες και αποδέκτες ηλεκτρονίων έτσι ώστε να δώσει n-τύπου ή p-τύπου αγωγιμότητα [1.5]. Το νέο αυτό TFT είχε πολύ καλά χαρακτηριστικά και μπορούσε να εφαρμοστεί σε κυκλώματα οδήγησης της τάσης του υγρού κρυστάλλου [1.6]. Το μεγάλο πλεονέκτημα των άμορφων TFTs, σε σύγκριση με αυτά του CdSe, ήταν πως τα χαρακτηριστικά του τρανζίστορ δεν εξαρτώνται από τη διαδικασία κατασκευής του. Όμως, το πρόβλημα που εμφάνιζαν τα TFTs άμορφου πυριτίου σε σύγκριση με τα TFTs CdSe ήταν η χαμηλή ευκινησία των φορέων στο κανάλι γιατί είχε άμορφη σύνθεση, σε αντίθεση με το CdSe που είχε κρυσταλλική μορφή. 25
Μέρος 1 ο Κεφάλαιο1 ο Ιστορική Αναδρομή Στις αρχές της δεκαετίας του 80, είχαμε δυο πολύ σημαντικά γεγονότα. Το πρώτο ήταν το 1980, όταν ο Depp στα εργαστήρια της IBM δημιούργησε το πρώτο τρανζίστορ λεπτού υμενίου με τη χρήση πολυκρυσταλλικού πυριτίου (Polycrystalline silicon TFT) [1.7]. H χρήση του πολυκρυσταλλικού πυριτίου οδήγησε στη βελτίωση των χαρακτηριστικών του τρανζίστορ, όπως η αύξηση της ευκινησίας των φορέων. Επειδή, όμως, η διαδικασία εναπόθεσης του πολυκρυσταλλικού πυριτίου απαιτούσε πολύ υψηλές θερμοκρασίες, της τάξεως των 1050 C, δεν μπορούσε να χρησιμοποιηθεί ως υλικό υποστρώματος το γυαλί, εξαιτίας του χαμηλού του σημείου τήξεως. Έτσι το υπόστρωμα γυαλιού αντικαταστάθηκε με χαλαζία και τα τρανζίστορ ονομάστηκαν τρανζίστορ λεπτών υμενίων πολυκρυσταλλικού πυριτίου υψηλής θερμοκρασίας (High-Temperature Polysilicon TFTs, HTPS-TFTs). Το δεύτερο σημαντικό γεγονός ήταν το 1981, όταν ο Lueder και οι συνεργάτες του άλλαξαν τη διαδικασία κατασκευής των TFTs, χρησιμοποιώντας πια τη φωτολιθογραφία και όχι τις σκοτεινές μάσκες [1.8]. Στο υπόλοιπο της δεκαετίας του 80, συνυπήρχαν στη βιομηχανία και στην έρευνα και τα τρία είδη TFTs (CdSe, a:h-si, poly-si). Στόχος της ερευνητικής δραστηριότητας ήταν η προσπάθεια βελτίωσης των χαρακτηριστικών των τρανζίστορ. Στο πλαίσιο της προσπάθειας αυτής, σε μια συνεργασία των εργαστηρίων της IBM και της Mitsubishi, ανακαλύφθηκε πως όταν χρησιμοποιούσαν ακτίνες Laser για την κρυστάλλωση του πολυκρυσταλλικού πυριτίου είχαν ως αποτέλεσμα την αύξηση της ευκινησίας των φορέων και ταυτόχρονα τη μείωση της τάσης κατωφλίου [1.9]. Με την αύξηση της ευκινησίας υπήρχε η δυνατότητα πια για σχεδίαση και ολοκλήρωση των περιφερειακών κυκλωμάτων και των εικονοστοιχείων (pixels) με τη χρήση TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου. Έτσι, όλος ο πίνακας της οθόνης μπορούσε να κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας μόνο μια τεχνολογία, αυτή των τρανζίστορ λεπτού υμενίου. Από τη δεκαετία του 90 ως σήμερα είχαμε τη σταδιακή κυριαρχία των TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου στη βιομηχανία, σε σχέση με τα άλλα δυο είδη. Σε αυτό συντέλεσε η διαρκής βελτίωση των χαρακτηριστικών τους, καθώς επίσης και της διαδικασίας κατασκευής τους που τα έκανε οικονομικότερα και καλύτερα σε σχέση με τα υπόλοιπα. Η μεγαλύτερη αλλαγή στον τομέα της διαδικασίας κατασκευής ήταν η μείωση της θερμοκρασίας. Με την καινούργια τεχνική που χρησιμοποιείται, η 26
Μέρος 1 ο Κεφάλαιο1 ο Δομές TFTs θερμοκρασία δεν ξεπερνούσε τους 600 C, χωρίς ωστόσο να αλλοιώνονται τα χαρακτηριστικά των τρανζίστορ. Έτσι οδηγηθήκαμε στα TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου χαμηλών θερμοκρασιών (Low-Temperature pc-si TFTs, LTPS TFTs), τα οποία εξακολουθούν να δεσπόζουν μέχρι και σήμερα. Επίσης, εμφανίστηκε μια νέα τεχνολογία, αυτή των οργανικών φωτοδιόδων (organic light emitting diode OLED), που σιγά-σιγά εκτοπίζει την τεχνολογία των υγρών κρυστάλλων. Τα OLED χρειάζονται για την οδήγηση τους πηγές ρεύματος, οι οποίες μπορούν να υλοποιηθούν από τα LTPS TFTs. Την τελευταία δεκαετία είχαμε την εμφάνιση ενός νέου είδους TFT. Αυτό στηρίζεται στη χρήση οργανικού ημιαγωγού σαν ενεργό στρώμα του καναλιού. Το νέο είδος TFT προτάθηκε από τον Garnier [1.10] και από τότε η ανάπτυξη των οργανικών- TFTs υπήρξε ραγδαία. Μάλιστα τα οργανικά-tfts μπορούν να ολοκληρωθούν σε ευέλικτα, πλαστικά υποστρώματα και έτσι να δώσουν στο μέλλον ελαφριές οθόνες οι οποίες θα είναι εύκαμπτες. 4. Δομές TFTs Ανάλογα με τις θέσεις που έχουν τα ηλεκτρόδια, το μονωτικό υλικό της πύλης και το ενεργό κανάλι λεπτού υμενίου, μπορούμε να διακρίνουμε τα TFTs σε τέσσερεις δομές. Καταρχήν, υπάρχει η κλιμακωτή (staggered) δομή, σύμφωνα με την οποία τα ηλεκτρόδια της πηγής και του απαγωγού βρίσκονται αντίθετη πλευρά σε σχέση με το ηλεκτρόδιο της πύλης. Από την άλλη, η ομοεπίπεδη (coplanar) δομή, όλα τα ηλεκτρόδια βρίσκονται στην ίδια πλευρά του ενεργού καναλιού. Αυτές οι δύο δομές έχουν την πύλη τους στο πάνω μέρος του τρανζίστορ και για αυτό ονομάζονται τρανζίστορ πάνω πύλης (top-gated TFTs). Για καλύτερο έλεγχο του ενεργού καναλιού, υπάρχουν και οι αντίστροφες δομές των δύο παραπάνω, οι οποίες ονομάζονται και δομές κάτω πύλης (bottom-gated TFTs). Οι τέσσερεις δομές που περιγράφηκαν παρουσιάζονται στο σχήμα 1.3. 27
Μέρος 1 ο Κεφάλαιο1 ο Αρχή Λειτουργίας TFTs Σχήμα 1.3. Οι τέσσερεις δομές των TFTs, ανάλογα με τις θέσεις των ηλεκτροδίων και του ενεργού καναλιού. 5. Αρχή Λειτουργίας των TFTs Η λειτουργία των TFTs μοιάζει πάρα πολύ με αυτή των MOSFETs. Οι διαφορές μεταξύ τους οφείλονται στο διαφορετικό υπόστρωμα των TFTs και στο ενεργό κανάλι τους. Η περιγραφή των περιοχών λειτουργίας των TFTs θα γίνει σύμφωνα με το παρακάτω σχήμα, στο οποίο παρουσιάζεται μια τυπική χαρακτηριστική εισόδου ενός n- τύπου TFT και πάνω στην χαρακτηριστική έχουν οριοθετηθεί οι περιοχές αυτές. Όπως μπορούμε να διακρίνουμε, οι περιοχές λειτουργίας είναι η περιοχή αποκοπής (cut-off regime), η περιοχή κάτω από την τάση κατωφλίου (sub-threshold regime), η ψευδοπεριοχή κάτω από την τάση κατωφλίου (pseudo-sub-threshold regime) και η περιοχή πάνω από την τάση κατωφλίου (above threshold regime). Οι περιοχές αυτές είναι οι ίδιες με τα τυπικά MOSFETs, εκτός από την ψευδο-περιοχή κάτω από την τάση κατωφλίου. Η περιοχή λειτουργίας του TFT καθορίζεται από την τάση στην πύλη του (V GS ) σε σχέση με την τάση κατωφλίου V TH και την τάση απαγωγού V DS. 28
Μέρος 1 ο Κεφάλαιο1 ο Αρχή Λειτουργίας TFTs Σχήμα 1.4. Περιοχές λειτουργίας ενός n-τύπου TFT. Οι περιοχές λειτουργίας των TFTs είναι οι ακόλουθες: Περιοχή Αποκοπής (Cut-Off Regime) Η περιοχή αποκοπής του τρανζίστορ ορίζεται για τάση πύλης, πολλή μικρότερη σε σχέση με την τάση κατωφλίου του τρανζίστορ. Επομένως, η συνθήκη για να λειτουργεί ένα n-τύπου τρανζίστορ στην αποκοπή είναι: V GS «V TH, όπου V GS είναι η τάση μεταξύ του δυναμικού πύλης και του αντίστοιχου της πηγής και V TH είναι η τάση κατωφλίου του τρανζίστορ. Στην περιοχή αυτή, τα ρεύματα απαγωγού προέρχονται από μηχανισμούς ρευμάτων διαρροής. Οι κυριότεροι μηχανισμοί ρευμάτων διαρροής είναι η θερμιονική και θερμική εκπομπή ηλεκτρονίων και το ρεύμα ανάστροφα πολωμένης p-n επαφής [1.11] - [1.13]. Η θερμιονική εκπομπή οφείλεται στην εκπομπή φορέων από τις καταστάσεις παγίδων (trap states) που βρίσκονται κυρίως στα όρια των κρυσταλλιτών του πολυκρυσταλλικού πυριτίου λόγω των ισχυρών ηλεκτρικών πεδίων. Παγίδες καταστάσεων σε μία ενεργειακή στάθμη E t καταλαμβάνονται από οπές οι οποίες εκπέμπονται στην ταινία σθένους. Παγίδες καταστάσεων που καταλαμβάνονται από ηλεκτρόνια υπόκεινται σε παρόμοια διαδικασία στην οποία το ηλεκτρόνιο εκπέμπεται στην ταινία αγωγιμότητας. Αναλύοντας το μοντέλο αυτό καταλήγουμε πως το ρεύμα διαρροής εξαρτάται από τη θερμοκρασία και είναι εκθετική συνάρτηση της τάσης της 29
Μέρος 1 ο Κεφάλαιο1 ο Αρχή Λειτουργίας TFTs πύλης V GS, όπως φαίνεται από την παρακάτω σχέση, που ισχύει για το ρεύμα διαρροής, στην περιοχή αποκοπής [1.14]: q BLK V = exp 1 ( X TFE + X TE ) I diode k T (1.1) DS I leak I o W + όπου W το μήκος καναλιού, I o και BLK σταθερές, το γινόμενο kt/q είναι η θερμική ενέργεια των φορέων και V DS η τάση απαγωγού - πηγής. Με την πρώτη παρένθεση υπολογίζεται η μείωση του φράγματος δυναμικού εξαιτίας της επίδρασης της V DS. Η επίδραση αυτή περιγράφεται από τη σταθερά BLK. Με τη δεύτερη παρένθεση περιγράφεται η επίδραση της θερμιονικής (X TFE ) και θερμικής εκπομπής (X TE ) φορέων από τις παγίδες των ορίων των κρυσταλλιτών. Τέλος, το ρεύμα ανάστροφα πολωμένης διόδου της επαφής του απαγωγού, I diode, δίνεται από τη σχέση [1.14]: I diode = I oo EB qvds W exp 1 exp (1.2) kt kt όπου Ι οο είναι σταθερά αναλογίας και Ε Β είναι το φράγμα δυναμικού της επαφής p-n. Περιοχή κάτω από την τάση κατωφλίου (Sub-threshold Regime) Στην περιοχή κάτω από την τάση κατωφλίου, τα περισσότερα από τα κινούμενα φορτία παγιδεύονται στις βαθύτερες καταστάσεις παγίδων τύπου-δέκτη και το ρεύμα προέρχεται κυρίως από διάχυση των φορέων από την πηγή προς τον απαγωγό [1.14]. Η συνθήκη για να λειτουργεί το τρανζίστορ σε αυτή την περιοχή είναι: V GS < V t (για n- τύπου τρανζίστορ). Το ρεύμα στην περιοχή κάτω από την τάση κατωφλίου V t, I sub, μπορεί να υπολογιστεί εφαρμόζοντας τη θεωρία διάχυσης που ισχύει για τα κοινά MOSFETs και δίνεται από τη σχέση [1.14]: 30
Μέρος 1 ο Κεφάλαιο1 ο Αρχή Λειτουργίας TFTs I sub = M s C ox W L V 2 sth V exp V eff sth V 1 exp V DS sth (1.3) όπου M s είναι η ευκινησία των φορέων στην περιοχή αποκοπής, V sth = n i 26 mv, όπου n i είναι ο συντελεστής ιδανικότητας και V eff = V GS - V t. Η παράμετρος n i για τα TFTs πολυκρυσταλλικού πυριτίου έχει τιμή 7 [1.15]. Η μεγάλη τιμή της παραμέτρου αυτής οφείλεται στις καταστάσεις παγίδων του πολυκρυσταλλικού πυριτίου που βρίσκονται στα όρια των κρυσταλλιτών (grain-boundaries trap states). Περιοχή πάνω από την τάση κατωφλίου Όπως μπορούμε να διακρίνουμε από το σχήμα 1.4, δεν υπάρχει άμεση μετάβαση από την περιοχή κάτω της τάσης κατωφλίου σε αυτή πάνω από την τάση κατωφλίου. Υπάρχει μια ενδιάμεση μεταβατική περιοχή, που πολλές φορές αναφέρεται σαν ψεύδοπεριοχή κάτω από την τάση κατωφλίου (pseudo-subthreshold Regime). Το εύρος αυτής της μεταβατικής περιοχής συνδέεται άμεσα από την πυκνότητα των παγίδων φορέων που υπάρχουν στο κανάλι. Σε αυτή την περιοχή λειτουργίας, η τάση της πύλης βρίσκεται ανάμεσα στις τιμές της τάσης κατωφλίου V t και της τάσης λειτουργίας V ON. Η τάση κατωφλίου V t, είναι η τάση για την οποία σχηματίζεται το κανάλι, ενώ η τάση V ON, είναι η τάση για την οποία ενεργοποιείται το κανάλι. Δηλαδή θα ισχύει V t < V GS < V ON. Η περιοχή αυτή είναι η αρχή της περιοχής πάνω από το κατώφλι. Το ρεύμα της περιοχής αυτής οφείλεται στην κίνηση των φορέων στο κανάλι. Τα χαρακτηριστικά της περιοχής αυτής είναι πως η πυκνότητα φορτίων χώρου Q inv (Inversion-Charge Density) αυξάνει γραμμικά με την τάση V eff (V eff =V GS -V t ) και η ευκινησία των φορέων στο κανάλι αυξάνει εκθετικά με την τάση πύλης V G. Επομένως και το ρεύμα θα αυξάνει εκθετικά με την τάση πύλης. Γενικά, για να λειτουργεί το τρανζίστορ στην περιοχή πάνω από την τάση κατωφλίου, πρέπει η τάση στην πύλη να είναι μεγαλύτερη της τάσης V t, δηλαδή V GS V t. Το ρεύμα απαγωγού στην περιοχής αυτή προέρχεται από την κίνηση των φορέων μέσα στο κανάλι. Η περιοχή πάνω από την τάση κατωφλίου χωρίζεται σε δύο επιμέρους περιοχές, τη γραμμική περιοχή και την περιοχή κόρου, όπως και στα συμβατικά 31
Μέρος 1 ο Κεφάλαιο1 ο Αρχή Λειτουργίας TFTs MOSFETs. Οι εξισώσεις που δίνουν το ρεύμα σε κάθε μια υπό-περιοχή ξεχωριστά είναι [1.14]: Ι d = μ μ FET FET 2 W V DS Cox ( VGS VTH ) VDS L 2α, για V DS < α sat (V GS -V TH ) (1.4) sat ( VGS VTH ) αsat W COX, για V DS α sat (V GS -V TH ) (1.5) L 2 Η πρώτη εξίσωση περιγράφει το ρεύμα στη γραμμική περιοχή και όπως μπορούμε να διακρίνουμε, είναι ανάλογο της τάσεως V DS. Η δεύτερη ισχύει για την περιοχή κόρου, στην οποία το ρεύμα είναι ανεξάρτητο της V DS και εξαρτάται μόνο από την τάση V GS της πύλης. Η παράμετρος μ FET είναι η ενεργός ευκινησία των φορέων στο κανάλι που περιγράφεται από τη σχέση [1.16]: 1 1 1 n o = + μfet μo μ1 ns κ (1.6) όπου n o =ε i ηv TH /(2qt ox ) είναι η πυκνότητα φορέων στην τάση κατωφλίου, η είναι ο συντελεστής ιδανικότητας στην περιοχή λειτουργίας κάτω από την τάση κατωφλίου, μ ο είναι η ευκινησία πάνω από την τάση κατωφλίου και μ 1, κ είναι σταθερές προσαρμογής. Η παράμετρος α sat χρησιμοποιείται για την περιγραφή του φορτίου κένωσης κατά μήκος του καναλιού. Καθώς το μήκος του καναλιού μειώνεται (pinch off περιοχή), μειώνεται η τάση κόρου και επομένως η ταχύτητα κόρου των φορέων. Επομένως, η παράμετρος α sat εξαρτάται από το μήκος του καναλιού. Από την άλλη μεριά, η ταχύτητα κόρου των φορέων μειώνεται με τη θερμοκρασία, με συνέπεια να μειώνεται και η τάση κόρου με τη θερμοκρασία. Η εξάρτηση της α sat από το μήκος καναλιού και τη θερμοκρασία δίνονται από τον παρακάτω εμπειρικό τύπο [1.14]: Lα o αsat = αsat0 Δαsat( T 25 C) (1.7) L όπου α sat0, L α και Δα sat είναι παράμετροι του τρανζίστορ. 32
Μέρος 1 ο Κεφάλαιο1 ο Αρχή Λειτουργίας TFTs Οι παραπάνω εξισώσεις είναι παρόμοιες με αυτές κλασσικού MOSFET και δεν σχετίζονται με την ποιότητα του υλικού του καναλιού. Επομένως, απαιτούνται νέες εξισώσεις με μεγαλύτερη φυσική σημασία, συνδέοντας την ποιότητα του υλικού του καναλιού με την συμπεριφορά του τρανζίστορ. 33
Μέρος 1 ο Κεφάλαιο1 ο Αναφορές Αναφορές [1.1] P. K. Weimer, The TFT- A New Thin-Film Transistor, Proc IEEE 50, 1462 (1962). [1.2] H. Borkan and P. K. Weimer, An Analysis of the Characteristics of Insulated-Gate Thin-Film Transistor, RCA Rev. 24, 153 (1963). [1.3] B. J. Lechner, F. J. Marlowe, E. O. Nester and J. Tults; Liquid Crystal Matrix Displays, Proc. IEEE 59, 1566 (1971). [1.4] P. G. LeComber, W. E. Spear and A. Gaith, Amorphous Silicon Field-Effect Device and Possible Applications, Electron Lett. 15, 179 (1979) [1.5] W. E. Spear, P. G. LeComber S. Kimnond and M. H. Brodsky, Amorphous Silicon p-n Juction, Appl. Phys. Lett. 28, 105 (1976). [1.6] T. P. Brody, J. A. Asars and G. D. Dixon, A 6x6 Inch 20-Line per Inch Liquid Crystal Display Panel, IEEE Trans. Elect. Dev. ED-20,995 (1975). [1.7] S. W. Depp, A. Juliana and B. G. Huth, Polysilicon FET Devices for Large Area Input/Output Applications, Proc. 1980 Int. Electron Device Mtg, p.703. [1.8] T. Kallfass and E. Lueder, High-Voltage Thin-Film Transistors Manufactured with Photolithography and with Ta2O5 as the Gate Oxide, Thin Solid Film61, 259 (1979). [1.9] T. Nishimura, Y. Akasaka and H. Nakata, Characteristics of TFT Fabricated in Laser-Recrystallized Polysilicon for Active LC Display, op. cit., p.34 [1.10] F. Garnier, Adv. Matls. 2, 592 (1990). [1.11] S. Bhattacharya, S. Banerjee, B. Nguyen, and P. Tobin, Temperature dependence of anomalous leakage current in Polysilicon-on-insulator MOSFET s, IEEE Trans. Electron Devices, vol. 41, p.221, 1994. [1.12] I. Wu, A. Lewis and T. Huang, Mechanism and device to device variations of leakage current in Polysilicon Thin-Film Transistors, in IEDM Tech. Dig., 1990, p.867. [1.13] A. Adan, H. Tsutsui and M. Horita, Analysis and model of leakage current in Polysilicon MOS thin-film transistors, in Proc. 1991 IEDM, p.525. 34