Simulation und Modellierung der elektrischen Eigenschaften gedruckter Elektronik

Gedruckte Elektronik ist technologisch komplementär zu Hochpräzisions-Lithographie und zielt auf niedrige Kosten und hohe Prozessgeschwindigkeit. Die Funktionsweise und das Optimierungspotenzial gedruckter Transistoren im Bezug auf Geometrie und Materialien ist Gegenstand aktueller Forschung.
In dieser Arbeit wird im ersten Teil ein Simulationsmodell für einen gedruckten Feldeffekt-Transistor (FET) mit vertikalem Leitungskanal aus porösem Metalloxid und mit Elektrolyt als Gate-Kontakt erstellt. Das Modell reproduziert die gemessene Transferkurve und ermöglicht eine Analyse der Stromdichte im Halbleiter. ... mehrAuch erlaubt es Vorhersagen für andere Morphologien und Dotierkonzentrationen sowie die Korrektur der gemessenen Stromdichte um Randströme, die sich aus der Geometrie ergeben.
Im zweiten Teil wird ein Modell basierend auf allen Grenzschicht-Kapazitäten des Gate-Elektrolyts hergeleitet. Es zeigt erstmals eine Abhängigkeit einer DC-Eigenschaft wie der Schwellspannung von den Grenzschicht-Kapazitäten, welche bisher nur mit AC-Eigenschaften wie der Schaltgeschwindigkeit verknüpft wurden. Das Modell liefert eine Erklärung für eine experimentell beobachtete Abhängigkeit der Schwellspannung von der Länge, nicht aber der Breite des Leitungskanals in einem planaren gedruckten FET.
Zuletzt wird ein Simulationsmodell für die Ladungsträger- und Exzitonendiffusion sowie deren Erzeugung, Kollision und Vernichtung auf Kohlenstoff-Nanoröhrchen (CNT) vorgestellt. Die Ergebnisse der Simulationen zeigen, dass auch bei gepulster Erzeugung der Exzitonen mit einem Laser die experimentell beobachteten verschiedenen Transportregimes damit korrelieren, dass das Exziton-Exziton-Quenching der führende Verlustprozess wird. Auch konnte bewiesen werden, dass in einem symmetrischen System eine asymmetrische Laserposition ausreicht, um eine Vorzugsrichtung einzuführen und einen Netto-Photostrom durch den CNT zu ermöglichen.

The field of printed electronics studies a manufacturing technology which is complementary to high precision lithography. It focuses on low cost and high process speeds. The functionality of printed transistors and the optimization options regarding geometry and material properties is an active research topic.
In this work, in the first part a simulation model of a printed field effect transistor (FET) using an electrolyte gate and a vertical conduction channel consisting of a metal oxide semiconductor is created. The model successfully reproduces a transfer curve from experiment and gives insight into the local current density in the FET. ... mehrIt also gives predictions on impact of other morphologies or doping concentrations and provides a correction of the measured current density from stray currents inherent to the transistor geometry.
In the second part, a model for the threshold voltage of electrolyte gated FETs based on all interface capacitances of the electrolyte is derived. For the first time, it links the interface capacitances with a DC property like the threshold voltage, as they were linked to AC properties like switching speed before only. The model provides an explanation an experimentally observed dependency of the threshold voltage of the length, but not the width of the conduction channel in a printed planar electrolyte-gated FET.
In the last part, a simulation model of the exciton and charge carrier diffusion and their generation, collision and quenching processes on carbon nanotubes (CNT) is presented. The simulation results show that the generation of excitons using a pulsed laser exhibit the same transport regimes as for a constant laser source. The transport regimes observed and matching in experiment and simulation coincide with exciton-exciton quenching becoming the dominant exciton loss process. In addition, it could be shown that in a symmetrical system an asymmetrical laser position is sufficient to provide a preferred direction for the electrical current and therefore a macroscopic current flow through the CNT.