Simulation de transistors organiques à effet de champ (OFET) : guide de démarrage rapide et analyse des caractéristiques courant-tension (J-V).

Ce tutoriel sur la simulation des transistors organiques à effet de champ (OFET) présente les principes de base de ces transistors avant de vous guider à travers une simulation 2D d’un OFET de type p dans OghmaNano.

1. Théorie de base d’un transistor organique à effet de champ de type p (OFET).

?? illustre la structure d’un OFET typique. Une fine couche de semi-conducteur organique (en bleu) est déposée sur une couche isolante en polymère/SiO2 (en gris). Deux contacts, la source et le drain, sont placés sur le dessus du semi-conducteur pour injecter et collecter les porteurs de charge, tandis qu’un troisième contact, la grille (en vert), est situé sous l’isolant afin de contrôler le fonctionnement de l’appareil.

En fonctionnement, l’électrode de grille module le flux de porteurs de charge entre la source et le drain à travers la couche semi-conductrice organique. L’application d’une tension à la grille génère un champ électrique à travers l’isolant, ce qui provoque l’accumulation d’une fine couche de charge à l’interface semi-conducteur-isolant (en rouge). Ce phénomène est très similaire à la couche de charge qui se forme lorsqu’un potentiel est appliqué à un condensateur. Selon le matériau utilisé, les porteurs dominants peuvent être des trous (de type p) ou des électrons (de type n). Dans un matériau de type p, un potentiel négatif est appliqué pour former une couche de trous (ce qui peut être observé dans ??b). Lorsqu’une tension est appliquée entre la source et le drain, ces porteurs se déplacent dans le canal induit et le dispositif est activé (??c). Si la tension appliquée à la grille est supprimée, le canal de charge disparaît et le flux de porteurs de charge entre la source et le drain s’arrête. En général, le niveau de courant est contrôlé par la tension de la grille : en dessous d’un certain seuil, le canal reste isolant, tandis qu’au-dessus, la conductivité du canal augmente avec la tension de la grille. Ce contrôle par effet de champ permet au transistor organique à effet de champ (OFET) de fonctionner comme un interrupteur ou, dans le régime linéaire, comme un amplificateur, les performances étant déterminées par des facteurs tels que la mobilité des porteurs, la tension de seuil et la résistance de contact.

Le fonctionnement du transistor OFET est illustré dans les figures ??a à c :

1. État initial : l’appareil est éteint (??a). Lorsque toutes les bornes sont à 0 V, aucune charge n’est induite à l’interface entre le semi-conducteur et l’isolant. Il n’existe aucun chemin conducteur entre la source et le drain, de sorte que l’appareil reste éteint.
2. Polarisation de la grille – formation du canal (??b). L’application d’une tension négative à la grille crée un champ électrique à travers l’isolant. Ce champ attire électrostatiquement les trous vers l’interface entre le semi-conducteur et l’isolant, ce qui forme une fine couche d’accumulation (le canal). Avec VDS=0, le dispositif ne laisse toujours pas passer de courant, mais le canal conducteur est formé.
3. Polarisation du drain – courant circulant (??c). L’application d’une tension négative au drain par rapport à la source (VDS<0, source ≈ 0 V) injecte des trous de la source vers le canal. Ces trous se déplacent le long du canal induit par la grille en direction du drain, ce qui produit le courant de drain. Une polarisation de grille plus négative renforce le canal d’accumulation et augmente le courant.

En substance, le champ électrique de la grille induit un canal conducteur à l’interface entre le semi-conducteur et l’isolant. Le courant ne circule entre la source et le drain que lorsque ce canal est présent, ce qui permet au transistor à effet de champ organique (OFET) de fonctionner comme un commutateur commandé par la tension ou comme un amplificateur. La suppression de la tension appliquée à la grille réduit la conductivité du canal et désactive le dispositif.

La description ci-dessus illustre un transistor à effet de champ organique de type p, dans lequel les trous sont les porteurs de charge majoritaires. Les transistors à effet de champ organiques peuvent également fonctionner comme des dispositifs de type n, dans lesquels les électrons forment le canal de conduction (et une tension positive est appliquée à la grille), ou comme des dispositifs ambipolaires, capables de transporter à la fois des trous et des électrons en fonction de la tension appliquée. Bien que les trois modes soient possibles, les transistors à effet de champ organiques de type p restent les plus courants, car le transport des trous dans les semi-conducteurs organiques est généralement plus stable dans les conditions ambiantes et plus facile à réaliser expérimentalement.

2. Démarrage rapide : lancement d’une simulation OFET.

Dans ce tutoriel, nous nous concentrerons sur les transistors MOSFET de type P dotés de contacts supérieurs. Les semi-conducteurs de type P sont les plus couramment utilisés dans les dispositifs électroniques organiques, car ils présentent généralement une mobilité des trous plus élevée. Pour créer une nouvelle simulation de transistor organique à effet de champ (OFET), cliquez sur le bouton « Nouvelle simulation » dans la fenêtre principale d’OghmaNano (??). Ensuite, dans la nouvelle fenêtre de simulation, double-cliquez sur les simulations d’OFET (voir la figure ??). Cela ouvrira le sous-menu OFET, où d’autres types d’OFET sont également stockés. Pour cet exemple, nous utiliserons le modèle « OFET de type P à contacts supérieurs » (??), double-cliquez dessus et enregistrez la nouvelle simulation sur le disque.

Une fois que vous avez enregistré la nouvelle fenêtre de simulation, une fenêtre semblable à ?? devrait s’afficher. Cliquez et maintenez enfoncé le bouton gauche de la souris sur le fond noir, puis faites glisser pour faire pivoter la fenêtre de simulation et visualiser l’appareil en 3D. Vous pouvez constater que l’appareil comporte trois contacts : une grille, une source et un drain. La source et le drain sont représentés en haut de la simulation par des barres dorées, une couche semi-conductrice est représentée en bleu et une couche isolante est représentée en rouge. Le contact de la grille est visible en bas de la structure.

3. Effectuer votre première simulation OFET.

Pour lancer la simulation, cliquez sur le bouton « Lecture ». Par rapport aux simulations 1D, les simulations 2D prennent généralement plus de temps, car le solveur doit gérer un maillage comportant un nombre accru de points de maillage. Si les pièges sont activés, les équations de capture/libération des porteurs sont également résolues à chaque point du maillage, ce qui augmente encore la charge de calcul. En général, l’augmentation de la dimensionnalité d’un problème entraîne rapidement une augmentation du temps d’exécution et des besoins en mémoire.

Une fois la simulation terminée, ouvrez l’onglet « Résultats ». Vous y trouverez plus de fichiers que dans le cas d’une simulation unidimensionnelle, car un transistor à effet de champ organique (OFET) possède plusieurs contacts. En effet, une courbe caractéristique courant-tension est générée pour chaque contact, et chaque courbe représente le courant qui circule dans ou hors de l’appareil par ce contact. Un résumé des fichiers générés est présenté ci-dessous.

Double-cliquez sur les fichiers jv_contact_0.csv, jv_contact_1.csv et jv_contact_2.csv pour examiner la courbe de chaque contact. Les contacts dans OghmaNano sont étiquetés de 0 à N, dans l’ordre dans lequel ils sont définis dans l’éditeur de contacts (voir la figure ??). Dans ce cas, le contact 0 sera la source, le contact 1 sera la grille et le contact 2 sera le drain. L’éditeur de contacts a été décrit en détail dans la section 3.1.8. Cependant, comme il s’agit d’une simulation 2D, deux colonnes supplémentaires sont apparues. Il s’agit des colonnes « début » et « largeur ». Elles définissent la position de départ du contact sur l’axe des x et la largeur, qui décrit la largeur du contact sur l’axe des x. La source commence à \(0~m\) et s’étend jusqu’à \(5 \mu m\), le drain commence à \(75~\mu m\) et s’étend jusqu’à \(5 \mu m\), tandis que la grille commence à \(0~m\) et s’étend pour couvrir toute la largeur du dispositif, qui est \(80~ \mu m\). Notez également que, sous la colonne « Tension appliquée », la source est marquée « Masse », ce qui signifie qu’une tension de 0 V sera appliquée à la masse, la grille est marquée « variation », ce qui signifie que la rampe de tension définie dans l’éditeur JV sera appliquée à ce contact, et le drain est marqué « tension constante » avec une tension de 10 V, ce qui signifie qu’une tension constante de 10 V sera appliquée à ce contact. Ainsi, nous analysons le contact de la grille tout en appliquant une tension constante entre la source et le drain.

Les figures ??, ?? et ?? présentent les courbes caractéristiques courant-tension (JV) pour chacune des trois connexions du transistor à effet de champ organique (OFET). En observant les figures ?? et ??, on peut constater que lorsque la tension de grille devient plus négative, le courant aux bornes de la source et du drain diminue également. Nous appliquons une tension négative pour attirer les trous vers le canal, afin de permettre la conduction. On peut également constater qu’il n’y a pas de courant à la grille, car le courant est bloqué par le matériau diélectrique.