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Investigation of Variation in Organic Thin-film Transistors (OTFT) and Design of Variation-aware Organic Circuits

Ganesan, Ramkumar :
Investigation of Variation in Organic Thin-film Transistors (OTFT) and Design of Variation-aware Organic Circuits.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Investigation of Variation in Organic Thin-film Transistors (OTFT) and Design of Variation-aware Organic Circuits
Language: English
Abstract:

This work investigates the key sources of variability in OTFT namely process variations and bias-stress induced variation, and presents circuit design techniques to build robust variation-aware digital and analog circuits using OTFT. OTFT suffer from a relatively large Vt variation due to the bias stress effects, and process mismatch variations. Though these effects are also prevalent in silicon based transistors, their magnitude is comparatively larger in the case of OTFT. This renders the well-established silicon based circuits unsuitable for organic electronics. Therefore, direct adaptation of the silicon based circuits for realising organic circuits does not effectively handle the relatively large parameter and mismatch variations associated with OTFT. In this work, we first investigate the bias-stress induced threshold voltage (Vt) variation and process variations to understand the impact of these variations on the performance of organic circuits. Then, two different strategies were employed to design robust organic circuits. The first method involves designing new load topologies that are more robust to the threshold voltage variations without compromising on gain. The other strategy was to realize the essential analog circuit functionalities like comparator, ADC using digital circuit blocks. In this direction, a digital comparator and digital A/D converter circuits were developed. Finally to demonstrate the system integration, a temperature sensing organic smart label system was designed.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Diese Dissertation untersucht die Hauptursachen von Parameterabweichungen in organischen Dünnschichttransistoren (engl.: Organic Thin-film Transistor, OTFT), wie Prozessvariationen und durch Vorspannungsbelastung verursachte Variationen. Weiterhin werden Entwurfstechniken für digitale und analoge Schaltungen mit OTFTs unter Berücksichtigung dieser Variabilitäten präsentiert. Aufgrund von Vorspannungsbelastungen und Prozessvariationen leiden OTFTs viel stärker unter Variationen der Schwellspannung Vt als Siliziumtransistoren. Dies führt dazu, dass gängige Schaltungstechniken für Siliziumtransistoren nicht direkt auf organische Elektronik anwendbar sind, da diese für solch grosse Variationen nicht ausgelegt sind. In dieser Arbeit werden die Einflüsse der oben genannten Variationen der Schwellspannung auf die Leistungsfähigkeit organischer Schaltungen untersucht. Anschliessend werden zwei Entwurfsmethoden für robuste organische Schaltungen vorgestellt. Die erste Methode berücksichtigt den Entwurf von optimalen Lasttopologien, durch welche die Auswirkung der Schwellspannungsvariation auf die Verstärkung der Schaltung minimiert wird. Der zweite Ansatz ist die Realisierung von essentiellen analogen Blöcken, wie Komparatoren oder Analog-zu-Digital Wandlern (engl.: Analog-to-Digital Converter, ADC), durch digitale Blöcke. Ein digitaler Komparator sowie ein digitaler ADC wurden entwickelt. Schliesslich wurde ein sogenanntes Smart Label mit Temperatursensor auf Basis organischer Elektronik entworfen, um die Systemintegration zu demonstrieren.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: 18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Integrierte Schaltungen und Systeme
18 Department of Electrical Engineering and Information Technology > Microelectronic Systems
Date Deposited: 12 Apr 2016 12:05
Last Modified: 12 Apr 2016 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-49930
Referees: Glesner, Prof. Manfred
Refereed: 29 April 2015
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4993
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