Modélisation Compacte à Base Physique des Composants Électroniques Organiques

Physically-Based Compact Modelling of Organic Electronic Devices

• Auteur / Autrice : Sungyeop Jung
• Direction : Giles Horowitz
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Physique
• Date : Soutenance le 21/12/2016
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Interfaces : matériaux, systèmes, usages (Palaiseau, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces (Palaiseau, Essonne) - Laboratoire de physique des interfaces et des couches minces [Palaiseau] / LPICM
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : École polytechnique (Palaiseau, Essonne ; 1795-....)
• Jury : Président / Présidente : Louis Giraudet
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Giles Horowitz, Natalie Stingelin-Stutzmann, Yvan Bonnassieux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paul Heremans, Benjamin Iniguez

Mots clés

Mots clés contrôlés

Modèles mathématiques

Simulation par ordinateur

Transistors à effet de champ

Diodes

Électronique organique

Mots clés libres

Modélisation physique

Modélisation compacte

Transistors organiques à effet de champ

Physical modelling

Compact modelling

Organic field-Effect transistors

Résumé

En dépit d'une amélioration remarquable de la performance des composants électroniques organiques, il y a encore un manque de compréhension théorique rigoureux sur le fonctionnement du composant. Cette thèse est consacrée à la création de modèles pratiques pour composants électroniques organiques à base physique complet, à savoir un modèle compact à base physique. Un modèle compact à base physique d'un élément de circuit est une équation mathématique qui décrit le fonctionnement du composant, et est généralement évaluée par trois critères: si elle est suffisamment simple pour être incorporé dans des simulateurs de circuits, précise pour rendre le résultat des simulateurs utile les concepteurs de circuits et rigoureux pour capturer des phénomènes physiques se produisant dans le composant. Dans ce contexte, les caractéristiques distinctives de l'injection de porteurs de charge et de transport dans les semi-conducteurs organiques sont incorporés dans les modèles avec un effort particulier pour maintenir la simplicité mathématique. L'effet concomitant sur les caractéristiques courant-tension des diodes et des transistors organiques prototypiques sont étudiés. Les méthodes d'extraction des paramètres cohérents aux modèles sont présentés qui permettent la détermination univoque des paramètres de le composant utilisé pour le fonctionnement du composant de modélisation et l'évaluation des performances de le composant et les propriétés des couches minces et des interfaces organiques. Les approches englobent le developement analytique des équations physiques, la simulation numérique à deux dimensions basé sur la méthode des éléments finis et la validation expérimentale. Les modèles compacts originaux et entièrement analytiques et des méthodes d'extraction de paramètres fournissent une compréhension fondamentale sur la façon dont le désordre énergétique dans une couche mince de semi-conducteur organique, décrit par la densité d’etats Gaussienne, affecte les caractéristiques courant-tension observables des composants.Mots-clés : Electronique organique, physique des composants électroniques, modélisation analytique, diodes, transistors à effet de champ, densité d’etats Gaussienne

In spite of a remarkable improvement in the performance of organic electronic devices, there is still a lack of rigorous theoretical understanding on the device operation. This thesis is dedicated to establishing practical models of organic electronic devices with a full physical basis, namely a physically-based compact model. A physically-based compact model of a circuit element is a mathematical equation that describes the device operation, and is generally assessed by three criteria: whether it is sufficiently simple to be incorporated in circuit simulators, accurate to make the outcome of the simulators useful to circuit designers, and rigorous to capture physical phenomena occuring in the device. In this context, distinctive features of charge carrier injection and transport in organic semiconductors are incorporated in the models with a particular effort to maintain mathematical simplicity. The concomitant effect on the current-voltage characteristics of prototypical organic diodes and transistors are studied. Parameter extraction methods consistent to the models are presented which enable unambiguity determination of device parameters used for modeling device operation and assessing device performance and properties of organic thin-films and interfaces. The approaches encompass analytical developement of physical equations, two-dimensional numerical simulation based on finite-element method and experimental validation. The original and fully analytical compact models and parameter extraction methods provide fundamental understanding on how energetic disorder in an organic semiconductor thin-film, described by the Gaussian density of states, affects the observable current-voltage characteristics of the devices.Keywords : Organic electronics, device physics, analytical modeling, diodes, field-effect transistors, Gaussian density-of-states