(JNRDM) 2001

Conception de circuits en électronique organique sur support souple
Mathieu Guerin
IM2NP UMR 7334
38, rue Joliot-Curie
Technopôle de Château-Gombert
13384 Marseille Cedex 13 - France
Email : [email protected]
Résumé
Cet article présente la réalisation de circuits en
électronique organique sur support souple utilisant des
transistors organiques de type P et N. Toutes les couches
composant ces transistors organiques sont déposées en
utilisant des procédés de type feuille à feuille présentant un
faible coût de fabrication. Une carte modèle permettant de
simuler le fonctionnement de ces transistors est réalisée. Un
amplificateur différentiel est créé à l’aide de ces modèles. Cet
amplificateur possède des caractéristiques égales ou
supérieures à l’état de l’art dans ce domaine.
1. Introduction
Depuis ces dernières années, d’importants efforts ont
été effectués concernant le développement de
l’électronique organique, afin de remplacer l’électronique
« classique » sur silicium dans des domaines tels que les
cellules photovoltaïques [1], les capteurs de gaz [2] ou
l’identification par radio fréquence (RFID). Le principal
avantage de l’électronique organique sur support souple
est son coût de fabrication faible comparé à l’industrie du
silicium [3]. En revanche de nombreux points doivent être
améliorés avant de pouvoir réaliser des circuits complexes
en électronique organique. Premièrement, une carte
modèle correspondant à chaque transistor doit être établie
afin de pouvoir simuler le fonctionnement de circuits
complexes en électronique organique avant de les
fabriquer. De plus, un effort important est fait sur la
réalisation de transistors organiques de type N. En effet, la
plupart des circuits reportés jusqu’à aujourd’hui sont
uniquement constitués de transistors de type P. Enfin, les
circuits organiques possédant des performances bien
inférieures aux circuits « classiques » sur silicium, il est
nécessaire d’améliorer les performances des transistors.
Cela consiste notamment en une augmentation de la
mobilité des porteurs de charge dans les transistors ainsi
qu’en une diminution des tensions de seuil des transistors.
Cet article présente un circuit en électronique organique
consistant en un oscillateur contrôlé en tension (VCO)
dont la fréquence d’oscillation est contrôlée par un
amplificateur différentiel. Le circuit peut être utilisé dans
un capteur réalisé entièrement sur support souple. La
section 2 de cet article présente le procédé de fabrication
des transistors organiques N et P, puis les mesures
effectuées sur des circuits simples, ainsi que la réalisation
de cartes modèles pour représenter le fonctionnement de
ces transistors, sont présentées dans la section 3. La
section 4 présente le design ainsi que les mesures
effectuées sur l’amplificateur différentiel. Enfin la section
5 résume les caractéristiques principales du circuit
présenté et conclue en introduisant les améliorations
possibles et le travail futur.
2. Fabrication de transistors organiques
Les transistors organiques sont fabriqués sur un
substrat de polyéthylène naphtalate (PEN) d’une épaisseur
de 125 µm. Une couche de 30 nm d’or est déposée puis
gravée par ablation laser. Cette couche forme les
électrodes de source et de drain des transistors et sert
également de premier niveau d’interconnexion. Une
couche de 100 nm de semi-conducteur organique ainsi
qu’une couche de 800 nm de diélectrique sont ensuite
déposées par sérigraphie puis un recuit est effectué. Enfin,
l’électrode de grille, servant de second niveau
d’interconnexion, est sérigraphiée en utilisant une pâte
d’argent [4], [5]. Toutes ces étapes de fabrication sont
réalisées à l’air libre, sans mesure particulière de
conservation. La Figure 1 représente un schéma de la
coupe du process de fabrication organique.
Figure 1 : Coupe du process de fabrication des
transistors organiques
3. Mesure de circuits simples
3.1 Mesures DC de l’inverseur
Etant-donné la difficulté que représente la fabrication
de transistors de type N stables sur la même feuille
plastique que des transistors de type P, la plupart des
inverseurs reportés jusqu’à aujourd’hui sont constitués de
transistors de type P, le pull-down étant réalisé avec un
transistor de type P monté en diode [6]. L’inverseur
présenté est constitué d’un transistor de type P et d’un de
type N. Son schéma électrique ainsi qu’une photographie
du circuit sont présentés respectivement sur la Figure 2 a)
et b).
Figure 4 : Gain de l’inverseur organique en fonction de
la tension d’entrée pour différents VDD
Figure 2 : a) Schéma d’un inverseur organique
b) Photographie d’un inverseur organique
Afin de caractériser le fonctionnement électrique du
circuit, un appareil de mesures HP 4156 est utilisé afin
d’appliquer et mesurer des tensions et des courants. Les
tensions d’alimentation sont fixées à +5V pour VDD et 0V pour VSS. Un balayage de la tension d’entrée VIN est
ensuite effectué entre VSS et VDD avec un pas de 50 mV
et la tension de sortie est mesurée pour chacune de ces
valeurs. Cette mesure est répétée pour des tensions
d’alimentation allant de 5 à 40V. La courbe représentant
la caractéristique de sortie de l’inverseur en fonction de la
tension d’entrée est présentée sur la Figure 3.
Le gain de l’inverseur atteint des valeurs de 29 (soit 30
dB), ce qui est une valeur plus importante que ceux
présentés dans [7] et [8] qui présentent des inverseurs ne
dépassant pas les 15 dB.
3.2 Extraction de carte modèle
L’une des limitations principales à la fabrication de
circuits organiques complexes réside dans la difficulté à
simuler le fonctionnement de ces circuits. Ceci est dû au
manque de carte modèle permettant de représenter
précisément le comportement des transistors organiques N
et P. Une carte modèle est donc nécessaire pour chaque
type et chaque taille de transistors organiques.
A partir de mesures DC et AC réalisées sur des
transistors isolés, un modèle de type « level 64 » est établi
pour chaque transistor. Ceci va permettre de simuler,
grâce à des logiciels de simulation comme ELDO, des
circuits complexes en électronique organique et de prédire
leur fonctionnement.
4. Circuits organiques complexes
4.1 Mesures DC
Figure 3 : Caractéristique entrée-sortie de l’inverseur
organique pour différents VDD
Pour chaque courbe, il est important de constater que
le point de basculement se situe à VDD/2. Ceci indique un
bon équilibrage entre le pull-up et le pull-down des
inverseurs. De plus, les inverseurs ont un comportement
dit « rail-to-rail » ce qui signifie que la tension de sortie
passe de VSS à VDD pour chaque tension d’alimentation.
Le gain de l’inverseur complémentaire est déduit des
courbes précédentes et tracé en fonction de la tension
d’entrée sur la Figure 4.
Une fois les modèles électriques créés, des circuits plus
complexes peuvent être simulés puis fabriqués.
Un amplificateur à paire différentielle est notamment créé.
Cet amplificateur est composé de 4 transistors, deux de
type N et 2 de type P. La Figure 5 montre le schéma
électrique de l’amplificateur. Les transistors de type P (T3
et T4) sont utilisés en tant que charge active tandis que les
N (T1 et T2) forment la paire différentielle.
sortie vers la droite du graphe. Néanmoins, après des
mesures répétées, le circuit continue de fonctionner, ce
qui montre la bonne résistance des circuits organiques à
un nombre important de mesures.
4.2 Mesures AC
Figure 5 : Schéma électrique de l’amplificateur
différentiel
Le comportement électrique de l’amplificateur est testé
électriquement. Premièrement, des tests DC sont
effectués. Des balayages en tension sont effectués, faisant
varier la tension différentielle Vd entre -40 et +40V pour
différentes tensions d’alimentation allant de 10 à 40V. Le
graphe de la tension de sortie VOUT en fonction de la
tension d’entrée est représenté sur la Figure 6.
Une fois le comportement DC du circuit caractérisé, il
est intéressant de déterminer jusqu’à quelle fréquence
l’amplificateur peut commuter. Pour cela, les tensions
d’alimentation sont fixées à +/- 40V et un signal
sinusoïdal est appliqué en entrée. La tension de sortie est
mesurée en fonction du temps pour des valeurs de
fréquence du signal d’entrée allant de 10 Hz à 20 kHz. Le
graphe du gain de l’amplificateur en fonction de la
fréquence du signal d’entrée est affiché sur la Figure 8.
Figure 8 : Graphe du gain de l’amplificateur en
fonction de la fréquence du signal d’entrée
La fréquence de coupure à -3dB de l’amplificateur est
de 1025 Hz. Cette valeur est supérieure à celles reportées
dans [6]. Le produit gain-bande (GBW) de l’amplificateur
peut être calculé grâce à l’équation 1.
Figure
6:
Caractéristique
entrés-sortie
de
l’amplificateur différentiel pour différentes tensions
d’alimentation
L’amplificateur possède un gain en tension de 22,4 dB
pour un Vdd de 40V. Cette valeur est supérieure à l’état
de l’art, notamment aux 10 dB rapportés dans [9]. Afin
de tester la résistance des circuits à des mesures répétées,
une série de 2000 balayages de tension entre -40 et +40V
est effectuée. La 2000ème mesure, ainsi que la première,
sont représentées sur le Figure 7.
Figure
7:
Caractéristique
entrée-sortie
l’amplificateur après 1 et 2000 mesures
de
Après 2000 mesures, un léger offset d’entrée apparaît,
ce qui décale le point de basculement de la tension de
GBW=BW×G
(1)
Où BW représente la fréquence de coupure à -3dB et
G le gain en basses fréquences. La valeur du produit gainbande de l’amplificateur est de 13,36 kHz. Cette valeur
est supérieure à celle citée dans [6] et [10]. En effet les
deux circuits présentés dans ces articles ont un produit
gain-bande passante ne dépassant pas les 10 KHz.
5. Conclusion
Cet article présente la réalisation de circuits complexes
en électronique organique sur support souple. Les circuits
sont composés de transistors organiques de type N et P
réalisés par des moyens d’impression à bas coût. Des
modèles électriques sont extraits à partir de mesures
réalisées sur des transistors isolés, ces modèles permettent
de simuler le fonctionnement de circuits organiques
complexes. Un amplificateur différentiel à base de paire
différentielle est réalisé sur support souple.
L’amplificateur possède un gain de 22,46 dB et un produit
gain-bande de 13.36 kHz. Ces résultats permettent de
réaliser des circuits complémentaires plus complexes en
électronique organique
Références
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[8] D. A. Mourey, S. Kyu Park, D. A. Zhao, Jie Sun et al.: Fast,
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[9] N. Gay, W.-J. Fischer: OFET-based Analog Circuits for
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[10] H. Marien, M. S. J. Steyaert, E. van Veenendaal, and P. Heremans:
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