CN101212865B

CN101212865B - 以有机晶体管为基础的印刷电路单元

Info

Publication number: CN101212865B
Application number: CN200610171784XA
Authority: CN
Inventors: 李进府; 林志鸿; 陈俊才
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2006-12-29
Filing date: 2006-12-29
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2026-12-29
Also published as: CN101212865A

Abstract

一种以有机晶体管为基础的印刷电路单元，包括讯号输入电路、负载电路以及电平平移电路。其中，讯号输入电路包括N个串接的有机晶体管。当这些串接的有机晶体管其中之一被截止时，会使得整个讯号输入电路的输出电流处于截止状态，进而使得电路能输出一正确的电压电平。而电平平移电路内也包括有栅极接收输入讯号的有机晶体管，此有机晶体管不仅可以作为负载，也可以提高电平平移电路的增益。

Description

以有机晶体管为基础的印刷电路单元

技术领域

本发明涉及一种印刷电路(printed circuit)，特别是涉及一种以有机晶体管为基础的印刷电路单元(printed circuit unit)。

背景技术

随着科技的进步，许多信息设备不断地推陈出新，为人类带来许多的便利性，例如是射频辨识(RFID)标签。射频辨识标签可以被应用在购物中心、物流业以及交通运输等地方，然而，在产品的工艺上，传统无机材料芯片的工艺复杂度高以及成本高，以至于在需要平价以及大量应用中，就难以在便利性和成本之间取得平衡点。

因此，近年来有机材料的相关工艺技术不断地被开发，希望能藉由其工艺的相对简易性，且在不计较电路面积的前提下，以印刷方式直接将逻辑电路印制在薄膜上，藉此达到便利性与低成本的目标。

图1示出了印刷有机晶体管的阈值电压分布范围，请参照图1。印刷有机晶体管的阈值电压(threshold voltage)可能会受到工艺因素影响，而产生电压飘移的情况。值得注意的是阈值电压的飘移范围非常大，且其分布情形类似于高斯曲线。

图2示出了已知的以有机晶体管为基础的印刷反相器的电路图，请参照图2。已知的以有机晶体管为基础的印刷反相器包括增益级电路202和电平平移电路204。其中，增益级电路202包含有机晶体管211有机晶体管213，有机晶体管211具有第一源/漏极、第二源/漏极和栅极，而有机晶体管211的栅极接收输入讯号Vin，且第一源/漏极耦接至电源电压vdd。有机晶体管213具有第一源/漏极、第二源/漏极和栅极，而有机晶体管213的第一源/漏极耦接至有机晶体管211的第二源/漏极，且有机晶体管213的第一源/漏极和栅极皆耦接至接地电压。另外，电平平移电路204包含有机晶体管215和有机晶体管217，有机晶体管215具有第一源/漏极、第二源/漏极和栅极，而有机晶体管215的栅极耦接至接地电压，且第一源/漏极耦接至电源电压 Vdd。有机晶体管217具有第一源/漏极、第二源/漏极和栅极，而有机晶体管217的第一源/漏极耦接至有机晶体管215的第二源/漏极，且有机晶体管217的第二源/漏极和栅极则分别耦接至接地电压和有机晶体管211的第二源/漏极。

当有机晶体管211的栅极接收一高电位输入讯号Vin时，其会被截止，使得节点N1输出一低电位讯号。但是，当有机晶体管203因工艺因素，造成其阈值电压产生飘移的情况时，如图1，则会使得在输入讯号Vin为高电位时，仍无法将有机晶体管203截止。此时，节点N1会输出一高电位讯号，产生明显的逻辑电平判断错误，因而造成成品率的降低。

图3示出了已知的串联3级的印刷反相器的输出讯号图，请参照图3。在标准差为2的条件下，串联三级的印刷电路单元的成品率为94.5％，其中，标准差越大代表有机晶体管的阈值电压飘移量越大。在图3中，输出电压较低的是逻辑输出为低电位的分布情形，相对地，输出电压较高的是逻辑输出为高电位的分布情形。藉此可明显看出高电位和低电位的分布有重迭的情况，可能会造成输出逻辑讯号的判断错误。

然而，为解决此一问题，Kane M.G.等人(“Analog and digital circuits using organic thin-film transistors on polyester substrates″.IEEE Electron DeviceLetters，Vol.21，Issue 11，pp.534-536，Nov.2000)提出利用差动电路来实现反相器。一般而言，差动电路比单端电路来的稳定，但在有机晶体管的模型下，改善效果可能有限。

图4示出了已知的串联3级差动电路的全印反相器的输出讯号图，请参照图4。在标准差(standard deviation)为2的条件下，串联三级以差动电路实现的全印反相器的成品率为97.3％，虽然以差动电路实现的全印反相器的成品率相较于已知的全印反相器有所提升，但是在图4中，仍可明显看出高电位和低电位的分布仍有重迭的情形。

发明内容

因此，本发明提供一种以有机晶体管为基础的印刷电路单元，以提高电路对噪声的容忍度。

从另一观点来看，本发明提供一种以有机晶体管为基础的印刷与非门，以降低阈值电压飘移对电路产生的影响。

本发明提出一种以有机晶体管为基础的印刷电路单元，其包括讯号输入电路、负载电路以及电平平移电路。讯号输入电路包括N个串接的有机晶体管，而每一有机晶体管具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极。此外，第1个到第N-1个有机晶体管的第二源/漏极连接至下一个串接的有机晶体管的第一源/漏极，而每一有机晶体管的栅极皆连接在一起并接收输入讯号，且第1个有机晶体管的第一源/漏极耦接至第一电压，第N个有机晶体管的第二源/漏极耦接至负载电路，其中，N为大于1的整数，其中，当第一源/漏极为源极时，第二源/漏极为漏极，当第一源/漏极为漏极时，第二源/漏极为源极。另外，电平平移电路，耦接至讯号输入电路，用以调整上述第N个有机晶体管的第二源/漏极上的输出电压，使其偏移至一预设电平。

依照本发明的实施例，上述以有机晶体管为基础的印刷电路单元，其中的电平平移电路包括增益有机晶体管和电平平移有机晶体管。而增益有机晶体管具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极，增益有机晶体管的第一源/漏极耦接至第一电压，而栅极接收输入讯号。此外，电平平移有机晶体管，具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极，电平平移有机晶体管的第一源/漏极和第二源/漏极分别耦接至增益有机晶体管的第二源/漏极和第二电压，电平平移有机晶体管的栅极耦接至上述第N个有机晶体管的第二源/漏极。

从另一观点来看，本发明提出一种以有机晶体管为基础的印刷与非门，其包括多组讯号输入电路、负载电路以及电平平移电路。每一组讯号输入电路包括N个串接的有机晶体管，每一有机晶体管具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极。此外，第1个到第N-1个有机晶体管的第二源/漏极连接至下一个串接的有机晶体管的第一源/漏极，而在每一组讯号输入电路中的这些有机晶体管的栅极皆连接在一起并接收一输入讯号，且第1个有机晶体管的第一源/漏极耦接至一第一电压，其中，N为大于1的整数，其中，当第一源/漏极为源极时，第二源/漏极为漏极，当第一源/漏极为漏极时，第二源/漏极为源极。此外，负载电路，耦接至上述每一组讯号输入电路的第N个有机晶体管的第二源/漏极，而电平平移电路，耦接每一组讯号输入电路，用以调整上述每一组讯号输入电路的第N个有机晶体管的第二源/漏极上的输出电压，使其偏移至一预设电平。

依照本发明的实施例，上述以有机晶体管为基础的与非门，其中的电平平移电路包括多个并联的增益有机晶体管和电平平移有机晶体管。其中，每一增益有机晶体管具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极，这些增益有机晶体管的第一源/漏极皆连接在一起并耦接至第一电压，每一增益有机晶体管的第二源/漏极皆连接在一起，每一增益有机晶体管的栅极用以接收输入讯号。此外，电平平移有机晶体管，具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极，电平平移有机晶体管的第一源/漏极耦接至上述多个并联的增益有机晶体管的第二源/漏极，电平平移有机晶体管的第二源/漏极耦接至第二电压，电平平移有机晶体管的栅极耦接至上述每一组讯号输入电路的第N个有机晶体管的第二源/漏极。

为使本发明的上述和其它目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举本发明的实施例，并结合附图详细说明如下。

附图说明

图1示出了印刷有机晶体管的阈值电压分布范围。

图2示出了已知的以有机晶体管为基础的印刷反相器的电路图。

图3示出了已知的串联3级的印刷反相器的输出讯号图。

图4示出了已知的串联3级差动电路的全印反相器的输出讯号图。

图5示出了依照本发明的一实施例的一种以有机晶体管为基础的印刷电路单元的电路图。

图6示出了本实施例的以有机晶体管为基础的印刷电路单元串联三级后的输出讯号图。

图7示出了以有机晶体管为基础的印刷电路单元串联三级后的成品率。

图8示出了依照本发明的一实施例的一种以有机晶体管为基础的印刷与非门的电路图。

附近图符号说明

202：增益级电路

204、520、814：电平平移电路

211、213、215、217、512a～512n、522、524、532、820a～820n、825、826、828：有机晶体管

510、810、812：讯号输入电路

530、816：负载电路

Iout：电流

V1、V2、V3、V4、V5、Vdd、Vin、Vo、Vss：电压

N1、N2、N3：节点

具体实施方式

图5示出了依照本发明的一实施例的一种以有机晶体管为基础的印刷电路单元的电路图，在此以反相器为例，但并非限定本发明，其它逻辑门亦可适用，请参照图5。本发明所提供的以有机晶体管为基础的印刷电路单元，包括讯号输入电路510、电平平移电路520以及负载电路530。其中，讯号输入电路510是由N个串接的有机晶体管512a～512n所组成，而负载电路530提供其所需的负载。此外，讯号输入电路510和负载电路530二者耦接的节点电压，可以藉由电平平移电路520将其偏移至一预设电平。另外，在本发明中，N为大于1的整数。

请继续参照图5，讯号输入电路510所包含的每一个有机晶体管512a～512n具有第一源/漏极、第二源/漏极和栅极。而第1个到第N-1个有机晶体管的第二源/漏极连接至下一个串接的有机晶体管的第一源/漏极，且每一个有机晶体管的栅极都连接在一起并接收输入讯号V1。除此之外，第1个有机晶体管512a的第一源/漏极耦接至第一电压，此第一电压例如是电源电压Vdd，而最后一个有机晶体管512n的第二源/漏极耦接至负载有机晶体管532的第一源/漏极。负载有机晶体管532的栅极耦接至第二源/漏极和第二电压，此第二电压例如是接地电压Vss，此外，负载有机晶体管532可以作为讯号输入电路510的负载。

当有机晶体管512a～512n的栅极端接收到一个输入讯号V1，使得有机晶体管512a～512n被导通时，则会有一导通电流Iout流至负载有机晶体管532。相对地，当有机晶体管512a～512n的栅极端接收到一个输入讯号V1，使得有机晶体管512a～512n被截止时，此时导通电流Iout也会被截止。

藉由N个串接的有机晶体管512a～512n，本实施例可以有效地改善因有机晶体管阈值电压的飘移，而造成有机晶体管无法截止的问题。在图3中，导通电流Iout为每一个有机晶体管产生电流的最小值。

Iout＝Min.{Im1，Im2，......，Imn) (1)

其中，第一个有机晶体管312a产生电流为Im1，第二个有机晶体管312b产生电流为Im2，于此类推，第N个有机晶体管312n产生电流为Imn。当有机晶体管512a～512n其中之一的阈值电压有飘移的情况产生，使得该有机晶体管的栅极接收到高电压电平的输入讯号V1时，也无法将其截止。由于本实施例的讯号输入电路310是由N个串接的有机晶体管组成，当其中之一有机晶体管被截止时，即使这些有机晶体管其中之一发生无法被截止的情况，而讯号输入电路510的导通电流Iout仍被截止，并不受该有机晶体管的影响。

请继续参照图5，本实施例的电平平移电路520包括增益有机晶体管522和电平平移有机晶体管524。其中，增益有机晶体管522具有第一源/漏极、第二源/漏极和栅极，增益有机晶体管522的栅极端接收输入讯号V1，且第一源/漏极耦接至第一电压。而电平平移有机晶体管524具有第一源/漏极、第二源/漏极和栅极，电平平移有机晶体管524的第一源/漏极耦接至增益有机晶体管522的第二源/漏极，且电平平移有机晶体管524的第一源/漏极和栅极分别耦接至第二电压和有机晶体管512n的第二源/漏极。在本发明中，由于技术上的原因，上述所有的有机晶体管皆以PMOS有机晶体管为例，但并非限定本发明，也可以其它型态的有机晶体管实施。

其中，电平平移有机晶体管522，其栅极接收输入讯号，使得电平平移有机晶体管522不仅可以作为负载，也可以提高电平平移电路520的增益，使得电平平移电路520的噪声容忍限度(noise margin)也会提高，以至于降低阈值电压偏移对电路造成的影响。

图6示出了本实施例的以有机晶体管为基础的印刷电路单元串联三级后的输出讯号图，请参照图6。在标准差为2的条件下，串联三级差动电路的电路单元的成品率为99.9％，在图6中，可明显看出高电位和低电位的分布没有重达的情形。因此，不会造成输出逻辑讯号的判断错误，且相较于已知的印刷反相器，本实施例的印刷电路单元的成品率和对噪声的容忍度都相对提高。

图7示出了串联三个以有机晶体管为基础的印刷电路单元的成品率，请参照图7。在图7中包括已知的印刷反相器的成品率曲线701、以差动电路实现的全印反相器的成品率曲线703以及本实施例的印刷电路单元的成品率曲线707。其中，在标准差为2的前提下，已知的印刷反相器串联三级后成品率为94.5％，而串联三级以差动电路实现的全印反相器的成品率为97.3％，本实施例的印刷电路单元串联三级后的成品率为99.9％。在此三种反相器的成品率相差不大，然而，随着标准差逐渐增加或是印刷反相器串联级数增加的条件下，会使得成品率的差距更大。以目前的射频辨识标签来说，相当于是串联约45级印刷反相器的复杂度。本实施例的印刷电路单元串联三级后的成品率为99.9％，藉此推得串联45级印刷电路单元后的成品率为98.5％，已知的印刷反相器串联45级后成品率为43％，而串联45级以差动电路实现的全印反相器的成品率为67％。因此，本实施例的印刷电路单元可以适用于射频辨识标签。

图8示出了依照本发明的一实施例的一种以有机晶体管为基础的印刷与非门的电路图，请参照图8。本发明所提供的以有机晶体管为基础的印刷与非门，包括多组讯号输入电路、电平平移电路814以及负载电路816。在本实施例中为说明方便，因此，以两组讯号输入电路810和812为例。其中，讯号输入电路810和812是由N个串接的有机晶体管所组成，而负载电路816提供其所需的负载。此外，讯号输入电路810和812以及负载电路816三者耦接的节点电压，可以藉由电平平移电路814将其偏移至一预设电平。

请继续参照图8，讯号输入电路810和812所包含的每一个有机晶体管820a～820n具有第一源/漏极、第二源/漏极和栅极。而第1个到第N-1个有机晶体管的第二源/漏极连接至下一个串接的有机晶体管的第一源/漏极，且每一组讯号输入电路的有机晶体管的栅极都连接在一起并分别接收输入讯号V3和V4。除此之外，第1个有机晶体管820a的第一源/漏极耦接至第一电压，此第一电压例如是电源电压Vdd，而最后一个有机晶体管820n的第二源/漏极耦接至负载有机晶体管825的第一源/漏极。负载有机晶体管825的栅极耦接至第二源/漏极和第二电压，此第二电压例如是接地电压Vss，此外，负载有机晶体管825可以作为讯号输入电路810和812的负载。

本实施例有两个讯号输入电路810和812，因此，电平平移电路814包括二个并联的增益有机晶体管826以及电平平移有机晶体管828。其中，电平平移有机晶体管828具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极，电平平移有机晶体管828的第二源/漏极和栅极分别耦接至第二电压和负载有机晶体管825的第一源/漏极。而每一增益有机晶体管826的第一源/漏极皆连接在一起并耦接至第一电压，而每一增益有机晶体管826的第二源/漏极皆连接在一起，并耦接至电平平移有机晶体管828的第一源/漏极，且这些有机晶体管的栅极接收相对应的输入讯号。

表一列出为印刷与非门在不同的输入讯号下，其产生的输出情况。在表一中，“0”代表对应的输入讯号为低电位，而“1”代表对应的输入讯号为高电位。

表一

V3	V4	V5
			1	1	0
1	0	1
			0	1	1
0	0	1

依据表一，当输入讯号V3和V4皆为高电位时，在图8中，有机晶体管(820a～820n、826)为截止状态，而输出电流Iout也是截止，因此，输出电压V5为低电位讯号。然而，本领域的技术人员可藉由上述的方法得知在不同的输入讯号下的动作情形，于此不再赘述。最后，依据表一的结果，可以推得图8为一与非门电路。

综上所述，本发明的以有机晶体管为基础的印刷电路单元，其讯号输入电路包含N个串接的有机晶体管。当这些有机晶体管其中之一被截止时，也会使得其余的有机晶体管被截止。因此，即使这些有机晶体管其中之一产生阈值电压飘移的情况时，也能将其截止，使得电路能保持正常的运作。此外，本发明的电平平移电路中包括有栅极耦接至输入讯号的增益有机晶体管或多个并联的增益有机晶体管，藉此，不但能提高电路的增益，亦能增加电路对噪声的容忍度。

虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然其并非用以限定本发明，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下可作若干的更动与润饰，因此本发明的保护范围以本发明的权利要求为准。

Claims

1.一种以有机晶体管为基础的印刷电路单元，包括：

一讯号输入电路，包括N个串接的有机晶体管，每一有机晶体管具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极，第1个到第N-1个有机晶体管的第二源/漏极连接至下一个串接的有机晶体管的第一源/漏极，而所述有机晶体管的栅极皆连接在一起并接收一输入讯号，第1个有机晶体管的第一源/漏极耦接至一第一电压，其中，N为大于1的整数，其中，当第一源/漏极为源极时，第二源/漏极为漏极，当第一源/漏极为漏极时，第二源/漏极为源极；

一负载电路，耦接至上述第N个有机晶体管的第二源/漏极，用以提供负载；以及

一电平平移电路，耦接至该讯号输入电路，用以调整上述第N个有机晶体管的第二源/漏极上的输出电压，使其偏移至一预设电平。

2.如权利要求1所述的以有机晶体管为基础的印刷电路单元，其中该电平平移电路包括：

一增益有机晶体管，具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极，该增益有机晶体管的第一源/漏极耦接至该第一电压，该增益有机晶体管的栅极接收该输入讯号；以及

一电平平移有机晶体管，具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极，该电平平移有机晶体管的第一源/漏极耦接至该增益有机晶体管的第二源/漏极，该电平平移有机晶体管的第二源/漏极耦接至一第二电压，该电平平移有机晶体管的栅极耦接至上述第N个有机晶体管的第二源/漏极。

3.如权利要求1所述的以有机晶体管为基础的印刷电路单元，其中该负载电路为一负载有机晶体管，具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极，该负载有机晶体管的第一源/漏极耦接至上述第N个有机晶体管的第二源/漏极，该负载有机晶体管的第二源/漏极耦接至该负载有机晶体管的栅极及该第二电压。

4.如权利要求3所述的以有机晶体管为基础的印刷电路单元，其中所有的有机晶体管皆为PMOS有机晶体管。

5.如权利要求2所述的以有机晶体管为基础的印刷电路单元，其中该第一电压为一电源电压，该第二电压为一接地电压。

6.如权利要求1所述的以有机晶体管为基础的印刷电路单元，其中该印刷电路单元为一反相器。

7.如权利要求1所述的以有机晶体管为基础的印刷电路单元，其中该印刷电路单元为一逻辑门。

8.一种以有机晶体管为基础的印刷与非门，包括：

多组讯号输入电路，每一组讯号输入电路包括N个串接的有机晶体管，每一有机晶体管具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极，第1个到第N-1个有机晶体管的第二源/漏极连接至下一个串接的有机晶体管的第一源/漏极，而在每一组讯号输入电路中的所述有机晶体管的栅极皆连接在一起并接收一输入讯号，第1个有机晶体管的第一源/漏极耦接至一第一电压，其中，N为大于1的整数，其中，当第一源/漏极为源极时，第二源/漏极为漏极，当第一源/漏极为漏极时，第二源/漏极为源极；

一负载电路，耦接至上述每一组讯号输入电路的第N个有机晶体管的第二源/漏极，用以提供负载；以及

一电平平移电路，耦接每一组讯号输入电路，用以调整上述每一组讯号输入电路的第N个有机晶体管的第二源/漏极上的输出电压，使其偏移至一预设电平。

9.如权利要求8所述的以有机晶体管为基础的印刷与非门，其中该电平平移电路包括：

多个并联的增益有机晶体管，每一增益有机晶体管具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极，而所述增益有机晶体管的第一源/漏极皆连接在一起并耦接至一第一电压，所述增益有机晶体管的第二源/漏极皆连接在一起，所述增益有机晶体管的栅极用以接收输入讯号；以及

一电平平移有机晶体管，具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极，该电平平移有机晶体管的第一源/漏极耦接至上述多个并联的增益有机晶体管的第二源/漏极，该电平平移有机晶体管的第二源/漏极耦接至一第二电压，该电平平移有机晶体管的栅极耦接至上述每一组讯号输入电路的第N个有机晶体管的第二源/漏极。

10.如权利要求9所述的以有机晶体管为基础的印刷与非门，其中该负载电路为一负载有机晶体管，具有第一源/漏极、第二源/漏极与栅极，该负载有机晶体管的第一源/漏极耦接至上述每一组讯号输入电路的第N个有机晶体管的第二源/漏极，该负载有机晶体管的第二源/漏极耦接至该负载有机晶体管的栅极及该第二电压。

11.如权利要求10所述的以有机晶体管为基础的印刷与非门，其中所有的有机晶体管皆为PMOS有机晶体管。

12.如权利要求9所述的以有机晶体管为基础的印刷与非门，其中该第一电压为一电源电压，该第二电压为一接地电压。