DE10247817A1

DE10247817A1 - Polymertransistor-Anordnung, integrierte Schaltkreis-Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer Polymertransistor-Anordnung

Info

Publication number: DE10247817A1
Application number: DE10247817A
Authority: DE
Inventors: Ralf Dr. Brederlow
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2002-10-14
Filing date: 2002-10-14
Publication date: 2004-04-22
Also published as: US7622789B2; US20040209394A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Polymertransistor-Anordnung, eine integrierte Schaltkreis-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Polymertransistor-Anordnung. Die Polymertransistor-Anordnung enthält einen in und/oder auf einem Substrat ausgebildeten Polymertransistor. Der Polymertransistor enthält einen ersten Source-/Drain-Bereich, einen zweiten Source-/Drain-Bereich, einen Kanal-Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Source-/Drain-Bereich, einen Gate-Bereich und eine Gate-isolierende Schicht zwischen Kanal-Bereich und Gate-Bereich. Ein Ansteuer-Schaltkreis der Polymertransistor-Anordnung ist derart eingerichtet, dass er den Source-/Drain-Bereichen und dem Gate-Bereich derartige elektrische Potentiale bereitstellt, dass der Übergang zwischen mindestens einem der Source-/Drain-Bereiche und dem Kanal-Bereich als Diode betreibbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Polymertransistor-Anordnung, eine Integrierte Schaltkreis-Anordnung und ein Verfahren zum Herstellen einer Polymertransistor-Anordnung.
Um elektrische Schaltungen herzustellen, die analoge Signale verarbeiten können, werden häufig sogenannte absolute Referenzspannungsquellen benötigt. Aus [1] ist es bekannt, Dioden als elektrische Bauelemente für Referenzspannungsquellen zu verwenden.
Ein wichtiges Gebiet der modernen Elektronik ist die sogenannte Polymer-Elektronik, bei der Polymer-Werkstoffe als Material zum Ausbilden von elektrischen Schaltkreisen bzw. Schaltkreis-Komponenten verwendet werden. In [2] ist ein Überblick über organische Dünnfilm-Transistoren auf der Basis von Polymer-Materialien gegeben.
Probleme ergeben sich, wenn im Rahmen der Polymerelektronik eine Referenzspannungsquelle ausgebildet werden soll, da es bisher keine zufriedenstellende technische Lösung für Dioden im Rahmen einer einfachen Polymer-Technologie gibt.
Somit sind in der Polymer-Elektronik keine der CMOS- oder Bipolar- bzw. der allgemeinen Silizium-Schaltungstechnik vergleichbare Referenzspannungs-Schaltkreise bekannt.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Möglichkeiten zum Erzeugen von Referenzspannungen sind (abgesehen von einfachen Spannungsteilern bezogen auf eine Versorgungsspannung) nicht auf die Polymertransistor-Technologie übertragbar, da es dort a priori keine pn-Übergänge als Basis für Dioden oder Bipolar-Transistoren gibt. Eine Diode ist jedoch für eine ausreichend genaue Referenzspannungsquelle in Silizium-Technologie üblicherweise erforderlich.
Der Erfindung liegt somit das Problem zugrunde, für den Bereich der Polymerelektronik mit geringem Aufwand ein diodenähnliches Bauelement bereitzustellen.
Das Problem wird durch eine Polymertransistor-Anordnung, durch eine Integrierte Schaltkreis-Anordnung und durch ein Verfahren zum Herstellen einer Polymertransistor-Anordnung mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Die erfindungsgemäße Polymertransistor-Anordnung weist einen in und/oder auf einem Substrat ausgebildeten Polymertransistor auf. Der Polymertransistor enthält einen ersten Source-/Drain-Bereich, einen zweiten Source-/Drain-Bereich, einen Kanal-Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Source-/Drain-Bereich sowie einen Gate-Bereich. Ferner enthält der Polymertransistor eine Gate-isolierende Schicht zwischen Kanal-Bereich und Gate-Bereich. Die Polymertransistor-Anordnung weist ferner einen Ansteuer-Schaltkreis auf, der derart eingerichtet ist, dass er den Source-/Drain-Bereichen und dem Gate-Bereich derartige elektrische Potentiale bereitstellt, dass der Übergang zwischen mindestens einem der Source-/Drain-Bereiche und dem Kanal-Bereich als Diode betreibbar ist.
Ferner ist erfindungsgemäß eine Integrierte Schaltkreis-Anordnung mit mindestens einer Polymertransistor-Anordnung mit den beschriebenen Merkmalen bereitgestellt.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen einer Polymertransistor-Anordnung wird ein Polymertransistor in und/oder auf einem Substrat ausgebildet, indem ein erster Source-/Drain-Bereich ausgebildet wird, ein zweiter Source /Drain-Bereich ausgebildet wird und ein Kanal-Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Source-/Drain-Bereich ausgebildet wird. Darüber hinaus wird ein Gate-Bereich ausgebildet. Ferner wird eine Gate-isolierende Schicht zwischen Kanal-Bereich und Gate-Bereich ausgebildet. Darüber hinaus wird ein Ansteuer-Schaltkreis der erfindungsgemäßen Polymertransistor-Anordnung ausgebildet und derart eingerichtet, dass er den Source-/Drain-Bereichen und dem Gate-Bereich derartige elektrische Potentiale bereitstellt, dass der Übergang zwischen mindestens einem der Source/Drain-Bereiche und dem Kanal-Bereich als Diode betrieben wird.
Eine Grundidee der Erfindung beruht darauf, einen Übergang zwischen einem der Source-/Drain-Bereiche eines Polymertransistors und dem Kanal-Bereich so zu verschalten, dass er als Diode verwendet werden kann. Hierfür wird ein geeigneter Arbeitspunkt gewählt, indem an die Source-/Drain-Bereiche und den Gate-Bereich entsprechende elektrische Potentiale angelegt werden, bei denen einer der Source-/ Drain-Bereiche als Diode verwendbar ist. Somit ist es erfindungsgemäß auch im Bereich der Polymerelektronik ermöglicht, eine Diode als integrierte Schaltkreis-Komponente zu haben. Diese muss darüber hinaus nicht als separates Bauelement ausgebildet werden, sondern kann als Übergang zwischen einem Source-/Drain-Bereich und dem Kanal-Bereich mitverwendet werden.
Unter Verwendung einer solchen Diode ist es erfindungsgemäß auch ermöglicht, in Polymerelektronik einen Referenzspannungs-Schaltkreis zu realisieren.
Bei Polymertransistoren, wie sie beispielsweise in [2] beschrieben sind, wird der Übergang zwischen einem Source-/ Drain-Bereich und einem elektrisch halbleitenden Kanal-Bereich mittels eines Schottky-Übergangs hergestellt, vgl. [3]. Eine Schottky-Diode ist eine Diode, die anstelle eines pn-Übergangs einen Metall-Halbleiter-Kontakt bzw. einen Metall-Polymer-Kontakt verwendet, wobei das Metall eine andere Austrittsarbeit als das kontaktierte andere Material besitzt. Ein Metall-Polymer-Kontakt kann als Diode angesehen werden, da er ein Verhalten aufweist, das eine Gleichrichtungs-Funktionalität bezüglich eines angelegten elektrischen Signals aufweist.
Bei einem Polymertransistor ist eine solche Schottky-Diode sowohl auf der Seite des ersten Source-/Drain-Bereichs als auch auf der Seite des zweiten Source-/Drain-Bereichs in Serie mit dem eigentlichen Feldeffekttransistor geschaltet. Eine solche Diode ist allerdings nicht beidseitig kontaktierbar, da das den Kanal-Bereich des Polymertransistors bildende Polymer-Material nicht ohne einen weiteren Schottky-Übergang elektrisch zugänglich ist. Die Schottky-Diode, wie sie sich aufgrund der technologischen Randbedingungen notwendigerweise an den Kontaktstellen zwischen Source-/Drain-Bereichen und Kanal-Bereich des Polymertransistors ergibt, lässt sich in geeigneten Arbeitspunkten des Transistors mittels Anlegens einer geeigneten Gate-Spannung derart steuern, dass sie das elektrische Verhalten des Transistors dominiert bzw. maßgeblich beeinflusst. Bei Wahl eines geeigneten Arbeitspunktes ist nur der eine der beiden Schottky-Übergänge für den Stromfluss bestimmend. Dann sind der Kleinsignal-Widerstand des Transistors und der anderen Schottky-Diode (in einem Grenzbereich zwischen dem anderen Source-/Drain-Bereich und dem Kanal-Bereich) klein gegenüber dem ohmschen Widerstand der strombestimmenden Schottky-Diode (zwischen dem ersten Source-/Drain-Bereich und dem Kanal-Bereich).
Bei Wahl einer Gate-Spannung eines ausreichend großen Betrags und einer Drain-Spannung eines ausreichend kleinen Betrags ist vor allem der in Sperrrichtung geschaltete Schottky-Übergang bestimmend für den Stromfluss. Der durch ihn fließende Strom steigt annähernd exponentiell mit der angelegten Drain-Spannung an und eignet sich daher als Ersatz für eine Z-Diode oder einen Bipolar-Transistor. Als Z-Diode wird eine Diode bezeichnet, die für den Betrieb im Durchbruchbereich der Kennlinie ausgelegt ist. Z-Dioden werden häufig zur Spannungsstabilisierung verwendet.
Somit können erfindungsgemäß Schaltungen mit mindestens einer Diode, wie sie für die Silizium-Technologie bekannt sind, auf Polymertechnologie übertragen werden. Eine als Spannungsreferenz verwendete pn-Diode wird durch einen mit einer Gate-Spannung eines ausreichend großen Betrags und einer Drain-Spannung eines ausreichend kleinen Betrags betriebenen Polymertransistor ersetzt, so dass dieser ähnliche oder identische Eigenschaften wie eine Schottky-Diode aufweist. Der Referenzcharakter der Silizium-Bandlückenenergie in einer pn-Diode wird somit anschaulich durch die Differenz der Austrittsarbeiten zwischen Metall und Polymer ersetzt.
Erfindungsgemäß ist ein Polymertransistor anschaulich derart verschaltet, dass der Übergang zwischen einem der Source-/ Drain-Bereiche und dem Kanal-Bereich als Diode eingerichtet bzw. betreibbar ist. Anschaulich ist der Polymertransistor derart verschaltet, dass er eine Gate-gesteuerte Diode darstellt.
Es ist anzumerken, dass sowohl der Polymertransistor als auch der Ansteuer-Schaltkreis vollständig in Polymer-Technologie ausgebildet sein können.
Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Der Ansteuer-Schaltkreis kann derart eingerichtet sein, dass er derartige elektrische Potentiale an die Source-/Drain-Bereiche und an den Gate-Bereich anlegt, dass der Übergang zwischen einem der beiden Source-/Drain-Bereiche und dem Kanal-Bereich als in Sperrrichtung gepolte Diode geschaltet ist. In diesem Fall ist der Übergang zwischen dem anderen der beiden Source-/Drain-Bereiche und dem Kanal-Bereich als in Durchlassrichtung gepolte Diode geschaltet. Die in Sperrrichtung gepolte Diode ist dann für den ohmschen Widerstand der Polymertransistor-Anordnung dominant.
Der Wert der an die Source-/Drain-Bereiche zum Steuern der Diode angelegten elektrischen Potentiale kann basierend auf der Dicke und/oder dem Wert der Dielektrizitätskonstante der Gate-isolierenden Schicht des Polymertransistors gewählt werden. Auch der Wert der Gate-Spannung kann basierend auf diesen oder anderen Kriterien eingestellt sein. Vorzugsweise wird der (betragsmäßige) Wert der Gate-Spannung im Wesentlichen proportional zu dem Wert der Dielektrizitätskonstante der Gate-isolierenden Schicht gewählt.
Als Material der Source-/Drain-Bereiche der Polymertransistor-Anordnung kann ein metallisches oder ein Polymer-Material verwendet werden. Für den Kanal-Bereich wird vorzugsweise ein Polymer-Material verwendet. Bei Verwendung eines ersten Polymer-Materials für die Source-/Drain-Bereiche und eines zweiten Polymer-Materials für den Kanal-Bereich kann der Übergang zwischen dem ersten und dem zweiten Polymer-Material als pn-Übergang, als ip-Übergang oder als in-Übergang verwendet werden. Wird als Material für die Source-/Drain-Bereiche ein metallisches Material verwendet und für den Kanal-Bereich ein Polymer-Material, so liegt ein Schottky-Übergang vor. Allgemein kann das Substrat und können die Source-/Drain-Bereiche aus einem solchen Material hergestellt sein, dass der Übergang zwischen einem der Source-/Drain-Bereiche und dem Kanal-Bereich ein Schottky-Übergang, ein pn-Übergang, ein in-Übergang oder ein ip-Übergang ist.
Der Ansteuer-Schaltkreis kann derart eingerichtet sein, dass der Betrag der Gate-Spannung größer als der Betrag der Spannung zwischen den Source-/Drain-Bereichen ist. Vorzugsweise kann der Ansteuer-Schaltkreis derart eingerichtet sein, dass der Betrag der bereitgestellten Gate-Spannung wesentlich größer als der Betrag der Spannung zwischen den Source-/Drain-Bereichen ist. Weiter vorzugsweise ist der Betrag der Gate-Spannung mindestens um ungefähr eine Größenordnung größer als der Betrag der Spannung zwischen den Source-/Drain-Bereichen.
Bei der Polymertransistor-Anordnung können die Übergänge zwischen jeweils einem der Source-/Drain-Bereiche und dem Kanal-Bereich zueinander geometrisch asymmetrisch ausgebildet sein. Mittels dieser Maßnahme können anschaulich die genannten Übergänge mit unterschiedlichen strukturellen und folglich unterschiedlichen physikalischen Eigenschaften realisiert sein. Dadurch kann technologisch das unterschiedliche Ansteuern der beiden Dioden mittels Anlegens elektrischer Potentiale an die Anschlüsse des Polymertransistors unterstützt werden. Somit können die beiden Übergänge strukturell beispielsweise in einer solchen Weise unterschiedlich ausgebildet werden, dass ein elektrisches Ansteuern von einem der Übergänge als Diode dadurch erleichtert oder erschwert wird.
Zu diesem Zweck kann einer der Source-/Drain-Bereiche zumindest teilweise auf dem organischen Halbleiter ausgebildet sein und der andere Source-/Drain-Bereich zumindest teilweise unterhalb des organischen Halbleiters ausgebildet sein. In diesem Fall ergibt sich eine wesentlich bessere Leitfähigkeit bei dem oberhalb des organischen Halbleiters angeordneten Kontakt, so dass der Diodenübergang an dem anderen Kontakt den Stromfluss dominiert.
Im Weiteren wird die erfindungsgemäße integrierte Schaltkreis-Anordnung, die mindestens eine erfindungsgemäße Polymertransistor-Anordnung aufweist, näher beschrieben. Ausgestaltungen der integrierten Schaltkreis-Anordnung gelten auch für die Polymertransistor-Anordnung und umgekehrt.
Die Integrierte Schaltkreis-Anordnung kann als Referenzspannungs-Schaltkreis eingerichtet sein, vorzugsweise als temperaturkompensierter Referenzspannungs-Schaltkreis.
Die integrierte Schaltkreis-Anordnung kann auch als Stromquelle eingerichtet sein.
Ferner kann die integrierte Schaltkreis-Anordnung als Spannungsregel-Schaltkreis eingerichtet sein.
Die integrierte Schaltkreis-Anordnung kann auch als Kombination der genannten Schaltkreis-Typen eingerichtet sein. Zum Beispiel kann die erfindungsgemäße integrierte Schaltkreis-Anordnung eine Stromquelle mit einer ersten Polymertransistor-Anordnung und eine Referenzspannungsquelle mit einer zweiten Polymertransistor-Anordnung aufweisen.
Ferner können abgesehen von dem oder den Polymertransistoren auch andere Komponenten des erfindungsgemäßen integrierten Schaltkreises aus Polymer-Material hergestellt sein. Beispielsweise kann ein Operationsverstärker ebenfalls in Polymer-Elektronik ausgebildet sein.
Ausführungsbeispiele sind in den Figuren dargestellt und werden im Weiteren näher erläutert.
Es zeigen:
1 eine Polymertransistor-Anordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 einen Ersatz-Schaltkreis einer Polymertransistor-Anordnung gemäß der Erfindung,
3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Drain-Stroms von der Source-/Drain-Spannung eines Polymertransistors gemäß der Erfindung zeigt,
4 einen Referenzspannungs-Schaltkreis als integrierte Schaltkreis-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
5 einen Referenzspannungs-Schaltkreis als integrierte Schaltkreis-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
6 einen Spannungsregel-Schaltkreis als integrierte Schaltkreis-Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
7 einen temperaturkompensierten Referenzspannungs-Schaltkreis als integrierte Schaltkreis-Anordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
8 einen Polymertransistor einer Polymertransistor-Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
9 einen Polymertransistor einer Polymertransistor-Anordnung gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gleiche oder ähnliche Komponenten in unterschiedlichen Figuren sind mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf l eine Polymertransistor-Anordnung 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Die Polymertransistor-Anordnung 100 weist einen auf einem Substrat 101 ausgebildeten Polymertransistor auf. Dieser enthält einen auf dem Substrat 101 ausgebildeten Gate-Bereich 106 aus Titan-Material. Auf dem Gate-Bereich 106 ist eine PVP-Schicht (Polyvinylphenol) als Gate-isolierende Schicht 105 ausgebildet. Das Ausbilden der Gate-isolierenden Schicht 105 erfolgt mittels Aufbringens von PVP-Material und mittels photolithographischen Strukturierens der Schicht aus PVP-Material, wodurch die Gate-isolierende Schicht 105 zurückbleibt. Auf einem Teil des Substrats 101 und auf einem Teil der Gate-isolierenden Schicht 105 ist ein erster Source-/Drain-Bereich 102 aus Gold-Material ausgebildet. Auf einem anderen Teil des Substrats 101 und auf einem anderen Teil der Gate-isolierenden Schicht 105 ist ein zweiter Source-/Drain-Bereich 103 aus Gold-Material ausgebildet. Ferner ist auf beiden Source-/Drain-Bereichen 102, 103 und auf einem zwischen diesen angeordneten Bereich der Gateisolierenden Schicht 105 eine aktive Pentacen-Schicht ausgebildet, deren zentraler Abschnitt als Kanal-Bereich 104 dient. Es ist anzumerken, dass Pentacen ein organisches, halbleitendes Material ist. Zumindest ein Teil der Komponenten des Polymertransistors kann aufgedruckt werden. Mittels eines Ansteuer-Schaltkreises 107, der mit den beiden Source-/Drain-Bereichen 102, 103 und mit dem Gate-Bereich 106 mittels elektrisch leitfähiger Kopplungsmittel 108 elektrisch gekoppelt ist, ist den Source-/Drain-Bereichen 102, 103 und dem Gate-Bereich 105 jeweils ein derartiges elektrisches Potential bereitgestellt, dass der Übergang zwischen einem der Source-/Drain-Bereiche 102 oder 103 und dem Kanal-Bereich 104 als Diode betreibbar ist.
Die Gate-isolierende Schicht 105 kann alternativ aus Siliziumoxid (z.B. generiert mittels thermischen Oxidierens von Silizium-Material), Aluminiumoxid oder PVP (Polyvinylphenol) hergestellt sein. Der Gate-Bereich 106 kann alternativ auch aus Palladium oder Gold hergestellt werden. Beispiele für Polymer-Materialien, die zum Ausbilden des erfindungsgemäßen Polymertransistors bzw. anderer Schaltkreiskomponenten verwendet werden können, sind v.a. sich wiederholende Ketten von Kohlenstoff-haltigen Molekülen. Zum Beispiel können Pentacen, Poly(3-hexylthiophen), organisch-anorganische Hybride wie (C₆H₅C₂H₄NH₃) ₂SnI₄, C₆₀ oder α,ω-Dihexyl Quinquethiophen (DHα5T) verwendet werden.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 2 ein Ersatz-Schaltbild 200 des erfindungsgemäß verschalteten Polymertransistors beschrieben.
Das Ersatzschaltbild 200 zeigt die Komponenten aus 1 sowie eine erste Diode 201 als schaltungstechnisches Äquivalent des Übergangs zwischen dem ersten Source-/Drain-Bereich 102 und dem Kanal-Bereich 104 sowie eine zweite Diode 202 als schaltungstechnisches Äquivalent für den Übergang zwischen dem Kanal-Bereich 104 und dem zweiten Source-/Drain-Bereich 103. Ferner sind erste und zweite ohmsche Widerstände 203, 204 zum Modellieren von Kontakteffekten in 2 eingezeichnet, die zwischen jeweils einem der Source-/Drain-Bereiche 102, 103 einerseits und jeweils einem Anschluss einer jeweiligen Diode 201, 202 andererseits angeordnet sind.
Anschaulich wird erfindungsgemäß der Arbeitspunkt der Polymertransistor-Anordnung 100 mittels Anlegens geeigneter elektrischer Spannungen eingestellt, die mittels des Ansteuer-Schaltkreises 107 an die Anschlüsse 102, 103, 106 in einer solchen Weise angelegt sind, dass von den beiden in 2 gezeigten Dioden 201, 202 nur eine schaltungstechnisch als Diode funktioniert, wohingegen die andere der beiden Dioden sehr niederohmig ist. Alternativ können auch beide Dioden 201, 202 als Dioden betrieben werden. In 2 ist schematisch angedeutet, dass die Dioden 201, 202 auch mittels eines an den Gate-Bereich 106 angelegten elektrischen Potentials beeinflusst werden.
Bezeichnet man den Spannungsabfall an der Diode 201 als V_d1 den Spannungsabfall an der Diode 202 als Vd₂, den Spannungsabfall am Kanal-Bereich 104 als V_i, die Spannung zwischen dem ersten Source-/Drain-Bereich 102 und dem Gate-Bereich 106 als V_gs, die Spannung zwischen dem zweiten Source-/Drain-Bereich 103 und dem Gate-Bereich 106 als V_gd, die Spannung zwischen den Source-/Drain-Bereichen 102, 103 als V_ds, so sollten die Spannungen betragsmäßig folgende Beziehungen erfüllen: V_gs>V_gd>>Vds; V_d1>V_d2>>V_i
In diesem Fall funktioniert vor allem die erste Diode 201 auch schaltungstechnisch als Diode.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf das Diagramm 300 aus 3 beschrieben, wie der Arbeitspunkt der Polymertransistor-Anordnung 100 gewählt wird, um einen der beiden Übergänge zwischen einem der beiden Source-/Drain-Bereiche 102, 103 einerseits und dem Kanal-Bereich 104 andererseits als Diode zu betreiben.
In dem Diagramm 300 ist entlang einer Abszisse 301 die elektrische Spannung zwischen den beiden Source-/Drain-Bereichen 102, 103 aufgetragen. Entlang einer Ordinate 302 ist der elektrische Strom an dem zweiten Source-/Drain-Anschluss 103 aufgetragen. Ferner sind in 3 erste bis dritte Kennlinien 303 bis 305 gezeigt, wobei die erste Kennlinie 303 einer Spannung zwischen dem Gate-Bereich 105 und dem ersten Source-/Drain-Bereich 102 von 0Volt, die zweite Kennlinie 304 einer Spannung von –5Volt und die dritte Kennlinie 305 einer Spannung von –10Volt entspricht.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel sind die Arbeitspunkte, welcher der dritten Kennlinie 305 entsprechen, gut geeignet, um die Polymertransistor-Anordnung 100 so zu betreiben, dass eine der beiden Dioden 201, 202 tatsächlich als Diode betreibbar ist. Besonders gut geeignet ist der Arbeitsbereich auf der dritten Kennlinie 305 im Bereich betragsmäßig kleiner Spannungen zwischen den beiden Source-/Drain-Bereichen 102, 103, d.h. in dem gemäß 3 oberen rechten Bereich des Diagramms 300.
Bei einem geeigneten Arbeitspunkt ist die (betragsmäßige) Spannung zwischen dem Gate-Bereich 106 und dem ersten Source-/Drain-Bereich 102 durch die Oxidkapazität pro Fläche (der Betrag der Spannung zwischen dem Gate-Bereich 106 und dem ersten Source-/Drain-Bereich 102 ist dazu näherungsweise indirekt proportional) gegeben. Ferner sollte die elektrische Spannung zwischen dem Gate-Bereich 106 und dem ersten Source-/Drain-Bereich 102 betragsmäßig so groß wie möglich sein, das heißt, so nahe wie möglich an einer maximal zulässigen Spannung. Dagegen sollte der Betrag der Spannung zwischen den beiden Source-/Drain-Bereichen 102, 103 möglichst nahe bei 0Volt liegen. Die maximal zulässige Spannung hängt vor allem von der Qualität (insbesondere von der Ausgangssteilheit) des Polymertransistors ab. Ist der Wert der Ausgangssteilheit klein gegen den Diodenleitwert des Schottky-Übergangs, so dominiert die Schottky-Diode den elektrischen Strom und der Transistor verhält sich in diesem Arbeitspunkt wie eine Diode.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 4 ein Referenzspannungs-Schaltkreis 400 als integrierte Schaltkreis-Anordnung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Bei dem Referenzspannungs-Schaltkreis 400 ist zwischen das elektrische Masse-Potential 402 und einen ersten Anschluss einer Stromquelle 403 eine Eingangsspannung 401 Vin angelegt. Zwischen dem anderen Anschluss der Stromquelle 403 und dem elektrischen Masse-Potential 402 liegt eine Referenzspannung 404 Vref. Ferner ist der erste Source-/Drain-Bereich 102 eines Polymertransistors 406 mit dem zweiten Anschluss der Stromquelle 403 gekoppelt. Der zweite Source-/Drain-Bereich 103 des Polymertransistors 403 liegt auf dem elektrischen Masse-Potential 402. An den Gate-Bereich 106 ist die Vorspannung 405 Vbias angelegt.
Der Polymertransistor 406 ist mittels Anlegens der Vorspannung Vbias auf einen solchen Arbeitspunkt gebracht, dass er wie eine Schottky-Diode arbeitet. Gemäß dem vorgegebenen Arbeitspunkt ist eine betragsmäßig große Gate-Spannung und sind betragsmäßig kleine Drain-Spannungen an die Anschlüsse des Polymertransistors 406 angelegt. In dem Pfad zwischen der Eingangsspannung 401 Vin und der Referenzspannung 404 Vref fließt durch die Stromquelle 403 ein konstanter elektrischer Strom. Wird an dem Knoten der Referenzspannung 404 Vref ein erhöhter elektrischer Strom abgezweigt, fließt zugleich ein kleinerer elektrischer Strom durch den Polymertransistor 406, da ansonsten die elektrische Spannung an der Referenzspannung 404 Vref stark erniedrigt wird und somit exponentiell weniger Strom durch den Polymertransistor 406 fließen kann. Die Einstellung der Vorspannung 405 Vbias ist hinsichtlich der Größe des elektrischen Stroms nicht allzu sensitiv, solange man sich in dem geeigneten Arbeitspunkt-Bereich befindet. Daher kann in vielen Fällen die Eingangsspannung 401 Vin mit der Vorspannung 405 gemeinsam vorgesehen werden.
Anschaulich ist bei dem in 4 gezeigten Referenzspannungs-Schaltkreis 400 die Diode zwischen dem Kanal-Bereich 104 und dem zweiten Source-/Drain-Bereich 103 als Z-Diode zur Spannungsstabilisierung verschaltet. Die unstabilisierte Eingangsspannung Vin 401 wird über die Stromquelle 403 auf dem Polymertransistor 406 mit der gemäß 4 unteren Diode als Z-Diode gegeben.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 5 ein Referenzspannungs-Schaltkreis 500 als integrierte Schaltkreis-Anordnung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Der Referenzspannungs-Schaltkreis 500 unterscheidet sich von dem in 4 gezeigten Referenzspannungs-Schaltkreis 400 im Wesentlichen dadurch, dass als Stromquelle 403 ein anderer Polymer-Transistor 501 verwendet wird, an dessen Gate-Anschluss eine andere Vorspannung 502 Vbias2 angelegt ist. Der andere Polymer-Transistor 501 ist im Wesentlichen aufgebaut wie der Polymertransistor 406. Die Vorspannung 405 an dem Gate-Bereich 106 des Polymertransistors 406 ist in 5 mit Vbias1 (anstatt Vbias) bezeichnet.
Insbesondere ist Vbias2 derart gewählt, dass der andere Polymertransistor 501 in Sättigung betrieben wird.
Im Prinzip kann der Wert der erhaltenen Referenzspannung mittels Einstellens einer Anzahl von in Serie geschalteten Schottky-Übergängen eingestellt werden, das heißt mehrerer in Reihe geschalteter Polymertransistoren 406 in dem Strompfad zwischen Masse-Potential 402 und Referenzspannung 404. Es ist insbesondere vorteilhaft, in diesem Fall für jeden der Polymertransistoren in dem beschriebenen Stromzweig eine eigene Vorspannung an dem jeweiligen Gate-Bereich bereitzustellen, um einen jeweils geeigneten Dioden-Arbeitspunkt zu erhalten.
Es ist anzumerken, dass der andere Polymertransistor 501 in 4 samt dessen Verschaltung selbst als integrierte Schaltkreis-Anordnung gemäß der Erfindung, eingerichtet als Stromquelle, aufgefasst werden kann.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 6 ein Spannungsregel-Schaltkreis 600 als integrierte Schaltkreis-Anordnung gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Der Spannungsregel-Schaltkreis 600 weist einen Operationsverstärker 602 auf, dem eine Betriebsspannung 601 bereitgestellt ist. Ferner ist dem Operationsverstärker 602 das Masse-Potential 402 als unterer Spannungs-Bezugspunkt bereitgestellt. Ein Ausgang 602c des Operationsverstärkers 602 ist über einen ersten ohmschen Widerstand 603 mit einem nicht-invertierenden Eingang 602a des Operationsverstärkers 602 rückgekoppelt. Ferner ist der Ausgang 602c über einen zweiten ohmschen Widerstand 604 mit einem invertierenden Eingang 602b des Operationsverstärkers 602 rückgekoppelt. Darüber hinaus ist der Ausgang 602c auf der Referenzspannung 404 Vref. Zwischen den zweiten ohmschen Widerstand 604 und das elektrische Masse-Potential 402 ist ein dritter ohmscher Widerstand 605 geschaltet. Zwischen den ersten ohmschen Widerstand 603 und das elektrische Masse-Potential 402 sind die beiden Source-/Drain-Anschlüsse 102, 103 des Polymertransistors 406 geschaltet. An den Gate-Anschluss 106 des Polymertransistors 406 ist die Vorspannung 405 Vbias angelegt.
Die stabilisierte Referenzspannung Vref 404 wird mittels der zweiten und dritten ohmschen Widerstände 604, 605 bestimmt. Der elektrische Strom durch den Polymertransistor 406 bewirkt, dass die Spannung Vref auf einem konstanten Wert gehalten ist, welche anschaulich mittels der Knickspannung der Schottky-Diode des Polymertransistors 406 festegelegt ist. Schwankungen der Betriebsspannung 601 Vdd werden durch die Gleichtaktunterdrückung des Operationsverstärkers 602 unterdrückt.
Wiederum dient der Polymertransistor 406 bei dem Spannungsregel-Schaltkreis 600 als Ersatz für eine Z-Diode. Wiederum ist diejenige Schottky-Diode des Polymertransistors 406, die zwischen dem Kanal-Bereich 104 und dem zweiten Source-/Drain-Bereich 103 angeordnet ist, die aufgrund der erfindungsgemäßen Verschaltung betreibbare Diode.
Der Wert der Referenzspannung 404 Vref kann mittels Einstellens der Anzahl der von in Serie geschalteten Polymertransistoren 406 verändert werden. Hierfür sind (abweichend von 6) in den Stromzweig zwischen dem nichtinvertierenden Eingang 602a und dem Masse-Potential 402, in welchen der Polymertransistor 406 geschaltet ist, eine Mehrzahl von Polymertransistoren in Serie zu schalten. In diesem Fall könnten die mehreren, in Reihe geschalteten Polymertransistoren alle mit derselben Vorspannung Vbias 405 betrieben werden.
Es ist anzumerken, dass der Wert des ersten ohmschen Widerstands 603 einen Einfluss auf die Größe der Referenzspannung Vref haben kann.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 7 ein temperaturkompensierter Referenzspannungs-Schaltkreis 700 als integrierte Schaltkreis-Anordnung gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Zwischen einen Anschluss, an dem eine Versorgungsspannung 401 bereitgestellt ist, und einen nicht-invertierenden Eingang 702a eines Operationsverstärkers 702 ist ein erster ohmscher Widerstand 703 geschaltet. Zwischen die Versorgungsspannung 701 und einen invertierenden Eingang 702b des Operationsverstärkers 702 ist ein zweiter ohmscher Widerstand 704 geschaltet. Ein Ausgang 702c des Operationsverstärkers 702 ist auf dem elektrischen Potential der Referenzspannung Vref 404. Ferner ist der Ausgang 702c mit einem dritten ohmschen Widerstand 705 gekoppelt. Der dritte ohmsche Widerstand 705 ist mit dem Gate-Bereich 106 des Polymertransistors 406 gekoppelt. Der erste Source-/Drain-Bereich 102 des Polymertransistors 406 ist mit dem ersten ohmschen Wiederstand 703 gekoppelt. Der zweite Source-/Drain-Bereich 103 des Polymertransistors 406 ist mit einem vierten ohmschen Widerstand 706 gekoppelt. Ferner ist zwischen dem vierten ohmschen Widerstand 706 und dem elektrischen Masse- Potential 402 ein fünfter ohmscher Widerstand 707 geschaltet. Der vierte ohmsche Widerstand 706 ist mit einem ersten Source-/Drain-Bereich eines anderen Polymertransistors 501 gekoppelt. Der zweite Source-/Drain-Bereich des anderen Polymertransistors 501 ist mit dem zweiten ohmschen Widerstand 704 und mit dem invertierenden Eingang 702b des Operationsverstärkers 702 gekoppelt. Der Gate-Anschluss des anderen Polymertransistors 501 ist mit dem Gate-Anschluss des Polymertransistors 406 gekoppelt. Ferner ist zwischen dem Gate-Bereich des anderen Polymertransistors 501 und dem elektrischen Masse-Potential 402 ein sechster ohmscher Widerstand 708 geschaltet.
Unter Verwendung der Eigenschaft des Operationsverstärkers 702, die an zwei Eingängen 702a, 702b bereitgestellten elektrischen Spannungen voneinander abzuziehen, lässt sich der Spannungs-Referenzschaltkreis 700 generieren, welcher insbesondere lineare Temperaturgradienten der Bauelemente des Schaltkreises kompensiert. Die ersten und zweiten ohmschen Widerstände 703, 704 sind bei dem temperaturkompensierten Referenzspannungs-Schaltkreis 700 derart dimensioniert, dass über sie die gleiche elektrische Spannung abfällt. Mittels des vierten ohmschen Widerstands 706 wird eine kleine Spannungsdifferenz zwischen den Source-/Drain-Anschlüssen der Polymertransistoren 406, 501 erzeugt. Die Änderung des elektrischen Stroms am fünften ohmschen Widerstand 707 bei einer Temperaturänderung hängt dann von der Dimensionierung der beiden Transistoren 406, 501 relativ zueinander ab (beispielsweise die Dimensionierung der Gate-Weiten dieser Transistoren). Da die elektrischen Ströme durch beide Transistoren 406, 501 zu einem Spannungsabfall über den fünften ohmschen Widerstand 707 führen, führt auch deren temperaturabhängige Änderung zu einem entsprechenden Spannungsabfall über den fünften ohmschen Widerstand 707. Sind die Charakteristika der beiden Transistoren 406, 501 und des fünften ohmschen Widerstands 707 derart eingestellt, dass die Spannungsänderung bei einer Veränderung der Temperatur ausreichend exakt durch die Änderung des Einflusses der Gate-Spannung auf die Polymertransistoren 406, 501 kompensiert wird, so ist die Schaltung 700 von einem (linearen) Temperaturgang frei und stellt eine temperaturkompensierte Spannungsquelle dar. Die Gate-Spannung an den Polymertransistoren 406, 501 ist ferner derart einzustellen, dass beide Polymertransistoren 406, 501 eine ausreichend große betragsmäßige Spannungsdifferenz zwischen dem jeweiligen Gate-Anschluss und einem der beiden Source-/Drain-Anschlüsse aufweisen und der Strom durch die Polymertransistoren 501, 406 zu einem nur geringen Spannungsabfall führt.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 8 ein Polymertransistor 800 einer erfindungsgemäßen Polymertransistor-Anordnung gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Der Polymertransistor 800 weist ein Substrat 101 mit einem ersten und einem zweiten Oberflächenbereich auf, wobei auf dem ersten Oberflächenbereich ein metallischer Gate-Bereich 106 aufgebracht ist. Auf dem zweiten Oberflächenbereich ist ein erster Source-/Drain-Bereich 102 aus Gold-Material aufgebracht. Auf dem Gate-Bereich ist eine Gate-isolierende Schicht 105 ausgebildet. Ferner ist ein Kanal-Bereich 104 aus einem halbleitenden Polymer auf einem Oberflächenbereich der so erhaltenen Schichtenfolge ausgebildet, welcher Kanal-Bereich 104 sowohl den mit der Gate-isolierenden Schicht 105 bedeckten Gate-Bereich 106 als auch den ersten Source-/ Drain-Bereich 102 bedeckt. Teilweise auf dem Substrat 101 und teilweise auf dem Kanal-Bereich 104 ist ein zweiter Source-/ Drain-Bereich 103 aus Gold-Material ausgebildet.
Wie in 8 gezeigt, sind die Übergangs-Bereiche zwischen jeweils einem der Source-/Drain-Bereiche 102, 103 einerseits und dem Kanal-Bereich 104 andererseits zueinander geometrisch in asymmetrischer Weise ausgebildet. Der zweite Source-/ Drain-Bereich 103 ist teilweise auf dem Kanal-Bereich 104 ausgebildet, und der erste Source-/Drain-Bereich 102 ist im Wesentlichen unterhalb des Kanal-Bereichs 104 ausgebildet. Mittels dieser asymmetrischen Anordnung der beiden Source-/ Drain-Bereiche zueinander ist realisiert, dass die Übergangsbereiche zwischen jeweils einem der Source-/Drain-Bereiche 102, 103 und dem jeweils angrenzenden Teil des Kanal-Bereichs 104, von welchen Übergängen zumindest einer erfindungsgemäß als Diode betrieben wird, unterschiedliche strukturelle Eigenschaften aufweisen. Diese strukturellen Eigenschaften führen zu unterschiedlichen funktionellphysikalischen Eigenschaften der beiden Übergangsbereiche. Anschaulich kann bei einem asymmetrischen Vorsehen der beiden Übergänge technologisch unterstützt werden, dass die unterschiedlichen Übergänge mittels Anlegens unterschiedlicher elektrischer Potentiale an den Anschlüssen des Polymer-Transistors in einer unterschiedlichen Funktionalität betrieben werden können. So kann erfindungsgemäß beispielsweise einer der Übergänge ausreichend niederohmig ausgeführt sein, so dass er kaum Einfluss auf den Stromfluss hat, und der andere als leitende Diode verschaltet sein. Dies kann geometrisch unterstützt werden.
Im Weiteren wird bezugnehmend auf 9 ein Polymer-Transistor 900 einer erfindungsgemäßen Polymertransistor-Anordnung gemäß einem anderen bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.
Ruf einem Substrat 101 wird ein Gate-Bereich 106 ausgebildet, welcher mit einer Gate-isolierenden Schicht 105 bedeckt wird. Teilweise angrenzend an die Gate-isolierende Schicht 105 und teilweise auf dem Substrat 101 wird ein erster Source-/Drain-Bereich 102 ausgebildet. Die ausgebildeten Komponenten werden mit halbleitendem Polymer-Material als Kanal-Bereich 104 bedeckt. Teilweise auf dem Substrat 101 und teilweise auf dem Kanal-Bereich 104 wird ein zweiter Source-/Drain-Bereich 103 ausgebildet.
Auch die Polymertransistor-Anordnung 900 weist eine ausgeprägte geometrische Asymmetrie bezüglich der beiden Source-/Drain-Bereiche 102, 103 auf. Dieses bewirkt wiederum einen signifikanten Unterschied in den physikalischen Eigenschaften der Übergänge zwischen einem der Source-/Drain-Bereiche 102, 103 und dem Kanal-Bereich 104. Dadurch kann das erfindungsgemäße Ansteuern dieser Übergänge als sperrende bzw. als leitende Dioden strukturell unterstützt werden.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:

[1] U. Tietze, C. Schenk "Halbleiterschaltungstechnik", Springer-Verlag, Berlin, 1993, S. 555-560
[2] C.D. Dimitrakopoulos, D.J. Mascaro (2001) "Organic thin film transistors", IBM J. Res.&Dev. 45, S. 11-27
[3] P.V. Necliudov, M.S. Shur, D.J. Gundlach, T.N. Jackson (2000) "Modeling of organic thin film transistors of different designs" J.Appl.Phys. 88, S. 6594-6597

100: Polymertransistor-Anordnung
101: Substrat
102: erster Source-/Drain-Bereich
103: zweiter Source-/Drain-Bereich
104: Kanal-Bereich
105: Gate-isolierende Schicht
106: Gate-Bereich
107: Ansteuer-Schaltkreis
108: Kopplungsmittel
200: Ersatzschaltbild
201: erste Diode
202: zweite Diode
203: erster ohmscher Widerstand
204: zweiter ohmscher Widerstand
300: Diagramm
301: Abszisse
302: Ordinate
303: erste Kennlinie
304: zweite Kennlinie
305: dritte Kennlinie
400: Referenzspannungs-Schaltkreis
401: Eingangsspannung
402: Masse-Potential
403: Stromquelle
404: Referenzspannung
405: Vorspannung
406: Polymertransistor
500: Referenzspannungs-Schaltkreis
501: anderer Polymer-Transistor
502: andere Vorspannung
600: Spannungsregel-Schaltkreis
601: Betriebsspannung
602: Operationsverstärker
602a: nicht-invertierender Eingang
602b: invertierender Eingang
602c: Ausgang
603: erster ohmscher Widerstand
604: zweiter ohmscher Widerstand
605: dritter ohmscher Widerstand
700: temperaturkompensierter Referenzspannungs-Schaltkreis
701: Versorgungsspannung
702: Operationsverstärker
702a: nicht-invertierender Eingang
702b: invertierender Eingang
702c: Ausgang
703: erster ohmscher Widerstand
704: zweiter ohmscher Widerstand
705: dritter ohmscher Widerstand
706: vierter ohmscher Widerstand
707: fünfter ohmscher Widerstand
708: sechster ohmscher Widerstand
800: Polymertransistor
900: Polymertransistor

Claims

Polymertransistor-Anordnung – mit einem in und/oder auf einem Substrat ausgebildeten Polymertransistor, der aufweist – einen ersten Source-/Drain-Bereich; – einen zweiten Source-/Drain-Bereich; – einen Kanal-Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Source-/Drain-Bereich; – einen Gate-Bereich; – eine Gate-isolierende Schicht zwischen Kanal-Bereich und Gate-Bereich; – mit einem Ansteuer-Schaltkreis, der derart eingerichtet ist, dass er den Source-/Drain-Bereichen und dem Gate-Bereich derartige elektrische Potentiale bereitstellt, dass der Übergang zwischen mindestens einem der Source/Drain-Bereiche und dem Kanal-Bereich als Diode betreibbar ist.
Polymertransistor-Anordnung nach Anspruch 1, bei welcher der Ansteuer-Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass er den Source-/Drain-Bereichen und dem Gate-Bereich derartige elektrische Potentiale bereitstellt, dass der Übergang zwischen einem der beiden Source-/Drain-Bereiche und dem Kanal-Bereich als in Sperrrichtung gepolte Diode geschaltet ist.
Polymertransistor-Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, bei welcher der Kanal-Bereich und die Source-/Drain-Bereiche aus einem solchen Material hergestellt sind, dass der Übergang zwischen einem der Source-/Drain-Bereiche und dem Kanal-Bereich – ein Schottky-Übergang; – ein in-Übergang; – ein ip-Übergang; oder – ein pn-Übergang ist.
Polymertransistor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welcher der Ansteuer-Schaltkreis derart eingerichtet ist, dass der Betrag der Gate-Spannung größer als der Betrag der Spannung zwischen den Source-/Drain-Bereichen ist.
Polymertransistor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der die Übergänge zwischen jeweils einem der Source-/ Drain-Bereiche und dem Kanal-Bereich zueinander geometrisch asymmetrisch ausgebildet sind.
Polymertransistor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der einer der Source-/Drain-Bereiche zumindest teilweise auf dem Kanal-Bereich ausgebildet ist und der andere Source-/Drain-Bereich zumindest teilweise unterhalb des Kanal-Bereichs ausgebildet ist.
Integrierte Schaltkreis-Anordnung mit mindestens einer Polymertransistor-Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6.
Integrierte Schaltkreis-Anordnung nach Anspruch 7, eingerichtet als Referenzspannungs-Schaltkreis.
Integrierte Schaltkreis-Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, eingerichtet als temperaturkompensierter Referenzspannungs-Schaltkreis.
Integrierte Schaltkreis-Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, eingerichtet als Stromquelle.
Integrierte Schaltkreis-Anordnung nach Anspruch 7, eingerichtet als Spannungsregel-Schaltkreis.
Verfahren zum Herstellen einer Polymertransistor-Anordnung, bei dem – ein Polymertransistor in und/oder auf einem Substrat ausgebildet wird, indem – ein erster Source-/Drain-Bereich ausgebildet wird; – ein zweiter Source-/Drain-Bereich ausgebildet wird; – ein Kanal-Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Source-/Drain-Bereich ausgebildet wird; – ein Gate-Bereich ausgebildet wird: – eine Gate-isolierende Schicht zwischen Kanal-Bereich und Gate-Bereich ausgebildet wird; ein Ansteuer-Schaltkreis ausgebildet wird, der derart eingerichtet wird, dass er den Source-/Drain-Bereichen und dem Gate-Bereich derartige elektrische Potentiale bereitstellt, dass der Übergang zwischen mindestens einem der Source-/Drain-Bereiche und dem Kanal-Bereich als Diode betrieben wird.