Chapitre 3 : Réalisation technologique des transistors organiques
III. Caractérisations électriques des transistors
Après avoir fabriqué les transistors utilisant la SU8 comme isolant de grille, ils sont caractérisés électriquement. Après un rappel rapide du principe de fonctionnement du transistor à effet de champ à accumulation de type N tel qu’étudié ici, nous donnerons ici les méthodes et techniques permettant de les caractériser.
III.1 Principe de fonctionnement des transistors à accumulation
Le fonctionnement des transistors à effet de champ de type N, étudiés ici, est basé sur l’accumulation d’électrons dans le semiconducteur à l’interface avec l’isolant sous l’effet d’une tension positive appliquée sur le contact de grille. Cette accumulation créé un canal de conduction entre les contacts de source et de drain permettant la circulation du courant sous l’effet d’une tension appliquée entre le drain et la source. Caractériser et évaluer ces transistors passe alors par l’étude de ce canal, à savoir, sa capacité à se créer sous une faible tension (tension de seuil VTH), sa rapidité à se renforcer sous l’effet d’une faible variation de cette tension gille appliquée (pente sous le seuil S) et la facilité de déplacement des porteurs dans ce canal (mobilité à effet champ des porteurs µ).
Figure 3.16 : Schéma 2D simplifié d’un MISFET.
III. 1.1 Caractéristique de transfert
La caractéristique de transfert correspond à la mesure du courant drain-source IDS en fonction de la tension de grille VGS pour une tension de drain VDS constante. La figure 3.17 présente un exemple de caractéristique de transfert IDS = f(VGS) d’un transistor à effet de champ de type N.
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Figure 3.17 : Caractéristique de transfert, en échelle semi-logarithmique d’un transistor à effet de champ de type N.
Cette courbe illustre les 3 zones de fonctionnement du transistor :
Zone 1 : Le transistor est bloqué. Le courant doit être nul. Cependant il n’est jamais strictement nul. Sa faible valeur (IDS = IOFF) est principalement due à la conductivité électrique de la couche active qui doit être nécessairement très résistive pour que ce courant soit le plus faible possible. Une augmentation de ce courant aux fortes tensions de grille inverses (négatives dans le cas du transistor de type N représenté ici) est parfois observé. Elle est due à l’activation des porteurs par le champ électrique inverse.
Zone 2 : Le canal commence à se former. Le courant de drain devrait augmenter
alors rapidement avec la tension de grille. Cette région est appelée aussi région sous le seuil.
Zone 3 : Après ce seuil, le canal est bien formé. Le transistor est dit passant et le courant ne devrait pas augmenter. (IDS = ION).
III.1.2 Caractéristiques de sortie
Les caractéristiques de sortie correspondent à la mesure du courant IDS en fonction de la tension de drain VDS pour des tensions de grille VGS constantes.
-20
-10
0
10
20
10
-1210
-1010
-810
-610
-4V
GS(V)
I
DS(A)
(1)
(2)
(3)
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La figure 3.18 présente les caractéristiques de sortie IDS = f(VDS) d’un transistor à effet de champ pour différents VGS. Elle illustre :
un régime linéaire pour des faibles tensions VDS,
un régime de saturation pour une tension VDS au-delà de (VGS-VTH),
une modulation du courant drain avec la tension de grille.
Figure 3.18 : Caractéristiques de sortie d’un transistor à effet de champ de type N.
III.2 Extraction des paramètres caractéristiques III.2.1 Tension de seuil
La tension de seuil (VTH) est la tension de grille pour laquelle le courant IDS commence à être important. Cette définition est par nécessité vague. La tension de seuil est définie rigoureusement pour les MOSFETs à inversion utilisant une couche active parfaitement monocristalline sans défauts. Elle correspond à la tension de grille pour laquelle la concentration de porteurs dans le canal égale celle des porteurs de l’autre type dans le volume du semiconducteur. Dans ces transistors, la transition correspondant à la région 2 de la caractéristique de transfert est extrêmement abrupte et la tension de seuil est bien définie. Pour ces transistors, la tension de seuil est l’abscisse à l’origine d’une extrapolation linéaire de la courbe IDS= f(VGS). La figure 3.19 présente l’illustration d’extraction de la tension de seuil d’un transistor à effet de champ.
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Pour les transistors utilisant une couche active non monocristalline et/ou comportant des défauts électriquement actifs, la transition sous le seuil n’est pas aussi abrupte. La définition de la tension de seuil n’est plus aussi rigoureuse. Cependant, par commodité et à titre de comparaison, la tension de seuil continue à être extraite de l’extrapolation linéaire de la caractéristique de transfert.
Figure 3.19: Extraction de la tension de seuil par extrapolation de la zone linéaire dans une caractéristique de transfert en échelle linéaire et transconductance.
III.2.2 Transconductance
La transconductance représente la possibilité de contrôler le transistor à l’aide de la tension de grille. Elle est directement liée à la polarisation du transistor et elle est définie à VDS constante (figure 3.19) par l’équation suivante :
Cte V V I g DS GS DS m (6)
III.2.3 Mobilité à effet de champ
La mobilité à effet de champ définit la facilité des porteurs à se déplacer dans la couche active des transistors. Le calcul de cette mobilité, exprimée en cm²/V.s, est réalisé par analogie aux transistors MISFET en utilisant la relation suivante :
DS I m FE V 1 C 1 W L g (7)
L et W sont la longueur (distance entre drain et source) et la largeur du canal. CI est la capacité de l’isolant de grille par unité de surface.
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III.2.4 Pente sous le seuil
La pente sous le seuil est la variation de tension grille nécessaire pour augmenter le courant de drain d’une décade. Elle est représentée par l’inverse de la pente de la caractéristique de transfert tracée en échelle semi-logarithmique dans la région sous le seuil. Elle donne une idée sur la rapidité de formation du canal sous l’effet de la tension de grille. Une faible valeur de cette pente sous le seuil signifie une transition abrupte de l’état bloqué à l’état passant du transistor. Elle s’exprime en V/décade et traduit la facilité du canal à se former.
logGSIDS
VDS Cte V S (8)III.2.5 Rapport ION / IOFF
Ce rapport traduit la différence entre l’état bloqué et l’état passant, IOFF correspond au minimum de courant sur la caractéristique de transfert (en régime linéaire) et ION représente le courant maximum à l’état passant.