Après avoir étudié les modèles continus de bandes d’énergie et les modèles du saut, nous allons nous intéresser aux modèles dits « compacts », proposant un circuit équivalent pour les OLEDs. Cette approche phénoménologique (chaque composant décrivant un mécanisme physique) allie une description physique simplifiée par rap- port aux modèles exposés précédemment et une compatibilité avec les simulateurs de circuit commerciaux. En effet, les simulations de type éléments-finis ou Monte-Carlo sont difficilement implémentables sur des outils TCAD classiques. De plus, bien que les modèles continus de bandes d’énergie et du saut soient des outils indéniablement utiles pour la compréhension de la physique fondamentale des OLEDs, ils nécessitent la connaissance de nombreux paramètres sur les matériaux organiques utilisés, géné- ralement mal connus ou difficilement accessibles par l’expérience :
– mobilité des électrons et des trous, dépendance en champ électrique et tempé- rature
– densité d’états et distribution
– niveaux énergétiques HOMO et LUMO
Il faut également tenir compte des interfaces métal/organique et organique/organique, des distributions de pièges avec quelques paramètres supplémentaires.
Ainsi, l’approche phénoménologique apparaît attractive pour la conception d’écrans plats avec la possibilité d’intégrer un modèle électrique de l’OLED avec le circuit d’adres- sage du système. Par ailleurs, cette modélisation via une étude comparative des struc- tures permet également une meilleure compréhension et une optimisation des perfor- mances électriques.
2.2.1 Historique
L’approche phénoménologique de type composants a été utilisée dès le début des années 70 pour la technologie d’affichage par électroluminescence (inorganique) en couches minces à excitation alternative (ACTFEL Alternating-Current Thin-Film Elec-
troluminescent). Ce type de dispositif est constitué d’une couche émissive de phos-
phores (généralement des terres rares dopés), prise en sandwich entre 2 couches iso- lantes et 2 électrodes. Le courant alternatif permet un couplage capacitif entre les élec- trodes et le phosphore afin d’obtenir l’électroluminescence. Le premier modèle (figure 2.2) a été développé par Chen et Krupka pour des dispositifs à un isolant [20].
Figure 2.2 – Circuit équivalent de Chen et Krupka pour un dispositif ACTFEL à un isolant. L’isolant est représenté par une capacité. Le phosphore est représenté par une capacité en parallèle avec une résistance variable représentant la conduction L’approche de type composants a été également utilisée par Marsal et al. pour étu- dier une diode silicium à hétérojonction n a-Si :H/p c-Si [21]. Le circuit équivalent est décrit figure 2.3.
Figure 2.3 – Circuit équivalent proposé pour une diode silicium à hétérojonction n a-Si :H/p c-Si
2.2.2 Application aux OLEDs
Les premiers modèles phénoménologiques pour les OLEDs ont été proposés par l’équipe travaillant sur les ACTFEL de l’Université d’État d’Oregon, s’inspirant des si- milarités entre les 2 technologies. Ainsi Bender a tout d’abord modélisé chaque couche
organique par une capacité en parallèle avec une diode et une résistance, représentée figure 2.4 pour une structure ITO/CuPc/NPB/Alq3/Mg :Al [22].
Figure 2.4 – Modèle spice multi-diodes de Bender pour une structure OLED multicouche. La diode tient compte du caractère rectifiant de la couche, la résistance décrit la résistivité volumique de la couche (faible mobilité) tandis que la résistance série additionnelle est la résistance carrée de l’ITO
Ce modèle est utile pour des ajustements de courbes précis entre des données ex- périmentales et simulées. Néanmoins, Bender a montré qu’un modèle plus simple pouvait décrire le comportement de l’OLED aussi précisément que le modèle multi- diodes. Ce modèle simplifié est illustré figure 2.5.
Figure 2.5 – Modèle spice mono-diode de Bender. La diode tient compte du courant total rectifié dans l’OLED, la résistanceRs est la résistivité totale volumique de toutes
les couches, la résistanceRp représente toujours la résistance carrée de l’ITO
Bender a également développé un modèle permettant d’étudier à la fois les cou- rants limités par le volume ou par l’injection dans des circuitsSPICE avec l’utilisation d’une diode F-N pour simuler l’injection par effet tunnel [22].
Plus récemment, Li et al. ont développé un circuit équivalent (figure 2.6) tenant
non-idéaux [23].
Figure 2.6 – Modèle spice proposé par Li et al. tenant compte des effets du potentiel de diffusionVbi, la résistance variable tient compte de la barrière Schottky
D. V. Bui et al. ont proposé un modèleSPICE(figure 2.7) pour les OLEDs dans une
matrice passive tenant compte du couplage électrique entre pixels [24]. Le modèle, ins-
piré du modèle SPICE d’une diode inorganique, comporte une diode principale avec
une caractéristique exponentielle. En revanche, les caractéristiques I-V des dipôles sé- rie et parallèle ne sont pas linéaires, contrairement au cas des diodes inorganiques.
Figure 2.7 – Modèle spice général de l’OLED proposé par D. V. Bui et al. Le modèleSPICEcomplet de l’OLED est montré à la figure 2.8 (source [25]).
Figure 2.8 – Modèle spice complet de l’OLED proposé par D. V. Bui et al.
L’interprétation physique des composants proposée par D. V. Bui est la suivante [25] :
– le comportement exponentiel est le comportement de la jonction principale parmi les jonctions de toutes les couches dans la structure OLED (diode D)
– la diode série Ds correspond au regroupement de toutes les autres jonctions
moins importantes que la jonction principale
– la résistance série Rsest la résistance de contact entre les couches
– la résistance parallèle Rp modélise le transport des charges minoritaires
– la diode parallèle Dp met en évidence l’influence des autres pixels de la matrice
(diaphonie)
– la capacité C est la réponse dynamique de la structure multicouche
Kanicki et al. ont également utilisé un circuit équivalent pour simuler des afficheurs PLEDs (ITO/PEDOT :PSS/EML/Ca-Al) à matrice active [26], représenté figure 2.9.
Figure 2.9 – Circuit équivalent proposé par Kanicki et al.
Kanicki et al. ont mis en évidence la nécessité d’utiliser 3 diodes en parallèle (cor- respondant aux 3 hétérojonctions de la structure) afin d’ajuster la courbe J-V simulée avec la courbe J-V expérimentale. L’interprétation proposée est la limitation à la fois par l’injection et par la conduction de leur structure PLED, ce qui empêche l’utilisation d’une diode simple.