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Abstrakt in Englisch

The field of flexible electronics is receiving considerable attention from scientific and industrial communities because of its potential impact on a wide variety of applications including wearable audio systems, flexible photovoltaics, flexible RFID tags, flexible biomedical sensors, flexible displays, and flexible loudspeakers, which cannot be addressed by conventional wafer-based electronics. One of the most promising device developed for the flexible electronics technology are the amorphous Indium-Gallium-Zink-Oxide thin-film transistors (a-IGZO TFT). These devices show interesting electrical characteristics and can be fabricated at low temperatures. These features allow the implementation of a-IGZO TFTs on flexible substrates such as plastic foil or paper, and also enables cost effective manufacturing. The development of systems on a chip (SOC), system in a package (SIP), organic and large-area electronics (OLAE), and electronics on unconventional substrates has become an interesting research area nowadays, mainly due to the inevitable down-scaling limit on silicon-based electronic devices which has led to the transition from the era of Moore’s law to the beyond Moore era. This thesis presents two major ideas: First, a development of a SPICE model for a-IGZO TFTs, and second being design of TFT amplifier circuits targeting flexible electronics applications, using the developed model. To enable such applications with a-IGZO TFTs, the development of analog processing circuits, such as amplifiers, oscillators, and data converters, are needed. As the first step toward the development of flexible electronics applications, subsystems like motion and temperature sensors, analog and radio frequency (RF) circuits are designed. Prior to the fabrication of these circuits, a set of design rule checks (DRCs) were performed for manufacturability. These DRCs guarantee the functionality of the circuits even when the flexible substrates are bent to a radius of 5 mm. Several amplifiers with different topologies were fabricated using this process. Some topologies like Cherry-Hooper amplifier and amplifier using inductive peaking technique are developed for the first time in TFT technology. The Cherry-Hooper amplifier in particular exhibited a 3 dB bandwidth of 3.5 MHz, thereby demonstrating operation in the megahertz regime.

Abstrakt in Deutsch

Das Gebiet der biegsamen Elektronik erfährt sowohl von der Wissenschaft als auch von der Industrie beträchtliche Aufmerksamkeit, weil es das Potenzial hat eine Vielzahl von Anwendungen nachhaltig zu beeinflussen. Zu diesen Anwendungen gehören tragbare Audiosysteme, biegsame Photovoltaik, biegsame RFID tags, biegsame biomedizinische Sensoren, biegsame Displays und biegsame Lautsprecher, denn solche Anwendungen können nicht mit herkömmlicher waferbasierter Elektronik angegangen werden. Eine der vielversprechendsten Transistortechnologien für biegsame Elektronik ist die der amorphen Indium-Gallium-Zink-Oxid Dünnschichttransistoren (a-IGZO TFT). Diese Transistoren zeigen interessante elektrische Eigenschaften und können bei niedrigen Temperaturen hergestellt werden. Das ermöglicht es a-IGZO TFTs kostengünstig und auf biegsamen Substraten wie Plastefolie und Papier herzustellen. Die Entwicklung von System-on-Chip (SoC), System-in-Package (SiP), organischer und großflächiger Elektronik (OLAE) sowie Elektronik auf unkonventionellen Trägern hat heute sich zu einem interessanten Forschungsgebiet entwickelt. Hauptgrund dafür ist die feste physikalische Grenze für die weitere Strukturverkleinerung der siliziumbasierten integrierten Schaltkreise, was zum Übergang von der Ära des Mooreschen Gesetzes zur Ära Beyond-Moore geführt hat. Die beiden Hauptbeiträge dieser Arbeit sind: Die Entwicklung eines SPICE-Modells für a-IGZO TFTs und die Entwicklung von Verstärkerschaltungen in a-IGZO TFT-Technologie für biegsame Anwendungen mithilfe dieses SPICE-Modells. Um diese Anwendungen mit a-IGZO TFTs zu ermöglichen, ist die Entwicklung von Schaltungen zur analogen Signalverarbeitung wie Verstärkern, Oszillatoren und Datenkonvertern notwendig. Als erster Schritt in Richtung biegsamer Elektronikanwendungen werden Subsysteme wie Bewegungs- und Temperatursensoren sowie Analog- und Hochfrequenz-schaltkreise entworfen. Vor der Fertigung dieser Schaltkreise wurde ein Satz von Design Rule Checks (DRCs) durchgeführt, um eine problemlose Fertigung zu garantieren. Diese DRCs garantieren die Funktionalität der Schaltkreise selbst wenn sie bis zu einem Radius von nur 5 mm gebogen werden. Mehrere Verstärkerschaltungen verschiedener Topologie wurden mit diesem Prozess hergestellt. Einige der Topologien, wie der Cherry-Hooper-Verstärker und die Verstärker mit induktiver Überhöhung, wurden das erste Mal in einer TFT-Technologie entwickelt. Insbesondere der Cherry-Hooper-Verstärker erreichte eine 3-dB-Bandbreite von 3.5 MHz, so dass ein Betrieb im MHz-Bereich demonstriert werden konnte.