Indagine sui Riferimenti di Tensione nella Tecnologia TFT Flessibile

Abstract

L’evoluzione dell'elettronica flessibile ha reso fondamentale lo sviluppo di circuiti integrati su substrati plastici, in particolare utilizzando la tecnologia dei transistor a film sottile (TFT) basata su ossido di zinco, gallio e indio (IGZO). In questo contesto, la generazione di una tensione di riferimento stabile rappresenta un blocco funzionale critico per garantire il corretto funzionamento di sensori e dispositivi indossabili, che devono operare in modo affidabile indipendentemente dalle variazioni della tensione di alimentazione e della temperatura ambientale.

Il presente lavoro di tesi si focalizza sulla progettazione, analisi e validazione di un circuito di riferimento di tensione di tipo bandgap-like implementato interamente in tecnologia TFT IGZO di tipo NMOS. La sfida principale di questo progetto risiede nell'assenza di dispositivi complementari (PMOS) e di transistor bipolari (BJT), elementi che solitamente sono necessari per le architetture di riferimento classiche. La soluzione proposta adotta una struttura originale a rami multipli, capace di bilanciare i contributi che aumentano con la temperatura con quelli che diminuiscono, sfruttando esclusivamente le caratteristiche fisiche intrinseche dei transistor IGZO.

Un contributo significativo dell'elaborato riguarda l'introduzione di una tecnica di isolamento attivo dalla tensione di alimentazione, mirata a migliorare la regolazione di linea. Questo parametro è particolarmente critico nelle tecnologie TFT a causa della limitata resistenza d'uscita dei dispositivi. La validazione, condotta tramite simulazioni software professionali, ha incluso analisi statiche, variazioni termiche da meno venti a ottantacinque gradi centigradi e test sulle tolleranze di processo. I risultati mostrano che il circuito proposto offre prestazioni superiori in termini di stabilità rispetto alle implementazioni classiche analizzate nel medesimo processo produttivo. Il lavoro è completato dalla realizzazione dei layout fisi

The evolution of flexible electronics has established the development of integrated circuits on plastic substrates as a fundamental milestone, particularly through Thin Film Transistor (TFT) technology based on Indium Gallium Zinc Oxide (IGZO). In this field, generating a stable reference voltage is a critical functional requirement to ensure the reliability of sensors and wearable devices, which must operate consistently despite variations in power supply and ambient temperature.

This thesis focuses on the design, analysis, and validation of a bandgap-like voltage reference circuit implemented using only NMOS devices in IGZO TFT technology. The primary challenge of this work lies in the absence of complementary devices (PMOS) and bipolar junction transistors (BJT), which prevents the use of traditional voltage reference architectures. The proposed solution employs an original multi-branch structure capable of balancing components that increase with temperature against those that decrease, leveraging only the intrinsic thermal properties of IGZO transistors.

A significant contribution of this research is the introduction of an active isolation technique from the supply voltage, aimed at improving line regulation. This is a critical parameter in TFT technologies due to the limited output resistance of the devices. Validation was conducted through professional simulation environments, including static analysis, thermal sweeps ranging from minus twenty to eighty-five degrees Celsius, and process corner simulations. The results demonstrate that the proposed circuit achieves high stability and superior regulation performance compared to standard implementations analyzed within the same manufacturing process. The work concludes with the design of the physical layouts, confirming the feasibility of integrating sophisticated analog architectures on flexible substrates.