Đo đạc tính và trích xuất các tham số của OTFT theo chuẩn IEEE 1620

Bài viết trình bày phương pháp đặc tính hóa và trích xuất các tham số của transistor màng mỏng hữu cơ theo chuẩn IEEE 1620. Đặc tính truyền đạt và đặc tuyến ra được xác định trên cơ sở các phép đo điện sử dụng hệ Keithley SCS 4200. Kết hợp các phương pháp phân tích để đưa ra tham số điện áp ngưỡng VT, độ linh động của hạt tải u. Các đặc tính này cho phép xác định được chế độ làm việc của OTFT tương ứng với giá trị điện áp làm việc xác định, qua đó giúp cho việc xây dựng hay mô phỏng mạch điện tử, vi mạch với OTFT.

Kỹ thuật Điện tử – Thơng tin ĐO ĐẶC TÍNH VÀ TRÍCH XUẤT CÁC THAM SỐ CỦA OTFT THEO CHUẨN IEEE 1620 Hồ Thành Trung Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp đặc tính hóa trích xuất tham số transistor màng mỏng hữu theo chuẩn IEEE 1620 Đặc tính truyền đạt đặc tuyến xác định sở phép đo điện sử dụng hệ Keithley SCS 4200 Kết hợp phương pháp phân tích để đưa tham số điện áp ngưỡng VT, độ linh động hạt tải  Các đặc tính cho phép xác định chế độ làm việc OTFT tương ứng với giá trị điện áp làm việc xác định, qua giúp cho việc xây dựng hay mô mạch điện tử, vi mạch với OTFT Từ khóa: OTFT; Đặc tính hóa; Rút trích; IEEE 1620 ĐẶT VẤN ĐỀ Transistor màng mỏng hữu (OTFT- Organic thin-film transistors) nghiên cứu ứng dụng rộng rãi đời sống cơng nghiệp, nhờ có đặc tính tính mềm dẻo, độ linh động… ưu việt loại vật liệu khác [1-8] Việc đo đạc xác tham số thực nghiệm có vai trò quan trọng trình nghiên cứu để đánh giá so với tham số mơ hình mơ để đưa mơ hình chuẩn OTFT [1,3,8] Hiện IEEE ban hành chuẩn 1620 cho việc đo lường OTFT [9] Trong báo này, đặc tính điện trích xuất tham số OTFT theo chuẩn IEEE 1620 trình bày chi tiết sử dụng hệ đo Keithley 4200 semiconductor parameter analyzer (SCS 4200) Đặc tính truyền đạt đặc tuyến xác định sở phép đo điện Tiếp theo, tham số đo từ thực nghiệm kết hợp phương pháp phân tích để đưa tham số VT (điện áp ngưỡng),  (độ linh động) Các đặc tính cho phép xác định rõ chế độ làm việc OTFT phục vụ q trình mơ hình hóa hay mơ mạch điện tử với OTFT THIẾT LẬP HỆ ĐO SCS 4200 Internal Bus Triax cables PreAmps DUTs Hộp đo (probe station) 4200 Cài đặt Hình Cấu tạo nguyên lý hình ảnh thực hệ đo đặc tính sử dụng SCS 4200 DUT: Device under test: linh kiện đo 106 Hồ Thành Trung, “Đo đặc tính trích xuất tham số … theo tiêu chuẩn IEEE 1620.” Nghiên cứu khoa học công nghệ IEEE 1620 khuyến cáo sử dụng hệ đo OTFT phải có tính kháng nhiễu cao, khoảng đo dòng lớn từ pA-A Hệ đo Keithley 4200 semiconductor parameter analyzer (SCS 4200), Hoa Kỳ, hệ đo tiêu chuẩn đo lường linh kiện, vi mạch bán dẫn, với ưu điểm: Độ xác ổn định cao, dòng đo tới pA, nên đo xác giá trị dòng điện với linh kiện có lớp màng mỏng vài nm, có khả xuất liệu hay phân tích trực tiếp phần mềm tích hợp Vì nghiên cứu này, hệ đo sử dụng Cấu tạo hệ đo dòng hình 1, bao gồm phận: tiền khuếch đại (PreAmps), nguồn dòng, nguồn áp, ampe met, volt met máy sóng, máy tính điều khiển tích hợp khối SCS 4200 kết nối với thiết bị ngoại vi thông qua cáp theo chuẩn IEEE 488 s Để tránh nhiễu linh kiện OTFT sau sản xuất đưa vào hộp đo, đo hộp đo đóng kín để giảm thiểu ảnh hưởng nhiễu điện từ SCS 4200 cài đặt chế độ làm việc quét OTFT chọn để nghiên cứu loại Bottom gate với bán dẫn pentacene có cấu tạo minh họa hình Chi tiết trình chế tạo OTFT trình bày nghiên cứu gần chúng tơi [8] Các đặc tính điện OTFT gồm đặc tính truyền đạt (transfer) đặc tính (output) đo Dữ liệu dạng file Excell sử dụng để vẽ lại (hình 2a 2b) hay thực bước rút trích Hình Đặc tính truyền đạt (a) đặc tuyến (b) linh kiện với liệu thu sau đo Hình trong: cấu tạo OTFT thực nghiên cứu PHƯƠNG PHÁP TRÍCH XUẤT CÁC THAM SỐ CHO OTFT Các tham số quan trọng cần cung cấp cho q trình mơ hình hóa rút trích từ liệu thí nghiệm sau: Ta có quan hệ dòng điện máng điện áp cổng [1]: I DS    W  Ci   L I DS  I DS    (VG  VT )   (1) W   Ci   (VG  VT )  L (2) W  Ci   L  W  *VG   Ci  L     *VT  (3) Phương trình có dạng: y = a* x+ b Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 (4) 107 Kỹ thuật Điện tử – Thông tin Trong đó: y  I DS x  VG a W   Ci    L b Như vậy: VT  b /  W  Ci   L (5)   *VT   W C i    b / a  L   (6) 2L a CiW (7) Root current GateV Hình Bước q trình rút trích tham số thực Excell Từ tính tốn nêu trên, rút trích tham số VT độ linh động  sau: + Bước 1: Lấy bậc dòng điện máng ID theo phương trình (2) vẽ mối quan hệ + Bước 2: Xấp xỉ hóa mối quan hệ theo phương trình tuyến tính (4) 108 Hồ Thành Trung, “Đo đặc tính trích xuất tham số … theo tiêu chuẩn IEEE 1620.” Nghiên cứu khoa học công nghệ + Bước 3: Tìm hệ số a b từ đường thẳng tuyến tính + Bước 4: Tính VT  theo phương trình (6) (7) Thực hiện: - Tiến trình thực bước Microsoft Excel hình - Từ suy phương trình xấp xỉ y = -1,09665*10-3x – 1,35725*10-3 (8) So sánh (4) (8), ta có: a= 1,09665*10-3; b= 1,35725*10-3; - Điện dung lớp điện môi đo Agilent 4284A LCR meter chuyển đổi dạng giá trị đơn vị diện tích Cdiel = 317,75 nF/cm2 -W L cho phần sản xuất - Điện áp ngưỡng (threshold voltage, VT) xác định được= 1,23 V - Từ độ linh động lỗ trống ảnh hưởng trường điện cực cổng µ tính 0,38 cm2/Vs Các tham số thiết kế kết hợp với tham số rút trích OTFT tổng hợp bảng Đây tham số cần thiết cho q trình mơ hình hóa transistor Bảng Thông số OTFT gồm tham số thiết kế rút trích Tham số W L tox Cdiel µ0 VT On/off ratio Đơn vị µm µm nm Giá trị 2000 50 3-4 Tham số thiết kế 317,75 nF/cm 0,375 cm /Vs V Ghi -1,2332 2.103 Tham số rút trích KẾT LUẬN Phương pháp đặc tính hóa trích xuất tham số OTFT theo chuẩn IEEE 1620 trình bày, đặc tính điện xác định sở phép đo điện sử dụng hệ Keithley SCS 4200 Tiếp theo, điện áp ngưỡng VT, độ linh động hạt tải  trích xuất sở liệu thí nghiệm Các đặc tính kết hợp với tham số thiết kế cung cấp đầy đủ tham số linh kiện OTFT để mơ hình hóa OTFT phục vụ thiết kế vi mạch chương trình chuyên dụng SPICE, hay Cadence Lời cảm ơn: Nghiên cứu tài trợ phần Quỹ Phát triển khoa học công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) đề tài mã số 103.02-2017.34 đề tài T2016ĐĐT-28 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] I Kymissis, Organic Field Effect Transistors: Theory, Fabrication and Characterization, Springer, New York (2008) [2] K Myny, E van Veenendaal, G H Gelinck, J Genoe, W Dehaene, and P Heremans, An 8-Bit, 40-Instructions-Per-Second Organic Microprocessor on Plastic Foil, IEEE J solid-state circuits, 47, 284 (2012) Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 109 Kỹ thuật Điện tử – Thông tin [3] A Valletta, A S Demirkol, G Maira, M Frasca V Vinciguerra, L G Occhipinti, L Fortuna, L Mariucci, and G Fortunato, A compact Spice model for organic TFTs and applications to logic circuit design, IEEE Transactions on Nanotechnology, 2016 [4] Wobkenberg, P et al., Low-voltage organic transistor based on solution processed semiconductos and self-assemble monolayer gate dielectrics, Appl Phys Lett 93, 013303 (2008) [5] X Ye, H Lin, X Yu, S Han, M Shang, L Zhang, Q Jiang, and Jian Zhong, High performance low-voltage organic field-effect transistors enabled by solution processed alumina and polymer bilayer dielectrics, Synthetic Metals, 209, 337–342 (2015) [6] Feng, L et al., Unencapsulated air-stable organic field effect transistor by all solution processes for low power vapor sensing, Sci Rep 6, 20671; doi: 10.1038/srep20671 (2016) [7] L Feng, W Tang, X Xu, Q Cui, and X Guo, Ultralow-voltage solution-processed organic transistors with small gate dielectric capacitance, IEEE Electron Device Letters, Vol 34, 129-131 (2013) [8] Trung Thanh Ho, Huyen Thanh Pham, Heisuke Sakai, Toan Thanh Dao, Fabrication and SPICE Modeling of a Low-voltage Organic Thin-film Transistor with PVC gate dielectric, ICAMN, 2016 [9] IEEE Std 1620™-2008: IEEE Standard for Test Methods for the Characterization of Organic Transistors and Materials ABSTRACT CHARACTERIZATION AND PARAMETER EXTRACTION OF OTFT FOLLOWING TO IEEE 1620 STANDARD A method of electrical characterization and parameter extraction of OTFT under IEEE 1620 standard is presented in this paper The transfer and output characteristics were measured using a Keithley SCS 4200 Then, the experimental data are analyzed in order to extract the thresold voltage VT, field-effect mobility  Those important parameters allow determining the OTFT operation mode at a certain applied voltage or help to future build or model an electronic circuit or integrated circuit based on OTFT Keywords: OTFT; Characterization; Parameter Extraction; IEEE 1620 Nhận ngày 01 tháng năm 2018 Hoàn thiện ngày 10 tháng năm 2018 Chấp nhận đăng ngày 20 tháng năm 2018 Địa chỉ: Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Giao thông vận tải, Số 3, Đường Cầu Giấy, Láng Thượng, Đống Đa, Hà Nội * Email: hothanhtrungktdt@gmail.com 110 Hồ Thành Trung, “Đo đặc tính trích xuất tham số … theo tiêu chuẩn IEEE 1620.” ... µ tính 0,38 cm2/Vs Các tham số thiết kế kết hợp với tham số rút trích OTFT tổng hợp bảng Đây tham số cần thiết cho q trình mơ hình hóa transistor Bảng Thông số OTFT gồm tham số thiết kế rút trích. .. theo phương trình tuyến tính (4) 108 Hồ Thành Trung, Đo đặc tính trích xuất tham số … theo tiêu chuẩn IEEE 1620. ” Nghiên cứu khoa học công nghệ + Bước 3: Tìm hệ số a b từ đường thẳng tuyến tính. .. hóa trích xuất tham số OTFT theo chuẩn IEEE 1620 trình bày, đặc tính điện xác định sở phép đo điện sử dụng hệ Keithley SCS 4200 Tiếp theo, điện áp ngưỡng VT, độ linh động hạt tải  trích xuất