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atk:使用ivcharacteristics工具计算分析器件的电流电压特性

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atk:使用ivcharacteristics工具计算分析器件的电流电压特性 [2018/08/23 08:42] – [$V_{DG}$ 曲线的计算和基本分析] fermiatk:使用ivcharacteristics工具计算分析器件的电流电压特性 [2018/08/24 08:01] (当前版本) – [概述] fermi
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 软件版本：O-2018.06 软件版本：O-2018.06
- 
-本教程介绍如何使用''IVCharacteristics''工具计算分析器件的电流电压特性。这是QuantumATK开发的一类新的Study对象，专门用于多步骤的复杂计算流程的设置、分析。 
  
 ===== 概述 ===== ===== 概述 =====
-''IVCharacteristics''是一个Study Object（什么是Study Ojbect），用来计算和分析场效应管（FET）器件模型的常见电子性质，例如开关比（$\mathrm{I_{on}/I_{off}}$），亚阈值斜率（$\mathrm{SS}$），转移电导（transconductance，$\mathrm{g_{m}}$）和漏极诱导势垒降低（drain-induced barrier lowering, $\mathrm{DIBL}$）((T. B. Boykin, M. Luisier, M. Salmani-Jelodar, and G. Klimeck. Strain-induced, off-diagonal, same-atom parameters in empirical tight-binding theory suitable for [110] uniaxial strain applied to a silicon parametrization. Phys. Rev. B, 81:125202, 2010. doi:10.1103/PhysRevB.81.125202.))。+ 
 +''IVCharacteristics''是QuantumATK开发的一类最新的Study对象，用来计算和分析场效应管（FET）器件模型的常见电子性质，专门用于多步骤的复杂计算流程的设置、分析，大大提高了IV计算的效率。使用IVCharacteristics可以： 
 +  * 单独扫描偏压或栅压； 
 +  * 同时扫描偏压和栅压； 
 +  * 在计算中断时续算未完成的电压点，而不需重复已经完成的计算； 
 +  * 在计算正常结束后，补算新的电压点，而不需重复已经完成的计算； 
 +  * 分析开关比（$\mathrm{I_{on}/I_{off}}$），亚阈值斜率（$\mathrm{SS}$），转移电导（transconductance，$\mathrm{g_{m}}$）和漏极诱导势垒降低（drain-induced barrier lowering, $\mathrm{DIBL}$）((S. M. Sze and K. N. Kwok. Physics of Semiconductor Devices. Wiley, 3rd edition, 2006))； 
 +  * 还支持在扫描偏压的同时，计算PLDOS、电子密度、各种电势、电荷布居、电子密度、能量等； 
 +  * 也可以在计算完成后，补算任意偏压、栅压点的PLDOS、电子密度、各种电势、电荷布居、电子密度、能量等。 
  
 本教程介绍如何使用''IVCharacteristics''计算并分析silicon-on-insulator（SOI）器件的电子性质，这些性质都有实验结果供参照。教程中使用SOI器件的结构是预先构建好的，用来计算$\mathrm{SS}$和$\mathrm{DIBL}$。 本教程介绍如何使用''IVCharacteristics''计算并分析silicon-on-insulator（SOI）器件的电子性质，这些性质都有实验结果供参照。教程中使用SOI器件的结构是预先构建好的，用来计算$\mathrm{SS}$和$\mathrm{DIBL}$。
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 ===== 扩展 $V_{DG}$ 曲线的电压范围 ===== ===== 扩展 $V_{DG}$ 曲线的电压范围 =====
  
-==== 方法一：在Study object中扩展栅压范围 ====+为了取样亚阈值区间，$\mathrm{V_{gs}}$的范围需要被扩展到$-0.9 \mathrm{V} \leq\ \mathrm{V_{gs}} \leq 0.0 \mathrm{V}$。这可以用两种方法实现： 
 +  * **方法一**：使用study object扩展栅-源电压范围 
 +  * **方法二**：使用脚本添加更多的栅-源电压 
 + 
 + 
 +==== 方法一：使用Study object扩展栅压范围 ==== 
 + 
 +重复第一部分中对''IVCharacteristic''的计算，进行如下不同的设置： 
 +  * 修改**Output setting**中//Results file//为''soi_device_ivc2.hdf5''； 
 +  * 修改**Gate source voltage range** 如下： 
 +    * $\mathrm{V_{gs0}} = -0.9 \mathrm{V}$； 
 +    * $\mathrm{V_{gs1}} = 0.0 \mathrm{V}$； 
 +    * number of points 19。 
 + 
 +{{ :atk:iv_figure6.png?direct&600 |}} 
 + 
 +设置好后点//OK//关闭，将脚本发送到**Job Manager**，保存脚本为''soi_device_ivc2.py''。点击开始按钮完成计算。计算在24核机器上大约需要15分钟。完整脚本可以在此下载：{{:atk:soi_device_ivc2a.zip|}}。 
 + 
 +查看计算的输出文件，你会发现这次计算只补算了第一部分没有计算的$\mathrm{V_{gs}}$点。这是因为''IVCharacteristics''会自动检查已经计算过的$\mathrm{V_{gs}}$点，只计算其余$\mathrm{V_{gs}}$的点。 
 + 
 +<WRAP center info> 
 + 
 +注意，为了避免在已经计算过的$-0.3 \mathrm{V} \leq\ \mathrm{V_{gs}}\ \leq 0.0 \mathrm{V}$的范围里重复计算，因此第二次计算的Gate source range和number of points 的选择使得 $\mathrm{V_{gs}}$ 在 $-0.3 \mathrm{V} \leq\ \mathrm{V_{gs}}\ \leq 0.0 \mathrm{V}$ 范围里的取点与第一次计算完全相同。 
 + 
 +</WRAP> 
 + 
  
 ==== 方法二：使用脚本添加其他栅压点 ==== ==== 方法二：使用脚本添加其他栅压点 ====
 +
 +另外一种让 ''IVCharacteristics'' 计算更多 $\mathrm{V_{gs}}$ 点的方法是使用脚本添加要计算的点。
 +
 +<WRAP center info>
 +IV Characteristics支持非常丰富的命令，详细列表参见手册：[[https://docs.quantumwise.com/manual/Types/IVCharacteristics/IVCharacteristics.html#NL.Study.IVCharacteristics.IVCharacteristics|IVCharacteristics]]。
 +</WRAP>
 +
 +
 +将''soi_device.py''脚本发送到**Scripter**，重复第一部分的计算设置脚本''soi_device_ivc1.py''，但是把输出文件设置为‘//soi_device_ivc2b.hdf5//’。
 +
 +设置好后将脚本发送到**Editor**，在Editor里IVCharacteristics后添加如下几行：
 +
 +<code python>
 +# -------------------------------------------------------------
 +# Kpoint sampling
 +kpoint_grid = MonkhorstPackGrid(
 +    na=9,
 +    )
 +
 +# Gate-source voltages
 +gate_source_voltages = numpy.linspace(-0.3, 0.0, 7)*Volt
 +
 +# Drain-source voltages
 +drain_source_voltages = numpy.linspace(0.05, 0.05, 1)*Volt
 +
 +# File name.
 +filename = u'soi_device_ivc2b.hdf5'
 +
 +iv_characteristics = IVCharacteristics(
 +    configuration=device_configuration,
 +    filename=filename,
 +    object_id='ivcharacteristics',
 +    gate_regions=[0],
 +    gate_source_voltages=gate_source_voltages,
 +    drain_source_voltages=drain_source_voltages,
 +    energies=None,
 +    kpoints=kpoint_grid,
 +    self_energy_calculator=RecursionSelfEnergy(),
 +    energy_zero_parameter=AverageFermiLevel,
 +    infinitesimal=1e-06*eV,
 +    log_filename_prefix='ivcharacteristics_',
 +)
 +添加新的栅压范围
 +iv_characteristics.addVoltages(gate_source_voltages=numpy.linspace(-0.9, -0.35, 12)*Volt)
 +iv_characteristics.update()
 +</code>
 +
 +设置结束后，将脚本发送到**Job Manager**，保存脚本为''soi_device_ivc2b.py''，点击开始按钮完成计算。完整脚本在这里下载：{{:atk:soi_device_ivc2b.zip|}}。
 +
  
 ===== 在亚阈值区间分析 $V_{DG}$ 曲线 ===== ===== 在亚阈值区间分析 $V_{DG}$ 曲线 =====
  
-===== 计算漏极感应势垒降低（DIBL） =====+计算结束后，你可以使用正确的数据分析获取$\mathrm{SS}$的值。
  
-===== 参考 =====+打开 //IV Characteristics Analyzer//，这次显示的 $\mathrm{I_{DS}}\ vs. \mathrm{V_{GS}}$ 曲线在 $-0.9 \mathrm{V} \leq\ \mathrm{V_{GS}}\ \leq -0.35 \mathrm{V}$ 范围里线性很好，因此在此区间可以通过线性拟合获得亚阈值斜率$\mathrm{SS}$。
  
 +点击中间区域的加号按钮，下拉菜单选择//Subthreshold Slope//，将电压区间调整为 -0.9V 到 -0.35V。
  
 +{{ :atk:iv_figure7.png?direct&600 |}}
  
 +计算得到的$\mathrm{SS} = 123\ \mathrm{meV/dec}$，与实验值$\mathrm{SS} = 123\ \mathrm{meV/dec}$ 一致。((Shinji Migita, Yukinori Morita, Meishoku Masahara, and Hiroyuki Ota. Electrical performances of junctionless-fets at the scaling limit (lch = 3 nm). Proceedings of the Electron Device Meeting (IEDM) 2012, 2012. URL: http://ieeexplore.ieee.org/document/6479006, doi:10.1109/IEDM.2012.6479006.))
 +===== 计算漏极诱导势垒降低（DIBL） =====
  
 +接下来，你可以计算漏极诱导势垒降低（Drain induced barrier lowering，DIBL）。为此，需要在$\mathrm{V_{DS} = 0.3 V}$时再计算一条$\mathrm{I_{DS}}\ vs. \mathrm{V_{GS}}$曲线。
 +
 +
 +将''soi_device_ivc2b.py''传送到**Scripter**，添加Study Object -> IV Characteristics，按下面修改参数：
 +
 +  * Gate source voltage range：
 +    * $\mathrm{V_{gs0}} = -0.9 \mathrm{V}$
 +    * $\mathrm{V_{gs1}} =  0.0 \mathrm{V}$
 +    * number of points 19
 +  * Drain source voltage range：
 +    * $\mathrm{V_{ds0}} =  0.05 \mathrm{V}$
 +    * $\mathrm{V_{ds1}} =  0.3 \mathrm{V}$
 +  * 勾选//Print results summary to log//。
 +
 +{{ :atk:iv_figure8.png?direct&600 |}}
 +
 +点击//OK//关闭窗口，将//Results file//名字改为‘//soi_device_ivc3.hdf5//’。
 +
 +将脚本传送到**Job Manager**，保存脚本为''soi_device_ivc3.py''，点击开始按钮完成计算。完整脚本可以在此下载：{{:atk:soi_device_ivc3.zip|}}
 +
 +<WRAP center info>
 +查看log文件，你会发现IV Characteristics这次只计算了$\mathrm{V_{ds}} =  0.3 \mathrm{V}$ 的曲线，使用 $\mathrm{V_{ds1}} =  0.05 \mathrm{V}$ 作为出发点。
 +
 +</WRAP>
 +
 +计算结束后，打开//IV-Characteristics Analyzer//显示出这两个源漏偏压（$\mathrm{V_{ds1}} =  0.05 \mathrm{V}$ 和 $\mathrm{V_{ds1}} =  0.3 \mathrm{V}$）的曲线。
 +
 +{{ :atk:iv_figure9.png?direct&600 |}}
 +
 +
 +接下来分析DIBL。电极中间区域//Additional Analysis//旁的加号，选择//Drain Induced Barrier Lowering//。
 +
 +{{ :atk:iv_figure10.png?direct&600 |}}
 +
 +<WRAP center info>
 +DIBL以无量纲形式给出，因此计算值为 622 mV/V。
 +</WRAP>
 +
 +计算DIBL时，可以有几个参数可以调节：
 +  * //Threshold current//：$\mathrm{V_{gs}}$对应阈值电压的电流，默认为$\mathrm{I_{ds}}$的最大值和最小值的中点，但可以由用户设置。
 +  * //Subthreshold factor//决定了用来拟合亚阈值特性的电流区间，以便准确计算阈值电压。区间最少需要包含3个点，如果点数不够，将显示错误信息。
 +  * //Gate voltage range//：计算DIBL时可以只包含部分曲线，这对有两个亚阈值区间的双极性特征的器件模型非常重要。
 +
 +<WRAP center important>
 +计算得到的DIBL比实验测量的结果大很多，这可以解释为DIBL对掺杂情况和几何结构非常敏感。对于超短的栅极长度，DIBL值通常在0.1到1之间。
 +</WRAP>
 +
 +===== 计算IV的同时计算分析其他性质 =====
 +
 +在设置IVCharacteristics的同时还可以设置其他性质的计算：
 +
 +{{ :atk:2018-08-24.png?direct&600 |}}
 +
 +===== IV计算结束后补算其他性质 =====
 +
 +在IVCharacteristics计算结束后，可以补充其他性质的计算，这时只要在脚本中读入IVCharacteristics，在后面补充类似：
 +<code python>
 +iv_characteristics.addProjectedLocalDensityOfStates( 
 +    gate_source_voltages, drain_source_voltages) 
 +iv_characteristics.addAnalysis( 
 +    gate_source_voltages, drain_source_voltages, HartreeDifferencePotential) 
 +iv_characteristics.update() 
 +</code>
 +
 +其中的''gate_source_voltages''和''drain_source_voltages''可以用Python list格式指定，不需要计算全部的电压点的性质。
 +
 +===== 参考 =====
 +  * [[https://docs.quantumwise.com/manual/includes/Study.html|什么是Study Object？]]
 +  * 英文教程：[[https://docs.quantumwise.com/tutorials/ivcharacteristics/ivcharacteristics.html]]
 +  * 手册说明：[[https://docs.quantumwise.com/manual/Types/IVCharacteristics/IVCharacteristics.html#NL.Study.IVCharacteristics.IVCharacteristics]]
atk/使用ivcharacteristics工具计算分析器件的电流电压特性.1534984928.txt.gz · 最后更改: 2018/08/23 08:42 由 fermi

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