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。

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, $\mathrm{DIBL}$）¹⁾。

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$\mathrm{DIBL}$。

计算使用的SOI器件如下图所示，中间是氢钝化的二维硅片层，两个介电层模拟外面包裹的<chem>SiO2</chem>（$\epsilon = 3.9 \epsilon_0$），此外还有一个在沟道中心的金属栅极。

为了计算快速，本教程使用半经验的紧束缚模型计算此模型的电子结构。²⁾

在此下载包含 DeviceConfiguration 和计算方法的Python脚本输入文件soi_device.zip，将其放置在计算项目的文件夹里，文件会出现在QuantumATK的主界面上。

将文件拖动到Script generator上，将Output setting 下的 Results file 输出文件名改为soi_device_iv1.hdf5，然后添加下面的计算：

• Study Object → IV Characteristics

双击打开它，修改参数如下：

• 在Gate source voltage range里：
  • 设置$\mathrm{V_{gs0}} = -0.3 \mathrm{V}$
  • 设置$\mathrm{V_{gs1}} = 0.0 \mathrm{V}$
  • number of points 设置为 7。
• 选中Print results summary to log

设置结束后，点击OK。将脚本传送至 Job Manager，保存为soi_device_ivc1.py，点击开始按钮进行计算。计算在24核机器上耗时大约10分钟。完整脚本可以在这下载：soi_device_ivc1.zip。

计算结束后可以将soi_device_ivc1.log拖动到Editor里查看。你可以注意到类似下面文本的计算流程概要，显示了所有要完成的计算：

+------------------------------------------------------------------------------+
| IV Characteristics Study                                                     |
+------------------------------------------------------------------------------+
| 14 task(s) will be executed.                                                 |
|                                                                              |
| * Update configuration                                                       |
|   Gate voltage: -0.25 V                                                      |
|   Left electrode voltage: 0.05 V                                             |
|   Right electrode voltage: 0.0 V                                             |
| * Calculate TransmissionSpectrum                                             |
|   Gate voltage: -0.3 V                                                       |
|   Left electrode voltage: 0.05 V                                             |
|   Right electrode voltage: 0.0 V                                             |
| * Update configuration                                                       |

可以关注一下计算流程是如何显示的：总计14个计算任务逐个显示，每个计算任务用一个星号标记。

还可以注意到每个计算任务在执行过程中，都会先打印一个信息框：

+------------------------------------------------------------------------------+
| Executing task 1 / 14:                                                       |
|   Update configuration                                                       |
|   Gate voltage: 0.0 V                                                        |
|   Left electrode voltage: 0.05 V                                             |
|   Right electrode voltage: 0.0 V                                             |
|   Log to: ivcharacteristics_gate_voltage_0.0_Volt.log                        |
+------------------------------------------------------------------------------+

查看输出结束后关掉Editor回到主界面。在LabFloor中选择SOI_device_ivc1.hdf5中包含的对象，点击右侧 IV-Characteristics Analyzer 插件。

IV-Characteristics Analyzer 的主窗口显示如下。

在 IV-Characteristics Analyzer 的底部有更多信息：

• Data：每个计算的收敛性；
• Scale：Y 轴电流 $\mathrm{I_{ds}}$ 的标度，可以是线性（Linear）或者对数（Logarithmic）;
• Temperature：在使用Landauer公式计算$\mathrm{I_{ds}}$时，用于电极部分的Fermi-Dirac分布函数的温度。每个电极的温度可以由用户设定，电流则根据选择的温度实时计算。

在 IV-Characteristics Analyzer 的上部是计算得到的数据作图，可以在两种不通的方式间切换：

• 栅-源电压图（Gate-Source plot）。将源漏电流 $\mathrm{I_{ds}}$ 与栅-源电压 $\mathrm{V_{gs}}$ 作图（$\mathrm{I_{ds}}\ vs. \mathrm{V_{gs}}$）；
• 源-漏电压图（Drain-Source plot）。将源漏电流 $\mathrm{I_{ds}}$ 与源-漏电压 $\mathrm{V_{ds}}$ 作图（$\mathrm{I_{ds}}\ vs. \mathrm{V_{ds}}$）。

这个例子里只考虑了一个 $\mathrm{V_{ds}}$，因此只分析$\mathrm{I_{ds}}\ vs. \mathrm{V_{gs}}$ 特性。

要计算亚阈值斜率$\mathrm{SS}$，点击中间Drain-Source Voltage部分的加号，从下拉菜单中选择Subthreshold Slope。要计算$\mathrm{SS}$的区间在图上用灰色标出，区间的电压范围可以在右侧调整。

你马上可以注意到$\mathrm{SS}$的值强烈的依赖于Gate voltage range。这是因为上面计算的$\mathrm{I_{ds}}\ vs. \mathrm{V_{gs}}$不在亚阈值范围（$\mathrm{V_{ds}}$ 与$\mathrm{V_{gs}}$的对数图呈线性关系）内。因此为了得到更可靠的$\mathrm{SS}$值，我们需要将$\mathrm{V_{gs}}$扩展到更大的范围，以正确包含亚阈值区间。

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：

• 使用study object扩展栅-源电压范围
• 使用脚本添加更多的栅-源电压