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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 09:21] – [方法一:使用Study object扩展栅压范围] fermi | atk: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 |
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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。 | |
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===== 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。 |
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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$\mathrm{DIBL}$。 |
===== 在亚阈值区间分析 $V_{DG}$ 曲线 ===== | ===== 在亚阈值区间分析 $V_{DG}$ 曲线 ===== |
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===== 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。 |
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===== 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$\mathrm{SS}$。 |
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| 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。 |
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| {{ :atk:iv_figure7.png?direct&600 |}} |
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| 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) ===== |
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| 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。 |
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| 将''soi_device_ivc2b.py''传送到**Scripter**,添加Study Object -> IV Characteristics,按下面修改参数: |
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| * 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//。 |
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| {{ :atk:iv_figure8.png?direct&600 |}} |
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| 点击//OK//关闭窗口,将//Results file//名字改为‘//soi_device_ivc3.hdf5//’。 |
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| 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|}} |
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| <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。 |
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| </WRAP> |
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| 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。 |
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| {{ :atk:iv_figure9.png?direct&600 |}} |
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| 接下来分析DIBL。电极中间区域//Additional Analysis//旁的加号,选择//Drain Induced Barrier Lowering//。 |
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| {{ :atk:iv_figure10.png?direct&600 |}} |
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| <WRAP center info> |
| DIBL以无量纲形式给出,因此计算值为 622 mV/V。 |
| </WRAP> |
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| 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。 |
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| <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> |
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| ===== 计算IV的同时计算分析其他性质 ===== |
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| 在设置IVCharacteristics的同时还可以设置其他性质的计算: |
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| {{ :atk:2018-08-24.png?direct&600 |}} |
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| ===== IV计算结束后补算其他性质 ===== |
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| 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> |
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| 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。 |
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| ===== 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]] |