Kỹ thuật Điện tử – Thông tin<br />
<br />
ĐO ĐẶC TÍNH VÀ TRÍCH XUẤT CÁC THAM SỐ CỦA OTFT<br />
THEO CHUẨN IEEE 1620<br />
Hồ Thành Trung<br />
Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp đặc tính hóa và trích xuất các tham số<br />
của transistor màng mỏng hữu cơ theo chuẩn IEEE 1620. Đặc tính truyền đạt và<br />
đặc tuyến ra được xác định trên cơ sở các phép đo điện sử dụng hệ Keithley SCS<br />
4200. Kết hợp các phương pháp phân tích để đưa ra tham số điện áp ngưỡng VT, độ<br />
linh động của hạt tải . Các đặc tính này cho phép xác định được chế độ làm việc<br />
của OTFT tương ứng với giá trị điện áp làm việc xác định, qua đó giúp cho việc xây<br />
dựng hay mô phỏng mạch điện tử, vi mạch với OTFT.<br />
Từ khóa: OTFT; Đặc tính hóa; Rút trích; IEEE 1620.<br />
<br />
1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br />
Transistor màng mỏng hữu cơ (OTFT- Organic thin-film transistors) đã và đang được<br />
nghiên cứu và ứng dụng rộng rãi trong đời sống cũng nhưng công nghiệp, nhờ có các<br />
đặc tính như tính mềm dẻo, độ linh động… ưu việt hơn các loại vật liệu khác [1-8]. Việc<br />
đo đạc chính xác các tham số thực nghiệm có vai trò quan trọng trong quá trình nghiên<br />
cứu để đánh giá so với tham số trong mô hình mô phỏng để đưa ra mô hình chuẩn OTFT<br />
[1,3,8]. Hiện nay IEEE đã ban hành chuẩn 1620 cho việc đo lường OTFT [9]. Trong bài<br />
báo này, đặc tính điện và trích xuất các tham số của OTFT theo chuẩn IEEE 1620 được<br />
trình bày chi tiết sử dụng hệ đo Keithley 4200 semiconductor parameter analyzer (SCS<br />
4200). Đặc tính truyền đạt và đặc tuyến ra được xác định trên cơ sở các phép đo điện.<br />
Tiếp theo, các tham số đo được từ thực nghiệm kết hợp các phương pháp phân tích để<br />
đưa ra tham số VT (điện áp ngưỡng), (độ linh động). Các đặc tính này cho phép xác<br />
định rõ chế độ làm việc của OTFT cũng như phục vụ quá trình mô hình hóa hay mô<br />
phỏng mạch điện tử với OTFT.<br />
2. THIẾT LẬP HỆ ĐO<br />
SCS 4200<br />
<br />
Internal Triax<br />
Bus cables<br />
PreAmps<br />
DUTs<br />
<br />
<br />
<br />
Hộp đo<br />
(probe station)<br />
<br />
<br />
4200<br />
<br />
Cài đặt<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 1. Cấu tạo nguyên lý và các hình ảnh thực của hệ đo đặc tính sử dụng SCS 4200.<br />
DUT: Device under test: linh kiện đang được đo.<br />
<br />
<br />
106 Hồ Thành Trung, “Đo đặc tính và trích xuất các tham số … theo tiêu chuẩn IEEE 1620.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
IEEE 1620 khuyến cáo sử dụng hệ đo OTFT phải có tính kháng nhiễu cao, khoảng đo<br />
dòng lớn từ pA-A. Hệ đo Keithley 4200 semiconductor parameter analyzer (SCS 4200),<br />
của Hoa Kỳ, hệ đo này đã được tiêu chuẩn trong đo lường linh kiện, vi mạch bán dẫn, với<br />
các ưu điểm: Độ chính xác và ổn định cao, dòng đo tới pA, nên có thể đo chính xác được<br />
giá trị dòng điện nhất là với các linh kiện có lớp màng rất mỏng vài nm, có khả năng xuất<br />
dữ liệu hay phân tích trực tiếp bằng phần mềm tích hợp. Vì vậy trong nghiên cứu này, hệ<br />
đo trên được sử dụng.<br />
Cấu tạo cơ bản của hệ đo dòng như hình 1, bao gồm các bộ phận: bộ tiền khuếch đại<br />
(PreAmps), nguồn dòng, nguồn áp, ampe met, volt met và máy hiện sóng, và một máy tính<br />
điều khiển được tích hợp trong một khối. SCS 4200 kết nối với thiết bị ngoại vi thông qua<br />
cáp theo chuẩn IEEE 488 s. Để tránh nhiễu linh kiện OTFT sau khi sản xuất được đưa vào<br />
hộp đo, khi đo hộp đo sẽ được đóng kín để giảm thiểu ảnh hưởng của nhiễu điện từ. SCS<br />
4200 được cài đặt ở chế độ làm việc quét.<br />
OTFT được chọn để nghiên cứu là loại Bottom gate với bán dẫn là pentacene có cấu<br />
tạo minh họa ở hình 2. Chi tiết về quá trình chế tạo OTFT được trình bày trong nghiên cứu<br />
gần đây của chúng tôi [8]. Các đặc tính về điện của một OTFT gồm đặc tính truyền đạt<br />
(transfer) và đặc tính ra (output) đo. Dữ liệu dưới dạng file Excell có thể sử dụng để vẽ lại<br />
(hình 2a và 2b) hay thực hiện các bước rút trích tiếp theo.<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 2. Đặc tính truyền đạt (a) và đặc tuyến ra (b) của linh kiện với dữ liệu thu được sau<br />
khi đo. Hình trong: cấu tạo của OTFT thực hiện trong nghiên cứu này.<br />
3. PHƯƠNG PHÁP TRÍCH XUẤT CÁC THAM SỐ CHO OTFT<br />
Các tham số quan trọng cần cung cấp cho quá trình mô hình hóa được rút trích từ dữ<br />
liệu thí nghiệm như sau:<br />
Ta có quan hệ dòng điện máng và điện áp cổng [1]:<br />
1 W 2<br />
I DS Ci (VG VT ) (1)<br />
2 L <br />
1 W <br />
I DS Ci (VG VT ) (2)<br />
2 L<br />
1 W 1 W <br />
I DS Ci *VG 2 Ci L *VT (3)<br />
2 L <br />
Phương trình này có dạng:<br />
y = a* x+ b (4)<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 107<br />
Kỹ thuật Điện tử – Thông tin<br />
Trong đó:<br />
y I DS<br />
x VG<br />
1 W <br />
a Ci <br />
2 L (5)<br />
<br />
1 W <br />
b Ci *VT<br />
2 L <br />
<br />
1 W<br />
Như vậy: VT b / C i b / a (6)<br />
2 L <br />
2L 2<br />
a (7)<br />
CiW<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Root current<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
GateV<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
Hình 3. Bước 1 và 2 của quá trình rút trích tham số thực hiện trên Excell.<br />
Từ các tính toán nêu trên, có thể rút trích các tham số VT và độ linh động như sau:<br />
+ Bước 1: Lấy căn bậc 2 của dòng điện máng ID theo phương trình (2) và vẽ mối quan<br />
hệ này.<br />
+ Bước 2: Xấp xỉ hóa mối quan hệ trên theo phương trình tuyến tính (4)<br />
<br />
<br />
108 Hồ Thành Trung, “Đo đặc tính và trích xuất các tham số … theo tiêu chuẩn IEEE 1620.”<br />
Nghiên cứu khoa học công nghệ<br />
+ Bước 3: Tìm các hệ số a và b từ đường thẳng tuyến tính này.<br />
+ Bước 4: Tính VT và theo phương trình (6) và (7)<br />
Thực hiện:<br />
- Tiến trình thực hiện bước 1 và 2 trong Microsoft Excel như hình 3<br />
- Từ đó suy ra phương trình xấp xỉ<br />
y = -1,09665*10-3x – 1,35725*10-3 (8)<br />
So sánh (4) và (8), ta có:<br />
a= 1,09665*10-3;<br />
b= 1,35725*10-3;<br />
- Điện dung của lớp điện môi được đo bằng Agilent 4284A LCR meter và chuyển đổi ở<br />
dạng giá trị trên đơn vị diện tích Cdiel = 317,75 nF/cm2.<br />
-W và L đã cho ở phần sản xuất.<br />
- Điện áp ngưỡng (threshold voltage, VT) xác định được= 1,23 V.<br />
- Từ đó độ linh động của lỗ trống dưới ảnh hưởng của trường điện cực cổng µ tính<br />
được là 0,38 cm2/Vs.<br />
Các tham số thiết kế kết hợp với tham số rút trích của OTFT được tổng hợp ở bảng 1.<br />
Đây chính là các tham số cần thiết cho quá trình mô hình hóa một transistor.<br />
Bảng 1. Thông số cơ bản của OTFT gồm tham số thiết kế và rút trích.<br />
Tham số Đơn vị Giá trị Ghi chú<br />
W µm 2000<br />
L µm 50<br />
tox Tham số thiết kế<br />
nm 3-4<br />
2<br />
Cdiel nF/cm 317,75<br />
2<br />
µ0 cm /Vs 0,375<br />
VT V -1,2332 Tham số rút trích<br />
On/off ratio 2.103<br />
4. KẾT LUẬN<br />
Phương pháp đặc tính hóa và trích xuất các tham số của OTFT theo chuẩn IEEE 1620<br />
được trình bày, trong đó đặc tính điện được xác định trên cơ sở các phép đo điện sử dụng<br />
hệ Keithley SCS 4200. Tiếp theo, điện áp ngưỡng VT, độ linh động của hạt tải được trích<br />
xuất trên cơ sở dữ liệu thí nghiệm. Các đặc tính này kết hợp với các tham số thiết kế cung<br />
cấp đầy đủ bộ tham số của linh kiện OTFT để mô hình hóa OTFT phục vụ thiết kế vi mạch<br />
trong các chương trình chuyên dụng như SPICE, hay Cadence.<br />
Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ một phần bởi Quỹ Phát triển khoa học và<br />
công nghệ Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 103.02-2017.34 và đề tài T2016-<br />
ĐĐT-28.<br />
TÀI LIỆU THAM KHẢO<br />
[1]. I. Kymissis, Organic Field Effect Transistors: Theory, Fabrication and<br />
Characterization, Springer, New York (2008).<br />
[2]. K. Myny, E. van Veenendaal, G. H. Gelinck, J. Genoe, W. Dehaene, and P.<br />
Heremans, An 8-Bit, 40-Instructions-Per-Second Organic Microprocessor on Plastic<br />
Foil, IEEE J. solid-state circuits, 47, 284 (2012).<br />
<br />
<br />
Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 109<br />
Kỹ thuật Điện tử – Thông tin<br />
[3]. A. Valletta, A. S. Demirkol, G. Maira, M. Frasca V. Vinciguerra, L. G. Occhipinti, L.<br />
Fortuna, L. Mariucci, and G. Fortunato, A compact Spice model for organic TFTs and<br />
applications to logic circuit design, IEEE Transactions on Nanotechnology, 2016.<br />
[4]. Wobkenberg, P. et al., Low-voltage organic transistor based on solution processed<br />
semiconductos and self-assemble monolayer gate dielectrics, Appl. Phys. Lett. 93,<br />
013303 (2008).<br />
[5]. X Ye, H Lin, X Yu, S Han, M Shang, L Zhang, Q Jiang, and Jian Zhong, High<br />
performance low-voltage organic field-effect transistors enabled by solution<br />
processed alumina and polymer bilayer dielectrics, Synthetic Metals, 209, 337–342<br />
(2015).<br />
[6]. Feng, L. et al., Unencapsulated air-stable organic field effect transistor by all<br />
solution processes for low power vapor sensing, Sci. Rep. 6, 20671; doi:<br />
10.1038/srep20671 (2016).<br />
[7]. L. Feng, W. Tang, X. Xu, Q. Cui, and X. Guo, Ultralow-voltage solution-processed<br />
organic transistors with small gate dielectric capacitance, IEEE Electron Device<br />
Letters, Vol 34, 129-131 (2013).<br />
[8]. Trung Thanh Ho, Huyen Thanh Pham, Heisuke Sakai, Toan Thanh Dao, Fabrication<br />
and SPICE Modeling of a Low-voltage Organic Thin-film Transistor with PVC gate<br />
dielectric, ICAMN, 2016.<br />
[9]. IEEE Std 1620™-2008: IEEE Standard for Test Methods for the Characterization of<br />
Organic Transistors and Materials.<br />
ABSTRACT<br />
CHARACTERIZATION AND PARAMETER EXTRACTION<br />
OF OTFT FOLLOWING TO IEEE 1620 STANDARD<br />
A method of electrical characterization and parameter extraction of OTFT<br />
under IEEE 1620 standard is presented in this paper. The transfer and output<br />
characteristics were measured using a Keithley SCS 4200. Then, the experimental<br />
data are analyzed in order to extract the thresold voltage VT, field-effect mobility .<br />
Those important parameters allow determining the OTFT operation mode at a<br />
certain applied voltage or help to future build or model an electronic circuit or<br />
integrated circuit based on OTFT.<br />
Keywords: OTFT; Characterization; Parameter Extraction; IEEE 1620.<br />
<br />
Nhận bài ngày 01 tháng 7 năm 2018<br />
Hoàn thiện ngày 10 tháng 9 năm 2018<br />
Chấp nhận đăng ngày 20 tháng 9 năm 2018<br />
<br />
Địa chỉ: Khoa Điện-Điện tử, Trường Đại học Giao thông vận tải, Số 3, Đường Cầu Giấy, Láng<br />
Thượng, Đống Đa, Hà Nội.<br />
*<br />
Email: hothanhtrungktdt@gmail.com .<br />
<br />
<br />
<br />
<br />
110 Hồ Thành Trung, “Đo đặc tính và trích xuất các tham số … theo tiêu chuẩn IEEE 1620.”<br />