Phát triển mô hình và mô phỏng transistor hữu cơ trong HSPICE Synopsys

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> PHÁT TRIỂN MÔ HÌNH VÀ MÔ PHỎNG TRANSISTOR HỮU CƠ<br /> TRONG HSPICE SYNOPSYS<br /> Hồ Thành Trung<br /> Tóm tắt: Bài báo trình bày phương pháp mô hình hóa transistor hữu cơ phục vụ<br /> công tác thiết kế và mô phỏng vi mạch điện tử. Trên cơ sở các tham số thực nghiệm<br /> và các tham số trích xuất của OTFT, mô hình được xây dựng và tối ưu từng bước<br /> thông qua HSPICE Synopsys. Dựa trên việc so sánh giữa đặc tuyến thực nghiệm và<br /> mô phỏng, bộ tham số HSPICE chuẩn cho OTFT được xây dựng với sai số thấp.<br /> Nghiên cứu giúp trình bày ở đây giúp từng bước hoàn thiện quy trình nghiên cứu-<br /> thiết kế-sản xuất linh kiện và vi mạch điện tử.<br /> Từ khóa: Transistor hữu cơ; Mô hình hóa; SPICE; Synopsys.<br /> <br /> 1. ĐẶT VẤN ĐỀ<br /> Trong công nghiệp điện tử, khi phát triển một linh kiện mới như BJT, MOSFET,<br /> BiCMOS,…, sau thời gian tối ưu hóa về cấu trúc và quy trình sản xuất, linh kiện đó cần<br /> được mô hình hóa. Sau đó sản phẩm thường được thương mại hóa theo hai hướng: sản<br /> xuất linh kiện rời cho sản xuất mạch điện tử sử dụng các phần mềm thiết kế mạch như<br /> Orcad, Altium và tích hợp trong các công cụ (tool) của phần mềm thiết kế vi mạch như<br /> Cadence, Silvaco, hay Synopsys phục vụ cho thiết kế vi mạch. Cả hai hướng này đều cần<br /> mô hình chính xác của linh kiện để giúp quá trình sản xuất hàng loạt các sản phẩm điện tử<br /> có tính năng đúng với thiết kế trên máy tính. Việc này được thực hiện bằng chương trình<br /> mô phỏng SPICE (Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis- chương trình mô<br /> phỏng hướng tới mạch tích hợp), trong đó các linh kiện và kết nối của chúng trong sơ đồ<br /> tương đương như nguồn dòng, tụ điện, điện trở, nguồn nuôi, điện áp vào, ra,.. được viết<br /> thành các mã và biên dịch bằng các chương trình thiết kế vi mạch như Cadence, Silvaco,<br /> hay Synopsys [1]. Hiện nay có 79 mô hình của các dòng transistor khác nhau như<br /> Siemens, National Semiconductor, Sharp, University of Florida….<br /> Transistor màng mỏng sử dụng bán dẫn hữu cơ OTFT (organic TFT) có ứng dụng đa<br /> dạng từ chế tạo mạch điện tử, màn hình uốn dẻo đến các mạch điện tử y sinh, gần đây rất<br /> được quan tâm nghiên cứu phát triển bởi các trường Đại học và tập đoàn điện tử như<br /> Silvaco của Nhật Bản, Đại học Minnesota, Hoa Kỳ [1-7],... Griffin và các cộng sự trình<br /> bày về mô hình HSPICE cho OTFT sản xuất bằng phương pháp in mạch [1], Kim và các<br /> cộng sự sử dụng hàm tiện cận kết hợp HSPICE để phát triển mô hình cho OTFT [2], Yin<br /> và các cộng sự sử dụng phương pháp giả SPICE (SPICE like) cho OTFT bán dẫn<br /> pentacence [3], hay Valletta và các cộng sự [4] sử dụng phương pháp tiếp cận kênh<br /> (Gradual Channel Approximation) để tăng độ chính xác của mô hình và thực nghiệm.<br /> Trong nước có một số nghiên cứu về HSPICE cho OTFT cũng đang được thực hiện [5,6].<br /> Trong lĩnh vực công nghiệp Silvaco (Hoa Kỳ) là công ty phát triển SPICE cho OTFT, tuy<br /> nhiên sản phẩm thương mại này lại chỉ có thể đặt hành chế tạo bởi chính Silvaco với giá<br /> thành hàng triệu đô la Mỹ. Nhìn chung, cũng giống như transistor truyền thống (hiện đang<br /> tồn tại 79 mô hình khác nhau) chưa có mô hình nào có thể áp dụng cho tất cả các công<br /> nghệ OTFT khi xét về yếu tố kiến trúc và vật liệu chế tạo. Các nhà nghiên cứu hay tập<br /> đoàn công nghệ tập trung vào việc cố gắng phát triển mô hình sao cho các đặc tính điện từ<br /> HSPICE giống nhất với kết quả thí nghiệm từ OTFT họ chế tạo phát triển.<br /> Trong nghiên cứu được tài trở bởi quỹ khoa học công nghệ quốc gia Nafosted (MS:<br /> 103.02-2017.34), OTFT hoạt động với điện áp thấp (vài volt) đã được thiết kế và chế tạo.<br /> Để có thể đưa công nghệ này OTFT này vào thiết kế mạch điện tử thì xây dựng hoàn thiện<br /> <br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 111<br />  Kỹ thuật Điện tử – Thông tin<br /> mô hình HSPICE là khâu hết sức cần thiết. Trong bài báo này, trên cơ sở các tham số thực<br /> nghiệm và các tham số trích xuất của OTFT, thực hiện tối ưu hóa mô hình bằng HSPICE<br /> và cải tiến dữ liệu thông qua quá trình mô phỏng với dữ liệu phù hợp, đưa ra kết quả mô<br /> hình HSPICE đường đặc tính truyền đạt và đặc tuyến ra hội tụ với tham số thực nghiệm,<br /> mô hình đã mô tả phù hợp để chế tạo OTFT.<br /> 2. THAM SỐ OTFT TỪ THỰC NGHIỆM<br /> <br /> (a) (c)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> SCS 4200<br /> (b) Triax<br /> Internal<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. (a) Cấu tạo minh họa OTFT. Linh kiện được phát triển trong đề tài Nafosted, MS:<br /> 103.02-2017.34 (b) Cấu tạo nguyên lý và các hình ảnh thực của hệ đo đặc tính sử dụng<br /> SCS 4200. (c) Đặc tính truyền đạt của OTFT trong nghiên cứu này.<br /> Cấu tạo minh họa, đặc tính truyền đạt và ký hiệu của OTFT thể hiện ở hình 1(a). OTFT<br /> có cấu tạo cực cửa bên dưới, cực nguồn máng bên trên (bottom-gate top-contact), do với<br /> cấu trúc này, điện cực nguồn/máng sẽ được lắng đọng bên trên lớp bán dẫn, làm cho phần<br /> tiếp xúc hiệu dụng giữa điện cực và bán dẫn lớn hơn các kiểu cấu tạo khác, nghĩa là làm<br /> giảm điện trở tiếp xúc. OTFT được lắng đọng trên tấm nền plastic, trong đó lớp điện môi,<br /> bán dẫn và điện cực sử dụng vật liệu polymer PVC, pentacene và đồng.<br /> Việc đo đạc chính xác các tham số thực nghiệm có vai trò quan trọng trong quá trình<br /> nghiên cứu để đánh giá so với tham số trong mô hình mô phỏng để đưa ra mô hình chuẩn<br /> OTFT. Hiện nay, IEEE đã ban hành chuẩn 1620 cho việc đo lường OTFT [8]. Trong<br /> nghiên cứu này, đặc tính điện và trích xuất các tham số của OTFT theo chuẩn IEEE 1620.<br /> Tiêu chuẩn khuyến cáo sử dụng hệ đo phải có tính kháng nhiễu cao, khoảng đo dòng lớn<br /> từ pA-A. Hệ đo Keithley 4200 semiconductor parameter analyzer (SCS 4200), của Hoa<br /> Kỳ, được sử dụng trong nghiên cứu này vì hệ đo này đã được tiêu chuẩn trong đo lường<br /> linh kiện, vi mạch bán dẫn, với các ưu điểm: Độ chính xác và ổn định cao, dòng đo tới pA,<br /> nên có thể đo chính xác được giá trị dòng điện nhất là với các linh kiện có lớp màng rất<br /> <br /> <br /> 112 Hồ Thành Trung, “Phát triển mô hình và mô phỏng … trong HSPICE Synopsys.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> mỏng vài nm. Để tránh nhiễu OTFT được đưa vào hộp đo đặc biệt để giảm thiểu ảnh<br /> hưởng của nhiễu điện từ.<br /> Đường đặc tính thu được sau khi đo OTFT biểu diễn ở hình 1(c). Một số tham số khác<br /> như điện áp ngưỡng, độ linh động, điện dung lớp cực cửa, được trích xuất và tổng hợp ở<br /> bảng 1.<br /> Bảng 1. Thông số cơ bản của OTFT gồm tham số thiết kế và trích xuất.<br /> Tham số Đơn vị Ý nghĩa Giá trị<br /> W µm Độ rộng kênh 2000<br /> L µm Độ dài kênh 50<br /> tox nm Độ dày lớp điện môi 3-4<br /> 2<br /> Cdiel nF/cm Điện dung lớp điện môi 317,75<br /> 2<br /> µ0 cm /Vs Độ linh động của lỗ trống 0,375<br /> Vth V Điện áp ngưỡng mở -1,2332<br /> On/off ratio Tỉ lệ dòng mở/ngắt của transistor 2.103<br /> V Điện áp ngưỡng không cấp nguồn<br /> VTO -1,2323<br /> (dòng rò)<br /> EPS Hằng số điện môi của đế 3,89<br /> Hằng số điện môi của lớp cửa cách<br /> EPSI 3,9<br /> điện<br /> MUBAND m2/Vs Độ linh động hạt tải trong dải dẫn 3,75.10-5<br /> 3. MÔ PHỎNG VÀ TỐI ƯU HÓA<br /> <br /> Dữ liệu thực nghiệm<br /> <br /> <br /> <br /> Trích xuất các tham số<br /> vật lý<br /> <br /> <br /> <br /> Thay đổi bộ tham số<br /> trong .LIB<br /> <br /> <br /> <br /> Mô phỏng Hspice<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Kết quả mô phỏng Không<br /> hội tụ với thực Thay đổi các tham số<br /> nghiệm<br /> <br /> Có<br /> <br /> Mô hình OTFT mới<br /> <br /> Hình 2. Thuật toán mô phỏng và tối ưu hóa mô hình OTFT.<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 113<br />  Kỹ thuật Điện tử – Thông tin<br /> Các bước thực hiện mô phỏng trong HSPICE Synopsys thể hiện ở hình 2 [5]. Các tham<br /> số vật lý ở bảng 1 được khai báo vào file .LIB có dạng như hình 3 [5, 7]. Sau mỗi bước<br /> chạy “Mô phỏng SPICE”, đường đặc tính mô phỏng có dạng như hình 4.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 3. Cấu tạo file .LIB.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 4. Dạng đặc tuyến truyền đạt sau mỗi lần chạy file LIB trong HSPICE Synopsys.<br /> Thực hiện việc so sánh và thay đổi các tham số trong mô hình HSPICE và tính toán sai<br /> số sau mỗi bước chạy, ta thu được bộ tham số mô hình chuẩn thể hiện ở bảng 2.<br /> Bảng 2. Bộ tham số HSPICE tối ưu hóa cho OTFT.<br /> Tham số Đơn vị Ý nghĩa Tham số<br /> của mô<br /> hình<br /> VTO V Điện áp ngưỡng không cấp nguồn (dòng rò) -1,2<br /> TOX m Độ dày lớp điện môi 3,8.10-9<br /> CGSO F/m Điện dung ký sinh miền cực cửa-cực nguồn 0<br /> <br /> <br /> 114 Hồ Thành Trung, “Phát triển mô hình và mô phỏng … trong HSPICE Synopsys.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> CGDO F/m Điện dung ký sinh miền cực cửa-cực máng 0<br /> EPS Hằng số điện môi của đế 3,89<br /> EPSI Hằng số điện môi của lớp cửa cách điện 3,9<br /> MUBAND m2/Vs Độ linh động hạt tải trong dải dẫn 0,375.10-4<br /> Sigma0 A Dòng rò cực tiểu 6,8.10-10<br /> IOL A Dòng rò không cấp nguồn 6,5. 10-10<br /> Lambda 1/V Độ dẫn ra 0,8<br /> VAA V Đặc tính điện áp cho hạt tải dưới tác dụng điện 7<br /> trường cổng<br /> Gamma Hệ số hàm mũ 5,6<br /> DEF0 eV Mức Fermi thường 9,8<br /> RD m Điện trở máng 0<br /> RS m Điện trở nguồn 0<br /> ALPHASAT Tham số điều biến bão hòa 0,13<br /> DELTA Tham số độ rộng chuyển trạng thái từ ngắt 5,2<br /> sang mở<br /> VFB V Điện áp cân bằng dải 1,1<br /> VGSL V Điện áp cổng làm dòng rò tăng đáng kể -8<br /> VDSL V Điện áp máng làm dòng rò tăng đáng kể 8<br /> VMIN V Tham số hội tụ 0,05<br /> M Tham số hình kim 6<br /> <br /> <br /> 5<br /> VD= - 2 V Experiment<br /> SPICE<br /> 4<br /> Bão hòa<br /> 3<br /> ID (A)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 2 Khu?ch d?i<br /> <br /> 1 Khóa<br /> <br /> 0<br /> -4 -3 -2 -1 0 1<br /> VG (V)<br /> Hình 5. Đặc tuyến truyền đạt từ thí nghiệm (Experiment) và từ mô phỏng SPICE.<br /> File mô phỏng có dạng .csv được trích xuất và vẽ cùng đồ thị với đường thực nghiệm ở<br /> hình 5. Như quan sát trên hình 5, ở các miền “khóa”, “khuếch đại” và “bão hòa” thì kết<br /> quả mô phỏng và thực nghiệm là khá trùng lặp. Thực tế, đoạn cong vùng phi tuyến<br /> (khuếch đại), phân bố của đặc tuyến truyền đạt là phức tạp, chương trình SPICE cần được<br /> cải thiện hơn nữa để nâng cao độ chính xác của đặc tính thực nghiệm. Tuy nhiên, nhìn<br /> chung, so với các nghiên cứu trước [5, 7], mô hình xây dựng cho OTFT ở hình 1 là có thể<br /> chấp nhận được trong thiết kế mạch tương tự hay mạch số với sai số nhỏ.<br /> 4. KẾT LUẬN<br /> Trong bài báo này, nghiên cứu điển hình trong việc mô hình hóa transistor sử dụng<br /> HSPICE được trình bày. Sử dụng các tham số thực nghiệm và các tham số trích xuất của<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san FEE, 08 - 2018 115<br />  Kỹ thuật Điện tử – Thông tin<br /> OTFT, tối ưu hóa mô hình được thực hiện trong HSPICE Synopsys. Dựa trên việc so sánh<br /> giữa đặc tuyến thực nghiệm và mô phỏng, bộ tham số HSPICE chuẩn cho OTFT được xây<br /> dựng thành công. Kết quả từ đề tài còn có thể giúp hoàn thiện quy trình nghiên cứu-thiết<br /> kế-sản xuất linh kiện điện tử, OTFT và IC, áp dụng cho các dự án liên quan sau này.<br /> Lời cảm ơn: Nghiên cứu này được tài trợ bởi Quỹ Phát triển khoa học và công nghệ<br /> Quốc gia (NAFOSTED) trong đề tài mã số 103.02-2017.34 và đề tài T2016-ĐĐT-28.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. R.H. Griffin et al., Improved Circuit Model Fitting of Inkjet-Printed OTFTs and a<br /> Proposal for Standardized Parameter Reporting, IEEE Transactions on Electron<br /> Devices, Vol 65, 2485 - 2491 (2018)<br /> [2]. 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 /> [3]. H. H. Kim et al., A compact model for organic field-effect transistors with improved<br /> output asymptotic behaviors, IEEE Transactions on Electron Devices, 68, 1136–1141 (<br /> 2013).<br /> [4]. H. T. Pham, T. Matsushima, H. Murata, and T. T. Dao, Impact of gate dielectric<br /> thickness in organic CMOS transistor performance for CAD design, In proceedings of<br /> ICAMN-2014, ISBN:978-604-911-946-0, 217-223, (2014).<br /> [5]. F. Yin, Z. Xua, S. Zhao, F. Zhang, Y. Chen, C. Kong, W. Gong, and X. Xua, A DC<br /> current-voltage model for organic film transistor for circuit design, Optik, 125, 257–<br /> 259 ( 2014).<br /> [6]. Silvaco,“Smartspice.”[Online].Available: http://www.silvaco.com/products/analog<br /> mixed signal/smartspice.html<br /> [7]. 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 /> [8]. IEEE Std 1620™-2008: IEEE Standard for Test Methods for the Characterization of<br /> Organic Transistors and Materials.<br /> ABSTRACT<br /> DEVELOPPMENT OF ORGANIC TRANSISTOR MODEL AND SIMULATION IN<br /> HSPICE SYNOPSYS<br /> A method of organic transistor forward IC design and simulation is introduced<br /> in this paper. Based on experimental data and extracted parameters, a transistor<br /> model is built and optimized step by step via HSPICE Synopsys. By comparing the<br /> electrical characteristics from measurement and simulation, the HSPICE<br /> parameters for OTFT are found at low error. The study present here may help to<br /> develop the cycle of study-design-fabrication of electronic device and IC.<br /> Keywords: Organic transistor; Device modeling; SPICE; Synopsys.<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 /> 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 /> 116 Hồ Thành Trung, “Phát triển mô hình và mô phỏng … trong HSPICE Synopsys.”<br />