Компактное моделирование тока стока органического полевого транзистора с корректным учётом ненулевой выходной проводимости в режиме насыщения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Компактное моделирование тока стока органического полевого транзистора с корректным учётом ненулевой выходной проводимости в режиме насыщения

Турин В.О

Для компактного моделирования надпорогового тока стока органического полевого транзистора предлагается использовать подход, ранее предложенный для улучшенной компактной модели МОП-транзистора и обеспечивающий корректный учёт выходной проводимости в режиме насыщения с монотонным её убыванием от максимального значения в линейном режиме до минимального значения в режиме насыщения.

Ключевые слова: органический полевой транзистор, МОП-транзистор, компактная модель, ток стока в надпороговой области, ненулевая выходная проводимость в режиме насыщения.

Органическая электроника является сравнительно молодым направлением в науке и технике и направлена на разработку электронных устройств на основе органических материалов [1]. Органические материалы обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными монокристаллическими, поликристаллическими и аморфными материалами электроники. Органические материалы могут быть гибкими, дешёвыми, биоразлагаемыми, легко наносятся на большие площади и обеспечивают практически комнатные температуры технологического процесса изготовления электронных устройств. Недостатками органических материалов являются быстрая деградация и низкая радиационная стойкость параметров, низкая подвижность носителей заряда и относительно большие геометрические размеры электронных приборов.

Ключевым устройством для органической электроники, впрочем, как и для традиционной твердотельной электроники, является полевой транзистор [2-4]. Соответственно, для эффективной разработки органической электроники с использованием современных электронных САПР, на основе симуляторов электрических схем типа SPICE, необходима корректная компактная модель органического полевого транзистора (ОПТ). При этом в своем развитии компактные модели ОПТ проходят те же этапы, что прошли и компактные модели традиционных МОП и тонкопленочных (TFT) транзисторов. органическая электроника транзистор

В нашей работе мы возьмем за основу компактную модель ОПТ, предложенную в работе [2] и разработанную на основе компактной модели МОП транзистора MOSFET Level 1. При малых напряжениях на стоке V_DS ток стока ОПТ линейно зависит от этого напряжения:

С увеличение напряжения на стоке ток стока выходит на насыщение. Напряжение насыщения для ОПТ полагается , где _S - безразмерный параметр. При этом, ток насыщения полагается , где g_ch - проводимость канала ОПТ (2). В режиме насыщения ОПТ обладает ненулевой дифференциальной проводимостью с асимптотическим значением , соответствующим большим значениям напряжения на стоке. Здесь коэффициент имеет размерность В^-1 и соответствует обратному значению напряжения Эрли, хорошо известному из теории биполярных транзисторов. В работе [2] используется асимптотика для тока стока в режиме насыщения, аналогичная используемой в моделях MOSFET Level 1 и RPI TFT:

В работе [3] предлагается для асимптотики тока стока в режиме насыщения использовать уравнение, применяемое в компактных моделях МОП транзистора BSIM3/4:

Это существенно улучшает характеристики компактной модели ОПТ, но не избавляет ее от некоторых недостатков, проанализированных в работах [5, 6].

Для надпорогового тока стока ОПТ в работах [2, 3] используется уравнение, аналогичное используемому в компактных моделях MOSFET Level 1 и BSIM3/4:

В работах [5,6] уравнение (5) было проанализировано для асимптотического множителя I_asy, определяемого как уравнением (3), так и уравнением (4). Соответственно, было показано, что выходная проводимость при этом не убывает монотонно с ростом напряжения на стоке, что является дефектом MOSFET Level 1, RPI TFT и BSIM3/4 моделей. Кроме того, было показано, что в случае использования для I_asy уравнения (4) выходная проводимость транзистора при нулевом напряжении на стоке не равна значению g_ch, постулируемому уравнением (2).

Мы предлагаем для компактного моделирования надпорогового тока стока ОПТ использовать подход, недавно предложенный в работах [5, 6] для улучшенной компактной модели МОП-транзистора. При этом обеспечивается корректный учёт выходной проводимости в режиме насыщения с монотонным её убыванием от максимального значения в линейном режиме до минимального значения в режиме насыщения. При этом, мы сохраняем уравнение для асимптотики тока стока (4) и модифицируем уравнение для тока стока (5) следующим образом:

где I^*_asy - уравнение для асимптотики тока стока (4) помноженное на поправочный коэффициент, обеспечивающий правильную асимптотику уравнения (6), совпадающую с асимптотикой, определяемой уравнением (4):

Численные значения параметров компактной модели приведены в таблице 1 и остались такими же, как и экстрагированные для пентаценового ОПТ в работе [3]. По данным из Таблицы 1 можно рассчитать значение V_aa = 358 В.

Таблица 1 - Параметры пентаценового ОПТ и его компактной модели [3]

Рисунок 1 - На всех рисунках нижняя кривая для напряжения на затворе V_GS = -30 В, далее с шагом -5 В до напряжения -50 В; (а): уравнение для тока стока (5) с асимптотикой (3); (б): уравнение для тока стока (5) с асимптотикой (4); (в): уравнение для тока стока (6) с асимптотикой (4); (а), (б) и (в): = 0,01 В^-1; (г): = 0 В^-1.

Расчеты показывают, что при = 1,2 10^-3 В^-1 новые уравнения (6) - (7) не дают заметного отличия от использовавшегося в [3] уравнения (5). Но в [4] приводится возможное достаточно большое значения = 0,01 В^-1, для которого наши расчеты показывают заметную разницу между использованием уравнений (6) - (7) вместо (5). Уравнение (5) дает заметное отклонение от монотонного убывания выходной проводимости, как при использовании асимптотики для тока стока ОПТ из работы [2] (подобной моделям MOSFET Level 1 и RPI TFT) (Рисунок 1 а), так и при использовании асимптотики из работы [3] (подобной моделям BSIM3/4) (Рисунок 1 б). Новые уравнения (6) - (7) дают монотонное убывание выходной проводимости ОПТ (Рисунок 1 в). На Рисунке 1 г приведены, для сравнения, расчеты для случая = 0 В^-1, где все модели дают совпадающие результаты.

Список литературы

1. Кухто, А.В. Органическая электроника: вчера, сегодня, завтра. / А.В. Кухто // Химия и жизнь. - № 2. - 2013. - С. 3-6.

2. Accurate modeling and parameter extraction method for organic TFT. / Estrada M., Cerdeira A., Puigdollers J. [и др.]. Solid State Electron. 2005. 49(6): с. 1009-1016.

3. A Compact Model for Organic Field-Effect Transistors With Improved Output Asymptotic Behaviors. / Kim C.H., Castro-Carranza A., M. Estrada [и др.]. IEEE Trans. Electron Devices. 2013, 60(3): с. 1136-1141.

4. Compact DC Modeling of Organic Field-Effect Transistors: Review and Perspectives. / Kim C.H., Bonnassieux Y., Horowitz G. IEEE Trans. Electron Devices. 2014, 61(2): с. 278-287.

5. The correct account of nonzero differential conductance in the saturation regime in the MOSFET compact model. / Turin V.O., Zebrev G.I., Makarov S.V. [и др.]. - International Journal of Numerical Modelling: Electronic Networks, Devices and Fields. 2014, 27: с. 863-874.

6. Intrinsic compact MOSFET model with correct account of positive differential conductance after saturation. / Turin V.O., Sedov A.V., Zebrev G.I [и др.]. Proc. SPIE 7521. 2009, 75211H: с. 1-9.

Размещено на Allbest.ru