本文關(guān)鍵詞： 有機薄膜晶體管 SPICE模型 電子設(shè)計自動化(EDA) 有機集成電路 逐次逼近型ADC電路　出處：《北京交通大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

【摘要】：以有機薄膜晶體管(OTFT)為基礎(chǔ)的有機電路以其特有的材料和工藝優(yōu)勢,正成為備受關(guān)注的研究熱點,以有機射頻識別標簽(ORFID)為代表的有機集成電路將成為傳統(tǒng)硅基集成電路的有益補充,乃至進一步的替代。本文基于大規(guī)模有機集成電路的EDA設(shè)計方法,建立了 OTFT可用于SPICE仿真的器件模型,同時實驗制備選取性能最優(yōu)的OTFT器件,作為基礎(chǔ)器件,為其構(gòu)建器件模型,設(shè)計了一款有機模數(shù)轉(zhuǎn)換器(OADC)電路,并采用HSPICE軟件完成了其功能的驗證與性能的仿真,給出了最終工藝掩膜版版圖。電路仿真結(jié)果滿足預(yù)期的要求,驗證了提出OTFT模型的實用性,為大規(guī)模有機集成電路的設(shè)計,生產(chǎn)及應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。首先,本文為有機集成電路的基礎(chǔ)器件——OTFT,建立了可用于SPICE仿真的器件模型。OTFT器件中,載流子傳輸機制復(fù)雜,用物理方法很難對其進行分析,因此模型基于OTFT溝道中的電流電壓傳輸特性,引入了載流子遷移率的經(jīng)驗公式及遷移率冪律參數(shù)γa來研究溝道載流子遷移率μFET隨柵壓Vgs的變化趨勢及其載流子傳輸機制。此外,考慮到OTFT結(jié)構(gòu)及材料的特性,模型中引入了對其溝道電流的影響不可忽略的漏、源接觸電阻RS、RD;同時,基于溝道長度調(diào)制效應(yīng)、溝道中陷阱和表面散射所產(chǎn)生的載流子速度飽和以及泄漏電流的影響,引入了溝道長度調(diào)制系數(shù)λ、彎曲經(jīng)驗參數(shù)m、飽和調(diào)制參數(shù)αsat、泄漏電流參數(shù)SIGMA0、場效應(yīng)遷移率的特征電壓Vaa等經(jīng)驗參數(shù),建立完整的OTFT電流電壓模型,并對其提出了一種提取模型中經(jīng)驗參數(shù)的方法,通過對實驗測得的OTFT器件的輸出特性曲線和轉(zhuǎn)移特性曲線進行相應(yīng)的計算和處理,準確地獲得模型中的7個經(jīng)驗參數(shù)。實驗制備了一種基于并五苯(Pentacene)的底柵頂接觸(TC)結(jié)構(gòu)的OTFT,并對其進行參數(shù)提取,構(gòu)建其可用于SPICE仿真的器件模型,對其電流電壓特性進行模擬,得到的仿真結(jié)果與測試結(jié)果相比較發(fā)現(xiàn),該OTFT的輸出特性和轉(zhuǎn)移特性曲線無論在線性區(qū)還是在飽和區(qū),仿真曲線和測試曲線都具有較強的一致性,驗證了建立的OTFT器件模型及其參數(shù)提取方法的精確性。其次,本文制備了不同物理參數(shù),不同絕緣層材料的OTFT,通過對其性能進行研究,確定可設(shè)計的物理參數(shù),并為設(shè)計的有機集成電路選取性能優(yōu)良的基礎(chǔ)器件。首先,為了研究OTFT溝道寬長W/L,以及絕緣層厚度tox等物理參數(shù)對器件性能的影響,以Si為襯底,SiO_2為絕緣層,Pentacene為有源層,分別制備了不同絕緣層厚度tox的OTFT,和不同溝道寬長W/L的絕緣層,通過對比提取的參數(shù)發(fā)現(xiàn),所有OTFT器件均有載流子遷移率冪率參數(shù)γaa0,表現(xiàn)為載流子的有效遷移率隨柵壓增大而增大,這說明,制作的OTFT表現(xiàn)出與非晶硅和納米晶硅TFT相類的傳輸機制,其載流子傳輸機制中,跳躍機制占據(jù)主導(dǎo)地位;此外,對比不同絕緣層厚度的OTFT器件發(fā)現(xiàn),載流子遷移率μFET會隨著柵絕緣層厚度的逐漸增加而減小,說明其對絕緣層厚度tox有一定的依賴性,對比其它模型參數(shù)發(fā)現(xiàn)也存在較大差異,這說明,不同絕緣層厚度的OTFT器件,其模型內(nèi)的參數(shù)值不同,因此,他們在電路設(shè)計中不能夠應(yīng)用同一個OTFT器件模型,因此絕緣層厚度tox不能夠作為可設(shè)計參數(shù)。而通過對不同溝道寬長W/L OTFT提取載流子遷移率μFET等參數(shù),并進行對比發(fā)現(xiàn),它們的載流子遷移率μFET以及其他參數(shù)均差異很小,說明同種工藝,同種結(jié)構(gòu)的器件,溝道寬長W/L不同,絕緣層厚度相同時,可采用具有相同經(jīng)驗參數(shù)的同一個OTFT模型,將溝道寬長W/L作為可設(shè)計的參數(shù),進行器件和電路的仿真。此外,實驗制備了基于不同柵絕緣層材料的OTFT,并通過提取載流子遷移率等參數(shù)對其性能進行比較分析,結(jié)果發(fā)現(xiàn),基于PVP柵絕緣層的OTFT器件的性能最優(yōu),因而將其選定為設(shè)計電路的基礎(chǔ)器件。最后,以選取的性能較優(yōu)的基于PVP絕緣層的OTFT為基礎(chǔ)器件,并利用所提取的該器件的經(jīng)驗參數(shù),建立其用于電路設(shè)計模擬的SPICE模型,設(shè)計了一款4位逐次逼近型(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路,采用H-SPICE仿真工具對其性能進行仿真驗證,并根據(jù)設(shè)計的電路完成了相應(yīng)的掩膜版版圖設(shè)計。設(shè)計的SAR型ADC,在 100Hz 采樣頻率下,性能如下:DNL=0.55LSB,INL=0.55LSB,SFDR=31.5dB,SNDR=21dB,有效位數(shù)3.2位,在60V電源電壓下,平均電流298μA,整體電路使用OTFT共409個。設(shè)計結(jié)果表明所建立的OTFT器件模型及使用的參數(shù)提取方法可以有效的應(yīng)用在有機集成電路設(shè)計中,可以為大規(guī)模有機集成電路提供較為精確的預(yù)測。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TN321.5

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本文編號：1530777