有机场效应管（OFET）的SPICE建模与仿真

高鹏程

（甘肃政法大学网络空间安全学院，甘肃 兰州 730070）

0 引言

近年来，针对有机场效应晶体管(OFET)的研究取得了较大进展，其得益于有机合成领域的发展导致了许多半导体聚合物的发现。一些显著研究进展表明，与传统金属氧化物半导体相比，某些有机半导体具有更高的电子或空穴迁移率。有机场效应管(OFET)采用有机半导体材料作为载流子传输层，与现有的金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)和结型场效应晶体管(JFET)相比，其有着许多优点，包括更简单的制造方法、更低的成本和更高的电子迁移率等。由于这些优势，OFET在众多应用领域有着巨大的应用潜力，包括柔性显示器、传感器和射频识别(RFID)标签，有望在未来成为MOSFET和JFET的有效替代方案[1]。

1 OFET的制备

1.1 P3HT材料及其特性

由于分子组织的高聚合度，纳米纤维、纳米管和其他形式的有机半导体正在被逐步使用并成功制造出一系列的高性能晶体管。对于OFET，有机半导体材料主要被用于承担载流子的传输，其导电性质决定了场效应迁移率的大小，进而影响OFET的性能。在原子显微镜(AFM)下由P3HT材料制备的OFET的不同区域可以注意到，在不同的信道区域中分布着大量的纳米线[2]。电荷沿着线传输，所以纳米线的方向，即纳米管，决定了OFET的电子迁移率。理想情况下，如果所有的纳米管都平行排列并连接源极和漏极，它将最大化OFET的电子迁移率。

1.2 结构及制备方法

为有助于增加电荷输送，OFET采用底栅顶接触结构。以两个堆叠层形成的预制硅基底为衬底，衬底的下层为作为栅极的P掺杂硅层（725+/-25μm），衬底上层为作为绝缘层的氧化硅层。最后由P3HT材料制造的半导体层堆叠于衬底之上，作为半导体层。

使用溶液旋涂技术进行OFET的制备，该技术最重要的特性是低成本，并且薄膜制作的精度也令人满意[3]。简而言之，一种具有代表性的溶液旋涂工艺分为三个步骤：首先将旋入液滴到衬底之上，之后通过高速旋转产生对称薄膜，最后去除残留的液体。按照这些步骤，可以沉积一个稳定的薄膜。对于溶液旋涂工艺，第二步和第三步是控制薄膜厚度的关键，而薄膜厚度决定了器件的结构和性能。此外，还可以采用溶剂蒸汽辅助旋涂、溶剂蒸汽辅助退火等技术也可实现OFET的制备。同时，制备过程中使用六甲基二硅胺（HMDS）沉积于半导体层，用于增强衬底与有机半导体之间的黏附性。这一做法可以改善半导体分子的排列方向，有助于电荷输送的增加。

2 特性描述

根据电气和电子工程师协会(IEEE)发布的有机材料和晶体管测量标准，采用场效应管的输出特性曲线对OFET进行特性描述。测量采用Keithley 4200半导体参数分析仪完成。测量可知，栅源电压VGS的值从30V开始，上限为-80V，漏源电压VDS的值选择为0V至-80V，在此范围内的电流响应可以测量，而不引起介质的击穿现象[4]。因此，输出特性曲线符合P型半导体特性曲线特点，可以验证P3HT材料为P型半导体材料，其载流子为空穴。

对于P型晶体管，当VGS小于阈值电压VT，通常小于0V，VDS小于0V时，通道打开，晶体管变为线性系统。随着漏源电压VDS的增加，漏极电流ID的增长趋势逐步减慢，晶体管最终变成饱和状态，这意味着漏电流是恒定的，与漏源电压VDS无关。最高的漏极电流为-9.42μA，此时的VDS=-80V，VGS=-80V。

由此可知，OFET的输出特性曲线满足P型MOSFET输出特性曲线特点。因此，虽然OFET是用有机半导体材料制备的，但是其与MOSFET的基本工作原理是相同的。在之后对OFET进行建模过程中，可以采用已知MOSFET的数学模型进行分析[5]。

3 OFET的SPICE建模

3.1 SPICE模型的初始化

3.1.1 初始OFET 模型的数学分析

OFET与MOSFET的基本工作原理是相同的，可以通过MOSFET的数学模型推导出OFET的数学模型，但由于有机材料与金属材料的特征区别，数学方程只能近似描述OFET的特性。通过引入两个额外的参数Gpar(VGS)和μ(VGS)，这两个参数将作为影响因子控制一个标准MOSFET的输出电流[6]。

根据方程，Gpar(VGS)与VGS之间的关系遵循指数函数。VGS值越大，Gpar(VGS)对VGS的影响也越大。G0和VG0是由给定晶体管决定的两个参数。在对设备进行测量时，系数G0和VG0，μ1和Vμ0的值应手动进行设置，影响因子μ1exp(VGS/Vμ0)也遵循VG的指数函数。

3.1.2 初始OFET 模型的实现

选择两种压控电流源(VCCS)与P型MOSFET并联，可实现对有关数学模型的模拟。根据初始数学模型的等效电路，用SPICE模拟编程语言编写初始OFET模型，并保存为SPICE模型库文件。

3.1.3 初始OFET 模型分析

通过对SPICE模型参数的修改，其模拟输出特性曲线也会相应变化，如图1所示。

图1 初始SPICE 模型的模拟输出特性曲线与实测输出特性曲线的比较结果

图1中的红色实线为实测输出特性曲线，蓝色虚线为模拟输出特性曲线。通过对比可知，实测输出结果与模拟输出特性曲线具有较大差异。这意味着初始的OFET模型无法准确地匹配测量曲线。主要区别在于两个方面：一方面，模拟曲线在线性状态下的斜率较小，但其线性部分的宽度大于模拟曲线；另一方面，对于不同的栅源电压VGS，实测曲线的饱和电流在各条曲线之间有一个基本相等的差值，而模拟曲线显示饱和电流的差值呈逐渐增加的趋势。

为了使两种曲线尽量吻合，如果减小第一个压控电流源VCCS的影响因子，则其对漏极电流的抑制作用也相应较小，可以使线性系统曲线的斜率与实测曲线达到吻合，但会造成模拟饱和电流的值大于实测饱和电流的值，尤其是在栅源电压VGS较大的区域。在这种情况下，如果通过增加第二个VCCS的影响因子来增加对饱和电流的抑制，则有可能会导致某一段线性电流大于饱和电流，意味着在曲线上会出现一个峰值。造成以上差异的主要原因在于OFET与MOSFET材料的电特性差别，因此对于OFET初始模型而言，仅使用两个VCCS是无法实现准确模拟的[7]。

3.2 SPICE建模

为了使SPICE模型对不同被测晶体管具有更好的自适应能力，可行的方法是使用更多的VCCS针对模拟输出特性曲线的各部分进行更加精确、更有针对性的调整。在初始SPICE模型的基础上，建立的新的等效OFET模型。

在新的OFET等效SPICE模型中仍然采用相同的P型MOSFET模型，并将它与更多的VCCS进行并联。这些VCCS也可以分成两部分，“μx(VGS)”和“Gparx(VGS)VDS”。每个VCCS只在特定区域产生一个控制电流。通过调整控制范围和影响因子(μ或G)，该模型模拟输出曲线与OFET实测输出曲线匹配结果能够更加准确。不同的VGS得到的饱和电流都非常接近测量结果。证明可以通过并联多个压控电流源VCCS实现较为精确的SPICE建模。

4 结语

有机场效应晶体管OFET是一个新兴的研究领域，具有巨大的科研价值和商业潜力。由于目前在SPICE软件中尚无OFET模型，因此本文首先通过对采用P3HT材料制备的OFET进行测量，得到OFET的输出特性曲线符合P型MOSFET输出特性曲线特点。之后，由此进行针对MOSFET模型进行改进。最终通过使用并联更多的压控电流源的方法可以实现对OFET的SPICE建模，且模拟的输出特性曲线与实测曲线较为吻合。