实验六 半导体器件仿真实

实验六半导体器件仿真实验

姓名:林少明专业：微电子学学号11342047

【实验目的】

1、理解半导体器件仿真的原理，掌握Silvaco TCAD 工具器件结构描述流程及特

性仿真流程；

2、理解器件结构参数和工艺参数变化对主要电学特性的影响。

【实验原理】

1. MOSFET 基本工作原理（以增强型NMOSFET 为例）：

图 1 MOSFET 结构图及其夹断特性

当外加栅压为0 时，P 区将N+源漏区隔开，相当于两个背对背PN 结，即使在源漏之间加上一定电压，也只有微小的反向电流，可忽略不计。当栅极加有正向电压时，P 型区表面将出现耗尽层，随着V GS的增加，半导体表面会由耗尽层转为反型。当V GS>V T时，表面就会形成N 型反型沟道。这时，在漏源电压V DS的作用下，沟道中将会有漏源电流通过。当V DS一定时，V GS越高，沟道越厚，沟道电流则越大。

2. MOSFET 转移特性

V DS 恒定时，栅源电压 V GS 和漏源电流 I DS 的关系曲线即是 MOSFET 的转移特性。 对于增强型 NMOSFET ，在一定的 V DS 下， V GS =0 时， I DS =0；只有 V GS >V T 时,才有 I DS >0。图 2 为增强型 NMOSFET 的转移特性曲线。

图 2 增强型 NMOSFET 的转移特性曲线

图中转折点位置处的 V GS （th ） 值为阈值电压。

3. MOSFET 的输出特性

对于 NMOS 器件，可以证明漏源电流：

令n =

ox

WC L

μβ，称β为增益因子。

（1）()DS GS T V V V <<-

由于 V DS 很小，忽略2DS V 项，可得：

I DS 随 V DS 而线性增加，故称为线性区。 （2）()DS GS T V V V <-

DS V 增大，但仍小于()GS T V V -，2DS V 项不能忽略。故：

在一定栅源电压下，V DS 越大，沟道越窄，则沟道电阻越大，曲线斜率变小。根据③式知，I DS -V DS 关系曲线为通过原点的抛物线。当 V DS =(V GS -V T )时，I DS -V DS 关系曲线斜率为 0，表明此时沟道电阻很大。

在该区，沟道电阻逐渐变大，称为可变电阻区，或非饱和区。 （3）()DS GS T V V V ≥-

将()DS GS T V V V =-代入①式，得到

此时，漏电流 I DS 与漏源电压 V DS 无关，即达到饱和，I DSat 则称为饱和漏电流。 根据上述分析，可分析 MOSFET 的输出特性曲线：

图 3 增强型 NMOSFET 输出特性

4. 影响阈值电压的因素：

可以证明，对于 NMOSFET 的阈值电压 V T 表达式为：

其中， Cox 为栅电容，Fp ϕ为费米势，ms φ为接触电势差， Qox 为氧化层电荷密度。 由公式⑤可知，影响阈值电压的主要由栅电容 Cox 、衬底杂质浓度、氧化层电荷密度 Qox 等因素决定。

由0s

ox ox

C t εε=

可知，氧化层厚度 tox 越薄，则 Cox 越大，使阈值电压 V T 降低。

费米势：ln

A

Fp i

N kT q n ϕ=，当 P 区掺杂浓度 N A 变大，则费米势增大，阈值电压 V T 增大 。

氧化层电荷密度 Qox 增大，则 V T 减小。 5. 影响 MOSFET 输出特性的因素

由①式可知，影响输出曲线的因素为增益因子β和阈值电压 V T 。已知n ox

W C L

μβ=

，因

此，当沟道长度 L 增大时，β减小。由原理 4 知，影响 V T 的主要因素有栅电容 Cox 、衬

底杂质浓度、氧化层电荷密度 Qox 等因素。

【实验仪器】

计算机，Silvaco TCAD 软件

【实验内容】

1.采用ALTAS 器件仿真工具对NMOS 器件电学特性仿真 （1）I-V 输出特性曲线

a、Vds=0.1V时，Id-Vgs曲线。

b、Vgs分别为3.3V、4.4V和5.5V时，Id-Vgs曲线。

（2）器件参数提取，如阈值电压、Beta和Theta等。

2.改变器件结构参数和工艺参数，分析其对NMOS器件主要电学特性的影响。

（1）栅氧厚度tox

（2）沟道长度L

（3）衬底杂志浓度

【实验数据记录及分析】

1.采用ALTAS器件仿真工具对NMOS器件电学特性仿真

在Silvaco 中建立的指定参数器件模型结构如图示：

图4指定参数MOSFET 结构

模型中，氧化层厚度tox 为0.1 μm，沟道长度L 为 1 μm，p型衬底浓度10^17cm-3,n阱掺杂浓度为10^19cm-3。

选用载流子统计模型(fermidirac)对器件进行模拟，固定漏源电压为0.1V。所得的转移特性曲线如图所示：

图5 转移特性曲线图

当 V GS分别为 3.3、4.4、5.5V 时，模拟出器件的输出曲线如图示：

图6 器件输出特性曲线

由下至上的曲线分别代表V GS为3.3、4.4、5.5V 的情况。由该模拟结果可得，在V GS>V T 的情况下，随着V GS的增大，饱和漏源电流I DSat增大，与式④

所分析的结果相符合。

观察曲线可知，当V DS较小时，曲线近似呈线性，随着V DS增大，曲线趋于平缓，与实验原理分析结果相符。

提取器件参数，从运行窗口中可以看到阀值电压，Beta 和Theta 等，如下：