器件仿真与工艺综合设计实验指导书

器件仿真与工艺综合设计实验指导书实验一：二极管器件仿真一、实验目的1、掌握二极管基本结构原理，二极管电流电压特性；2、掌握Silvaco TCAD器件仿真器仿真设计流程及器件仿真器Atlas语法规则；3、分析二极管结构参数变化对主要电学特性的影响。

二、实验原理1.二极管的结构及其原理PN结，是指一块半导体单晶，其中一部分是P型区，其余部分是N型区，如图1所示。

P型区和N型区的交界面称为冶金结面（简称结面）。

由PN结构成的二极管是最基本的半导体器件。

无论半导体分立器件还是半导体集成电路，都是以PN结为基本单元构成的。

例如NPN（或PNP）双极型晶体管的结构，是在两层N型区（或P型区）中夹一薄层P型区（或N型区），构成两个背靠背（或面对面）的PN结。

图1 PN结的结构图PN结导通并产生电流，根据其的形成原理，必须抵消掉空间电荷区内部的电场阻力。

我们通过P区接外加电源的正极，N区接负极的方法，给它加一个反方向的更大的电场，这样就可以抵消其内部自建电场，使载流子可以继续运动，形成线性的正向电流。

外加的反向电压导致内建电场的阻力更大，使得PN结仅有极微弱的反向电流，不能导通。

其是由于少数载流子的漂移运动形成，因少子数量有限，电流饱和。

这时反向电压增大至某一数值时，PN结将因少子的数量和能量都增大，会碰撞破坏内部的共价键，使原来被束缚的电子和空穴被释放出来，不断增大电流，最终被击穿（变为导体）损坏，反向电流急剧增大。

2. 二极管的I~V特性当对PN结外加电压时，会有电流流过。

电流与外加电压的关系不遵从欧姆定律。

外加正向电压（P区接正、N区接负）时，如果电压达到正向导通电压V f的数值，则会有明显的电流流过，而且当电压再稍增大时，电流就会猛增；外加反向电压时，电流很小，而且当反向电压超过一定数值后，电流几乎不随外加电压而变化，如图2所示。

图2 PN结的伏安特性曲线PN结在外加正向电压时流过的电流很大，外加反向电压时流过的电流很小，这说明它只能在一个方向上导电。

PN结的这种特性叫做单向导电性，或整流特性。

流过PN结的电流与外加电压的关系，叫做PN结的电压-电流特性，或伏安特性。

图2即硅PN结的伏安特性，它类似一个非线性电阻，在正、反电压下的特征不对称。

3.二极管击穿特性在一般的反向电压下，PN结的反向电流很小。

但当反向电压增大到某一值V B时，反向电流会突然变大，如图3所示。

这种现象叫做PN结的反向击穿，V B称为击穿电压。

图3 PN结的击穿现象4.Atlas器件仿真流程Atlas器件仿真可以仿真具有一定物理结构、材料属性及掺杂浓度信息的半导体器件在一定外界条件（如温度、偏压、电流等条件）下的电学、光学、热力学特性（包括载流子分布、电场分布、电势分布、能带分布、电流密度分布、电流与电压关系等）。

Atlas器件仿真流程如图4所示：图4 Atlas器件仿真流程图三、实验内容与步骤1.设计目标参数：尺寸:P型衬底（1um×15um）；结构:P区(1um×10um ，5e17)、N区(1um×5um,1e20)。

2.根据设计目标画出器件结构图；3.学习Atlas器件仿真语法规则，并设计器件；(1)仿真器调用命令语句go。

调用atlas器件仿真器需要用到go语句：go atlas(2) 设置网格（mesh），建立了一个含有网格信息的1微米×15微米大小的区域。

meshx.m l=0.0 spac=1.0x.m l=1.0 spac=1.0y.m l=0 spac=1.0y.m l=5.0 spac=0.005y.m l=15 spac=2(3)区域定义语句(region)，定义材料的位置。

region num=1 silicon(4) 电极定义语句(electrode)，定义PN接的接触电极。

electrode top name=cathodeelectrode bottom name=anode(5)掺杂定义语句(Doping)，是用来定义器件结构中的掺杂分布。

doping uniform conc=5e17 p.typedoping uniform n.type conc=1.e20 x.l=0. x.r=1 y.t=0.0 y.b=5.0(6)输出结构结果保存语句(save)。

save outf=diodeex02_0.str(7) 输出文件绘制语句(tonyplot)。

tonyplot diodeex02_0.str4.根据Atlas器件仿真语法规则获取器件特性(1)模型选择语句(models，impact)。

models srh conmob bgn auger fldmobimpact crowell(2)命令执行语句（solve），solve是命令atlas在一个或多个偏压点（bias point）进行求解的语句。

solve init(3)数值方法选择语句（method），用来设置求解方程或参数的数值方法。

method newton trap maxtrap=10 climit=1e-4(4)运行数据结果保存语句（log），输出结构结果保存语句log是用来将程序运行后所计算的所有结果数据保存到一个以log为扩展名结尾的文件中的一个语句。

从solve语句中运算后所得到的结果都会保存在其中。

log outf=diodeex02.log(5)solve 语句,以一定的方式给PN结外加偏压。

solve vcathode=0.25 vstep=0.25 vfinal=10 name=cathode(6)输出文件绘制语句(tonyplot)。

tonyplot diodeex02.log(7)参数提取语句（extract）,根据log文件获得器件电学参数。

extract name="bv" x.val from curve(v."cathode",abs(i."cathode")) wherey.val=1e-10extract name="leakage" y.val from curve(v."cathode",abs(i."cathode")) where x.val=-0.55.改变器件结构参数（PN结各区掺杂浓度﹑PN结各区杂质分布﹑PN结各区杂质类型等），分析结构参数变化对器件结构及电学参数（正向导通电压﹑反向饱和电流﹑击穿电压等）影响。

四、实验报告1.画出器件结构图；2.自己设计表格完成改变衬底掺杂浓度﹑衬底杂质类型对器件结构及电学特性影响，要有详细的对比分析报告；3.自己设计表格完成改变N区掺杂浓度﹑杂质类型及杂质分布对器件结构及电学特性影响，要有详细的对比分析报告；4.根据所学内容，自主设计其他性能二极管。

五、预习与思考1.预习二极管的结构原理，伏安特性，击穿特性等基本知识。

2.分析仿真结果与理论分析是否一致，有哪些效应可以解释上述原因。

六、实验仪器计算机，Silvaco TCAD软件实验二：三极管器件仿真一、 实验目的1、 掌握BJT 基本结构原理，BJT 输出特性、输入特性；2、 掌握Silvaco TCAD 器件仿真器仿真设计流程及器件仿真器Atlas 语法规则；3、 分析BJT 结构参数变化对器件主要电学特性的影响。

二、 实验原理1.BJT 的结构及其原理双极型晶体管是由两个方向相反的PN 结构成的三端器件，主要有两种基本结构：PNP 型晶体管和NPN 型晶体管。

NPN 型晶体管的结构如图1所示。

图中，位于中间的P 区为基区，基区很薄，掺杂浓度很低；位于上层的N 区是发射区，结面积小，掺杂浓度很高；位于下层的N 区是集电区，结面积大；虽然发射区和集电区是同种类型的半导体，但是两个区的掺杂浓度明显不同，发射区的掺杂浓度远高于集电区，而集电区的面积则远大于发射区。

图1 BJT 的结构图PNP 型晶体管的结构与NPN 型相似。

其中间层为N 区，上下两层分别为集电区和发射区；三个区的引出线依次是基极、集电极和发射极。

晶体管不是两个PN 结的简单结合，而是两个PN 结共用一个极薄的P 区（指NPN 型晶体管）或N 区（指PNP 型晶体管）作为基区，通过基区把两个PN 结有机的结合成统一的整体。

彼此间存在着相互联系和相互影响，是晶体管具有完全不同于两个单独PN 结的特性。

2. BJT 的输出特性共发射极输出特性曲线描述是基极电流B I 为一常量时，集电极电流C i 与管压降CE u 之间的函数关系，即BE CE C B CEO ()exp 1q V V I I I kT β⎡-⎤⎛⎫=-- ⎪⎢⎥⎝⎭⎣⎦ （1）输出特性曲线可以分为三个工作区域，如图2所示：图2 BJT 的共发射极输出特性曲线在饱和区内，发射结和集电结均处于正向偏置。

C i 主要随CE u 增大而增大，对B i 的影响不明显，即当BE u 增大时，B i 随之增大，但C i 增大不大。

在饱和区，C i 和B i 之间不再满足电流传输方程，即不能用放大区中的β来描述C i 和B i 的关系，三极管失去放大作用。

在放大区内，发射结正向偏置，集电结反向偏置，各输出特性曲线近似为水平的直线，表示当B i 一定时，C i 的值基本上不随CE u 而变化。

此时表现出B i 对C i 的控制作用，C B I I β=。

三极管在放大电路中主要工作在这个区域中。

一般将0b I ≤的区域称为截止区，由图可知，C I 也近似为零。

在截止区，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态。

3. BJT 的输入特性当晶体管的集电极与发射极之间的电压V CE 为某一固定值时，基极电压V BE 与基极电流I B 间的关系曲线称为双极型晶体管的特性曲线，即：()CE B BE u i f u ==常数（2）如果将V CE 固定在不同电压值条件下然后在调节U BE 的同时测量不同I B 值对应的U BE 值，便可绘出晶体管的输入特性曲线，如图3所示：图3 BJT 的输入特性曲线当U ce=0V 时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联的正向特性曲线。

当1CE U V >，0cb ce be U U U =->时，集电结已进入反偏状态，开始收集载流子，且基区复合减少，特性曲线将向右稍微移动一些，I C /I B增大。

但U ce再增加时，曲线右移很不明显。

三、实验内容与步骤1.设计目标参数：尺寸:N型衬底（2um×1um）；结构:集电区(2um×1um ，gauss分布，峰值1e18，峰值在1um处)；基区（集电结结深0.15um，gauss分布，峰值浓度1e18，峰值在0.05um 处）；发射区（发射结结深0.05 um，gauss分布，峰值浓度5e19，峰值在0um 处）。