器件模拟实验指导书

器件模拟实验指导书

一、 实验目的

通过使用MEDICI 模拟软件对典型半导体器件如MOSFET 的直流特性（转移特性和输出特性）进行模拟，初步掌握MEDICI 软件的使用方法，熟悉器件模拟的基本原理和流程，并对MOSFET 晶体管器件的原理与特性有一定的了解。

二、 实验原理

1．直流模拟数据的获得

所谓的直流模拟数据指的是不同偏置条件下得到的器件的I －V 曲线，常用的是三类I －V 数据：

DS V 不变，改变，测量BS V DS GS I V −曲线族，称为数据组A ；

不变，改变，测量BS V GS V DS DS I V −曲线族，称为数据组B ，该曲线也称

为输出曲线；

不变，BS V DS V 改变，测量DS GS I V −曲线族，称为数据组C ； 2．阈值电压的确定

所谓的MOS 器件的阈值电压，是指衬底表面开始强反型时的栅源电压。 根据DS GS I V −数据，有多种不同的方法确定阈值电压。 (1) 常数电流法 令()DS th

W

I I A L

=时对应的即为阈值电压。 T V (2) 线性外推法

从DS GS I V −特性曲线的最大斜率处外推得到阈值电压。最大斜率点对应跨导

DS

m GS

I g V ∂=

∂最大的点。通常称该阈值电压为外推阈值电压。 通常为了保证器件工作在线性区，漏极电压一般固定在50mV ，同时将衬偏

电压置于所期望的值，然后进行模拟就可以得到不同衬偏电压下的BS V DS GS I V −曲线，从而得到。

(th BS V V )

3．亚阈值斜率

栅极电压低于阈值电压时的漏极电流称为亚阈值电流，它随指数变化，亚阈值斜率S 的定义为GS V log()DS GS I V ∼曲线斜率的倒数（见图1），它是决定MOSFET 开关性能的重要参数。

图1 根据log()DS GS I V ∼曲线测量亚阈值斜率

利用Medici 软件可以得到指定偏置条件下的log()DS GS I V ∼曲线，其中直线部分的斜率倒数就是亚阈值斜率S ：

2.3[/)(log )(ln )

GS GS

DS DS dV dV S V d I d I =

=dec

提取亚阈值斜率时，使DS V ，固定，栅极电压一般以50mV 为步长，

从(逐渐变化到，可以得到漏极电流BS V GS V 1T V V −))(1T V V +DS I 的模拟结果。 4．反型层载流子的迁移率

可以通过Medici 程序直接输出指定偏置条件下反型层内的载流子迁移率，具体方法请参阅《工艺和器件模拟软件使用手册》器件部分。 5．输出电阻

在模拟电路中，输出电阻是一个重要的模型参数。通过MOSFET 的输出曲线可以得到输出电阻曲线，输出曲线上每一点的斜率就代表某偏置条件下的输出电导，取倒数后便可以得到输出电阻。

注：Medici 程序在模拟时用到物理模型的介绍请参阅《工艺与器件模拟实验原理》。

三、 实验步骤

1．预习《工艺和器件模拟软件使用手册》，掌握器件模拟软件Medici 的基本使用方法，并对输入文件的书写格式和语法有初步的了解。在此基础上运行手册中给出的N 沟器件模拟的例子，其中要用到的器件结构文件MDEX1MS 在各人帐号根目录下均有，使用时将该文件复制到器件模拟输入文件所在的同一目录下。

2．以Tsuprem4工艺模拟实验步骤5)得到的10um 器件为例进行如下模拟：

a) 保持DS V ＝0.05V 不变，选择一组合适的，模拟不同衬偏电压下的

BS V DS GS I V −曲线(数据组A)，观察对BS V DS GS I V −曲线的影响，并保存模拟数据；

b) 保持＝0V 不变，选取一组合适的，模拟不同栅电压下的BS V GS V DS DS

I V −曲线(数据组B)，观察输出电导(即各点斜率)的变化情况，并保存模拟数据；

c) 亚阈值特性曲线(数据组C)

保持＝0V 不变，选取一组合适的BS V DS V ，模拟不同漏源电压下的DS GS I V −曲线，保存模拟数据。

d) 保持＝0V ，，改变BS V GS th V V >DS V ，使器件分别工作在线形区和饱和区，

进行模拟，并记录下这两种工作状态下的反型层电子迁移率。（反型层电子迁移率曲线的获得可以使用Medici 程序的PLOT.1D 语句得到，使用方法见《工艺和器件模拟软件使用手册》。）

3．改用Tsuprem4工艺模拟实验步骤6)得到的1um 器件重复进行2中的模拟，并保存模拟结果。

4．对Tsuprem4工艺模拟实验步骤7)得到的1umSOI 器件重复进行2中的步骤，

并保存模拟结果。

四、数据处理和分析

为简单起见，将10um体硅器件记为器件1，1um体硅器件记为器件2，1umSOI 器件记为器件3。

1．利用数据组A，利用线性外推法确定器件1，器件2和器件3在零衬偏电压下的阈值电压，比较三者，并进行简单分析；

2．利用同样的方法确定器件2和器件3在不同衬偏电压下的阈值电压，分析衬偏电压对阈值电压的影响，并比较二者，进行简单分析；

3．利用数据组B估算不同器件不同工作区的输出电阻，并做简单分析。

4．利用数据组C分析不同器件的亚阈值特性。

5．比较各器件的反型层电子迁移率(实验步骤2中的d)项数据)，并进行简单分析。

五、思考题

器件的各项电学特性如亚阈值转移特性，输出特性等都是由工艺参数决定的，通过改变栅氧厚度，衬底掺杂浓度，源漏掺杂浓度等工艺参数可以改良器件特性。以器件3为例，分析分别改变栅氧厚度，表面沟道掺杂浓度，源漏结深对器件阈值电压的影响。

通过Tsuprem4以及Medici进行模拟证实自己的结论，并记录相关模拟结果。

六、实验要求

1．要求有预习报告；

2．独立完成上述实验内容，并认真记录实验结果；

3．实验报告要求附有原始模拟结果，如太多可以通过电子版提交；

4．要求有实验总结。