半导体专业实验补充silvaco器件仿真

实验2 PN结二极管特性仿真

1、实验内容

（1）PN结穿通二极管正向I-V特性、反向击穿特性、反向恢复特性等仿真。

（2）结构和参数：PN结穿通二极管的结构如图1所示，两端高掺杂，n-为耐压层，低掺杂，具体参数：器件宽度4μm，器件长度20μm，耐压层厚度16μm，p+区厚度2μm，n+区厚度2μm。掺杂浓度：p+区浓度为1×1019cm-3，n+区浓度为1×1019cm-3，耐压层参考浓度为5×1015 cm-3。

图1 普通耐压层功率二极管结构

2、实验要求

（1）掌握器件工艺仿真和电气性能仿真程序的设计

（2）掌握普通耐压层击穿电压与耐压层厚度、浓度的关系。

3、实验过程

#启动Athena

go athena

#器件结构网格划分；

line x loc=0.0 spac= 0.4

line x loc=4.0 spac= 0.4

line y loc=0.0 spac=0.5

line y loc=2.0 spac=0.1

line y loc=10 spac=0.5

line y loc=18 spac=0.1

line y loc=20 spac=0.5

#初始化Si衬底；

init silicon c.phos=5e15 orientation=100 two.d

#沉积铝；

deposit alum thick=1.1 div=10

#电极设置

electrode name=anode x=1

electrode name=cathode backside

#输出结构图

structure outf=cb0.str

tonyplot cb0.str

#启动Atlas

go atlas

#结构描述

doping p.type conc=1e20 x.min=0.0 x.max=4.0 y.min=0 y.max=2.0 uniform

doping n.type conc=1e20 x.min=0.0 x.max=4.0 y.min=18 y.max=20.0 uniform

#选择模型和参数

models cvt srh print

method carriers=2

impact selb

#选择求解数值方法

method newton

#求解

solve init

log outf=cb02.log

solve vanode=0.03

solve vanode=0.1 vstep=0.1 vfinal=5 name=anode

#画出IV特性曲线

tonyplot cb02.log

#退出

quit

图2为普通耐压层功率二极管的仿真结构。正向I-V特性曲线如图3所示，导通电压接近0.8V。

图2 普通耐压层功率二极管的仿真结构

图3 普通耐压层功率二极管的正向I-V特性曲线

运用雪崩击穿的碰撞电离模型，加反向偏压，刚开始步长小一点，然后逐渐加大步长。solve vanode=-0.1 vstep=-0.1 vfinal=-5 name=anode

solve vanode=-5.5 vstep=-0.5 vfinal=-20 name=anode

solve vanode=-22 vstep=-2 vfinal=-40 name=anode

solve vanode=-45 vstep=-5 vfinal=-240 name=anode

求解二极管反向IV特性，图4为该二极管的反向I-V特性曲线。击穿时的纵向电场分布如图5所示，最大电场在结界面处，约为2.5×105V•cm-1，在耐压层中线性减小到80000 V•cm-1。

图4 普通耐压层功率二极管的反向I-V特性曲线

图5 普通耐压层功率二极管击穿时的电场分布

导通的二极管突加反向电压, 需要经过一段时间才能恢复反向阻断能力。电路图如图6所示。设t= 0 前电路已处于稳态，I d= I f0。t= 0 时，开关K 闭合，二极管从导通向截止过渡。在一段时间内，电流I d以d i0/ d t = - Ur/ L 的速率下降。在一段时间内电流I d会变成负值再逐渐恢复到零。仿真时先对器件施加一个1V的正向偏压，然后迅速改变电压给它施加一个反向电压增大到2V。

solve vanode=1

log outf=cj2_1.log

solve vcathode=2.0 ramptime=2.0e-8 tstop=5.0e-7 tstep=1.0e-10

反向恢复特性仿真时，也可以采用如图7的基本电路，其基本原理为：在初始时刻，电阻R1的值很小，电阻R2的值很大，例如可设R1为1×10-3Ω，R2为1×106Ω；电感L1可设为3nH；电压源及电流源也分别给定一个初始定值v1，i1；那么由于R2远大于R1，则根据KCL可知，电流i1主要经过R1支路，即i1的绝大部分电流稳定的流过二极管，二极管正向导通，而R2支路几乎断路，没有电路流过。然后，在短暂的时间内，使电阻R2的阻值骤降。此时，电阻器R2作为一个阻源，其阻值在极短的时间间隔内以指数形式从1×106Ω下降到1×10-3Ω。这一过程本质上是使与其并联的连在二极管阳极的电流源i1短路，这样电流i1几乎全部从R2支路流过，而二极管支路就没有i1的分流，此刻电压源v1开始起作用，二极管两端就被施加了反偏电压，由于这些过程都在很短的时间内完成，因而能够很好的实现二极管反向恢复特性的模拟。反向恢复特性仿真图如图8所示，PN结功率二极管的反向恢复时间约为50ns。