半导体专业实验补充silvaco器件仿真

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1、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，+ 区厚度2心m心m, n耐压层厚度，16心m, p。区厚度2器件宽度具体参数：4心m,器件长度20 am+19-3+19-315-3。10 1 x 10cm掺杂浓度：p cm区浓度为1X10,耐压层参考浓度为 cm, n5x区浓 度为0 O0W+ - +npn图1普通耐压层功率二极管结构、实验要求2 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

2、系。（3、实验过程 Athena #启动go athena器件结构网格划分；# line x 10c=0.0 spac= 0.4line x 10c=4.0 spac= 0.4line y 1oc=0.0 spac=0.5line y 10c=2.0 spac=0.1line y loc=10 spac=0.5line y loc=18 spac=0.1line y loc=20 spac=0.5Si 衬底；#初始化 init silicon c.phos=5e15 orientation=100 two.d沉积铝；#deposit alum thick=1.1 div=10电极设置 #nam

3、e=anode x=1electrodeelectrode name=cathode backside输出结构图 #structure outf=cb0.strtonyplot cb0.strAtlas #启动 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 uniformdoping 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 printmethod carr

4、iers=2 impact selb# 选择求解数值方法method newton# 求解solve initlog outf=cb02.logsolve 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0.8VDu 烟心和图2普通耐压层功率二极管的仿真结构AW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。

5、solve vanode=-0.1 vstep=-0.1 vfinal= -5 name=anodesolve vanode= -5.5 vstep=-0.5 vfinal= -20 name=anodesolve vanode= -22 vstep=-2 vfinal= -40 name=anodesolve 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55-1-1cm ?Vcm80000 V ,在耐压层中线性减小到？2.5X所示，最大电场在结界面处，约为 10也以

6、疝勒5gHATLAS:打，Ll .r a.d- u :Cri Cmfli ；AI特性曲线I-V普通耐压层功率二极管的反向4图biclvi 1 ffiutatofta i*ma图5普通耐压层功率二极管击穿时的电场分布6所示。设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f0d渡。在一段时 再逐渐恢复到零。t= 0前电路已处于稳态，I= I o t= 0时，开关K闭合，二极管从导通向截止过 间内，电流I以d/ d = - Ur/ L的速率下降。在一段时间内电流 I会变成负值ddiot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。

7、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 -36 ；电感L可设为1xi03nH例如可设 R的值很小，电阻 R的值很大，R为1 X 10； , R为阻11212电压 源及电流源也分别给定一个初始定值v, i;那么由于 R远大于R,则根据KCL可知，1211电流i主要经过R支路，即i的绝大部分电流稳定的流过二极管，二极管正向导通，而 R支2111路几乎 断路，没有电路流过。然

8、后，在短暂的时间内，使电阻R的阻值骤降。此时，电阻器 26-3 o这一 1 x 10101 x下降到R作为一个阻源，其阻值在极短的时间间隔内以指数形式从2过程本质上是使与其并联的连在二极管阳极的电流源i短路，这样电流i几乎全部从 R支路211流过，而二极管支路就没有i的分流，此刻电压源v开始起作用，二极管两端就被施加了反11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。50ns结功率二极管的反向恢复时间约为PN所示，8模拟。反向恢复特性仿真图如图图6反向恢复特性测试原理电路图L1R1+二极管V1独立电压源-R2-+独立电流源i1 图7二极管反向恢复特性模拟电

9、路图图8器件反向恢复特性曲线实验3 PN结终端技术仿真1、实验内容由于PN结在表面的曲率效应，使表面的最大电场常大于体内的最大电场，器件的表面易击穿，采用终端技术可使表面最大电场减小，提高表面击穿电压。 场限环和场板是功率器件中常用的两种终端技术。场限环技术是目前功率器件中被大量使用的一种终端技术。其基本原理是在主结表面和衬底之间加反偏电压后，主结的 PN结在反向偏压下形成耗尽层，并随着反向偏置电压的增加而增加。当 偏置电压增加到一定值是，主结的耗尽层达到环上， 如图1所示，这样就会使得有一部分电压有场环分担，将主结的电场的值限制在临界击穿电压以内，这将显著的减小主结耗尽区的曲率，从而增加击穿

10、电压。阳极1场限环 图PNPN结的区别在于场板结构中场板结构在功率器件中被广泛应用。场板结构与普通区引线电极的横向宽度一般结的 PPN区外适当的距离。而普通PN区引线电极横向延伸到型衬底加负电位。 如果场板NPPN结反向工作时，区相对于不超过P扩散区的横向尺寸。使之表面呈现出则这个电场将半导体表面的载流子排斥到体内，下边的二氧化硅层足够厚，所示，就使得在同样电压作用下，表面耗尽层展宽，电场减小，2载流子的耗尽状态，如图击穿电压得到提高。、实验要求2 ）场限环特性仿真（1、55 am,间距为4、200V ,设计3个环，环的宽度依次为6、55、场限环：击穿电压-315 10 cm,观察表面电场。6

11、am,外延层浓度为1X ）场板特性仿真（2、8心m心m4、心m、6、心m、0心m,结深1场板：氧化层厚度心 m1,场板长度分别为心 m2-315 1X心m10,外延层浓度为 10 cm,观察表面电场。场板图2击穿电压的影响 3、场板的应用实例：场板对大功率 GaN HEMT ）内容（1击穿特性的进 GaN HEMT的工作机理、击穿特性刻画以及对场板结构的 （a） GaN HEMT 行仿真分析。 所示。GaN HEMT的结构尺寸及掺杂浓度如图 3）结构和参数：场板结构的（ b0.05 iim%n-GaN 1 x 101 / cm3 0J3 .rnGaN HEMT 图3场板结构的大功率(2)要求(

12、a)掌握定义一个完整半导体器件结构的步骤，并能对其电性能进行仿真研究。(b)理解场板技术对器件击穿电压提高的作用原理并能结合仿真结果给出初步分析。(3)实验过程# 启动internal ,定义结构参数# 场板长度从1um增大到2.25um,步长为0.25um ,通过改变l取值来改变场板长度set 1= 1.0# drain-gate distanceset Ldg=5.1# field plate thicknessset t=1.77355# AlGaN composition fractionset xc=0.295# set trap lifetimeset lt=1e-7set lig

13、ht=1e-5# mesh locations based on field plate geometryset xl=0.9 + $lset xd=0.9 + $Ldgset y1= 0.3 + $tset y2= $y1 + 0.02set y3= $y2 + 0.04set y4= $y2 + 0.18# 启动二维器件仿真器go atlasmesh width=1000# 网格结构x.m l=0.0s=0.1x.m l=0.05 s=0.05x.m l=0.5s=0.05x.m l=0.9s=0.025x.m l=(0.9+$xl)/2s=0.05x.m l=$xl s=0.025x.m

14、 l=($xl+$xd)/2s=0.25x.m l=$xd -0.05 s=0.05x.m l=$xd s=0.05 #y.m l=0.0s=0.1000y.m l=0.3s=0.1000s=0.0020y.m l=$y1y.m l=$y2s=0.0020y.m l=$y3s=0.0100y.m l=$y4s=0.0500# device structure# POLAR.SCALE is chosen to match calibrated values# of 2DEG charge concentrationregion num=1 mat=SiN y.min=0 y.max=$y1re

15、gion num=2 mat=AlGaN y.min=$y1 y.max=$y2 donors=1e16 p=$xc polar calc.strain polar.scale= -0.5region num=3 mat=GaN y.min=$y2 y.max=$y4 donors=1e15 polar calc.strain polar.scale=-0.5#elect name=source x.max=0 y.min=$y1 y.max=$y3elect name=drain x.min=6.0 y.min=$y1 y.max=$y3elect name=gate x.min=0.5 x

16、.max=0.9 y.min=0.3 y.max=$y1elect name=gate x.min=0.5 x.max=$xl y.min=0.3 y.max=0.3 #doping gaussian characteristic=0.01 conc=1e18 n.type x.left=0.0 x.right=0.05 y.top=$y1 y.bottom=$y3 ratio.lateral=0.01 direction=ydoping gaussian characteristic=0.01 conc=1e18 n.type x.left=$xd -0.05 x.right=$xd y.t

17、op=$y1 y.bottom=$y3 ratio.lateral=0.01 direction=y# # KM parameter set#material material=GaN eg300=3.4 align=0.8 permitt=9.5 mun=900 mup=10 vsatn=2e7 nc300=1.07e18 nv300=1.16e19 real.index=2.67 imag.index=0.001 taun0=$lt taup0=$ltmaterial material=AlGaN affinity=3.82 eg300=3.96 align=0.8 permitt=9.5

18、 mun=600 mup=10 nc300=2.07e18 nv300=1.16e19 real.index=2.5 imag.index=0.001 taun0=$lt taup0=$lt# model print fermi fldmob srhimpact material=GaN selb an1=2.9e8 an2=2.9e8 bn1=3.4e7 bn2=3.4e7 ap1=2.9e8 ap2=2.9e8 bp1=3.4e7 bp2=3.4e7#contact name=gate work=5.23# 人为引进光照以利于实现阻断状态下仿真收敛，这是仿真研究击穿的常用手段beam nu

19、mber=1 x.o=0 y.o=$y4+0.1 angle=270 wavelength=0.3#output con.band val.band band.param charge e.mob h.mob flowlines qss# IdVg 特性求解solvelog outf=ganfetex02_0.logsolve vdrain=0.05solve vstep= -0.2 vfinal= -2 name=gatesolve vstep= -0.1 vfinal= -4 name=gatelog offsave outfile=ganfetex02_0.strextract init

20、 infile=ganfetex02_0.logextract name=Vpinchoff xintercept(maxslope(curve(v.gate,i.drain)# IdVd 击穿曲线method autonr gcarr.itlimit=10 clim.dd=1e3 clim.eb=1e3 nblockit=25solve init# turn on optical source to help initiate breakdown# # 人为引进光照以利于实现阻断状态下仿真收敛solve b1=$light index.check#solve nsteps=10 vfinal

21、=$Vpinchoff name=gate b1=$light log outf=ganfetex02_$index.log solve vstep=0.1 vfinal=1 name=drain b1=$lightsolve vstep=1 vfinal=10 name=drain b1=$lightsolve vstep=2 vfinal=20 name=drain b1=$lightsolve vstep=5 vfinal=1200 name=drain b1=$light cname=drain compl=0.5# change to current contact to resol

22、ve breakdowncontact name=drain currentsolvesolve imult istep=1.1 ifinal=1 name=drain#save outfile=ganfetex02_$index.str #extract init infile=ganfetex02_1$index.logextract name=a slope(maxslope(curve(i.drain,v.drain)extract name= xintercept(maxslope(curve(i.drain,v.drain)extract name=Vdmax max(curve(

23、i.drain,v.drain)extract name=Idmax x.val from curve(i.drain,v.drain) where y.val=$Vdmaxextract name=Vd1 $Vdmax - 20extract name=Id1 y.val from curve(v.drain,i.drain) where x.val=$Vd1extract name=c grad from curve(v.drain,i.drain) where x.val=$Vdmaxextract name=d $Idmax - $c*$Vdmaxextract name=Vbr ($

24、b - $d)/($c - (1/$a)extract name=Is $b + $Vbr/$atonyplot ganfetex02_1.str ganfetex02_2.str ganfetex02_3.str ganfetex02_4.strganfetex02_5.str ganfetex02_6.str -set ganfetex02_1.settonyplot -overlay ganfetex02_1.log ganfetex02_2.log ganfetex02_3.log ganfetex02_4.logganfetex02_5.log ganfetex02_6.log -s

25、et ganfetex02_0.set quit图4-9为不同场板长度下半导体层中碰撞离化率的分布图。正向 I-V特性曲线如图5所示，导通 电压接近0.8V。图4场板长度L=1um的沟道中电子碰撞产生率模拟分布图5场板长度L=1.25um的沟道中电子碰撞产生率模拟分布图6场板长度L=1.5um的沟道中电子碰撞产生率模拟分布图7场板长度L=1.75um的沟道中电子碰撞产生率模拟分布图8场板长度L=2um的沟道中电子碰撞产生率模拟分布的沟道中电子碰撞产生率模拟分布 L=2.25um场板长度9图10-12是半导体中电场强度分布随场板长度的变化。图 50000004000000)m/v(d so。le

26、iFci 2000000 rtcelE 100000006523410 L(um)图10不同场板长度的沟道中总电场分布0-1000000 )m/V( -2000000 X dleiF -3000000 E -4000000-50000000123456 L(um)电场分布X不同场板长度的沟道中11图200000010000000 )m/V(Y -1000000dleiF-2000000 E-3000000-40000000123456 L(um)图12不同场板长度的沟道中丫电场分布图13是Id-Vd击穿曲线，可以清楚看到击穿电压从l=1um时的300V左右增大了 l=2.25um时的800V以

27、上。图13不同长度的场板在关断情况下的输出I-V特性但另一方通过对电场分布和碰撞离化率分布的分析知道，场板变长一方面会减弱漏端电场峰值,面也使发生碰撞离化的区域增大，所以这种构型的场板不是越长越好。晶体管特性仿真短沟道 MOS实验4、实验内容1晶体管结构定义。)短沟道LDD-MOS (1 )转移特性、输出特性。(2-314、浓度1 x 10 cm,衬底为P型、厚度0.8 am、3 ()结构和参数：器件结构下图所示，宽度 1.2 am n+ 掺杂多晶硅。，栅氧化层厚度13nm,栅为晶向GiN FEMTSimulWunl-ielt Phle Length - 1 mcmn0-+ -npn图1普通耐

28、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 ）改变表面浓度，改变栅氧化层厚度，观察阈值电压变化。3、实验过程# 启动 Athenago athena# 器件结构网格划分；line x loc=0.0 spac=0.1line x loc=0.2 spac=0.006line x loc=0.4 spac=0.006line x loc=0.6 spac=0.01line y loc=0.0 spac=0.002line y loc=0.2 spac=0.005line y loc=0.5 spac=0.05line y loc=0.8 spac=0.

29、15（ 建议定义左边一半）# 初始化；# 栅氧化，干氧11 分钟，温度950.diffus time=11 temp=950 dryo2 press=1.00 hcl.pc=3提取栅氧化层厚度， extract name= ” Gateoxide ” thickness material= ” Sio -2 ” mat.occno=1 x.val=0.3阈值电压调整； #implant boron dose=9.5e11 energy=10 crystal提取表面浓度# 淀积多晶硅；depo poly thick=0.2 divi=10# 定义多晶硅栅etch poly left p1.x=0

30、.35# 多晶硅氧化，湿氧，900 度， 3 分钟；method fermi compressdiffuse time=3 temp=900 weto2 press=1.0# 多晶硅掺杂implant phosphor dose=3.0e13 energy=20 crystal# 侧墙的形成淀积氧化层： depo oxide thick=0.12 divisions=10干法刻蚀： etch oxide dry thick=0.12# 源漏砷注入，快速退火implant arsenic dose=5.0e15 energy=50 crystalmethod fermidiffuse time=

31、1 temp=900 nitro press=1.0# 金属化etch oxide left p1.x=0.2deposit alumin thick=0.03 divi=2etch alumin right p1.x=0.18# 提取器件参数：结深，源漏方块电阻，侧墙下的方块电阻，阈值电压# extract final S/D Xj extract name=xj xj silicon mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=1# extract the N+ regions sheet resistance extract name=+ sheet rho she

32、et.res material=Silicon mat.occno=1 x.val=0.05region.occno=1# extract the sheet rho under the spacer, of the LDD regionextract name=ldd sheet rho sheet.res material=Silicon mat.occno=1 x.val=0.3 region.occno=1# extract the surface conc under the channel.extract name=chan surf conc surf.conc impurity

33、=Net Doping material=Silicon mat.occno=1 x.val=0.45# extract a curve of conductance versus bias.extract start material=Polysilicon mat.occno=1 bias=0.0 bias.step=0.2 bias.stop=2 x.val=0.45extract done name=sheet cond v bias curve(bias,1dn.conduct material=Silicon mat.occno=1 region.occno=1) outfile=

34、extract.dat# extract the long chan Vtextract name=1dvt 1dvt ntype vb=0.0 qss=1e10 x.val=0.49# 右边结构生成structure mirror right# 设置电极electrode name=gate x=0.5 y=0.1electrode name=source x=0.1electrode name=drain x=1.1electrode name=substrate backside# 输出结构图structure outfile=mos1ex01_0.strtonyplot mos1ex0

35、1_0.str( 每一道工艺定义后，都需要输出/ 画出结构图)# 启动器件仿真器go atlas# 设置模型models cvt srh print# 设置界面电荷contact name=gate n.polyinterface qf=3e10# 设置迭代模型method newton# 解初始化solve init# 设置漏极电压0.1Vsolve vdrain=0.1# Ramp the gatelog outf=mos1ex01_1.log master# 对栅极电压扫描solve vgate=0 vstep=0.25 vfinal=3.0 name=gatesave outf=mos

36、1ex01_1.str# 画出转移特性曲线tonyplot mos1ex01_1.log -set mos1ex01_1_log.set# 提取器件参数extract name=vt (xintercept(maxslope(curve(abs(v.gate),abs(i.drain) # abs(ave(v.drain)/2.0)extract name=beta slope(maxslope(curve(abs(v.gate),abs(i.drain) # (1.0/abs(ave(v.drain)extract name=theta (max(abs(v.drain) * $beta)/

37、max(abs(i.drain) # (1.0 / (max(abs(v.gate) - ($vt)# 对不同的Vg ，求 Id 与 Vds 的关系曲线solve initsolve vgate=1.1 outf=solve_tmp1solve vgate=2.2 outf=solve_tmp2solve vgate=3.3 outf=solve_tmp3solve vgate=5 outf=solve_tmp4load infile=solve_tmp1log outf=mos_1.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.3load i

38、nfile=solve_tmp2log outf=mos_2.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.3load infile=solve_tmp3log outf=mos_3.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.3load infile=solve_tmp4log outf=mos_4.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.3# 画出转移特性曲线tonyplot -overlay -st mos_4.log mos_3.

39、log mos_2.log mos_1.log# 退出， quit实验 5 功率 VDMOS 特性仿真1、实验内容功率 MOSFET 是多子导电性器件，具有开关速度快、输入阻抗高、易驱动、不存在二次击穿现象等优点。理想的功率MOSFET 应具有较低的导通电阻、开关损耗和较高的阻断电压。目前，功率MOS 的主流器件是VDMOS 。（ 1 ） VDMOS 器件结构定义。（ 2 ）转移特性、输出特性。（ 3 ）结构和参数：器件结构下图所示。根据陈星弼教授提出的不均匀电流下的最优杂质分121.418V018VN=1.9 100W=.。设计击布，漂移区最佳厚度为：；杂质浓度为：BRDBR漂移区厚 =VD

40、MOS ,确定其漂移区的最佳厚度和杂质浓度。器件总厚度穿电压为250V的，80nm4心m,栅氧化层厚度（一个单元宽度）度 +漏端厚度+P阱深度，宽度10 a m,阱间距约 多晶硅栅。GaN HEMT Breakdown SimulationField Plato Length - 2.0 micron、实验要求2 ）掌握器件工艺仿真和电气性能仿真程序的设计（1 ）改变表面浓度，观察阈值电压变化。（2 ）调整耐压层浓度，使击穿特性达到最佳。（3 ）掌握导通电阻的求法。（4、实验过程3启动工艺仿真器#网格定义和衬底初始化 # #沟道区由两次掺杂形成 214-Xcm101剂量 为摄氏度P-body的

41、注入采用硼离子注入，注入能量为80kev,并在1100。2.1心m下热扩散100 分钟，形成的结深约为2-15 x 103cm源极的注入采用碑注入，剂量为 100kev,并在1100摄氏度下进，注入能量为。心m0.5行热扩散20分钟，形成的结深约为#栅氧化层 多晶硅栅#金属化# 电极定义#启动器件仿真器#.# 设置模型# 设置界面电荷# 设置迭代模型 #解初始化# 漏极电压从0v加到260V# Id-Vd Vg = 0V log outf=vdmos.log solve vdrain=0.03 solve vdrain=0.1 solve vdrain=0.25 vstep=0.25 vfinal=2 name=drain solve vstep=1 vfinal=10 name=drain solve vstep=5.0 vfinal=260 name=drain structure outfile=vdmos.strtonyplot vdmos.str ）（在结构中观察器件中的电场tonyplot vdmos.log -setvdmos_log.set# 对不同的Vg,求Id与Vds的关系曲线# 画出转移特性曲线# 退出