半导体器件仿真与工艺综合设计 02- | 三极管器件仿真

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篇首语:本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理,主要介绍了半导体器件仿真与工艺综合设计 02- | 三极管器件仿真相关的知识,希望对你有一定的参考价值。

一、实验目的和任务

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。

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 为一常量时,集电极电流 与管压降 之间的函数关系在饱和区内,发射结和集电结均处于正向偏置。 主要随 增大而增大,对 的影响不明显,即当 增大时, 随之增大,但 增大不大。在饱和区,和 之间不再满足电流传输方程,即不能用放大区中的 来描述 和 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 一定时, 的值基本上不随 而变化。此时表现出 对 的控制作用, 。三极管在放大电路中主要工作在这个区域中。一般将 的区域称为截止区,由图可知, 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

三、实验内容

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 )

基区(集电结结深 0.15umgauss 分布,峰值浓度 1e18,峰值在 0.05um

处);

发射区(发射结结深 0.05 umgauss 分布,峰值浓度 5e19,峰值在 0um

处)。

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) 语句 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 2 微米×1 微米大小的区

域。

mesh

x.m l=0 spacing=0.15

x.m l=0.8 spacing=0.15

x.m l=1.0 spacing=0.03

x.m l=1.5 spacing=0.12

x.m l=2.0 spacing=0.15

y.m l=0.0 spacing=0.006

y.m l=0.04 spacing=0.006

y.m l=0.06 spacing=0.005

y.m l=0.15 spacing=0.02

y.m l=0.30 spacing=0.02

y.m l=1.0 spacing=0.12

(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),定义三极管的接触电极。

electrode num=1 name=emitter left length=0.8

electrode num=2 name=base right length=0.5 y.max=0

electrode num=3 name=collector bottom

(5) 掺杂定义语句(Doping),是用来定义器件结构中的掺杂分布。

doping reg=1 uniform n.type conc=5e15

doping reg=1 gauss n.type conc=1e18 peak=1.0 char=0.2

doping reg=1 gauss p.type conc=1e18 peak=0.05 junct=0.15

doping reg=1 gauss n.type conc=5e19 peak=0.0 junct=0.05 x.right=0.8

(6) 输出结构结果保存语句(save)

save outf=bjtex04_0.str

(7) 输出文件绘制语句(tonyplot)tonyplot bjtex04_0.str

4.根据 Atlas 器件仿真语法规则获取器件特性

(1) 模型选择语句(modelsimpact)

models conmob fldmob consrh auger print

(2) 接触设置语句(contact)

contact name=emitter n.poly surf.rec

(3) 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

(4)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 autonr trap

(5)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= bjtex04_0.log

(6)solve 语句,以一定的方式给 BJT 外加偏压。

solve vcollector=0.025

solve vcollector=0.1

solve vcollector=0.25 vstep=0.25 vfinal=2 name=collector

solve vbase=0.025

solve vbase=0.1

solve vbase=0.2

solve vbase=0.3 vstep=0.05 vfinal=1 name=base

(7)输出文件绘制语句(tonyplot)

tonyplot bjtex04_0.log

(8)参数提取语句(extract,根据 log 文件获得器件电学参数。

extract name="peak collector current" max(curve(abs(v."base"),abs(i."collecto

r")))

extract name="peak gain" max(i."collector"/ i."base")

5.改变器件结构参数(BJT 各区掺杂浓度﹑BJT 各区杂质分布﹑BJT 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影响。

四、实验结果

(一)器件设计

1、器件结构设计

如图所示,定义npn晶体管的网络信息x为2.0,y为1.0,该区域块掺杂n型材料浓度为5e15,设置为均匀分布;n型材料浓度为1e18,设置为高斯分布,峰值为1.0;p型材料浓度为1e18,设置为高斯分布,峰值为0.05,结深为0.15;n型材料浓度为5e19,设置为高斯分布,峰值为0,结深为0.05,在x的右边区域0.8处;p型材料浓度为5e19,设置为高斯分布,峰值为0,在x的左边区域0.8处,从而形成了该结构,包括N+区域,P+区域,P区域,N-区域,N区域

2、网格调用及设计

#调用atlas器件仿真器

go atlas

#网络mesh初始化

Mesh

#定义x方向网格信息

x.m l=0 spacing=0.15

x.m l=0.8 spacing=0.15

x.m l=1.0 spacing=0.03

x.m l=1.5 spacing=0.12

x.m l=2.0 spacing=0.15

#定义y方向网格信息

y.m l=0.0 spacing=0.006

y.m l=0.04 spacing=0.006

y.m l=0.06 spacing=0.005

y.m l=0.15 spacing=0.02

y.m l=0.30 spacing=0.02

y.m l=1.0 spacing=0.12

#定义区域信息

region num=1 silicon

#定义电极信息

electrode num=1 name=emitter left length=0.8

electrode num=2 name=base right length=0.5 y.max=0

electrode num=3 name=collector bottom

#该区域块掺杂n型材料浓度为5e15,设置为均匀分布

doping reg=1 uniform n.type conc=5e15

# n型材料浓度为1e18,设置为高斯分布,峰值为1.0

doping reg=1 gauss n.type conc=1e18 peak=1.0 char=0.2

# p型材料浓度为1e18,设置为高斯分布,峰值为0.05,结深为0.15

doping reg=1 gauss p.type conc=1e18 peak=0.05 junct=0.15

# n型材料浓度为5e19,设置为高斯分布,峰值为0,结深为0.05,在x的右边区域0.8处

doping reg=1 gauss n.type conc=5e19 peak=0.0 junct=0.05 x.right=0.8

# p型材料浓度为5e19,设置为高斯分布,峰值为0,在x的左边区域0.8处

doping reg=1 gauss p.type conc=5e19 peak=0.0 char=0.08 x.left=1.5

#set bipolar models

#设置BJT仿真所需要用到的物理模型

models conmob fldmob consrh auger print

#设置接触类型

contact name=emitter n.poly surf.rec

#求解初始化

solve init

#保存结构信息文件

save outf=bjtex04_0.str

#用tonyplot绘图示意结构文件

tonyplot bjtex04_0.str -set bjtex04_0.set

(二)对比分析

 

 

以上是关于半导体器件仿真与工艺综合设计 02- | 三极管器件仿真的主要内容,如果未能解决你的问题,请参考以下文章

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