半导体器件仿真与工艺综合设计 02- | 三极管器件仿真

Posted 2021-08-28 Neutionwei

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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 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）。

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(models，impact)。

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