PNP管设计及其准静态电特性分析

1、器件与工艺模拟课程设计题目：PNP管设计及其准静态电特性分析班级：电子科学与技术 11-1班组员：李可 冼马军 张胜学号：201147022011468520114689目录一、设计内容及基本要求二、晶体管工艺参数设计三、PNP管设计四、准静态电特性分析五、问题讨论六、心得体会七、参考文献.设计内容及基本要求1、 目标：设计一共射极直流增益（3 >150的PNP双极型晶体管， 并分析其输入特性和输出特性。2、要求：1）MDRAW具设计一个双极型晶体管（平面工艺）；2）在MDRA下对器件必要的位置进行网格加密；3）编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序，其中集电极偏 压从0V扫到

2、-20V;4）应用INSPECT工具得出器件的输出特性和不同基极电流（取 0,-2,-4,-6,-8,-10 卩A）时的Ic-Vc输出特性曲线。5） 用Tecplot_ise 对比晶体管工作于放大区（i b>0, Vce>Vje）、饱 和区（iB>0, V ce<VBe）和截止区（iB<0）时的电场分布、载流子 分布、载流子电流密度分布。6）观察并解释基区宽度调制效应。二. 晶体管工艺参数设计1、浓度参数根据设计要求，需要设计出共射极直流增益 3 >150的PNP双极型晶 体管。首先各区浓度，一般晶体管浓度满足 N>N>NC。同时又要求发射极重掺

3、杂，所以去 NE=1X 1019cm3 , NB=1X1017cm3, NC=1X 1016cm3,N、或附Mnr勺1 xW“”25I K1QIJ. .,PI xlQ16.Ccm3 f13S&D37135213*51332U9HI24i I血4K6801片46146045V45H45544S43741*331-if-r-4-L-i- 卜 <|-> 4" a a a” 硅r= 300 K B'< 4卜阿*卜亠.!；"：】：8 廿 rrrrrLBL.10IlH101510'*io7g 或 Nd (tm")10圏1迁移率打杂质浓

4、皮的关話閤根据图1,得到少子迁移率：a c=a n=1248crf/v s a b=卩 p=331cnr/v s a e= n=270cnVv s根据公式可得少子的扩散系数D=空 =0.026 x 1248=32.45cm7sqLi2DB=T %=0.026 x 331=8.61cm/s qD二竺 E =0.026 x 1248=7.02cm2/sqW 5-21 Q祇Si +少牡电 f frt Xi中和IT nkK 巧*杂»= ME崗尤算 因2少子有命勺悸杂潤度的关系-*畫J- _» _» r!-l眄o'皑 5 Z2 it T； 3.AlEHJXr A f

5、titr ttKHt T 掙皐 HfcK*V ft Wk图3少子寿命与携朶浓度的函数关系半导体物理F177)根据图2、图3,分别得到各区少子寿命T c、T b、T E、567t c=8x 10 s t b=2x 10 st e=1.07 x 10 s根据公式得出少子的扩散长度：Lc= DC C =510 卩 m Lb= DB B =41.4 卩 m L e= de E =8.67 卩 m2、尺寸参数(1) 集电极厚度：wc为5卩m(2) 基区宽度当发射效率丫1时，电流放大系数丄二罟，因此基区宽度的最 大值可按下式估计：WB ：#* 设计过程中取入=4。根据公式，求 得低频管的基区宽度的最大值为

6、： I21WB :土2P =21.4 卩 m基区宽度的具体设计：E-B结的内建电势为:VbiEB=0.026 ln1 1019 1 1017(1.45 10)2-0.938VC-B结的内建电势为:VbiCB=0.026 In1 1016 1 1017(1.45 1010)2=0.759V根据公式,E-B结在基区一边的耗尽层宽度XnEB为:Ne -Nb，可以当成单边突变结处理XnEB1 1 2Ks；0Nev 2 2Ks；oV°I VbiEB叱 |VbiEBq Nb(Ne +Nb ) 一 QNb51.11 10 cm = 0.111um2 11.8 8.85 10" 0.938

7、 2"忻“灯。17一C-B结在基区一边的耗尽层厚度XnCB 为:x I 2KsXn CBNCq Nb Nc Nb %)穿通时有 W=0,则 Wb -XnEB -XnCB =0=VCB = VbiCB2Ks'oqWB,max - XnEBNcNb Nc Nb= 0.759-14447 二-14446.241V则 Vcb K"VcbO所以有XnCBVNcNb NcNbVbiEB=豊；爲 10打M10；1017严 .759:0.344 10 cm 二 0.0344um对于准中性基区宽度 W取基区宽度Wb =2um，贝yW=WB -XnEB -XnCB =2-0.134-0

8、.0363 =1.8297um验证其取值的准确性，根据公式有:deDe NB Wdb Ne Le*1.8300” ',41.4心0山电极(base)nJOL-J卑电区电楓(cq I I eGtor ) X1度射區A区Ir2&11J(Termlnai)File Edit view Arrange Me$hi瓯yo.gg-ie 2.25(n*)E /hom廿xM2(Himpn_rfigbnd o'FreTerencesaJ Scal&s d CDurdmateB Grid Rulers Coiflajcts Fln«J Mesh Reflnemenl Mu

9、inox r>3艸1(別P Dnslant P.Funclion Palette SuUMeshesF三二匕InformlionIZdOmOut电械(emitter)吒HIIIMVII!1111131111111 llllllUlllllUm矛4一=_卫耳幕吋鸟!«=!?=£一=£=?=«-:=菊 AT. ；r.:iJI:”=_呂一1747.021101.8310-1頁48.611108.6710*2:370解得的B符合设计指标，所以基区宽度为 WB=2m，且没有超过其最大值。具体基区厚度实验进行调整三. PNP管设计1、双极型晶体管平面工艺根据以

10、上计算的数据，利用 MDRA软件设计并画出pnp的平面工艺图形，如图4。图4平面工艺首先三个区均采用的是均匀掺杂。图中基区和集电区分别采用了欧姆 接触和外延层重掺杂，浓度分别为：基区 N=1X 1O20cm3，集电区2=1 x 1O20cm3,目的是减小电阻。通过模拟，为达到所要求的增益B >150, 最终确定的参数：(1)浓度：发射区 NE=1 X 1020cm-3，基区 NB=1.1 x 1017cm，集电区 N=1x 1016cm3,尺寸发射区：宽度W=0.5卩m长度Le=1卩m基区：宽度 W=0.65 m 长度Lc=3 m集电区：宽度 WC=3.85 m 长度Lc=3 m最后各个

11、区分界面经行网格加密，在运行程序，仿真出图4的图形，再保存文件。2、Dessis文件及其仿真根据 MDRA生成的 pnp_mdr.grd , pnp_mdr.dat 文件，进行 dessis 程序的编写，程序如下，完成lb为0卩A、-2卩A、-4卩A、-6 a A、-8 a A、-10 a A时集电极电压从0扫到-20V的输出特性曲线。“File * In put FilesGrid =Dopi ng =Output FilesPlot :pn p_mdr.grd pnp_mdr.dat ”Current =Output =Electrode Name=pn p_des.dat pnp_des

12、.plt ” pnp.log ”Name=emitter ” Voltage=0.0base Voltage=0.0 Curre nt=0.0Name=“ collector Voltage=0.0Physics Mobility (Dop in gDepe ndence HighFieldSaturatio n )Recomb in atio n ( Auger SRH(Dopi ngDep) ) Plot Pote ntial ElectricField SpaceChargeeTemperatureeMobility hMobility eVelocity hVelocityDonorC

13、oncen trati on AcceptorC oncen trati onDopi ngConcen trati onAvala ncheGe neratio n SRH Auger TotalRecomb in atio n eDe nsity hDe nsity eCurre nt hCurre ntTotalCurre nteQuasiFermi hQuasiFermiMath ExtrapolateNotDamped=100Iterati on s=20RelerrC on trolAvalDerivativesSolve * In itial GuessCoupled (Iter

14、atio ns=100) Poisso nCoupled Poiss on Electro n Hole *Ramp base to O.OuAsave (FilePrefix=“ IbO ” )*Ramp base to -2e-6 uAQuasistatio nary(l ni tialStep=1e-9 Mi nstep=1e-12 Maxstep=0.2 In creme nt =1.5Goal Name=“ base ” Current=-2e-6) Coupled Poisson Electro n Hole save (FilePrefix=“ Ib1 ” )*Ramp base

15、 to -4e-6 uAQuasistatio nary(l ni tialStep=1e-9 Min step=1e-12 Maxstep=0.2 In creme nt =1.5Goal Name=“ base ” Current=-4e-6) Coupled Poisson Electro n Hole save (FilePrefix=“ Ib2 ” )*Ramp base to -6e-6 uAQuasistatio nary(l ni tialStep=1e-9 Mi nstep=1e-12 Maxstep=0.2 In creme nt =1.5Goal Name=“ base”

16、 Current=-6e-6) Coupled Poisson Electro n Hole save (FilePrefix=“ Ib3 ” )*Ramp base to -8e-6 uAQuasistatio nary(l ni tialStep=1e-9 Min step=1e-12 Maxstep=0.2In creme nt =1.5Goal Name=“ base ” Current=-8e-6) Coupled Poisson Electro n Hole save (FilePrefix=“ Ib2 ” )*Ramp base to -10e-6 uAQuasistatio n

17、ary(l ni tialStep=1e-9 Min step=1e-12 Maxstep=0.2In creme nt =1.5Goal Name=“ base ” Current=-1e-5) Coupled Poisson Electro n Hole save (FilePrefix=“ Ib2 ” )# Load saved structures and ramp collector voltage to create family of curves:# First curveLoad (FilePrefix= “ IbO ” )NewCurrentFile=“ lcVcO_ ”Q

18、uasistatio nary(l ni tialStep=0.01 Min step=1e-4 MaxStep=0.2Goal Name =“ collector” voltage=-20) Coupled Poiss on Electr on HoleCurre ntPlot (time =(ra nge =(0.0 0.2) i ntervals=10;range =(0.2 1.0) i ntervals=20) ) Load (FilePrefix= “ Ib1 ” )NewCurrentFile=“ lcVc1_ ”Quasistatio nary(l ni tialStep=0.

19、01 Min step=1e-4 MaxStep=0.2Goal Name =“ collector” voltage=-20) Coupled Poiss on Electr on HoleCurre ntPlot (time =(ra nge =(0.0 0.2) i ntervals=10;range =(0.2 1.0) i ntervals=20) ) Load (FilePrefix= “ Ib2 ” )NewCurrentFile= “ lcVc2_ ”Quasistatio nary (In itialStep=0.01 Min step=1e-4 MaxStep=0.2Goa

20、l Name =“ collector ” voltage=-20) Coupled Poiss on Electro n HoleCurre ntPlot (time =(ra nge =(0.0 0.2) i ntervals=10;range =(0.2 1.0) i ntervals=20) ) Load (FilePrefix= “ Ib3 ” )NewCurrentFile=“ lcVc3_ ”Quasistatio nary (In itialStep=0.01 Min step=1e-4 MaxStep=0.2Goal Name =“ collector ” voltage=-

21、20) Coupled Poiss on Electr on HoleCurre ntPlot (time =(ra nge =(0.0 0.2) i ntervals=10;range =(0.2 1.0) i ntervals=20) ) Load (FilePrefix= “ Ib4 ” )NewCurrentFile=“ lcVc4_ ”Quasistatio nary (In itialStep=0.01 Min step=1e-4 MaxStep=0.2Goal Name =“ collector ” voltage=-20) Coupled Poiss on Electr on

22、HoleCurrentPlot (time =(range =(0.0 0.2) intervals=10;range =(0.2 1.0) i ntervals=20) ) Load (FilePrefix= “ Ib5 ” )NewCurrentFile= “ lcVc5_ ”Quasistatio nary (In itialStep=0.01 Min step=1e-4 MaxStep=0.2Goal Name =“ collector ” voltage=-20) Coupled Poiss on Electr on HoleCurre ntPlot (time =(ra nge =

23、(0.0 0.2) i ntervals=10;range =(0.2 1.0) i ntervals=20) ) 四. 准静态电特性分析1、输出特性曲线及基区宽度调制效应分析通过调用inspect，观察输出特性曲线Ic-Vc，如图5匡止国Edit1/O"IW5PE CT tadlVMlMyareH 玉直接在虛払伍爾人挂CVI+G.Elie £dit £urve ript ElenrsioiiB yelpi-Data-setsI b-0 u ATotalCwrenLcolledorIb=-4 u AI b-6 AIb-8 uA-0. 00119Nflw.TO M

24、V AXISlb=-10 uATo Right ¥ AkisDelete.TerminalINSPECTaicadVMwareB v9.5TQlUCurTK_coliflcl! TQl3lCurren|_CQllect TnlalCurTe'fii_colllect irmalC： urr&ni_collect T DlalCurrencollect IT daiCurrBnCcallectlime emitter bat& collBclur%l1e-7郦-0.00073TotaiCmrrent.coilBclDr 5TatalCumnLcolledDr4

25、TataiCwrenLcoilecior.3TatalCwrenLc-oiledDr.Z TotalCwrenLcoiledor 1-0. 0015 卜-20Oe-s des deslloulervanage InnerVonagiB DliplajcehienbC urfnen eCurrent hCurrent TolalCurrent ChargeIcVcO.p ICVCl_p ICVCZ_P ICVC3_P lcVc4_p lcVc5=p图5 Ic-Vc特性曲线从图中不同基区电流，直流增益均在150以上。截止区集电极电流集合为零。并且从图中可以清楚看出基极不为零时，当集电极达到放大区后

26、，I C大小并不是保持不变的，而是随着集电极电压反向增加缓慢增加，这就是基区调制效应引起的。如若仔细计算，我们还可以发现 在不同基极电流下，直流增益是不同的，即随着I b方向增大，增益略有减小，造成这个现象的原因是基区扩展效应，即电流增大，当达到hFE +二«邨T弭2Ln2大电流时，会造成基区有效宽度增加，由公式Xb可以看出，当基区宽度xb增加时，增益会有所减小。2、不同工作区特性分析电场分布Tecplot2D CartEsian in K世匝江匡hi .dtsfiA W cm-fG.Edk View Plgt In serf Dits FrownsWgrkp 且 geZone La

27、yers:毎 Me5h蚩 CahLaur 二 务 J VectorS* J ScErtter C STiadeQ BoundwPErfarmanceQuick Edit,CSgK. to Select Dreg to Select GroupJI Sn邮讷诅M _l 禹那 tc PaperTerminalTec pl 01图6截止区电场分布川" m日1卫1日* 口寸片“4訝100'一 妆二二Sn缈讷xl _l 潮那 la PapeiClck to Select Drag B Select GeupTerml 词 Tecploi图7饱和区电场分布ficwi mdinid i 口

28、 寸科Zone Layers:誓 Mesh爹 CdrMfiu1土|务 J Vector 洪ScatterO STiadeQ BoundwRedrawPErfarmanceAbQUU. Edit.-J帥1 砂 to PaperClick to Select; Drag to Select GnupIlfXJaTrmlhaldETecpldwK邺W '-nra图8放大区电场分布图68分别是截止，饱和，放大区的电场分布，电压降主要集中耗尽层，所以电场分布也主要在耗尽层位置。在截止区时由于lb>0,发射结和集电结皆是反偏，两者皆不导通，且空间电荷区较宽，因此空间电荷区有较大电场，又因为集

29、电结耗尽层远大于发射结， 所以发射结 电场较小且不明显。在饱和区(I b<0, 0<VcE<VBe),发射结、集电结都是 正偏，两者都导通，空间电荷区间较窄，因此如图 7空间电荷区电场 较小，同理在放大区由于 Vce>VbE>0，由于发射结正偏，集电结反偏， 发射结导通，集电结截止，因此只有集电结空间电荷区有较大电场。载流子分布FIb Edt Wba ffcn part Daib Franc鱼01网忙 |r«oiMFIe Edt Wemi £tan Insert Dai& FrancZDCwtaslBn -j!S XHelpMrth C

30、4 翊 4 J VKlwJ StlfllY $h«lr EuidawZ«ir $Me.帰<1呼PErtrnarcta S3ajjl7 %Jo丸0. +昼1口略/ :-AB捕» XE4I Mwh q呷fvkIctJ SQHItf ShKlF EiuidamZonr SMe.T7畑R9.SE+1Et4F-OI« |3O生rv0 +剑口賂7:'B啓瞬.乞WIGB ElPrtriETCi-rOGfUir, |脏品 2.3E+1& 印I世2畑3&藍沖IJ J j*A£i>Il PfiptT tk 0 Sd£&

31、#163;L J 曾 y S££l B-Dup0恳題事gT 血H1J图9截止区电子 空穴分布y .百上FIe Edt Wm Pton Irswt Dai& Fre Wirtspoce JSdJWMLL.社如追 jHelpFIe Ed I: Wemi £tan Insert Diib Franc 世rtspo"匪鹹IM止.B6j亡XHelpZD CwtsslBn EDCwtBsiBn |Efin? Lahiri： 曲 Mnh 0 a 冒 IX ±»VKlDT 尹牝KIM © ShKlp Q EojidarvZwir $

32、MeRedraw« (3勺电斗JO 0ra.»0. +口略f:-:、a囲睦1®RtdfftMAlPB"13TiBrCtN*'PP1 2 :L1 1 15XB1 1 y 1 ! Mwh 5呷4J vremJ EtMItf $h«dr EbJlMwZwir$Me.AJlRedrawPerti'nerce-QufchEitL. J:匸珂 >xi Pijptrteb V SdKL Di 耳 k SdKI 3-Dup|T邨HW”田iPSEft DsJb FranE WirtspaeJffEaKiM上.tt 询迪 joDi»

33、S 畑插3UIE+俺 磁皿 玄9F咖 貂曰特 jjF-rfe应曲-1IE+1E MF，®B &%为J.TF+Cfl-缸岭Eei图10饱和区电子空穴分布巴XHelpFIe Edt W°* £kn Insert D£i& Franc W nt spas e <£皿力1«上.1*讪迢 jEt> CwtBsiBn |Mnh q 翊 U1jJVkI dtJ 险 K1HB $hadr EDufi!iafuZone Style.Redraw21« Q*7 %O屯IHLR0. +:|口曲Z口 :：'S越X

34、PErtFNBTDtE-GO 0(0“ 询白插 7.5E+ab 6.2EI 翎E叩 二洛8 !LIF-0lZsnpLejr出 MnhSf carcaur ±BVkIw g* j EtMih* O SlwirQ EbtfidarZenr SMePertrnarDT7耳O只FH-R. + Hv/口 :'D閤X列址S3npaI： 腿!MHnDor吃彷E.OEiitH .3E+as 讪E>唯 IF咖 2跳略 氏 7FPI迥I： b SdfifL Di 紳 匕韶送I O-ajpick ie> Sduc Di&ie> £3；gpIWoadTeufcrT

35、eafci图11放大区电子空穴分布从图911载流子分布可以看出，电子浓度在 N型区较咼，P型区较 低，同时空穴浓度在 P型区较高，N型区较低，而在空间电荷区载流 子浓度较低。在截止区时，电流几乎为零，因而载流子分布和不加电 压情况相同。在饱和区集电极稍加电压，在电压不大的情况下，相当 于小注入，因此各个区少子浓度相对于截止区略有增加，当多子浓度几乎不变。放大区集电极所加电压较大，导通电流较大，相当于大注 入的情况，因此各区多子浓度和少子浓度相对于饱和区而言增加的更多。电流分布Zcne Laryiers:誓 MeshE0i nid * 口对申胡科抄 Caruur 二 务 J Vector5* J

36、 ScsttErC1 STiade BoundwEcm StylE RedrewAlRedrawPErfarmance2oJj2 ftQuick Edit,ToolCurienlDensrly.*04i.0E*0210E-01,8E-W23456/.5F 167.4E-0SClick to Selea, Dr朋 ta Select Group罰那 讷 GrxlTfrmlralTecpld图12截止区电流分布TecplotHFile Edit View Plot Insert巫tqFramE Workspaceri2D CartEsian iZone Layers: 誓 Mesh 型1 CarU

37、Qui1 JJ Veetar o* J StErtter ) Sriade Q BoundwRedrawPErfarmance-J.KE3齐01土蜓型3TIIQO'- 口一°1«|ClcktQ Select Drag B Select GoupKn邺讪曲xl 帥i即to PapeiQuid Edit.tficrn Ediid 口寸片仏皿制0 _N1 -2 _A3 -P-T CiilCU” 打d DMSd ly4 XEB1_6.6EfO3-Ij2E+O32.2E+023 1 1 1 11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 12 :J45674.IE«

38、;0lX76E*00TerminalTecplol图12饱和区电流分布Zone L 护5： 毎 Mesh也“ mdifid | 口 心钗承卽 COrMdu1土|务 J Vector 洪 J ScatterO STiadeQ Boundw伽$ Styl匕“RedrawPErfarmance-J.K01±&型0 一一也。- 口口«|QuU. Edit.岛邺诫曲adCSckto Select Drag to Select Ckoup韌即to PapiTerminalTecpIqV图14放大区电流分布从截止区，饱和区，放大区电流分布可以看出放大区电流 饱和区电流截止区电流，且截止区电流几乎为零。在饱和区和放大区Ic>>Ib可以看出晶体管具有电流放大作用。五. 问题讨论本次实验pnp晶体管各个区采用的是均匀掺杂，如果采用高斯掺 杂是否可以得到同样理想的曲线及其特性？高斯掺杂相对于均匀掺杂更接近实际， 但过程更为复杂。通过高 斯掺杂获得的器件I-V特性曲线如图15,其直流放大增益较小几乎 没有放大作用，并且通过调节掺杂浓度和基区宽度对放大增益的改善 较小如左图。同时当基区宽度足够小时，基区