实验六半导体器件仿真实

1、实验六 半导体器件仿真实验姓名:林少明 专业：微电子学 学号11342047【实验目的】1、理解半导体器件仿真的原理，掌握Silvaco TCAD 工具器件结构描述流程及特性仿真流程；2、理解器件结构参数和工艺参数变化对主要电学特性的影响。【实验原理】1. MOSFET 基本工作原理（以增强型 NMOSFET 为例）：图 1 MOSFET 结构图及其夹断特性当外加栅压为 0 时，P 区将 N+源漏区隔开，相当于两个背对背 PN 结，即使在源漏之间加上一定电压，也只有微小的反向电流，可忽略不计。当栅极加有正向电压时，P 型区表面将出现耗尽层，随着 VGS 的增加，半导体表面会由耗尽层转为反型。当

2、 VGS>VT 时，表面就会形成 N 型反型沟道。这时，在漏源电压 VDS的作用下，沟道中将会有漏源电流通过。当 VDS 一定时，VGS 越高，沟道越厚，沟道电流则越大。2. MOSFET 转移特性VDS 恒定时，栅源电压 VGS 和漏源电流 IDS的关系曲线即是 MOSFET 的转移特性。 对于增强型 NMOSFET，在一定的 VDS 下， VGS=0 时， IDS=0；只有 VGS>VT时,才有 IDS>0。图 2 为增强型 NMOSFET 的转移特性曲线。图 2 增强型 NMOSFET 的转移特性曲线图中转折点位置处的 VGS（th） 值为阈值电压。3. MOSFET

3、的输出特性对于 NMOS 器件，可以证明漏源电流： 令，称为增益因子。（1）由于 VDS 很小，忽略项，可得：IDS 随 VDS 而线性增加，故称为线性区。（2）增大，但仍小于，项不能忽略。故：在一定栅源电压下，VDS 越大，沟道越窄，则沟道电阻越大，曲线斜率变小。根据式知，IDS-VDS 关系曲线为通过原点的抛物线。当 VDS=(VGS-VT)时，IDS-VDS 关系曲线斜率为 0，表明此时沟道电阻很大。在该区，沟道电阻逐渐变大，称为可变电阻区，或非饱和区。（3）将代入式，得到此时，漏电流 IDS 与漏源电压 VDS 无关，即达到饱和，IDSat则称为饱和漏电流。根据上述分析，可分析 MOS

4、FET 的输出特性曲线：图 3 增强型 NMOSFET 输出特性4. 影响阈值电压的因素：可以证明，对于 NMOSFET 的阈值电压 VT 表达式为：其中， Cox 为栅电容，为费米势，为接触电势差， Qox 为氧化层电荷密度。由公式可知，影响阈值电压的主要由栅电容 Cox、衬底杂质浓度、氧化层电荷密度 Qox 等因素决定。由可知，氧化层厚度 tox 越薄，则 Cox 越大，使阈值电压 VT 降低。费米势：，当 P 区掺杂浓度 NA 变大，则费米势增大，阈值电压 VT 增大 。氧化层电荷密度 Qox 增大，则 VT 减小。5. 影响 MOSFET 输出特性的因素由式可知，影响输出曲线的因素为增

5、益因子和阈值电压 VT。已知，因此，当沟道长度 L 增大时，减小。由原理 4 知，影响 VT 的主要因素有栅电容 Cox、衬底杂质浓度、氧化层电荷密度 Qox 等因素。【实验仪器】计算机，Silvaco TCAD软件【实验内容】1.采用ALTAS器件仿真工具对NMOS器件电学特性仿真（1）I-V输出特性曲线a、Vds=0.1V时，Id-Vgs曲线。b、Vgs分别为3.3V、4.4V和5.5V时，Id-Vgs曲线。（2）器件参数提取，如阈值电压、Beta和Theta等。2.改变器件结构参数和工艺参数，分析其对NMOS器件主要电学特性的影响。（1）栅氧厚度tox（2）沟道长度L（3）衬底杂志浓度【

6、实验数据记录及分析】1.采用ALTAS器件仿真工具对NMOS器件电学特性仿真在 Silvaco 中建立的指定参数器件模型结构如图示：图4指定参数 MOSFET 结构模型中，氧化层厚度 tox 为 0.1 m，沟道长度 L 为 1 m，p型衬底浓度1017cm-3,n阱掺杂浓度为1019cm-3。选用载流子统计模型(fermidirac)对器件进行模拟，固定漏源电压为 0.1V。所得的转移特性曲线如图所示：图5 转移特性曲线图当 VGS 分别为 3.3、4.4、5.5V 时，模拟出器件的输出曲线如图示：图6 器件输出特性曲线由下至上的曲线分别代表 VGS 为 3.3、4.4、5.5V 的情况。由

7、该模拟结果可得，在 VGS>VT 的情况下，随着 VGS 的增大，饱和漏源电流 IDSat 增大，与式所分析的结果相符合。观察曲线可知，当 VDS 较小时，曲线近似呈线性，随着 VDS 增大，曲线趋于平缓，与实验原理分析结果相符。提取器件参数，从运行窗口中可以看到阀值电压，Beta 和 Theta 等，如下：图7 提取参数代码段1提取结果总结如下：阀值电压：vt=3.41966 VBeta：beta=4.24194e-005 A/V2Theta：theta=0.0644978 1/V2.改变器件结构参数和工艺参数，分析其对NMOS器件主要电学特性的影响。（1）改变栅氧厚度tox的值，分析

8、其对NMOS器件电学特性的影响。将氧化层厚度tox从0.1m改为0.05m，分别就器件结构及器件参数、转移特性曲线、输出特性曲线三个方面进行分析和比较。器件结构及器件参数比较（1）tox=0.1 m（2）tox=0.05 m器件参数如下：阀值电压：vt=3.41966 VBeta：beta=4.24194e-005 A/V2Theta：theta=0.0644978 1/V器件参数如下：阀值电压：vt=2.07814 VBeta：beta=7.34899e-005 A/V2Theta：theta=0.0314877 1/V图8器件结构及器件参数图对比观察器件结构图和器件参数值可知，栅极和沟道之

9、间的氧化层变薄，而且阈值电压变小了，Beta值变大了，Theta值变小了。转移特性曲线改变比较（1）tox=0.1 m（2）tox=0.05 m图9 器件转移特性曲线对比观察图9曲线，可知改变氧化层厚度为0.05 m 后，VT= V，比氧化层厚度为0.1 m 时的VT=3.41699 V 要小，说明氧化层变薄后，阈值电压降低。由公式以及公式，分析可知，当氧化层厚度tox的值越小时，即氧化层厚度越薄，栅极电容Cox的值越大，使阈值电压的降低。可知仿真结果和理论分析相符合。输出特性曲线比较（Vgs分别为3.3v，4.4v，5.5v）（1）tox=0.1 m（2）tox=0.05 m图10器件输出特

10、性曲线对比观察图10曲线，可知改变氧化层厚度为0.05 m 后，在通入同等栅极电压的情况下，氧化层厚度变薄，饱和漏源电流变得比原器件大。由公式，分析可知，氧化层厚度变薄，Cox和的值同时增大。由此可知，仿真结果和理论分析相符合。将氧化层厚度tox从0.1m改为0.2m，分别就器件结构及器件参数、转移特性曲线、输出特性曲线三个方面进行分析和比较。为进一步验证中的结论，下面将列出厚度为0.2m时，器件结构及器件参数、转移特性曲线、输出特性曲线三个方面的仿真情况，不对结果再作详细分析。器件结构及器件参数比较（1）tox=0.1 m（2）tox=0.2 m器件参数如下：阀值电压：vt=3.41699

11、VBeta：beta=4.24194e-005 A/V2Theta：theta=0.0644978 1/V器件参数如下：阀值电压：vt=4.68186 VBeta：beta=9.54897e-006 A/V2Theta：theta=0.586113 1/V图11器件结构及器件参数图对比转移特性曲线改变比较（1）tox=0.1 m（2）tox=0.2 m图12 器件转移特性曲线对比输出特性曲线比较（Vgs分别为3.3v，4.4v，5.5v）（1）tox=0.1 m（2）tox=0.2 m图13器件输出特性曲线对比分别观察图11,、图12、图13可知，当氧化层厚度增大时，阈值电压增大，饱和漏源电流

12、变得比原器件小，即值减少。可知当氧化层厚度增大时，仿真结果和理论分析也一致。（2）改变沟道长度L的值，分析其对NMOS器件电学特性的影响。将沟道长度度tox从1m改为0.6m，分别就器件结构及器件参数、转移特性曲线、输出特性曲线三个方面进行分析和比较。器件结构及器件参数比较（1）L=1 m（2）L=0.6 m器件参数如下：阀值电压：vt=3.41699 VBeta：beta=4.24194e-005 A/V2Theta：theta=0.0644978 1/V器件参数如下：阀值电压：vt=3.32242 VBeta：beta=2.21408e-005 A/V2Theta：theta=0.8797

13、51 1/V图14器件结构及器件参数图对比观察图14，可知当沟道长度减小到0.6m后，阈值电压减少到3.32242V，但变化幅度非常小，另外，值减小，值增大。转移特性曲线改变比较（1）L=1 m（2）L=0.6 m图15 器件转移特性曲线对比改变沟道长度为0.6m后，阈值电压VT=3.32242V，与沟道长度为1m vt=3.41699 V近似相等，说明沟道长度和阈值电压无明显相关性。结合实验理论分析，在理想状态下，由公式可知，阈值电压与沟道长度没有明显的相关性，仿真结果和理论分析结果相符合。输出特性曲线比较（Vgs分别为3.3v，4.4v，5.5v）（1）L=0.1 m（2）L=0.6 m图

14、16器件输出特性曲线对比 由图可知，沟道长度变短之后，在通入相同栅压的情况下，饱和漏源电流比改变之前要大。 结合实验原理分析，当沟道长度变小时，值增大，饱和漏源电流增大。可知仿真结果和理论分析结果相符合。（3）改变衬底掺杂浓度的值，分析其对NMOS器件电学特性的影响。将衬底掺杂浓度从1017cm-1改为1015 cm-1，分别就器件结构及器件参数、转移特性曲线、输出特性曲线三个方面进行分析和比较。器件结构及器件参数比较（1）NA =1017cm-1（2）NA = 1015 cm-1器件参数如下：阀值电压：vt=3.41966 VBeta：beta=4.24194e-005 A/V2Theta：

15、theta=0.0644978 1/V器件参数如下：阀值电压：vt=1.25669 VBeta：beta=5.89563e-004 A/V2Theta：theta=0.0486671 1/V图17器件结构及器件参数图对比 观察图17可知，衬底浓度减小时，阈值电压减小了，值增大，theta值减小了。转移特性曲线改变比较（1）NA=1017cm-1（2）NA = 1015 cm-1图18 器件转移特性曲线对比 改变衬底掺杂浓度为1015 cm-1时，阈值电压减小为vt=1.25669 V，比掺杂浓度为1017cm-1时小 由公式分析可知，当掺杂浓度减小时，费米电势增大，则阈值电压减小。所以仿真结果和理论分析结果相符合。输出特性曲线比较（Vgs分别为3.3v，4.4v，5.5v）（1）NA=1017cm-1（2）NA = 1015 cm-1图19器件输出特性曲线对比 观察图19可知，衬底浓度变小后，通入相同的栅极电压下，饱和漏源电流比改变前小。由半导体物理知识可知，衬底掺杂浓度减小会增大载流子迁移率，根据公式，值增大，饱和源漏电流增大，所以，可知仿真结果和理论分析结果相符合。【实验总结】一、通过本次实验，熟悉了利用silvaco软件进行NMOS器件结构描述流程和电学特性仿真