半导体专业实验补充silvaco器件仿真

实验2PN结二极管特点仿真1、实验内容（1）PN结穿通二极管正向I—V特点、反向击穿特点、反向恢复特点等仿真。(2）结构和参数：PN结穿通二极管的结构如图1所示，两端高混淆，n—为耐压层，低混淆,详尽参数:器件宽度4μm,器件长度20μm，耐压层厚度16μm,p+区厚度2μm，n+区厚度2μm.混淆+19-3+19—315-3。浓度：p区浓度为1×10cm，n区浓度为1×10cm，耐压层参照浓度为5×10cm0Wp+n-n+图1一般耐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)掌握一般耐压层击穿电压与耐压层厚度、浓度的关系。3、实验过程#启动Athenagoathena＃器件结构网格划分；linexloc=0。0spac=0.4linexloc=4。0spac=0。4lineyloc=0.0spac=0.5lineyloc=2。0spac=0。1lineyloc=10spac=0。5lineyloc=18spac=0。1lineyloc=20spac=0。5＃初始化Si衬底；initsiliconc。phos=5e15orientation=100two.d#聚积铝；depositalumthick=1.1div=10＃电极设置electrodename=anodex=1electrodename=cathodebackside＃输出结构图structureoutf=cb0。strtonyplotcb0.str＃启动Atlasgoatlas＃结构描述dopingp.typeconc=1e20x.min=0。0x.max=4。0y。min=0y.max=2.0uniformdopingn.typeconc=1e20x。min=0.0x。max=4.0y。min=18y.max=20.0uniform＃选择模型和参数modelscvtsrhprintmethodcarriers=2impactselb#选择求解数值方法methodnewton＃求解solveinitlogoutf=cb02.logsolvevanode=0.03solvevanode=0.1vstep=0.1vfinal=5name=anode＃画出IV特点曲线tonyplotcb02。log＃退出quit图2为一般耐压层功率二极管的仿真结构。正向I—V特点曲线如图3所示,导通电压凑近0。8V。图2一般耐压层功率二极管的仿真结构图3一般耐压层功率二极管的正向I-V特点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，尔后逐渐加大步长.solvevanode=-0。1vstep=-0。1vfinal=-5name=anodesolvevanode=-5。5vstep=-0.5vfinal=—20name=anodesolvevanode=-22vstep=—2vfinal=—40name=anodesolvevanode=—45vstep=—5vfinal=-240name=anode求解二极管反向IV特点,图4为该二极管的反向I—V特点曲线.击穿时的纵向电场分布如图5所示，最大电场在结界面处，约为2.5×105V?cm-1，在耐压层中线性减小到80000V?cm-1。图4一般耐压层功率二极管的反向I—V特点曲线图5一般耐压层功率二极管击穿时的电场分布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6所示.设t=0前电路已处于稳态，Id=If0.t=0时,开关K闭合，二极管从导通向截止过渡。在一段时间内，电流Id以di0/dt=-Ur/L的速率下降。在一段时间内电流Id会变成负值再逐渐恢复到零。仿真时先对器件施加一个1V的正向偏压，尔后迅速改变电压给它施加一个反向电压增大到2V。solvevanode=1logoutf=cj2_1。logsolvevcathode=2.0ramptime=2。0e-8tstop=5。0e-7tstep=1.0e-10反向恢复特点仿真时,也可以采用如图7的基本电路，其基根源理为：在初始时刻，电阻12的值很大，比方可设1-3261；R的值很小，电阻RR为1×10,R为1×10；电感L可设为3nH电压源及电流源也分别给定一个初始定值v1,i1;那么由于R2远大于R1，则依照KCL可知，电流i1主要经过R1支路,即i1的绝大部分电流牢固的流过二极管,二极管正导游通，而R2支路几乎断路,没有电路流过.尔后,在短暂的时间内，使电阻R2的阻值骤降。此时，电阻器R2作为一个阻源,其阻值在极短的时间间隔内以指数形式从1×106下降到1×10-3。这一过程实质上是使与其并联的连在二极管阳极的电流源i1短路，这样电流i1几乎全部从R2支路流过,而二极管支路就没有i1的分流,此刻电压源v1开始起作用，二极管两端就被施加了反偏电压，由于这些过程都在很短的时间内完成，所以可以很好的实现二极管反向恢复特点的模拟。反向恢复特性仿真图如图8所示,PN结功率二极管的反向恢复时间约为50ns。图6反向恢复特点测试原理电路图R1L1+二极管独立电压源V1-R2+独立电流源i1图7二极管反向恢复特点模拟电路图图8器件反向恢复特点曲线实验3PN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。其基根源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。当偏置电压增加到必然值是，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，这将显然的减小主结耗尽区的曲率，从而增加击穿电压。图1场限环场板结构在功率器件中被广泛应用.场板结构与一般PN结的差异在于场板结构中PN区引线电极横向延伸到PN区外合适的距离.而一般PN结的P区引线电极的横向宽度一般不超过P扩散区的横向尺寸。PN结反向工作时,P区相对于N型衬底加负电位。若是场板下边的二氧化硅层足够厚,则这个电场将半导体表面的载流子排斥到体内，使之表面表现出载流子的耗尽状态，如图2所示，就使得在同样电压作用下，表面耗尽层展宽，电场减小,击穿电压获取提高。2、实验要求（1）场限环特点仿真场限环：击穿电压200V,设计3个环，环的宽度依次为6、5、5、5μm，间距为4、5、6μm,外延层浓度为1×1015cm-3,观察表面电场.（2）场板特点仿真场板：氧化层厚度

1μm，结深

1μm,场板长度分别为

0μm、2μm、4μm、6μm、8μm、10μm，外延层浓度为1×1015cm-3，观察表面电场。图2场板3、场板的应用实例：场板对大功率GaNHEMT击穿电压的影响(1）内容（a）GaNHEMT的工作机理、击穿特点刻画以及对场板结构的GaNHEMT击穿特点的进行仿真解析.（b）结构和参数：场板结构的GaNHEMT的结构尺寸及混淆浓度如图3所示.图3场板结构的大功率GaNHEMT(2）要求a)掌握定义一个完满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解析。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，经过改变l取值来改变场板长度setl=1。0#drain-gatedistancesetLdg=5.1fieldplatethicknesssett=1。77355AlGaNcompositionfractionsetxc=0.295settraplifetimesetlt=1e-7setlight=1e—5meshlocationsbasedonfieldplategeometrysetxl=0。9+＄lsetxd=0.9+＄Ldgsety1=0。3+$tsety2=$y1+0.02sety3=$y2+0.04sety4=$y2+0.18＃启动二维器件仿真器goatlasmeshwidth=1000网格结构x.ml=0.0s=0.1x.ml=0.05s=0.05x.ml=0.5s=0。05x。ml=0。9s=0.025x.ml=(0。9+$xl)/2s=0.05x。ml=＄xls=0。025x。ml=(＄xl+$xd）/2s=0。25x.ml=$xd—0。05s=0.05x。ml=＄xds=0.05＃y。ml=0.0s=0.1000y。ml=0。3s=0。1000y.ml=＄y1s=0.0020y.ml=$y2s=0。0020y。ml=$y3s=0。0100y.ml=＄y4s=0。0500#devicestructurePOLAR.SCALEischosentomatchcalibratedvalues#of2DEGchargeconcentrationregionnum=1mat=SiNy。min=0y.max=＄y1regionnum=2mat=AlGaNy.min=＄y1y。max=$y2donors=1p=＄xcpolarcalc。strainpolar。scale=-0。5regionnum=3mat=GaNy。min=$y2y.max=＄y4donors=1e15polarcalc。strainpolar。scale=—0.5#electname=sourcex。max=0y.min=＄y1y.max=$y3electname=drainx。min=6。0y.min=＄y1y。max=＄y3electname=gatex。min=0.5x.max=0.9y.min=0.3y.max=$y1electname=gatex。min=0。5x。max=＄xly。min=0。3y。max=0.3#dopinggaussiancharacteristic=0。01conc=1e18n.typex.left=0.0\x。right=0.05y。top=$y1y.bottom=$y3ratio.lateral=0.01direction=ydopinggaussiancharacteristic=0。01conc=1e18n。typex。left=＄xd-0.05\x.right=$xdy.top=＄y1y。bottom=＄y3ratio。lateral=0。01direction=y###＃＃#＃＃＃＃＃##＃##＃#＃#＃＃＃＃＃＃##＃##＃#＃#＃###＃＃#＃＃＃#＃##＃#＃##＃＃##＃##＃＃＃＃＃KMparameterset#＃#＃＃#＃＃#＃＃##＃＃#＃#＃##＃##＃#＃##＃###＃＃＃##＃##＃＃＃####＃#＃#＃＃##＃＃＃###＃＃#materialmaterial=GaNeg300=3.4align=0。8permitt=9。5\mun=900mup=10vsatn=2e7nc300=1。07e18nv300=1.16e19\real。index=2.67imag。index=0.001\taun0=＄lttaup0=$ltmaterialmaterial=AlGaNaffinity=3。82eg300=3。96align=0.8permitt=9。5\mun=600mup=10nc300=2.07e18nv300=1.16e19\real。index=2.5imag。index=0.001\taun0=＄lttaup0=$lt##＃＃####＃##＃##＃＃#＃##＃#＃####＃###＃＃＃＃＃＃＃#＃#####＃＃##＃######＃#＃＃##＃#＃modelprintfermifldmobsrhimpactmaterial=GaNselban1=2.9e8an2=2。9e8bn1=3。4e7bn2=3.4e7\ap1=2。9e8ap2=2。9e8bp1=3。4e7bp2=3.4e7＃contactname=gatework=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beamnumber=1x。o=0y。o=$y4+0.1angle=270wavelength=0。3#outputcon.bandval.bandband。paramchargee。mobh。mobflowlinesqss#IdVg特点求解solvelogoutf=ganfetex02_0。logsolvevdrain=0.05solvevstep=-0.2vfinal=-2name=gatesolvevstep=-0.1vfinal=-4name=gatelogoffsaveoutfile=ganfetex02_0.strextractinitinfile="ganfetex02_0.log"extractname="Vpinchoff”xintercept(maxslope（curve（v。"gate”,i.”drain")))#IdVd击穿曲线methodautonrgcarr。itlimit=10clim。dd=1e3clim.eb=1e3nblockit=25solveinitturnonopticalsourcetohelpinitiatebreakdown#人为引进光照以利于实现阻断状态下仿真收敛solveb1=$lightindex。check＃solvensteps=10vfinal=$Vpinchoffname=gateb1=$lightlogoutf=ganfetex02_＄’index’.logsolvevstep=0。1vfinal=1name=drainb1=＄lightsolvevstep=1vfinal=10name=drainb1=$lightsolvevstep=2vfinal=20name=drainb1=＄lightsolvevstep=5vfinal=1200name=drainb1=$lightcname=draincompl=0。5changetocurrentcontacttoresolvebreakdowncontactname=draincurrentsolvesolveimultistep=1.1ifinal=1name=drain#saveoutfile=ganfetex02_$’。strindex’#extractinitinfile=”ganfetex02。1$log"’index'extractname="a"slope（maxslope（curve(i。”drain",v。"drain")))extractname=”b"xintercept(maxslope（curve（i."drain，”v.”drain"）））extractname=”Vdmax"max（curve（i。”drain",v.”drain")）extractname="Idmax"x。valfromcurve（i.”drain",v。”drain”)where。val=y＄Vdmaxextractname="Vd1”$Vdmax-20extractname="Id1"y。valfromcurve（v。"drain"，i.”drain）”wherex.val=$Vd1extractname=”c"gradfromcurve(v。"drain，”i."drain"）wherex。val=＄Vdmaxextractname=”d"$Idmax$c＊—$Vdmaxextractname="Vbr”($b＄d)/(—$c-(1/＄a))extractname=”＄Isb”+＄Vbr/＄atonyplotganfetex02_1.strganfetex02_2.strganfetex02_3。strganfetex02_4.strganfetex02_5。strganfetex02_6.str—setganfetex02_1.settonyplot-overlayganfetex02_1。logganfetex02_2。logganfetex02_3。logganfetex02_4。logganfetex02_5。logganfetex02_6。log-setganfetex02_0。setquit图4—9为不同样场板长度下半导体层中碰撞离化率的分布图。正向I-V特点曲线如图5所示，导通电压凑近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图9场板长度L=2.25um的沟道中电子碰撞产生率模拟分布图10—12是半导体中电场强度分布随场板长度的变化。)m/V(dleiFcirtcelE)m/V(XdleiFE

5000000400000030000002000000100000000123456L(um)图10不同样场板长度的沟道中总电场分布0-1000000-2000000-3000000-4000000-50000000123456L(um)图11不同样场板长度的沟道中X电场分布)m/V(YdleiFE

200000010000000-1000000-2000000-3000000-40000000123456L(um)图12不同样场板长度的沟道中Y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以上。图13不同样长度的场板在关断情况下的输出I-V特点经过对电场分布和碰撞离化率分布的解析知道，场板变长一方面会减弱漏端电场峰值，但另一方面也使发生碰撞离化的地域增大，所以这种构型的场板不是越长越好。实验4短沟道MOS晶体管特点仿真1、实验内容1）短沟道LDD—MOS晶体管结构定义。2）转移特点、输出特点。3）结构和参数：器件结构以下图所示，宽度1.2μm，衬底为P型、厚度0.8μm、浓度1×1014cm—3、晶向<100>,栅氧化层厚度13nm,栅为n+混淆多晶硅。0Wp+n-n+图1一般耐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Athenagoathena#器件结构网格划分；linexloc=0。0spac=0。1linexloc=0。2spac=0.006linexloc=0。4spac=0.006linexloc=0。6spac=0.01lineyloc=0.0spac=0。002lineyloc=0.2spac=0。005lineyloc=0。5spac=0.05lineyloc=0.8spac=0。15(建议定义左边一半)＃初始化；＃栅氧化，干氧11分钟，温度950.diffustime=11temp=950dryo2press=1。00hcl。pc=3提取栅氧化层厚度，extractname=”Gateoxide”thicknessmaterial=”Sio—2”mat。occno=1x。val=0。3＃阈值电压调整;implantborondose=9。5e11energy=10crystal提取表面浓度＃淀积多晶硅；depopolythick=0.2divi=10#定义多晶硅栅etchpolyleftp1。x=0。35#多晶硅氧化，湿氧,900度，3分钟；methodfermicompressdiffusetime=3temp=900weto2press=1.0＃多晶硅混淆implantphosphordose=3。0e13energy=20crystal#侧墙的形成淀积氧化层：depooxidethick=0。12divisions=10干法刻蚀：etchoxidedrythick=0.12＃源漏砷注入,迅速退火implantarsenicdose=5.0e15energy=50crystalmethodfermidiffusetime=1temp=900nitropress=1.0#金属化etchoxideleftp1.x=0.2depositaluminthick=0。03divi=2etchaluminrightp1。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#extractfinalS/DXjextractname=”nxj”xjsiliconmat.occno=1。val=0x.1junc.occno=1extracttheN++regionssheetresistanceextractname="n++sheetrho"sheet.resmaterial="Silicon"mat.occno=1x。val=0.05region.occno=1#extractthesheetrhounderthespacer，oftheLDDregionextractname=”lddsheetrho。”ressheetmaterial=”Silicon\mat。occno=1x.val=0。3region.occno=1＃extractthesurfaceconcunderthechannel.

”extractname="chansurfconc。”concsurfimpurity="NetDopingmaterial="Silicon"mat.occno=1x。val=0.45

\

”extractacurveofconductanceversusbias。extractstartmaterial=”Polysilicon。occno=1”\matbias=0。0bias。step=0。2bias。stop=2x。val=0。45extractdonename=”sheetcondv\bias”curve（bias，1dn.conductmaterial="Silicon"mat。occno=1region。occno=1)\outfile="extract。dat"#extractthelongchanVtextractname=”n1dvt"1dvtntypevb=0.0qss=1e10x.val=0。49#右边结构生成structuremirrorright#设置电极electrodename=gatex=0.5y=0.1electrodename=sourcex=0。1electrodename=drainx=1。1electrodename=substratebackside＃输出结构图structureoutfile=mos1ex01_0。strtonyplotmos1ex01_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goatlas＃设置模型modelscvtsrhprint#设置界面电荷contactname=gaten.polyinterfaceqf=3e10#设置迭代模型methodnewton#解初始化solveinit#设置漏极电压0。1Vsolvevdrain=0。1#Rampthegatelogoutf=mos1ex01_1。logmaster#对栅极电压扫描solvevgate=0vstep=0.25vfinal=3。0name=gatesaveoutf=mos1ex01_1.str＃画出转移特点曲线tonyplotmos1ex01_1。log—setmos1ex01_1_log。set提取器件参数extractname="nvt”(xintercept（maxslope（curve（abs(v."gate"），abs（i.”drain））”）)\-abs（ave(v。”drain")）/2.0)extractname="nbeta”（maxslope(curve(abs（v。"gate"),abs（i。"drain"）)））\*（1.0/abs（ave(v."drain")))extractname=”ntheta（(max”（abs（v。"drain"））*$"nbeta”)/max(abs(i。"drain）”)）\-(1。0/(max（abs（v.”gate）”)—(＄"nvt"））)＃对不同样的Vg，求Id与Vds的关系曲线solveinitsolvevgate=1。1outf=solve_tmp1solvevgate=2.2outf=solve_tmp2solvevgate=3。3outf=solve_tmp3solvevgate=5outf=solve_tmp4loadinfile=solve_tmp1logoutf=mos_1。logsolvename=drainvdrain=0vfinal=3。3vstep=0.3loadinfile=solve_tmp2logoutf=mos_2.logsolvename=drainvdrain=0vfinal=3。3vstep=0.3loadinfile=solve_tm