实验六-半导体器件仿真实

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SilvacoTCAD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根本工作原理〔以增强型NMOSFET为例〕：图1MOSFET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型区外表将出现耗尽层，随着VGS的增加，半导体外表会由耗尽层转为反型。当VGS>VT时，外表就会形成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，沟道电流那么越大。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，那么沟道电阻越大，曲线斜率变小。根据③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，说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①式，得到此时，漏电流IDS与漏源电压VDS无关，即到达饱和，IDSat那么称为饱和漏电流。根据上述分析，可分析MOSFET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⑤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，那么Cox越大，使阈值电压VT降低。费米势：，当P区掺杂浓度NA变大，那么费米势增大，阈值电压VT增大。氧化层电荷密度Qox增大，那么VT减小。5.影响MOSFET输出特性的因素由①式可知，影响输出曲线的因素为增益因子β和阈值电压VT。，因此，当沟道长度L增大时，β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，SilvacoTCAD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【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0.1μm，沟道长度L为1μm，p型衬底浓度10^17cm-3,n阱掺杂浓度为10^19cm-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下图：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④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=3.41966VBeta：beta=4.24194e-005A/V2Theta：theta=0.06449781/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，分析其对NMOS器件电学特性的影响。①将氧化层厚度tox从0.1μm改为0.05μm，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拟。器件结构及器件参数比拟〔1〕tox=0.1μm〔2〕tox=0.05μm器件参数如下：阀值电压：vt=3.41966VBeta：beta=4.24194e-005A/V2Theta：theta=0.06449781/V器件参数如下：阀值电压：vt=2.07814VBeta：beta=7.34899e-005A/V2Theta：theta=0.03148771/V图8器件结构及器件参数图比照观察器件结构图和器件参数值可知，栅极和沟道之间的氧化层变薄，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拟〔1〕tox=0.1μm〔2〕tox=0.05μm图9器件转移特性曲线比照观察图9曲线，可知改变氧化层厚度为0.05μm后，VT=V，比氧化层厚度为0.1μm时的VT=3.41699V要小，说明氧化层变薄后，阈值电压降低。由公式⑤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。输出特性曲线比拟〔Vgs分别为3.3v，4.4v，5.5v〕〔1〕tox=0.1μm〔2〕tox=0.05μm图10器件输出特性曲线比照观察图10曲线，可知改变氧化层厚度为0.05μm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β的值同时增大。由此可知，仿真结果和理论分析相符合。②将氧化层厚度tox从0.1μm改为0.2μm，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拟。为进一步验证①中的结论，下面将列出厚度为0.2μm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拟〔1〕tox=0.1μm〔2〕tox=0.2μm器件参数如下：阀值电压：vt=3.41699VBeta：beta=4.24194e-005A/V2Theta：theta=0.06449781/V器件参数如下：阀值电压：vt=4.68186VBeta：beta=9.54897e-006A/V2Theta：theta=0.5861131/V图11器件结构及器件参数图比照转移特性曲线改变比拟〔1〕tox=0.1μm〔2〕tox=0.2μm图12器件转移特性曲线比照输出特性曲线比拟〔Vgs分别为3.3v，4.4v，5.5v〕〔1〕tox=0.1μm〔2〕tox=0.2μm图13器件输出特性曲线比照分别观察图11,、图12、图13可知，当氧化层厚度增大时，阈值电压增大，饱和漏源电流变得比原器件小，即β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1μm改为0.6μm，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拟。器件结构及器件参数比拟〔1〕L=1μm〔2〕L=0.6μm器件参数如下：阀值电压：vt=3.41699VBeta：beta=4.24194e-005A/V2Theta：theta=0.06449781/V器件参数如下：阀值电压：vt=3.32242VBeta：beta=2.21408e-005A/V2Theta：theta=0.8797511/V图14器件结构及器件参数图比照观察图14，可知当沟道长度减小到0.6μm后，阈值电压减少到3.32242V，但变化幅度非常小，另外，β值减小，θ值增大。转移特性曲线改变比拟〔1〕L=1μm〔2〕L=0.6μm图15器件转移特性曲线比照改变沟道长度为0.6μm后，阈值电压VT=3.32242V，与沟道长度为1μmvt=3.41699V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。输出特性曲线比拟〔Vgs分别为3.3v，4.4v，5.5v〕〔1〕L=0.1μm〔2〕L=0.6μm图16器件输出特性曲线比照由图可知，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，β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1015cm-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拟。器件结构及器件参数比拟〔1〕NA=1017cm-1〔2〕NA=1015cm-1器件参数如下：阀值电压：vt=3.41966VBeta：beta=4.24194e-005A/V2Theta：theta=0.06449781/V器件参数如下：阀值电压：vt=1.25669VBeta：beta=5.89563e-004A/V2Theta：theta=0.04866711/V图17器件结构及器件参数图比照观察图17可知，衬底浓度减小时，阈值电压减小了，β值增大，theta值减小了。转移特性曲线改变比拟〔1〕NA=1017cm-1〔2〕NA=1015cm-1图18器件转移特性曲线比照改变衬底掺杂浓度为1015cm-1时，阈值电压减小为vt=1.25669V，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，那么阈值电压减小。所以仿真结果和理论分析结果相符合。输出特性曲线比拟〔Vgs分别为3.3v，4.4v，5.5v〕〔1〕NA=1017cm-1〔2〕NA=1015cm-1图19器件输出特性曲线比照观察图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，β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