1、.實驗2 pn結二極管特性仿真1、實驗內容（1）pn結穿通二極管正向i-v特性、反向擊穿特性、反向恢復特性等仿真。（2）結構和參數：pn結穿通二極管的結構如圖1所示，兩端高摻雜，n-為耐壓層，低摻雜，具體參數：器件寬度4m，器件長度20m，耐壓層厚度16m，p+區厚度2m，n+區厚度2m。摻雜濃度：p+區濃度為11019cm-3，n+區濃度為11019cm-3，耐壓層參考濃度為51015 cm-3。0wp+n-n+ 圖1 普通耐壓層功率二極管結構2、實驗要求（1）掌握器件工藝仿真和電氣性能仿真程序的設計（2）掌握普通耐壓層擊穿電壓與耐壓層厚度、濃度的關系。3、實驗過程#啟動athenago a

2、thena#器件結構網格劃分；line x loc=0.0 spac= 0.4 line x loc=4.0 spac= 0.4 line y loc=0.0 spac=0.5 line y loc=2.0 spac=0.1 line y loc=10 spac=0.5 line y loc=18 spac=0.1 line y loc=20 spac=0.5#初始化si襯底；init silicon c.phos=5e15 orientation=100 two.d#沉積鋁；deposit alum thick=1.1 div=10#電極設置electrode name=anode x=1e

3、lectrode name=cathode backside #輸出結構圖structure outf=cb0.strtonyplot cb0.str#啟動atlasgo atlas精品.#結構描述doping p.type conc=1e20 x.min=0.0 x.max=4.0 y.min=0 y.max=2.0 uniformdoping n.type conc=1e20 x.min=0.0 x.max=4.0 y.min=18 y.max=20.0 uniform#選擇模型和參數models cvt srh print method carriers=2 impact selb#選擇

4、求解數值方法method newton #求解solve initlog outf=cb02.logsolve vanode=0.03solve vanode=0.1 vstep=0.1 vfinal=5 name=anode #畫出iv特性曲線tonyplot cb02.log #退出quit圖2為普通耐壓層功率二極管的仿真結構。正向i-v特性曲線如圖3所示，導通電壓接近0.8v。 圖2 普通耐壓層功率二極管的仿真結構精品.圖3 普通耐壓層功率二極管的正向i-v特性曲線運用雪崩擊穿的碰撞電離模型，加反向偏壓，剛開始步長小一點，然后逐漸加大步長。solve vanode=-0.1 vstep=

5、-0.1 vfinal=-5 name=anode solve vanode=-5.5 vstep=-0.5 vfinal=-20 name=anode solve vanode=-22 vstep=-2 vfinal=-40 name=anode solve vanode=-45 vstep=-5 vfinal=-240 name=anode 求解二極管反向iv特性，圖4為該二極管的反向i-v特性曲線。擊穿時的縱向電場分布如圖5所示，最大電場在結界面處，約為2.5105vcm-1，在耐壓層中線性減小到80000 vcm-1。圖4 普通耐壓層功率二極管的反向i-v特性曲線精品.圖5 普通耐壓層

6、功率二極管擊穿時的電場分布導通的二極管突加反向電壓, 需要經過一段時間才能恢復反向阻斷能力。電路圖如圖6所示。設t= 0 前電路已處于穩態，id= if0。t= 0 時，開關k 閉合，二極管從導通向截止過渡。在一段時間內，電流id以di0/ dt = - ur/ l 的速率下降。在一段時間內電流id會變成負值再逐漸恢復到零。仿真時先對器件施加一個1v的正向偏壓，然后迅速改變電壓給它施加一個反向電壓增大到2v。solve vanode=1 log outf=cj2_1.log solve vcathode=2.0 ramptime=2.0e-8 tstop=5.0e-7 tstep=1.0e-1

7、0反向恢復特性仿真時，也可以采用如圖7的基本電路，其基本原理為：在初始時刻，電阻r1的值很小，電阻r2的值很大，例如可設r1為110-3，r2為1106；電感l1可設為3nh；電壓源及電流源也分別給定一個初始定值v1，i1；那么由于r2遠大于r1，則根據kcl可知，電流i1主要經過r1支路，即i1的絕大部分電流穩定的流過二極管，二極管正向導通，而r2支路幾乎斷路，沒有電路流過。然后，在短暫的時間內，使電阻r2的阻值驟降。此時，電阻器r2作為一個阻源，其阻值在極短的時間間隔內以指數形式從1106下降到110-3。這一過程本質上是使與其并聯的連在二極管陽極的電流源i1短路，這樣電流i1幾乎全部從r

8、2支路流過，而二極管支路就沒有i1的分流，此刻電壓源v1開始起作用，二極管兩端就被施加了反偏電壓，由于這些過程都在很短的時間內完成，因而能夠很好的實現二極管反向恢復特性的模擬。反向恢復特性仿真圖如圖8所示，pn結功率二極管的反向恢復時間約為50ns。精品.圖6 反向恢復特性測試原理電路圖圖7 二極管反向恢復特性模擬電路圖圖8 器件反向恢復特性曲線精品.實驗3 pn結終端技術仿真1、實驗內容由于pn結在表面的曲率效應，使表面的最大電場常大于體內的最大電場，器件的表面易擊穿，采用終端技術可使表面最大電場減小，提高表面擊穿電壓。場限環和場板是功率器件中常用的兩種終端技術。場限環技術是目前功率器件中被

9、大量使用的一種終端技術。其基本原理是在主結表面和襯底之間加反偏電壓后，主結的pn結在反向偏壓下形成耗盡層，并隨著反向偏置電壓的增加而增加。當偏置電壓增加到一定值是，主結的耗盡層達到環上，如圖1所示，這樣就會使得有一部分電壓有場環分擔，將主結的電場的值限制在臨界擊穿電壓以內，這將顯著的減小主結耗盡區的曲率，從而增加擊穿電壓。 圖1 場限環場板結構在功率器件中被廣泛應用。場板結構與普通pn結的區別在于場板結構中pn區引線電極橫向延伸到pn區外適當的距離。而普通pn結的p區引線電極的橫向寬度一般不超過p擴散區的橫向尺寸。pn結反向工作時，p區相對于n型襯底加負電位。如果場板下邊的二氧化硅層足夠厚，則

10、這個電場將半導體表面的載流子排斥到體內，使之表面呈現出載流子的耗盡狀態，如圖2所示，就使得在同樣電壓作用下，表面耗盡層展寬，電場減小，擊穿電壓得到提高。2、實驗要求（1）場限環特性仿真 場限環：擊穿電壓200v，設計3個環，環的寬度依次為6、5、5、5m，間距為4、5、6m, 外延層濃度為11015 cm-3，觀察表面電場。 （2）場板特性仿真場板：氧化層厚度1m，結深1m，場板長度分別為0m、2m、4m、6m、8m、10m，外延層濃度為11015 cm-3，觀察表面電場。精品. 圖2 場板3、場板的應用實例：場板對大功率gan hemt擊穿電壓的影響（1）內容（a）gan hemt的工作機理

11、、擊穿特性刻畫以及對場板結構的gan hemt擊穿特性的進行仿真分析。（b）結構和參數：場板結構的gan hemt的結構尺寸及摻雜濃度如圖3所示。 圖3 場板結構的大功率gan hemt精品.(2) 要求（a）掌握定義一個完整半導體器件結構的步驟，并能對其電性能進行仿真研究。（b）理解場板技術對器件擊穿電壓提高的作用原理并能結合仿真結果給出初步分析。（3）實驗過程#啟動internal，定義結構參數# 場板長度從1um增大到2.25um，步長為0.25um，通過改變 l 取值來改變場板長度set l= 1.0# drain-gate distanceset ldg=5.1# field pla

12、te thicknessset t=1.77355# algan composition fractionset xc=0.295# set trap lifetimeset lt=1e-7set light=1e-5# mesh locations based on field plate geometryset xl=0.9 + $lset xd=0.9 + $ldgset y1= 0.3 + $tset y2= $y1 + 0.02set y3= $y2 + 0.04set y4= $y2 + 0.18# 啟動二維器件仿真器go atlasmesh width=1000# 網格結構x.m

13、 l=0.0 s=0.1x.m l=0.05 s=0.05x.m l=0.5 s=0.05x.m l=0.9 s=0.025x.m l=(0.9+$xl)/2 s=0.05x.m l=$xl s=0.025x.m l=($xl+$xd)/2 s=0.25x.m l=$xd-0.05 s=0.05x.m l=$xd s=0.05#y.m l=0.0 s=0.1000y.m l=0.3 s=0.1000y.m l=$y1 s=0.0020精品.y.m l=$y2 s=0.0020y.m l=$y3 s=0.0100y.m l=$y4 s=0.0500# device structure# pola

14、r.scale is chosen to match calibrated values# of 2deg charge concentrationregion num=1 mat=sin y.min=0 y.max=$y1region num=2 mat=algan y.min=$y1 y.max=$y2 donors=1e16 p=$xc polar calc.strain polar.scale=-0.5region num=3 mat=gan y.min=$y2 y.max=$y4 donors=1e15 polar calc.strain polar.scale=-0.5#elect

15、 name=source x.max=0 y.min=$y1 y.max=$y3elect name=drain x.min=6.0 y.min=$y1 y.max=$y3elect name=gate x.min=0.5 x.max=0.9 y.min=0.3 y.max=$y1elect name=gate x.min=0.5 x.max=$xl y.min=0.3 y.max=0.3#doping gaussian characteristic=0.01 conc=1e18 n.type x.left=0.0 x.right=0.05 y.top=$y1 y.bottom=$y3 rat

16、io.lateral=0.01 direction=ydoping gaussian characteristic=0.01 conc=1e18 n.type x.left=$xd-0.05 x.right=$xd y.top=$y1 y.bottom=$y3 ratio.lateral=0.01 direction=y# km parameter set#material material=gan eg300=3.4 align=0.8 permitt=9.5 mun=900 mup=10 vsatn=2e7 nc300=1.07e18 nv300=1.16e19 real.index=2.

17、67 imag.index=0.001 taun0=$lt taup0=$ltmaterial material=algan affinity=3.82 eg300=3.96 align=0.8 permitt=9.5 mun=600 mup=10 nc300=2.07e18 nv300=1.16e19 real.index=2.5 imag.index=0.001 taun0=$lt taup0=$lt#model print fermi fldmob srhimpact material=gan selb an1=2.9e8 an2=2.9e8 bn1=3.4e7 bn2=3.4e7 ap

18、1=2.9e8 ap2=2.9e8 bp1=3.4e7 bp2=3.4e7#contact name=gate work=5.23# 人為引進光照以利于實現阻斷狀態下仿真收斂，這是仿真研究擊穿的常用手段beam number=1 x.o=0 y.o=$y4+0.1 angle=270 wavelength=0.3精品.#output con.band val.band band.param charge e.mob h.mob flowlines qss# idvg特性求解solvelog outf=ganfetex02_0.logsolve vdrain=0.05solve vstep=-0

19、.2 vfinal=-2 name=gate solve vstep=-0.1 vfinal=-4 name=gatelog offsave outfile=ganfetex02_0.strextract init infile=ganfetex02_0.logextract name=vpinchoff xintercept(maxslope(curve(v.gate,i.drain)# idvd擊穿曲線method autonr gcarr.itlimit=10 clim.dd=1e3 clim.eb=1e3 nblockit=25solve init # turn on optical

20、source to help initiate breakdown# # 人為引進光照以利于實現阻斷狀態下仿真收斂solve b1=$light index.check#solve nsteps=10 vfinal=$vpinchoff name=gate b1=$lightlog outf=ganfetex02_$index.logsolve vstep=0.1 vfinal=1 name=drain b1=$lightsolve vstep=1 vfinal=10 name=drain b1=$lightsolve vstep=2 vfinal=20 name=drain b1=$ligh

21、tsolve vstep=5 vfinal=1200 name=drain b1=$light cname=drain compl=0.5# change to current contact to resolve breakdowncontact name=drain currentsolve solve imult istep=1.1 ifinal=1 name=drain#save outfile=ganfetex02_$index.str #extract init infile=ganfetex02_1$index.logextract name=a slope(maxslope(c

22、urve(i.drain,v.drain)精品.extract name=b xintercept(maxslope(curve(i.drain,v.drain)extract name=vdmax max(curve(i.drain,v.drain)extract name=idmax x.val from curve(i.drain,v.drain) where y.val=$vdmaxextract name=vd1 $vdmax - 20extract name=id1 y.val from curve(v.drain,i.drain) where x.val=$vd1extract

23、name=c grad from curve(v.drain,i.drain) where x.val=$vdmaxextract name=d $idmax - $c*$vdmaxextract name=vbr ($b - $d)/($c - (1/$a)extract name=is $b + $vbr/$atonyplot ganfetex02_1.str ganfetex02_2.str ganfetex02_3.str ganfetex02_4.str ganfetex02_5.str ganfetex02_6.str -set ganfetex02_1.settonyplot -

24、overlay ganfetex02_1.log ganfetex02_2.log ganfetex02_3.log ganfetex02_4.log ganfetex02_5.log ganfetex02_6.log -set ganfetex02_0.setquit精品.圖4-9為不同場板長度下半導體層中碰撞離化率的分布圖。正向i-v特性曲線如圖5所示，導通電壓接近0.8v。 圖4 場板長度l=1um的溝道中電子碰撞產生率模擬分布圖5 場板長度l=1.25um的溝道中電子碰撞產生率模擬分布精品.圖6 場板長度l=1.5um的溝道中電子碰撞產生率模擬分布圖7 場板長度l=1.75um的溝道中

25、電子碰撞產生率模擬分布精品.圖8場板長度l=2um的溝道中電子碰撞產生率模擬分布圖9 場板長度l=2.25um的溝道中電子碰撞產生率模擬分布精品.圖10-12是半導體中電場強度分布隨場板長度的變化。圖10 不同場板長度的溝道中總電場分布圖11 不同場板長度的溝道中x電場分布精品.圖12 不同場板長度的溝道中y電場分布圖13是id-vd擊穿曲線，可以清楚看到擊穿電壓從l=1um時的300v左右增大了l=2.25um時的800v以上。圖13 不同長度的場板在關斷情況下的輸出i-v特性通過對電場分布和碰撞離化率分布的分析知道，場板變長一方面會減弱漏端電場峰值，但另一方面也使發生碰撞離化的區域增大，所

26、以這種構型的場板不是越長越好。精品.實驗4 短溝道mos晶體管特性仿真1、實驗內容（1）短溝道ldd-mos晶體管結構定義。（2）轉移特性、輸出特性。（3）結構和參數：器件結構下圖所示，寬度1.2m，襯底為p型、厚度0.8m、濃度11014 cm-3、晶向，柵氧化層厚度13nm，柵為n+摻雜多晶硅。0wp+n-n+ 圖1 普通耐壓層功率二極管結構2、實驗要求（1）掌握器件工藝仿真和電氣性能仿真程序的設計（2）改變表面濃度，改變柵氧化層厚度，觀察閾值電壓變化。3、實驗過程#啟動athenago athena#器件結構網格劃分；line x loc=0.0 spac=0.1 line x loc=

27、0.2 spac=0.006line x loc=0.4 spac=0.006line x loc=0.6 spac=0.01 line y loc=0.0 spac=0.002 line y loc=0.2 spac=0.005line y loc=0.5 spac=0.05line y loc=0.8 spac=0.15(建議定義左邊一半)#初始化；#柵氧化，干氧11分鐘，溫度950.diffus time=11 temp=950 dryo2 press=1.00 hcl.pc=3提取柵氧化層厚度，extract name=”gateoxide” thickness material=”s

28、io-2” mat.occno=1 x.val=0.3精品.#閾值電壓調整；implant boron dose=9.5e11 energy=10 crystal 提取表面濃度#淀積多晶硅；depo poly thick=0.2 divi=10 #定義多晶硅柵etch poly left p1.x=0.35#多晶硅氧化，濕氧，900度，3分鐘；method fermi compressdiffuse time=3 temp=900 weto2 press=1.0#多晶硅摻雜implant phosphor dose=3.0e13 energy=20 crystal#側墻的形成淀積氧化層：dep

29、o oxide thick=0.12 divisions=10干法刻蝕：etch oxide dry thick=0.12#源漏砷注入，快速退火implant arsenic dose=5.0e15 energy=50 crystalmethod fermi diffuse time=1 temp=900 nitro press=1.0#金屬化etch oxide left p1.x=0.2deposit alumin thick=0.03 divi=2etch alumin right p1.x=0.18#提取器件參數：結深，源漏方塊電阻，側墻下的方塊電阻，閾值電壓# extract fin

30、al s/d xjextract name=nxj xj silicon mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=1# extract the n+ regions sheet resistanceextract name=n+ sheet rho sheet.res material=silicon mat.occno=1 x.val=0.05 region.occno=1# extract the sheet rho under the spacer, of the ldd regionextract name=ldd sheet rho sheet.res ma

31、terial=silicon mat.occno=1 x.val=0.3 region.occno=1# extract the surface conc under the channel.extract name=chan surf conc surf.conc impurity=net doping material=silicon mat.occno=1 x.val=0.45# extract a curve of conductance versus bias.extract start material=polysilicon mat.occno=1 bias=0.0 bias.s

32、tep=0.2 bias.stop=2 x.val=0.45extract done name=sheet cond v bias curve(bias,1dn.conduct material=silicon mat.occno=1 region.occno=1)outfile=extract.dat# extract the long chan vtextract name=n1dvt 1dvt ntype vb=0.0 qss=1e10 x.val=0.49#右邊結構生成精品.structure mirror right#設置電極electrode name=gate x=0.5 y=0

33、.1electrode name=source x=0.1electrode name=drain x=1.1electrode name=substrate backside#輸出結構圖structure outfile=mos1ex01_0.strtonyplot mos1ex01_0.str (每一道工藝定義后，都需要輸出/畫出結構圖)#啟動器件仿真器go atlas# 設置模型models cvt srh print #設置界面電荷contact name=gate n.polyinterface qf=3e10#設置迭代模型method newton#解初始化solve init#設

34、置漏極電壓0.1vsolve vdrain=0.1 # ramp the gatelog outf=mos1ex01_1.log master#對柵極電壓掃描solve vgate=0 vstep=0.25 vfinal=3.0 name=gatesave outf=mos1ex01_1.str# 畫出轉移特性曲線tonyplot mos1ex01_1.log -set mos1ex01_1_log.set# 提取器件參數extract name=nvt (xintercept(maxslope(curve(abs(v.gate),abs(i.drain) - abs(ave(v.drain)

35、/2.0)extract name=nbeta slope(maxslope(curve(abs(v.gate),abs(i.drain) * (1.0/abs(ave(v.drain)extract name=ntheta (max(abs(v.drain) * $nbeta)/max(abs(i.drain) - (1.0 / (max(abs(v.gate) - ($nvt)#對不同的vg，求id與vds的關系曲線solve initsolve vgate=1.1 outf=solve_tmp1 solve vgate=2.2 outf=solve_tmp2 精品.solve vgate=3.3 outf=solve_tmp3 solve vgate=5 outf=solve_tmp4 load infile=solve_tmp1log outf=mos_1.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.3 load infile=solve_tmp2log outf=mos_2.logsolve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.3load infile=solve