实验2 PN结二极管特性仿真

1、实验内容

（1）PN结穿通二极管正向I-V特性、反向击穿特性、反向恢复特性等仿真。

（2）结构和参数：PN结穿通二极管的结构如图1所示，两端高掺杂，n-为耐压层，低掺杂，具体参数：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。掺杂浓度：p+区浓度为1×1019cm-3，n+区浓度为1×1019cm-3，耐压层参考浓度为5×1015 cm-3。

0 W p+ n- n+

图1 普通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）掌握普通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Athena go athena

#器件结构网格划分； 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衬底；

init silicon c.phos=5e15 orientation=100 two.d #沉积铝；

deposit alum thick=1.1 div=10 #电极设置

electrode name=anode x=1

electrode name=cathode backside #输出结构图

structure outf=cb0.str tonyplot cb0.str #启动Atlas go atlas #结构描述

doping p.type conc=1e20 x.min=0.0 x.max=4.0 y.min=0 y.max=2.0 uniform doping n.type conc=1e20 x.min=0.0 x.max=4.0 y.min=18 y.max=20.0 uniform

#选择模型和参数 models cvt srh print method carriers=2 impact selb

#选择求解数值方法 method newton #求解 solve init

log outf=cb02.log solve vanode=0.03

solve vanode=0.1 vstep=0.1 vfinal=5 name=anode #画出IV特性曲线 tonyplot cb02.log #退出 quit

图2为普通耐压层功率二极管的仿真结构。正向I-V特性曲线如图3所示，导通电压接近0.8V。

图2 普通耐压层功率二极管的仿真结构

图3 普通耐压层功率二极管的正向I-V特性曲线

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，然后逐渐加大步长。 solve vanode=-0.1 vstep=-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

求解二极管反向IV特性，图4为该二极管的反向I-V特性曲线。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80000 V?cm-1。

图4 普通耐压层功率二极管的反向I-V特性曲线

图5 普通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，然后迅速改变电压给它施加一个反向电压增大到2V。 solve vanode=1 log outf=cj2_1.log

solve vcathode=2.0 ramptime=2.0e-8 tstop=5.0e-7 tstep=1.0e-10

反向恢复特性仿真时，也可以采用如图7的基本电路，其基本原理为：在初始时刻，电阻R1的值很小，电阻R2的值很大，例如可设R1为1×10-3?，R2为1×106?；电感L1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，则根据KCL可知，电流i1主要经过R1支路，即i1的绝大部分电流稳定的流过二极管，二极管正向导通，而R2支路几乎断路，没有电路流过。然后，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?。这一过程本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，因而能够很好的实现二极管反向恢复特性的模拟。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 反向恢复特性测试原理电路图

R1L1+独立电压源V1-R2二极管-+独立电流源i1

图7 二极管反向恢复特性模拟电路图

图8 器件反向恢复特性曲线

实验3 PN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。其基本原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。当偏置电压增加到一定值是，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，这将显著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。场板结构与普通PN结的区别在于场板结构中PN区引线电极横向延伸到PN区外适当的距离。而普通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。如果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，使之表面呈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，击穿电压得到提高。 2、实验要求

（1）场限环特性仿真

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1×1015 cm-3，观察表面电场。 （2）场板特性仿真

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1×1015 cm-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GaN HEMT击穿电压的影响 （1）内容

（a）GaN HEMT的工作机理、击穿特性刻画以及对场板结构的GaN HEMT击穿特性的进行仿真分析。

（b）结构和参数：场板结构的GaN HEMT的结构尺寸及掺杂浓度如图3所示。

图3 场板结构的大功率GaN HEMT

(2) 要求

（a）掌握定义一个完整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分析。 （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，通过改变 l 取值来改变场板长度 set l= 1.0

# drain-gate distance set Ldg=5.1

# field plate thickness set t=1.77355

# AlGaN composition fraction set xc=0.295 # set trap lifetime set lt=1e-7 set light=1e-5

# mesh locations based on field plate geometry set xl=0.9 + $l set xd=0.9 + $Ldg set y1= 0.3 + $t set y2= $y1 + 0.02 set y3= $y2 + 0.04 set y4= $y2 + 0.18

# 启动二维器件仿真器 go atlas

mesh width=1000 # 网格结构

x.m l=0.0 s=0.1 x.m l=0.05 s=0.05 x.m l=0.5 s=0.05 x.m l=0.9 s=0.025

x.m l=(0.9+$xl)/2 s=0.05

x.m l=$xl s=0.025

x.m l=($xl+$xd)/2 s=0.25 x.m l=$xd-0.05 s=0.05 x.m l=$xd s=0.05 #

y.m l=0.0 s=0.1000 y.m l=0.3 s=0.1000 y.m l=$y1 s=0.0020

y.m l=$y2 s=0.0020 y.m l=$y3 s=0.0100 y.m l=$y4 s=0.0500 # device structure

# POLAR.SCALE is chosen to match calibrated values # of 2DEG charge concentration

region num=1 mat=SiN y.min=0 y.max=$y1

region num=2 mat=AlGaN y.min=$y1 y.max=$y2 donors=1e16 x.comp=$xc polar calc.strain polar.scale=-0.5

region num=3 mat=GaN y.min=$y2 y.max=$y4 donors=1e15 polar calc.strain polar.scale=-0.5

#

elect name=source x.max=0 y.min=$y1 y.max=$y3 elect name=drain x.min=6.0 y.min=$y1 y.max=$y3

elect name=gate x.min=0.5 x.max=0.9 y.min=0.3 y.max=$y1 elect name=gate x.min=0.5 x.max=$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 ratio.lateral=0.01 direction=y doping 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=2.67 imag.index=0.001 \\ taun0=$lt taup0=$lt

material 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 srh

impact material=GaN selb an1=2.9e8 an2=2.9e8 bn1=3.4e7 bn2=3.4e7 \\ ap1=2.9e8 ap2=2.9e8 bp1=3.4e7 bp2=3.4e7 #

contact name=gate work=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 beam number=1 x.o=0 y.o=$y4+0.1 angle=270 wavelength=0.3 #

output con.band val.band band.param charge e.mob h.mob flowlines qss

# IdVg特性求解

solve

log outf=ganfetex02_0.log solve vdrain=0.05

solve vstep=-0.2 vfinal=-2 name=gate solve vstep=-0.1 vfinal=-4 name=gate log off

save outfile=ganfetex02_0.str

extract init infile=\

extract name=\

# IdVd击穿曲线

method autonr gcarr.itlimit=10 clim.dd=1e3 clim.eb=1e3 nblockit=25 solve init

# turn on optical source to help initiate breakdown # # 人为引进光照以利于实现阻断状态下仿真收敛 solve b1=$light index.check #

solve nsteps=10 vfinal=$Vpinchoff name=gate b1=$light

log outf=ganfetex02_$'index'.log

solve vstep=0.1 vfinal=1 name=drain b1=$light solve vstep=1 vfinal=10 name=drain b1=$light solve vstep=2 vfinal=20 name=drain b1=$light

solve vstep=5 vfinal=1200 name=drain b1=$light cname=drain compl=0.5

# change to current contact to resolve breakdown contact name=drain current solve

solve imult istep=1.1 ifinal=1 name=drain #

save outfile=ganfetex02_$'index'.str #

extract init infile=\

extract name=\extract name=\extract name=\

extract name=\extract name=\

extract name=\extract name=\extract name=\extract name=\extract name=\

tonyplot ganfetex02_1.str ganfetex02_2.str ganfetex02_3.str ganfetex02_4.str ganfetex02_5.str ganfetex02_6.str -set ganfetex02_1.set

tonyplot -overlay ganfetex02_1.log ganfetex02_2.log ganfetex02_3.log ganfetex02_4.log ganfetex02_5.log ganfetex02_6.log -set ganfetex02_0.set

quit

图4-9为不同场板长度下半导体层中碰撞离化率的分布图。正向I-V特性曲线如图5所示，导通电压接近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。

5000000Electric Field(V/m)400000030000002000000100000000123456L(um) 图10 不同场板长度的沟道中总电场分布

0-1000000E Field X(V/m)-2000000-3000000-4000000-50000000123456L(um) 图11 不同场板长度的沟道中X电场分布

20000001000000E Field Y(V/m)0-1000000-2000000-3000000-40000000123456L(um) 图12 不同场板长度的沟道中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 不同长度的场板在关断情况下的输出I-V特性

通过对电场分布和碰撞离化率分布的分析知道，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区域增大，所以这种构型的场板不是越长越好。

实验4 短沟道MOS晶体管特性仿真

1、实验内容

（1）短沟道LDD-MOS晶体管结构定义。 （2）转移特性、输出特性。 （3）结构和参数：器件结构下图所示，宽度1.2μm，衬底为P型、厚度0.8μm、浓度1×1014 cm-3、晶向<100>，栅氧化层厚度13nm，栅为n+掺杂多晶硅。

0 W p+ n- n+

图1 普通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Athena go athena

#器件结构网格划分； line x loc=0.0 spac=0.1 line x loc=0.2 spac=0.006 line x loc=0.4 spac=0.006 line x loc=0.6 spac=0.01 line y loc=0.0 spac=0.002 line y loc=0.2 spac=0.005 line y loc=0.5 spac=0.05 line y loc=0.8 spac=0.15 (建议定义左边一半) #初始化；

#栅氧化，干氧11分钟，温度950.

diffus time=11 temp=950 dryo2 press=1.00 hcl.pc=3

提取栅氧化层厚度，extract name=”Gateoxide” thickness material=”Sio-2” mat.occno=1 x.val=0.3

#阈值电压调整；

implant boron dose=9.5e11 energy=10 crystal 提取表面浓度 #淀积多晶硅；

depo poly thick=0.2 divi=10 #定义多晶硅栅

etch poly left p1.x=0.35

#多晶硅氧化，湿氧，900度，3分钟； method fermi compress

diffuse time=3 temp=900 weto2 press=1.0 #多晶硅掺杂

implant phosphor dose=3.0e13 energy=20 crystal #侧墙的形成

淀积氧化层：depo oxide thick=0.12 divisions=10 干法刻蚀：etch oxide dry thick=0.12 #源漏砷注入，快速退火

implant arsenic dose=5.0e15 energy=50 crystal method fermi

diffuse time=1 temp=900 nitro press=1.0 #金属化

etch oxide left p1.x=0.2

deposit alumin thick=0.03 divi=2 etch alumin right p1.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 # extract final S/D Xj

extract name=\# extract the N++ regions sheet resistance

extract name=\region.occno=1

# extract the sheet rho under the spacer, of the LDD region extract name=\ mat.occno=1 x.val=0.3 region.occno=1 # extract the surface conc under the channel.

extract name=\material=\# extract a curve of conductance versus bias.

extract start material=\ bias=0.0 bias.step=0.2 bias.stop=2 x.val=0.45 extract done name=\ curve(bias,1dn.conduct material=\ region.occno=1)\\ outfile=\# extract the long chan Vt

extract name=\#右边结构生成 structure mirror right

#设置电极

electrode name=gate x=0.5 y=0.1 electrode name=source x=0.1 electrode name=drain x=1.1

electrode name=substrate backside #输出结构图

structure outfile=mos1ex01_0.str tonyplot mos1ex01_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 go atlas # 设置模型

models cvt srh print #设置界面电荷

contact name=gate n.poly interface qf=3e10 #设置迭代模型 method newton #解初始化 solve init

#设置漏极电压0.1V solve vdrain=0.1 # Ramp the gate

log outf=mos1ex01_1.log master #对栅极电压扫描

solve vgate=0 vstep=0.25 vfinal=3.0 name=gate save outf=mos1ex01_1.str # 画出转移特性曲线

tonyplot mos1ex01_1.log -set mos1ex01_1_log.set # 提取器件参数

extract name=\ - abs(ave(v.\

extract name=\ * (1.0/abs(ave(v.\

extract name=\ - (1.0 / (max(abs(v.\#对不同的Vg，求Id与Vds的关系曲线

solve init

solve vgate=1.1 outf=solve_tmp1 solve vgate=2.2 outf=solve_tmp2 solve vgate=3.3 outf=solve_tmp3 solve vgate=5 outf=solve_tmp4 load infile=solve_tmp1 log outf=mos_1.log

solve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.3 load infile=solve_tmp2 log outf=mos_2.log

solve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.3 load infile=solve_tmp3 log outf=mos_3.log

solve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.3 load infile=solve_tmp4 log outf=mos_4.log

solve name=drain vdrain=0 vfinal=3.3 vstep=0.3

#画出转移特性曲线

tonyplot -overlay -st mos_4.log mos_3.log mos_2.log mos_1.log

#退出，quit

实验5 功率VDMOS特性仿真

1、实验内容

功率MOSFET是多子导电性器件，具有开关速度快、输入阻抗高、易驱动、不存在二次击穿现象等优点。理想的功率MOSFET应具有较低的导通电阻、开关损耗和较高的阻断电压。目前，功率MOS的主流器件是VDMOS。 （1）VDMOS器件结构定义。 （2）转移特性、输出特性。

（3）结构和参数：器件结构下图所示。根据陈星弼教授提出的不均匀电流下的最优杂质分布，漂移区最佳厚度为：W=0.018VBR；杂质浓度为：ND=1.9×10VBR。设计击穿电压为250V的VDMOS，确定其漂移区的最佳厚度和杂质浓度。器件总厚度=漂移区厚度+漏端厚度+P阱深度，宽度10μm（一个单元宽度），阱间距约4μm，栅氧化层厚度80nm，多晶硅栅。

1.218-1.4

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，观察阈值电压变化。 （3）调整耐压层浓度，使击穿特性达到最佳。 （4）掌握导通电阻的求法。 3、实验过程

#启动工艺仿真器

#网格定义和衬底初始化 #沟道区由两次掺杂形成

1014cm-2，注入能量为80kev，并在1100摄氏度P-body的注入采用硼离子注入，剂量为1×下热扩散100分钟，形成的结深约为2.1μm。

1015cm-2，注入能量为100kev，并在1100摄氏度下进源极的注入采用砷注入，剂量为3×行热扩散20分钟，形成的结深约为0.5μm。 #栅氧化层 #多晶硅栅 #金属化 #电极定义

#启动器件仿真器

# 设置模型 #设置界面电荷 #设置迭代模型 #解初始化

#漏极电压从0v加到260V

# Id-Vd @ Vg = 0V log outf=vdmos.log solve vdrain=0.03 solve vdrain=0.1

solve vdrain=0.25 vstep=0.25 vfinal=2 name=drain solve vstep=1 vfinal=10 name=drain solve vstep=5.0 vfinal=260 name=drain structure outfile=vdmos.str

tonyplot vdmos.str (在结构中观察器件中的电场) tonyplot vdmos.log -set vdmos_log.set

#对不同的Vg，求Id与Vds的关系曲线 #画出转移特性曲线 #退出