半导体专业实验补充silvaco器件仿真.docx
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半导体专业实验补充silvaco器件仿真
实验2PN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5×1015cm-3。
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
goathena
#器件结构网格划分；
linexloc=spac=
linexloc=spac=
lineyloc=spac=
lineyloc=spac=
lineyloc=10spac=
lineyloc=18spac=
lineyloc=20spac=
#初始化Si衬底；
initsilicon=5e15orientation=100
#沉积铝；
depositalumthick=div=10
#电极设置
electrodename=anodex=1
electrodename=cathodebackside
#输出结构图
structureoutf=
tonyplot
#启动Atlas
goatlas
#结构描述
dopingconc=1e20===0=uniform
dopingconc=1e20===18=uniform
#选择模型和参数
modelscvtsrhprint
methodcarriers=2
impactselb
#选择求解数值方法
methodnewton
#求解
solveinit
logoutf=
solvevanode=
solvevanode=vstep=vfinal=5name=anode
#画出IV特性曲线
tonyplot
#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。
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。
solvevanode=vstep=vfinal=-5name=anode
solvevanode=vstep=vfinal=-20name=anode
solvevanode=-22vstep=-2vfinal=-40name=anode
solvevanode=-45vstep=-5vfinal=-240name=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×105V•cm-1，在耐压层中线性减小到80000V•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。
solvevanode=1
logoutf=
solvevcathode=ramptime=tstop=tstep=
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
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1×1015cm-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1×1015cm-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、击穿特性刻画以及对场板结构的GaNHEMT击穿特性的进行仿真分析。
（b）结构和参数：
场板结构的GaNHEMT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GaNHEMT
（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，步长为，通过改变l取值来改变场板长度
setl=
#drain-gatedistance
setLdg=
#fieldplatethickness
sett=
#AlGaNcompositionfraction
setxc=
#settraplifetime
setlt=1e-7
setlight=1e-5
#meshlocationsbasedonfieldplategeometry
setxl=+$l
setxd=+$Ldg
sety1=+$t
sety2=$y1+
sety3=$y2+
sety4=$y2+
#启动二维器件仿真器
goatlas
meshwidth=1000
#网格结构
l=s=
l=s=
l=s=
l=s=
l=+$xl）/2s=
l=$xls=
l=（$xl+$xd）/2s=
l=$s=
l=$xds=
#
l=s=
l=s=
l=$y1s=
l=$y2s=
l=$y3s=
l=$y4s=
#devicestructure
#ischosentomatchcalibratedvalues
#of2DEGchargeconcentration
regionnum=1mat=SiN=0=$y1
regionnum=2mat=AlGaN=$y1=$y2donors=1e16=$xcpolar=
regionnum=3mat=GaN=$y2=$y4donors=1e15polar=
#
electname=source=0=$y1=$y3
electname=drain==$y1=$y3
electname=gate====$y1
electname=gate==$xl==
#
dopinggaussiancharacteristic=conc=1e18=\
==$y1=$y3=direction=y
dopinggaussiancharacteristic=conc=1e18=$\
=$xd=$y1=$y3=direction=y
###################################################################
#KMparameterset
###################################################################
materialmaterial=GaNeg300=align=permitt=\
mun=900mup=10vsatn=2e7nc300=nv300=\
==\
taun0=$lttaup0=$lt
materialmaterial=AlGaNaffinity=eg300=align=permitt=\
mun=600mup=10nc300=nv300=\
==\
taun0=$lttaup0=$lt
###################################################################
modelprintfermifldmobsrh
impactmaterial=GaNselban1=an2=bn1=bn2=\
ap1=ap2=bp1=bp2=
#
contactname=gatework=
#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=1=0=$y4+angle=270wavelength=
#
outputchargeflowlinesqss
#IdVg特性求解
solve
logoutf=
solvevdrain=
solvevstep=vfinal=-2name=gate
solvevstep=vfinal=-4name=gate
logoff
saveoutfile=
extractinitinfile=""
extractname="Vpinchoff"xintercept（maxslope（curve（v."gate",i."drain"）））
#IdVd击穿曲线
methodautonr=10=1e3=1e3nblockit=25
solveinit
#turnonopticalsourcetohelpinitiatebreakdown
##人为引进光照以利于实现阻断状态下仿真收敛
solveb1=$light
#
solvensteps=10vfinal=$Vpinchoffname=gateb1=$light
logoutf=ganfetex02_$'index'.log
solvevstep=vfinal=1name=drainb1=$light
solvevstep=1vfinal=10name=drainb1=$light
solvevstep=2vfinal=20name=drainb1=$light
solvevstep=5vfinal=1200name=drainb1=$lightcname=draincompl=
#changetocurrentcontacttoresolvebreakdown
contactname=draincurrent
solve
solveimultistep=ifinal=1name=drain
#
saveoutfile=ganfetex02_$'index'.str
#
extractinitinfile="ganfetex02_1$'index'.log"
extractname="a"slope（maxslope（curve（i."drain",v."drain"）））
extractname="b"xintercept（maxslope（curve（i."drain",v."drain"）））
extractname="Vdmax"max（curve（i."drain",v."drain"））
extractname="Idmax"fromcurve（i."drain",v."drain"）where=$Vdmax
extractname="Vd1"$Vdmax-20
extractname="Id1"fromcurve（v."drain",i."drain"）where=$Vd1
extractname="c"gradfromcurve（v."drain",i."drain"）where=$Vdmax
extractname="d"$Idmax-$c*$Vdmax
extractname="Vbr"（$b-$d）/（$c-（1/$a））
extractname="Is"$b+$Vbr/$a
tonyplot-set
tonyplot-overlay-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。
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=的沟道中电子碰撞产生率模拟分布
图6场板长度L=的沟道中电子碰撞产生率模拟分布
图7场板长度L=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=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。
图10不同场板长度的沟道中总电场分布
图11不同场板长度的沟道中X电场分布
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=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μm，衬底为P型、厚度μm、浓度1×1014cm-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
goathena
#器件结构网格划分；
linexloc=spac=
linexloc=spac=
linexloc=spac=
linexloc=spac=
lineyloc=spac=
lineyloc=spac=
lineyloc=spac=
lineyloc=spac=
（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==3
提取栅氧化层厚度，extractname=”Gateoxide”thicknessmaterial=”Sio-2”=1=
#阈值电压调整；
implantborondose=energy=10crystal
提取表面浓度
#淀积多晶硅；
depopolythick=divi=10
#定义多晶硅栅
etchpolyleft=
#多晶硅氧化，湿氧，900度，3分钟；
methodfermicompress
diffusetime=3temp=900weto2press=
#多晶硅掺杂
implantphosphordose=energy=20crystal
#侧墙的形成
淀积氧化层：
depooxidethick=divisions=10
干法刻蚀：
etchoxidedrythick=
#源漏砷注入，快速退火
implantarsenicdose=energy=50crystal
methodfermi
diffusetime=1temp=900nitropress=
#金属化
etchoxideleft=
depositaluminthick=divi=2
etchaluminright=
#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/DXj
extractname="nxj"xjsilicon=1==1
#extracttheN++regionssheetresistance
extractname="n++sheetrho"material="Silicon"=1==1
#extractthesheetrhounderthespacer,oftheLDDregion
extractname="lddsheetrho"material="Silicon"\
=1==1
#extractthesurfaceconcunderthechannel.
extractname="chansurfconc"impurity="NetDoping"\
material="Silicon"=1=
#extractacurveofconductanceversusbias.
extractstartmaterial="Polysilicon"=1\
bias===2=
extractdonename="sheetcondvbias"\
curve（bias,material="Silicon"=1=1）\
outfile=""
#extractthelongchanVt
extractname="n1dvt"1dvtntypevb=qss=1e10=
#右边结构生成
structuremirrorright
#设置电极
electrodename=gatex=y=
electrodename=sourcex=
electrodename=drainx=
electrodename=substratebackside
#输出结构图
structureoutfile=
tonyplot
（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=gate
interfaceqf=3e10
#设置迭代模型
methodnewton
#解初始化
solveinit
#设置漏极电压
solvevdrain=
#Rampthegate
logoutf=master
#对栅极电压扫描
solvevgate=0vstep=vfinal=name=gate
saveoutf=
#画出转移特性曲线
tonyplot-set
#提取器件参数
extractname="nvt"（xintercept（maxslope（curve（abs（v."gate"）,abs（i."drain"））））\
-abs（ave（v."drain"））/
extractname="nbeta"slope（maxslope（curve（abs（v."gate"）,abs（i."drain"））））\
*abs（ave（v."drain"）））
extractname="ntheta"（（max（abs（v."drain"））*$"nbeta"）/max（abs（i."drain"）））\
-/（max（abs（v."gate"））-（$"nvt"）））
#对不同的Vg，求Id与Vds的关系曲线
solveinit
solvevgate=outf=solve_tmp1
solvevgate=outf=solve_tmp2
solvevgate=outf=solve_tmp3
solvevgate=5outf=solve_tmp4
loadinfile=solve_tmp1
logoutf=
solvename=drainvdrain=0vfinal=vstep=
loadinfile=solve_tmp2
logoutf=
solvename=drainvdrain=0vfinal=vstep=
loadinfile=solve_tmp
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