6）观察并解释基区宽度调制效应。
2．晶体管工艺参数设计
1、浓度参数
根据设计要求，需要设计出共射极直流增益β>150的PNP双极型晶体管。
首先各区浓度，一般晶体管浓度满足NE>NB>NC。
同时又要求发射极重掺杂，所以去NE=1×1019cm-3，NB=1×1017cm-3，NC=1×1016cm-3，
根据图1，得到少子迁移率：
μC=μn=1248cm2/v·sμB=μp=331cm2/v·sμE=μn=270cm2/v·s
根据公式可得少子的扩散系数
DC=
=0.026×1248=32.45cm2/s
DB=
=0.026×331=8.61cm2/s
DE=
=0.026×1248=7.02cm2/s
根据图2、图3，分别得到各区少子寿命τC、τB、τE、
τC=8×10-5sτB=2×10-6sτE=1.07×10-7s
根据公式得出少子的扩散长度：
LC=
=510μmLB=
=41.4μmLE=
=8.67μm
2、尺寸参数
（1）集电极厚度：
WC为5μm，
（2）基区宽度
当发射效率γ≈1时，电流放大系数
，因此基区宽度的最大值可按下式估计：
，设计过程中取λ=4。
根据公式,求得低频管的基区宽度的最大值为：
=21.4μm
基区宽度的具体设计：
E-B结的内建电势为：
C-B结的内建电势为：
根据公式,E-B结在基区一边的耗尽层宽度
为：
∵
，可以当成单边突变结处理
C-B结在基区一边的耗尽层厚度
为：
对于准中性基区宽度W，取基区宽度
，则
验证其取值的准确性，根据公式有：
解得的β符合设计指标，所以基区宽度为
，且没有超过其最大值。
具体基区厚度实验进行调整。
3．PNP管设计
1、双极型晶体管平面工艺
根据以上计算的数据，利用MDRAW软件设计并画出pnp的平面工艺图形，如图4。
图4平面工艺
首先三个区均采用的是均匀掺杂。
图中基区和集电区分别采用了欧姆接触和外延层重掺杂，浓度分别为：
基区ND=1×1020cm-3，集电区NA=1×1020cm-3，目的是减小电阻。
通过模拟，为达到所要求的增益β>150，最终确定的参数：
（1）浓度：
发射区NE=1×1020cm-3，基区NB=1.1×1017cm-3，集电区NC=1×1016cm-3，
（2）尺寸
发射区：
宽度WE=0.5μm，长度LE=1μm
基区：
宽度WC=0.65μm，长度LC=3μm
集电区：
宽度WC=3.85μm，长度LC=3μm
最后各个区分界面经行网格加密，在运行程序，仿真出图4的图形，再保存文件。
2、Dessis文件及其仿真
根据MDRAW生成的pnp_mdr.grd，pnp_mdr.dat文件，进行dessis程序的编写，程序如下，完成Ib为0μA、-2μA、-4μA、-6μA、-8μA、-10μA时集电极电压从0扫到-20V的输出特性曲线。
“File{
*InputFiles
Grid=“pnp_mdr.grd”
Doping=“pnp_mdr.dat”
*OutputFiles
Plot=“pnp_des.dat”
Current=“pnp_des.plt”
Output=“pnp.log”
Electrode{{Name=“emitter”Voltage=0.0}
{Name=“baseVoltage=0.0Current=0.0}
{Name=“collectorVoltage=0.0}}
Physics{Mobility（DopingDependenceHighFieldSaturation）
Recombination（AugerSRH（DopingDep））}
Plot{PotentialElectricFieldSpaceCharge
eTemperature
eMobilityhMobilityeVelocityhVelocity
DonorConcentrationAcceptorConcentration
DopingConcentration
AvalancheGenerationSRHAugerTotalRecombination
eDensityhDensityeCurrenthCurrent
TotalCurrent
eQuasiFermihQuasiFermi
Math{Extrapolate
NotDamped=100
Iterations=20
RelerrControl
AvalDerivatives
}
Solve{*InitialGuess
Coupled（Iterations=100）{Poisson}
Coupled{PoissonElectronHole}
*Rampbaseto0.0uA
save（FilePrefix=“Ib0”）
*Rampbaseto-2e-6uA
Quasistationary（InitialStep=1e-9Minstep=1e-12Maxstep=0.2
Increment=1.5
Goal{Name=“base”Current=-2e-6}）
{Coupled{PoissonElectronHole}}
save（FilePrefix=“Ib1”）
*Rampbaseto-4e-6uA
Quasistationary（InitialStep=1e-9Minstep=1e-12Maxstep=0.2
Increment=1.5
Goal{Name=“base”Current=-4e-6}）
{Coupled{PoissonElectronHole}}
save（FilePrefix=“Ib2”）
*Rampbaseto-6e-6uA
Quasistationary（InitialStep=1e-9Minstep=1e-12Maxstep=0.2
Increment=1.5
Goal{Name=“base”Current=-6e-6}）
{Coupled{PoissonElectronHole}}
save（FilePrefix=“Ib3”）
*Rampbaseto-8e-6uA
Quasistationary（InitialStep=1e-9Minstep=1e-12Maxstep=0.2
Increment=1.5
Goal{Name=“base”Current=-8e-6}）
{Coupled{PoissonElectronHole}}
save（FilePrefix=“Ib2”）
*Rampbaseto-10e-6uA
Quasistationary（InitialStep=1e-9Minstep=1e-12Maxstep=0.2
Increment=1.5
Goal{Name=“base”Current=-1e-5}）
{Coupled{PoissonElectronHole}}
save（FilePrefix=“Ib2”）
#Loadsavedstructuresandrampcollectorvoltagetocreatefamilyofcurves:
#Firstcurve
Load（FilePrefix=“Ib0”）
NewCurrentFile=“IcVc0_”
Quasistationary（InitialStep=0.01Minstep=1e-4MaxStep=0.2
Goal{Name=“collector”voltage=-20}）
{Coupled{PoissonElectronHole}
CurrentPlot（time=（range=（0.00.2）intervals=10;
range=（0.21.0）intervals=20））}
Load（FilePrefix=“Ib1”）
NewCurrentFile=“IcVc1_”
Quasistationary（InitialStep=0.01Minstep=1e-4MaxStep=0.2
Goal{Name=“collector”voltage=-20}）
{Coupled{PoissonElectronHole}
CurrentPlot（time=（range=（0.00.2）intervals=10;
range=（0.21.0）intervals=20））}
Load（FilePrefix=“Ib2”）
NewCurrentFile=“IcVc2_”
Quasistationary（InitialStep=0.01Minstep=1e-4MaxStep=0.2
Goal{Name=“collector”voltage=-20}）
{Coupled{PoissonElectronHole}
CurrentPlot（time=（range=（0.00.2）intervals=10;
range=（0.21.0）intervals=20））}
Load（FilePrefix=“Ib3”）
NewCurrentFile=“IcVc3_”
Quasistationary（InitialStep=0.01Minstep=1e-4MaxStep=0.2
Goal{Name=“collector”voltage=-20}）
{Coupled{PoissonElectronHole}
CurrentPlot（time=（range=（0.00.2）intervals=10;
range=（0.21.0）intervals=20））}
Load（FilePrefix=“Ib4”）
NewCurrentFile=“IcVc4_”
Quasistationary（InitialStep=0.01Minstep=1e-4MaxStep=0.2
Goal{Name=“collector”voltage=-20}）
{Coupled{PoissonElectronHole}
CurrentPlot（time=（range=（0.00.2）intervals=10;
range=（0.21.0）intervals=20））}
Load（FilePrefix=“Ib5”）
NewCurrentFile=“IcVc5_”
Quasistationary（InitialStep=0.01Minstep=1e-4MaxStep=0.2
Goal{Name=“collector”voltage=-20}）
{Coupled{PoissonElectronHole}
CurrentPlot（time=（range=（0.00.2）intervals=10;
range=（0.21.0）intervals=20））}}”
4．准静态电特性分析
1、输出特性曲线及基区宽度调制效应分析
通过调用inspect，观察输出特性曲线Ic-Vc，如图5
图5Ic-Vc特性曲线
从图中不同基区电流，直流增益均在150以上。
截止区集电极电流集合为零。
并且从图中可以清楚看出基极不为零时，当集电极达到放大区后，IC大小并不是保持不变的，而是随着集电极电压反向增加缓慢增加，这就是基区调制效应引起的。
如若仔细计算，我们还可以发现在不同基极电流下，直流增益是不同的，即随着Ib方向增大，增益略有减小，造成这个现象的原因是基区扩展效应，即电流增大，当达到大电流时，会造成基区有效宽度增加，由公式
可以看出，当基区宽度xB增加时，增益会有所减小。
2、不同工作区特性分析
电场分布
图6截止区电场分布
图7饱和区电场分布
图8放大区电场分布
图6~8分别是截止，饱和，放大区的电场分布，电压降主要集中耗尽层，所以电场分布也主要在耗尽层位置。
在截止区时由于Ib>0，发射结和集电结皆是反偏，两者皆不导通，且空间电荷区较宽，因此空间电荷区有较大电场，又因为集电结耗尽层远大于发射结，所以发射结电场较小且不明显。
在饱和区（Ib<0,0VBE>0，由于发射结正偏，集电结反偏，发射结导通，集电结截止，因此只有集电结空间电荷区有较大电场。
载流子分布
图9截止区电子空穴分布
图10饱和区电子空穴分布
图11放大区电子空穴分布
从图9~11载流子分布可以看出，电子浓度在N型区较高，P型区较低，同时空穴浓度在P型区较高，N型区较低,而在空间电荷区载流子浓度较低。
在截止区时，电流几乎为零，因而载流子分布和不加电压情况相同。
在饱和区集电极稍加电压，在电压不大的情况下，相当于小注入，因此各个区少子浓度相对于截止区略有增加，当多子浓度几乎不变。
放大区集电极所加电压较大，导通电流较大，相当于大注入的情况，因此各区多子浓度和少子浓度相对于饱和区而言增加的更多。
电流分布
图12截止区电流分布
图12饱和区电流分布
图14放大区电流分布
从截止区，饱和区，放大区电流分布可以看出放大区电流>饱和区电流>截止区电流，且截止区电流几乎为零。
在饱和区和放大区IC>>IB，可以看出晶体管具有电流放大作用。
5．问题讨论
本次实验pnp晶体管各个区采用的是均匀掺杂，如果采用高斯掺杂是否可以得到同样理想的曲线及其特性？
高斯掺杂相对于均匀掺杂更接近实际，但过程更为复杂。
通过高斯掺杂获得的器件I-V特性曲线如图15，其直流放大增益较小几乎没有放大作用，并且通过调节掺杂浓度和基区宽度对放大增益的改善较小如左图。
同时当基区宽度足够小时，基区调制效应和变得极为严重，使得电流增加速度几乎没有减缓，并且基区扩展效应也显著增加，增益随IB减小而迅速减小如右图。
图15高斯掺杂特性曲线
6．心得体会
此次实验虽然只有两周，但是给我们组所带来的困难却是相当大的，虽然已学过半导体物理和半导体器件物理课程，但是要把理论的知识应用到实际中还有一些困难。
一开始对晶体管各个参数进行粗算时，公式用的不是很熟，而且参数的计算相对于做题而言，条件不是那么的理想，要考虑各种实际情况。
然后是软件的使用，所用的软件“redhat”从没接触过，各种不会，队友们一起图书馆和网上查找资料，学习软件的使用，并且在老师的耐心教导下，逐渐熟悉并掌握软件的操作。
画出较为理想的图形。
进行特性仿真时，又出现了错误——增益没达到要求的150，又通过不断调节基区宽度和掺杂浓度来提高增益，并且不断优化dessis文件，最终得到符合要求的器件和较为理想的特性曲线。
此次试验不仅让我更加熟悉了半导体中的有关知识，而且让我明白了理论知识和实际是有一定的差距，我们的学习不应仅仅满足于理论，更要将理论投入实践中。
并且此课设，每次遇到困难，都是和队友一起面对，一起解决，让我明白团队力量的强大，我想若是我一个人要完成这项工作，几乎是不可能的事。
7．参考文献
1、孟庆巨等，半导体器件物理（第二版）【M】，北京：
科学出版社2009，
2、刘恩科等，半导体物理学（第7版），北京：
电子工业出版社2011.3，
3、韩雁丁扣宝，半导体器件TCAD设计与应用【M】，山东：
电子工业出版社2013。
升级会员 