实验六NPN器件设计与特性模拟实验.docx
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实验六NPN器件设计与特性模拟实验
实验六NPN器件TCAD模拟实验
一、实验调查
掌握NPN器件的特性，转移特性曲线，IV特性曲线，放大倍数等
二、实验目的
1.熟悉SilvacoTCAD的仿真模拟环境；
2、掌握NPN器件设计流程
2.掌握器件特性的仿真流程
3.掌握使用Tonyplot观察仿真仿真结果
三、实验要求
1、实验前必须仔细调查实验调查的内容
2、根据程序完成NPN器件的设计仿真
四、实验指导
器件结构设计步骤：
1、创建一个初始网格结构
2、初始化硅衬底
3、进行Boron离子注入
4、进行Boron扩散
5、淀积多晶硅栅
6、进行Polysilicon掺杂
7、刻蚀多晶硅
8、多晶硅氧化
9、退火
10、进行二次Boron离子注入
11、形成侧氧
12、进行三次Boron离子注入与退火
13、镜像得到完整NPN结构
14、形成发射级和基极接触
15、定义电极
16、保存ATHENA结构文件
图一NPN三极管
器件仿真步骤：
1、结构说明
2、材料模型说明
3、数学计算方法的说明
4、解析条件说明
5、结果分析
图二NPN三极管转移特性
图三NPN三极管IV特性
五、实验仿真程序
结构仿真程序：
goathena
#PolysiliconEmitterBipolar（NPN）
linexloc=0.00spac=0.03
linexloc=0.2spac=0.02
linexloc=0.24spac=0.015
linexloc=0.3spac=0.015
linexloc=0.8spac=0.15
#
lineyloc=0.00spac=0.01
lineyloc=0.12spac=0.01
lineyloc=0.3spac=0.02
lineyloc=0.5spac=0.06
lineyloc=1spac=0.35
#InitialSiliconStructure
initsiliconc.arsenic=2e16orientation=100
#
structoutfile=init_bjt.str
#ImplantBoron
implantborondose=2.5e13energy=18crystal
#DiffuseBoron
diffustime=60temp=920nitro
#
structoutfile=implant1_bjt.str
#DepositPolysilicon
depositpolysiliconthick=0.3divisions=6
#
structoutfile=poly_bjt.str
#ImplanttoDopePolysilicon
implantarsenicdose=7.5e15energy=50crystal
#
structoutfile=dopepoly_bjt.str
#PatternPolysilicon
etchpolysiliconrightp1.x=0.2
#
structoutfile=etchpoly_bjt.str
#PolysiliconOxidation
methodfermicompress
diffustime=25temp=920dryo2press=1.00
#
structoutfile=polyox_bjt.str
#AnnealingProcess
diffustime=50temp=900nitropress=1.00
#
structoutfile=anneal_bjt.str
#SecondBoronImplantation
implantborondose=2.5e13energy=18crystal
#
structoutfile=implant2_bjt.str
#DepositSpacer
depositoxidethick=0.4divisions=10
#
structoutfile=depositspacer_bjt.str
#etchtheSpacerBack
etchoxidedrythick=0.50
#
structoutfile=etchspacer_bjt.str
#FormingP+BaseRegion
implantborondose=1e15energy=30crystal
#
structoutfile=implant3_bjt.str
#SecondAnnealingProcess
diffustime=60temp=900nitropress=1.00
#
structoutfile=anneal2_bjt.str
#
structmirrorleft
#
structoutfile=full_bjt.str
#PutdownAluminumandEtchtoformtheEmitter/BaseContacts
depositaluminumthick=0.05divisions=2
#
structoutfile=deposit_Al_bjt.str
#etchtheLeftHandSideShadedRegion
etchaluminumstartx=-0.16y=-0.35
etchcontx=-0.16y=0.1
etchcontx=-0.6y=0.1
etchdonex=-0.6y=-0.35
#
structoutfile=etchleft_bjt.str
#etchtheRightHandSideShadedRegion
etchaluminumrightp1.x=0.15
#
structoutfile=etchfight_bjt.str
#
electrodename=emitterx=0.00
#
electrodename=basex=-0.65
#
electrodename=collectorbackside
#
structoutfile=bjt.str
性能仿真程序：
goatlas
#
meshinfile=bjt.str
#
materialnumber=2taun0=5e-06taup0=5e-06
#
modelsaugerconsrhconmobfldmobb.electrons=2b.holes=1evsatmod=0\
hvsatmod=0boltzmanbgnprinttemperature=300
#
contactname=emittern.polysurf.rec
#
methodnewtonitlimit=25trapatrap=0.5maxtrap=4autonrnrcriterion=0.1\
tol.time=0.005dt.min=1e-25
solveinit
solvevcollector=0.025
solvevcollector=0.1
solvename=collectorvcollector=0.25vfinal=2vstep=0.25
solvevbase=0.025
solvevbase=0.1
solvevbase=0.2
logoutf=bjt_0.log
solvename=basevbase=0.3vfinal=1vstep=0.05
tonyplotbjt_0.log
logoff
solveinit
#Rampingbasevoltage
solvevbase=0.025
solvevbase=0.05
solvevbase=0.1vstep=0.1vfinal=0.7name=base
#SwitchtoCurrentBoundaryConditions
contactname=basecurrent
#rampbasecurrentandsavethesolutions
solveibase=1.e-6
saveoutf=bjt_1.strmaster
solveibase=2.e-6
saveoutf=bjt_2.strmaster
solveibase=3.e-6
saveoutf=bjt_3.strmaster
solveibase=4.e-6
saveoutf=bjt_4.strmaster
solveibase=5.e-6
saveoutf=bjt_5.strmaster
#LoadineachinitialguessfileandrampVce
loadinf=bjt_1.strmaster
logoutf=bjt_1.log
solvevcollector=0.0vstep=0.1vfinal=5.0name=collector
loadinf=bjt_2.strmaster
logoutf=bjt_2.log
solvevcollector=0.0vstep=0.1vfinal=5.0name=collector
loadinf=bjt_3.strmaster
logoutf=bjt_3.log
solvevcollector=0.0vstep=0.1vfinal=5.0name=collector
loadinf=bjt_4.strmaster
logoutf=bjt_4.log
solvevcollector=0.0vstep=0.1vfinal=5.0name=collector
loadinf=bjt_5.strmaster
logoutf=bjt_5.log
solvevcollector=0.0vstep=0.1vfinal=5.0name=collector
#PlotFamilyofIc/Vcecurve
tonyplot-overlaybjt_1.logbjt_2.logbjt_3.logbjt_4.log\
bjt_5.log-setbjt_1.set
quit
六、实验任务
1、完成实验指导4和仿真程序5的内容；
修改基区注入离子的浓度
基区离子的浓度
放大倍数
七、实验结果分析与体会
附录：
NPN三极管器件仿真操作
启动Deckbuild，同时调用ATHENA工具包，在终端输入命令deckbuild–an&
实验三：
用ATHENA创建一个多晶硅发射级NPN三极管
1、创建一个初始网格结构
目的，创建一个0.8um*1.0um模拟区域及一个非均匀网格
在工具栏右键点击Commands→选MeshDefine...输入坐标及间距
goathena
#PolysiliconEmitterBipolar（NPN）
linexloc=0.00spac=0.03
linexloc=0.2spac=0.02
linexloc=0.24spac=0.015
linexloc=0.3spac=0.015
linexloc=0.8spac=0.15
#
lineyloc=0.00spac=0.01
lineyloc=0.12spac=0.01
lineyloc=0.3spac=0.02
lineyloc=0.5spac=0.06
lineyloc=1.0spac=0.35
2、初始化硅衬底（如图一）
目的，得到均匀掺杂砷浓度为2×1016atom/cm3、（100）方向的硅衬底
打开ATHENAMeshInitialize菜单：
右键点击Commands→MeshInitialize。
输入下面选项
Material：
silicon
Orientation：
100
Impurity：
Arsenic
Concentration：
2.0x1016atom/cm3
Dimensionality：
Auto
Comment：
InitialSiliconStructure
3、进行Boron离子注入（如图二）图一
目的：
本征基区离子注入
选“Commands→Process→Implant...”打开ATHENAImplant菜单，选择或输入以下:
impurity:
Boron
Dose:
2.5×1013
Energy:
18
Model:
DaulPearson
Tilt:
7
Rotation:
30
MaterialType:
Crystalline
Comment:
ImplantBoron
图
（二）
4、进行Boron扩散（如图三）
目的：
Boron离子扩散形成区
选“Commands→Process→Diffuse...”打开ATHENADiffuse菜单，选择或输入以下:
Time:
60
Temperature:
920
Ambient:
Nitrogen
GasPressure:
1
Comment:
DiffuseBoron
图三
5、淀积多晶硅栅并保存结构
目的：
淀积形成多晶硅栅薄膜，（如图四）
首先打开ATHENADeposit菜单——依次选“Process→Deposit→Deposit...”即可，选择或输入以下:
Type:
conformal（默认选项）
Material:
Polysilicon
Thickness:
0.3
Totalnumberofgridlayers:
6
Comment:
DepositPolysilicon
图（四）
依次选“Commands→FileI/O→Save”输入文件名
poly_bjt.str
保存结构如图（图五）
图（五）
6、进行Polysilicon掺杂并保存结构（如图六）
目的：
多晶硅发射级掺杂
选“Commands→Process→Implant...”打开ATHENAImplant菜单，选择或输入以下:
impurity:
Arsenic
Dose:
7.5×1015
Energy:
50
Model:
DaulPearson
Tilt:
7
Rotation:
30
MaterialType:
Crystalline图（六）
Comment:
ImplanttoDopePolysilicon
结构文件保存为dopepoly_bjt.str
7、刻蚀多晶硅并保存结构文件
目的：
刻蚀不需要区域的多晶硅材料（我们将刻蚀x=0.2um以右的区域）如图七
依次选择“Commands→Process→
Etch→Etch...”打开ATHENAEtch菜单，选择输入以下:
EtchMethod:
Geometrical（默认选项）
Geometricaltype:
Right
Material:
Polysilicon
Etchlocation（um）:
0.2
Comment:
PatternPolysilicon
结构文件保存为etchpoly_bjt.str
图七
8、多晶硅氧化并保存结构文件
目的：
形成掩蔽层如图八
首先打开ATHENADiffuse菜单:
依次选择“Commands→Process→Diffuse...”即可，选择和输入以下:
Time:
25
Temperature:
920
Ambient:
DryO2
Gaspressure:
1
HCL（uncheck）
DiffusionModels:
Fermi
OxidationModels:
Compressible
Comment:
PolysiliconOxidation
图八
结构文件保存为polyox_bjt.str
9、退火并保存结构文件（图九）
目的：
使Arsenic离子扩散形成发射区
打开ATHENADiffuse菜单,“Commands→Process→Diffuse...”即可,选择或输入以下:
Time:
50
Temperature:
900
Ambient:
Nitrogen
GasPressure:
1
Comment:
AnnealingProcess
图九
结构文件保存为anneal_bjt.str
10、进行二次Boron离子注入（如图10）
目的：
形成本征基区与P+接触的连接区域
选“Commands→Process→Implant...”打开ATHENAImplant菜单，选择或输入以下:
impurity:
Boron
Dose:
2.5×1013
Energy:
18
Model:
DaulPearson
Tilt:
7
Rotation:
30
MaterialType:
Crystalline
Comment:
SecondBoronImplantation
结构文件保存为implant2_bjt.str图10
11、形成侧氧
A、淀积侧氧（图11）
目的：
形成侧氧化层
首先打开ATHENADeposit菜单:
依次选择“Commands→Process→Deposit→Deposit...”即可，选择和输入以下:
Material:
Oxide
Thickness:
0.4
Totalnumberofgridlayer:
10
Comment:
DepositSpacer
结构文件保存为depositspacer_bjt.str
图11
B、刻蚀侧氧（图12）
目的：
刻蚀得到侧氧化区域
依次选择“Commands→Process→Etch→Etch...”打开ATHENAEtch菜单，选择输入以下:
Geometricaltype:
Drythickness
Material:
Oxide
Thickness:
0.5
Comment:
EtchtheSpacerBack
结构文件保存为etchspacer_bjt.str
图12
12、进行三次Boron离子注入与退火（如图13，14）
目的：
形成基区接触
A、进行三次Boron离子注入
选“Commands→Process→Implant...”打开ATHENAImplant菜单，选择或输入以下:
impurity:
Boron
Dose:
1.0×1015
Energy:
30
Model:
DaulPearson
Tilt:
7
Rotation:
30
MaterialType:
Crystalline
Comment:
FormingP+BaseRegion
结构文件保存为implant3_bjt.str
图13
B、第二次退火
打开ATHENADiffuse菜单,“Commands→Process→Diffuse...”即可,选择或输入以下:
Time:
60
Temperature:
900
Ambient:
Nitrogen
GasPressure:
1
Comment:
SecondAnnealingProcess
结构文件保存为anneal2_bjt.str
图14
13、镜像得到完整NPN结构（图15）
目的：
为了得到完整结构，前面得到的只是HalfNPN结构。
依次选“Commands→Structure→Mirror”打开ATHENAMirror菜单.
在弹出的窗口中选Left.
单击WRITE及Cont.
结构文件保存为full_bjt.str
14、形成发射级和基极接触
A、淀积金属AL
首先打开ATHENADeposit菜单:
依次选择“Commands→Process→Deposit→Deposit...”即可，选择和输入以下:
Material:
Aluminum
Thickness:
0.05
Totalnumberofgridlayer:
2
Comment:
DepositAl
结构文件保存为Deposit_Al_bjt.str
B、刻蚀Al
①、刻蚀Al形成基极
依次选择“Commands→Process→Etch→Etch...”打开ATHENAEtch菜单，选择输入以下:
Geometricaltype:
Anyshape
Material:
Aluminum
Arbitrarypoints
etchoxidestartx=-0.16y=-0.35
etchcontx=-0.16y=0.1
etchcontx=-0.6y=0.1
etchdonex=-0.6y=-0.35
Comment:
EtchAl
结构文件保存为etchleft_bjt.str
②、刻蚀Al形成发射级
Geometricaltype:
Right
Material:
Aluminum
Etchlocation：
0.15
结构文件保存为etchright_bjt.str
15、定义电极
依次选“Commands→Structure→Electrode...”打开ATHENAElectrode菜单，选择或输入以下:
ElectrodeType:
SpecifiedPositon
Name:
emitter
XPosition:
0.0
点击WRITE。
重复同样的操作，定义基极、集电极
ElectrodeType:
SpecifiedPositon
Name:
base
XPosition:
-0.65
点击WRITE。
ElectrodeType:
Backside
Name:
collector
点击WRITE。
最后保存结构文件bjt.str
Chapter4：
用ATLAS仿真NPN三极管
使用ATLAS模拟NPN器件，得到三极管的特征曲线
1、Ib=1uA、2uA、3uA、4uA、5uA时Vc-Ic关系曲线。
1、结构说明
2、材料模型说明
3、数学计算方法的说明
4、解析条件说明
5、结果分析
1.添加结构文件
goatlas
#
meshinfile=bjt.str
2、材料模型说明
A、设置载流子的寿命
a、选择Commands→Models→Material
b、选择Re
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