半导体专业实验补充silvaco器件仿真.doc

实验2 PN结二极管特性仿真1、实验容〔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〕构造和参数：PN结穿通二极管的构造如图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-30Wp+n-n+图1 普通耐压层功率二极管构造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Athenago athena#器件构造网格划分；line * loc=0.0 spac= 0.4 line * 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 *=1electrode name=cathode backside #输出构造图structure outf=cb0.strtonyplot cb0.str#启动Atlasgo atlas#构造描述doping p.type conc=1e20 *.min=0.0 *.ma*=4.0 y.min=0 y.ma*=2.0 uniformdoping n.type conc=1e20 *.min=0.0 *.ma*=4.0 y.min=18 y.ma*=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 initlog outf=cb02.logsolve vanode=0.03solve 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构造。

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构造图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，刚开场步长小一点，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=-2vfinal=-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= If0t= 0 时，开关K 闭合，二极管从导通向截止过渡在一段时间，电流Id以di0/ dt = - Ur/ L 的速率下降在一段时间电流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2Vsolve 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的根本电路，其根本原理为：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；则由于R2远大于R1，则根据KCL可知，电流i1主要经过R1支路，即i1的绝大局部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，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开场起作用，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、实验容由于PN结在外表的曲率效应，使外表的最大电场常大于体的最大电场，器件的外表易击穿，采用终端技术可使外表最大电场减小，提高外表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根本原理是在主结外表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，主结的耗尽层到达环上，如图1所示，这样就会使得有一局部电压有场环分担，将主结的电场的值限制在临界击穿电压以，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 场限环场板构造在功率器件中被广泛应用场板构造与普通PN结的区别在于场板构造中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外表的载流子排斥到体，使之外表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，外表耗尽层展宽，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，观察外表电场 〔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，观察外表电场 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〕容〔a〕GaN HEMT的工作机理、击穿特性刻画以及对场板构造的GaN HEMT击穿特性的进展仿真分析〔b〕构造和参数：场板构造的GaN HEMT的构造尺寸及掺杂浓度如图3所示图3 场板构造的大功率GaN HEMT(2) 要求〔a〕掌握定义一个完整半导体器件构造的步骤，并能对其电性能进展仿真研究〔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，定义构造参数# 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 distanceset Ldg=5.1# field plate thicknessset t=1.77355# AlGaN composition fractionset *c=0.295# set trap lifetimeset lt=1e-7set light=1e-5# mesh locations based on field plate geometryset *l=0.9 + $lset *d=0.9 + $Ldgset y1= 0.3 + $tset y2= $y1 + 0.02set y3= $y2 + 0.04set y4= $y2 + 0.18# 启动二维器件仿真器go atlasmesh width=1000 # 网格构造*.m l=0.0 s=0.1*.m l=0.05 s=0.05*.m l=0.5 s=0.05*.m l=0.9 s=0.025*.m l=(0.9+$*l)/2 s=0.05*.m l=$*l s=0.025*.m l=($*l+$*d)/2 s=0.25*.m l=$*d-0.05 s=0.05*.m l=$*d s=0.05#y.m l=0.0 s=0.1000y.m l=0.3 s=0.1000y.m l=$y1 s=0.0020y.m l=$y2 s=0.0020y.m l=$y3 s=0.0100y.m l=$y4 s=0.0500# device structure# POLAR.SCALE is chosen to match calibrated values# of 2DEG charge concentrationregion num=1 mat=SiN y.min=0 y.ma*=$y1region num=2 mat=AlGaN y.min=$y1 y.ma*=$y2 donors=1e16 * p=$*c polar calc.strain polar.scale=-0.5region num=3 mat=GaN y.min=$y2 y.ma*=$y4 donors=1e15 polar calc.strain polar.scale=-0.5#elect name=source *.ma*=0 y.min=$y1 y.ma*=$y3elect name=drain *.min=6.0 y.min=$y1 y.ma*=$y3elect name=gate *.min=0.5 *.ma*=0.9 y.min=0.3 y.ma*=$y1elect name=gate *.min=0.5 *.ma*=$*l y.min=0.3 y.ma*=0.3#doping gaussian characteristic=0.01 conc=1e18 n.type *.left=0.0 \ *.right=0.05 y.top=$y1 y.bottom=$y3 ratio.lateral=0.01 direction=ydoping gaussian characteristic=0.01 conc=1e18。