微电子器件基础实验.docx

微电子器件基础实验报告指导老师：曾荣周姓名：郭衡班级：电科1704学号：17419002064湖南工业大学交通工程学院2019年9月实验一 Silvaco TCAD软件的基本使用方法和PN结的工作原理及 特性仿真与分析一、实验目的与任务1 .实验目的：(1 )学会安装Silvaco TCAD软件(2 ) 学会Silvaco TCAD软件的基本使用方法(3 )通过对PN结的特性仿真与分析，理解PN结的工作原理2 .实验任务：完成PN结二极管的IV特性和击穿特性仿真二、实验基本理1 . Silvaco TACD软件ATLAS器件仿真器使用2.二极管工作原理：晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两 侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n结两边载 流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外卜界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩 散电流增加引起了正向电流。当夕卜界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向 电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界 值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿 电流，称为二极管的击穿现象。p-n结的反向击穿有齐纳击穿、雪崩击穿和热击 穿之分。3 .均匀掺杂PN结二极管atlas代码：'atlas+Jmesh nx.mesh - location0,0- spac=0.2+jWWWWWWSWVWWWWWWWWWVv+/WVvVx. m, , 1=1.0- ,-spac=0r2+jWHAAAAVX*k/VvWvy.m' 1=0 spac=0J2+jy,m' 一 1=5。，, spacO.005y,m' 1=15 spac=0r5-r eioii nimi= 1 siliconssaaarjAaaaaa/-electrode top naBie= emittersSAAAAAAAAAAAAVAAA/- 上electrode b ott om name=b a s e*jdoping uniform concentration5 e 17 ptypjdoping uniform n. type conc=l .e20 , x Jeft=0.0 x ,112)1：= 1 y.t op=0.0 y.b ottom= 5,0* saveoutf=diodeex03 m。di序2D str<t ony p lot dio deex 0 3 modify 2D. str-set diodeex03 modify2D O,.setmodel srh conmob bn wugerftdmDb *jsolve init' #WVvVvVV-method - - cqtti=2lo g qui f= dio deex 03 mo dify2 D ,lo /solve vbase=-l vstep=0J05 vflnal=l namebaseiLLL.LLLLLL.-LLLLLLLLLLLLL-L.L.rLL=4 L<-.t onyplot dio deex 0 3 mo dify 2D Joet dio deex 0 3 modify2D,lo Q.seMquit+J4 .高斯掺杂PN结二极管atlas代码：三、实验仪器设备与工具软件1 PC机(能运行Win7或更高版本的系统)。2 . SILIVACO-TCAD 软件。四、实验内容1 .二极管IV特性仿真(1)用atlas生成一个PN结构二极管；(2 )通过改变掺杂浓度和掺杂方式，观察耗尽区及其宽度;(3)对阳极正向偏压，仿真IV曲线。2.二极管击穿仿真(1)用atlas生成一维二极管结构；msw -1ss ,K 霸as埋伽阳履也埋ai 寸 霸as埋伽阳履也埋ai msw -in z »尝 u 媪 Nd SEW 旺 I18 ,w ownasei ?- -Mina (m) -siwi« (z)打rib 侦"TlvaqUJ&h.QnJE Bo= E 吕UJEJd gl&us 写 qH 首！i TUIEJA 兰，L3E T 写 qxUJAFn BCII-qES 铲招m Bcrf £如|舀舀-sfl告口-I-I月 WAKE qo 启 T'lIMbnB 目§昌吕tJST-s旨 茗.1|宜0!莒5皙-m"3IB8d 耳目目 1邪碧出EaHLDO中君5 D-Lr>世口ss-f CT0&O弋>1IKW-一-守右兽'童二 Arco 5dM-n:Jn.M-l-l§&-3. 药弋 d ETW-lr目'括目 uOJLnoQ 昌.MI 目 B.Hdop 裙墨总忌一昌拦cq蜀日廿口 TI1Id2LUPOTJ£I 中 目口II-r-1皿 IJrnl UOItn碧 _&隔 slnl W 岂.OAKk #If S3 隔? m m_3Ki£ OTI X 斜-'_&0-1-|2窖01 qCIJOJlrMq策 点口；5go atlasmesii spac-e . mult =0.2k.meshk. my. ny. mlDCatlOTL=0.01 = 1.51 = 01=1. Clspac=0.1 spac=0.1 spac=0.02 spac =0.1siliconregionelectrode nuin=l name=anode x.min=0 k. electrode nuin=2 name=cathode botton doping uni form ooncent;ration=5el8 n. type均匀掺杂器件结构:均匀掺杂的仿真曲线:高斯掺杂的仿真曲线:Data from prDjsdA.logT. caih utie Currant 的)02 04 OB Anode Voltage 3)实验结果分析均匀掺杂的仿真曲线从0.8开始呈指数增长，而高斯掺杂的仿真曲线从1.2开始呈指数下降。由于PN结正向导电时，电阻很小；反向导电时，其电阻很大。所 以PN结具有单向导电性。高斯掺杂的杂质分布是对应于有效表面源扩散的，而均 匀掺杂是对应于体扩散的。所以均匀掺杂是指数增长，而高斯掺杂是指数下降。实验二双极型晶体管BJT的工作原理及特性仿真与分析一、实验目的与任务1 .实验目的：通过对BJT的特性仿真与分析，理解BJT的结构及工作原理2 .实验任务：完成NPN和PNP BJT输出特性ic-vce仿真二、实验基本原理1 .三极管工作原理：BJT是双极结型晶体管(Bipolar Junction TransistorBJT )的缩写，又常称为双载 子晶体管。它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件，有PNP和NPN 两种组合结构，是三端子器件。一个npn晶体管可以被认为是共享一个阳极的两个二极管的组合。当发射结正 偏，载流子热激发和耗尽区反向电场之间的平衡被打破，使得热激发电子被注入到 基极区域，这些电子穿越基极从浓度较高的发射极区域附近扩散到集电极。在基极 区域的电子被称为少数载流子，因为基极是p类型掺杂的。为了减少在到达集电极 之前载流子被复合的百分比，晶体管的基区必须足够薄以使得载流子可以扩散到集 电极。特别是基区厚度必须比电子的扩散长度小。共享的基极和不对称的集电极和 发射极的掺杂是双极结型晶体管与两个分立反偏并联二极管的最大区分之处。pnp晶体管。三、实验仪器设备与工具软件1 . PC机(能运行Win7或更高版本的系统)。2 . SILIVACO-TCAD 软件。四、实验内容1 . NPN BJT输出特性IC-VCE仿真(1 )用atlas生成一个NPN BJT结构(2)仿真NPN BJT Ic-Vce输出特性曲线并分析2 . PNP BJT输出特性Ic-Vce仿真(1 )用atlas生成一个PNP BJT结构(2)仿真PNP BJT Ic-vce输出特性曲线并分析五、实验步骤1 .用Atlas生成仿真器件NPN和PNP BJT2.观察器件结构3 .仿真NPN和PNP BJT IC-VCE特性曲线并分析其工作特性六、实验报告1 .写出NPN和PNP BJT仿真代码2.画出器件结构3 .画出仿真曲线和观察结果，并进行分析说明。4.记录实验过程中出现的问题及解决办法。NPN代码：# (c) Silvaco Inc.r 2015 go atlas1=0 1=0.3 1=1 »0 1=1.5 1=2.0 1=0 m0 1=0m04 1=0m06 1=0.15 1=0.30 1=1 m0spacing=0B1L5 spacing=0«15 spacing=O.D3 spacing=0«12 spacing=0B1L5spacing=OBOO SFacing=OBOO spacing=0B005 spacing=0B02 spacing=0B02 SFacing=0.12TITLE Bipolar Gwmnel plot and IC/VCE with constant IB mesh mti x.n Mil 3 E 查R查Rregion nun=l siliconelsctrcxie nuirl name=emitter left lengch=0.3 electrode nuir=2 name=bas-e right length=0« 5 electrode nwr=3 name=collector bottom doping doping doping doping dopingreg=l reg=l reg=l reg=l reg=luniform p. typegaussgaussgaussgaussP-type n« typen« typeconc=5el5 conc=lelS conc=lel8 conc=5el9 conc=5el9peak=lBJ0 cha r=0. 2 peak=0m05 peak=0.0 peak=0.0juncOu.153unct=O05 juright=Om8 char=OJDB xBleft=lB5# set bipolar modelsmodels comnot fIdmob consrh auger princ contact name=emitter p.poly surf» rec solve init save outf=bjtexO4_0«str tonyplot bjtex04_0« 5tr -set bjtex04_OBset+ (a) Silvaco Inc. r 201E go aclaaTITLE Bipolar Guzrnnsl plot and IC/VCE with constant IE xiesh KUi XaTl XuD X-D XaTl y.K u y.Kspa.cing=Jm15spacing=Dm15spacing。 035pa.cing=0m12spacing=0m15spacing= 0.006，,spacing= 0.006'spacing=0.005i spacing=0M 02i spacing=0.02spacina=0.12region niun=l siliconelctrd? nuin=l name =onit.ter left lengtb=Cu8a la c t ride nuin=2 nafn&=baserigh t length=0.5 ymaM=0alactrxia num=3 nam-e=-collector hottcan.dopingdopingdopingdopingdopingt sec Llpoldir modlelswlela c-mnoO tlctolb consrticontact Rame=emit;t£r n.poly solv inits ave outf=bj teKLi 4_0. s tr|tonyplot bjtexCi4_0.str -set fcjtejcO4_G.set1=D1=D1=11=11=21=DL=DL=D1=D1=D1=10 , 5 , D ; D 04 0615 30 DE-eg-luniformnBJ typersg-lgaussn- typertg-1gauaj匚F=1中口"n.匚=g=lgau.5 5cone-5el5 conc-lelS eonc-lelS conc=5elS conc=5el5peakl. 0 chai?-0.2 peak-C1. QS peak=O.Q peak-=G. Qauger prlnu surf«rec3.73 aec.NPN器件结构:junct-0»ISj miQt=O »05i ight=0 3chax=0.03 k. l e f t=l. 5Al LASData from bjtexO4_O.strQ Q.20.40.60.811 21.41.61.82MicronsData from bjtex04_0.strNPN仿真曲线:bjtexCh|£1；：lDff 唳籍费.log%归度| 邙萄3|*瓯0 0|2 刿圈禺ATLAS OVERLAYData from multiple files-0.9-0.88-086-084-082-0.8-078-076-0.74Base Vcthage (V)0-4x1O-05-E«1 D-05；-Q.JGQ1E 3-0.0002-O.D-QOZ4-0.3-00ZB! -0.&GQ12*、 coll&ctar currem (A)PNP仿真曲线:实验结果分析:NPN型bjt的仿真曲线在第三象限呈指数下降，PNP型的bjt的仿真曲线在第 一象限呈指数增长。NPN和PNP主要就是电流方向和电压正负不同，说得“专 业”一点，就是“极性”问题。NPN 是用B-E的电流（IB）控制C-E的电流 （IC）, E极电位最低，且正常放大时通常C极电位最高，即VC > VB > VE。PNP是用E-B的电流（IB）控制E-C的电流（IC），E极电位最高，且正常放 大时通常C极电位最低，即VC < VB < VE。NPN输出是低电平0, PNP输 出的是高电平1。实验三场效应晶体管MOSFET的工作原理及特性仿真与分析一、实验目的与任务1 .实验目的：通过对MOSFET的特性仿真与分析，理解MOSFET的结构及工作原理2 .实验任务：完成N-MOSFET和P-MOSFET转移和输出特性仿真 一、实验基本原理1 . N-MOSFET工作原理：当VGS < VT (称为阈电压)时，N+型的源区与漏区之间隔着P型区，且漏 结反偏，故无漏极电流。当VGS >VT时，栅下的P型硅表面发生强反型，形成 连通源、漏区的N型沟道，在Vds作用下产生漏极电流ID。对于恒定的VDS, VGS越大，沟道中的电子就越多，沟道电阻就越小，ID就越大。N-MOSFET是通过改变VGS来控制沟道的导电性，从而控制漏极电流ID，是一 种电压控制型器件。2 . P-MOSFET工作原理。三、实验仪器设备与工具软件1 . PC机(能运行Win7或更高版本的系统)。2 . SILIVACO-TCAD 软件。四、实验内容1 . N-MOSFET转移和输出特性仿真(1 )用atlas生成一个N-MOSFET结构(2)仿真N-MOSFET转移和输出特性曲线并分析2 . P-MOSFET转移和输出特性仿真(1 )用atlas生成一个P-MOSFET结构(2)仿真P-MOSFET转移和输出特性曲线并分析五、实验步骤1 .用Atlas生成仿真器件N-MOSFET和P-MOSFET2.观察器件结构3 .仿真N-MOSFET和P-MOSFET输出和转移特性曲线并分析其工作特性六、实验报告1 .写出N-MOSFET和P-MOSFET仿真代码2.画出器件结构3 .画出仿真输出和转移特性曲线和观察结果，并进行分析说明改变溶度的变 化会导致曲线平移。4.记录实验过程中出现的问题及解决办法。P-MOSFET 代码：me：atznpe： 苴 J_n_ Ci c wmw 一 tz-ci O i mlTi.O . ma ig»OTiamt«s ovie o t- O sj =iri± n.-Qy rrq jeCicqg口旦 Mad n七 u s k uM AIL X D 口 7 rr esfX o-"0 ThD 宥 pu si K i。/ m b i_jqc3 O * -L ?kkJ- Si u X 3- Ou. nc- O -r 1. ?m. -> L f te- "2 v Ofc o- rayn>l rfcino曰 Wux CiJ-_O « s t; e- »«s-1 nn«z>D 2-exJZi J_O . wukmo-dlc： J. s ujviz n 口 xzJ-exuoq rat 日 ut n <sme =口日 匚 e> r?o-X jf J. fj i=h" if-f ez-aX Ome tlio 己 tliewt o ti.xanLwq Xn.± tzes o Lw= :.kQr日七。H J_ c-«3- oxxte £ mo is Z e wO J._J_ « J. 0-7 ms 臼 r；e：M o J_nj=* -cd_rr d_ ex <J -v h 七 p: 口 一仝蚂三 ra* !【 3 _ Q n.M_iL im三 ns » w 二，wc f mc« n l e m. O X_X 。z?fc nny-J_ d-*fc nm-M XnscO X 2L l_ag* 七 m a: _L 3C.Sl J_ _L 1QLL J_GUO S9I13-J- !NBN-MOSFET 代码：uj_ 七。 dec: ele & =M CClLLl£r=, Xcum 2nmn3nu_m= 4JK JELL口=_Ls udzs 七匚 m t s±J-S=!£l-U UIl=X “ U nidJIM±=W dLL七 ± em-gt h1 - 0 y nn±n-0 1 r 0 -rjnXn0 C13H心=B七工日11y _ ma x:口 n ame-j=j oulz: c e y T ma hO n 以己函 L n.# Dojpln. i>ror±l.es<ic>i>ln-a <dc»r>i n<3 己 dpi n.-g <S&p-l n-gumlEorm oauisf gauas ：3aussc-oncLei 6 c one = J-11 5 cdciuJ_e：2 0 c-onoLe2 0p *n t yp>& n -r tyip-ecb.a x _ 23 u m c - J-Tuno>O - J_7A廿 a 3c=O 20 xi. Eight 1 - 0K -r lef-C-3 , 0ratioO.7 E-t±oO r 7t： OTLp 1 O-t 100-9 2 E KCZ_ 3 t E 3 E t IHO-S 2 E3CQZ_ - 3 E tufioLe 1 & evt SE-n j>rJ.ntczon-iz ia c t nqjCTb=g 旦 七 myl_nt-e rTace (jr3-e id mt t h-o-d. newt c«rL ±3 c»l ve iri ts &1 ve wqm ie21 «=hj cnjL-c.rjhosHO J_l t 1 oq mm s t-e r-sc»l ve vdE a xn=-0u口=.盘 S w董 J.ms J_.=3 口 naioE = -d.r a,±nsave 0-11*££-joiz»s L e KCiJ. X s t rcon-irp 1 oe mosi 1 sji0J_J._ocr -set eiosilejioJ._l_1 o-cr» sec qij.i t mo iatias i_ixiN-MOSFET器件结构：P-MOSFET器件结构:Nmos转移特性曲线:Nmos输出特性曲线:Pmos转移特性曲线:Pmos输出特性曲线:实验分析说明：nmos输出特性曲线与pmos输出特性曲线完全相反，转移特性曲线也一样。 Nmos输出特性曲线斜率先呈指数增长，当vds>Vdsat时，斜率变化不是很明 显，Id达到饱和而不再随vds变化而变化。Nmos转移特性曲线斜率开始时增长 很平缓，当Vgs>Vt时，也就是大于开启电压=0.7V时，斜率开始增长。而pmos 输出特性曲线的斜率开始变化很平缓，当Vds>Vdsat时，变化开始呈负指数增 长，pmos转移特性曲线开始呈负指数增长，后变化很平缓。