完整版,半导体专业试验补充silvaco器件仿真

实验实验 2 2PNPN 结二极管特性仿真结二极管特性仿真 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11019cm-3，n区浓度为11019cm-3，耐压层参考浓度为51015 cm-3。 0W pn-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）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 go athena 器件结构网格划分； line x loc0.0 spac 0.4 line x loc4.0 spac 0.4 line y loc0.0 spac0.5 line y loc2.0 spac0.1 line y loc10 spac0.5 line y loc18 spac0.1 line y loc20 spac0.5 初始化 Si 衬底； init silicon c.phos5e15 orientation100 two.d 沉积铝； deposit alum thick1.1 div10 电极设置 electrodenameanode x1 electrode namecathode backside 输出结构图 structure outfcb0.str tonyplot cb0.str 启动 Atlas go atlas 结构描述 doping p.type conc1e20 x.min0.0 x.max4.0 y.min0y.max2.0 uni doping n.type conc1e20 x.min0.0 x.max4.0 y.min18y.max20.0 uni 选择模型和参数 models cvtsrh print carriers2 impact selb 选择求解数值方法 newton 求解 solve init log outfcb02.log solve vanode0.03 solve vanode0.1 vstep0.1 vfinal5 nameanode 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结构。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。 solve vanode-0.1 vstep-0.1 vfinal-5 nameanode solve vanode-5.5 vstep-0.5 vfinal-20 nameanode solve vanode-22 vstep-2vfinal-40 nameanode solve vanode-45 vstep-5vfinal-240nameanode 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2.5105Vcm-1，在耐压层中线性减小到80000 Vcm-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。 solve vanode1 log outfcj2_1.log solve vcathode2.0ramptime2.0e-8tstop5.0e-7tstep1.0e-10 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110-3， R2为1106； 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1106下降到110-3。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 R1L1 独立电压源 V1 - R2 二极管 - 独立电流源 i1 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 实验实验 3 3PNPN 结终端技术仿真结终端技术仿真 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