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1×1019cm-3，n+区浓度为1×1019cm-3，耐压层参考浓度为5×1015 cm-3。 0W p+n-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 loc=0.0 spac= 0.4 line x 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 electrodename=anode x=1 electrode name=cathode backside #输出结构图 structure outf=cb0.str tonyplot cb0.str #启动 Atlas go atlas #结构描述 doping p.type conc=1e20 x.min=0.0 x.max=4.0 y.min=0y.max=2.0 uni doping n.type conc=1e20 x.min=0.0 x.max=4.0 y.min=18y.max=20.0 uni #选择模型和参数 models cvtsrh print carriers=2 impact selb #选择求解数值方法 newton #求解 solve init log outf=cb02.log solve vanode=0.03 solve 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 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=-5vfinal=-240name=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= 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 vanode=1 log outf=cj2_1.log solve vcathode=2.0ramptime=2.0e-8tstop=5.0e-7tstep=1.0e-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；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