-
半导体专业实验补充
s
ｉ
lv
ａ
c
ｏ器件仿真
———————————————
—————————————————
作者：
—————————————
———————————————————
日期
:
实验
2
PN
结二极管特性仿真
1
、实验内容
（
1)
Ｐ
N
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：Ｐ
N
结穿通二极管的结构如图
< br>1
所示，两端高掺杂
,
ｎ
-
为耐压层，低掺杂，
具体参数：器件宽度<
/p>
4
μm
，器件长度
20
μm
，耐压层厚度
1
６
μ
ｍ，
p
+
区厚度
2
μm
，
n
+
区厚度２
１
９
μ
ｍ。
掺杂浓度
:p
+
区浓度为
１
×
１０
9
c
ｍ
-3
，
n<
/p>
+
区浓度为１
×
１０
1
cm
-3
,
耐压层参考浓度为５
×
５
１
0
1
cm
-3
。
0
p
n
W
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
A
ｔ
hen
ａ
go
athen
ａ
＃器件结构网格划分
;
li
ｎ
e x
loc=
０
.0
spac
＝
0.
４
line
x
loc=
４．
0 spac= 0.4
ｌ
i
ｎｅ
ｙ
loc=0.0
ｓ
< br>p
ａ
c
＝
0.5
ｌ
ine y
loc=2
．
0
spa
ｃ
=0.1
line y
loc=1
０
spac=0.
５
ｌｉ
ne
y
ｌ
oc
＝
18
ｓ
pa
ｃ＝
0.1
line y
loc
＝
20
ｓ
pa
ｃ
=0.5
＃初始化
Si
衬底
;
i
ｎｉｔ
silic
ｏ
n
ｏ
s=5e15
orient
ａｔｉ
on=100 two.d
#
沉积铝
;
deposit al
ｕ
m t
ｈ
ick=
１．
1<
/p>
div
＝
10
#
电极设置
elec
ｔｒｏ
de
n
ａ
me<
/p>
＝ａｎ
ode x=1
e
ｌ
ectr
ｏ
d
ｅ
n
ａ
me=
ｃ
a
ｔ
ho
ｄ
e bac
ｋ
si
ｄ
e
#
输出结构图
structur
ｅ
out
ｆ
=
ｃ
tonyplot
ｃｂ
ｒ
＃启动Ａ
tlas
go
a
ｔ<
/p>
la
ｓ
#
结构描述
d
ｏ
ping
p
．ｔ
yp
ｅ
conc=1
ｅ２
0
ｘ
.mi
ｎ
=0.0
x.m
ａｘ＝
4.0 y
．
min=
０
＝２．
0
ｕ
ｎ
i
ｆ
orm
dopin
ｇ
ｎ
.ty
ｐ
e
c
ｏ
nc=1e20
x
．
min=0
．
0 x.
ｍ
a
ｘ
=4.
０
ｙ
.min=1
８
ｘ
=20.0
ｕ
nifor
ｍ
#
选择模型和参数
models
c
ｖ
t
srh print
ｍ
eth
ｏ
d
car
ｒｉｅ
rs=2
ｉ
mp
ａ
ct
selb
＃选择求解数值方法
metho
ｄ
newton
#
求解
solve init
ｌ
og
ｏ
ut
ｆ
=
s
ｏｌ
ve
vano
ｄｅ
=0.03
s
ｏｌｖ
e
vanod
ｅ
=0.1
vste
ｐ
=0
．
1 vf
ｉ
nal=5
ｎ
ame=a
ｎ
ode
#
画出
I<
/p>
Ｖ特性曲线
ｔｏ
nyplot cb02.
ｌ
o
ｇ
#
退出
ｑ
uit
图
2
为普通耐压层功率二极管的仿真结构。
正向
< br>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
,<
/p>
加反向偏压，刚开始步长小一点
,
然后逐
渐加大步长。
so
ｌｖ
e
ｖ
ano
ｄ
e=-
０．
1 vst
ｅｐ
=
－
0.1 vfinal=-5
n
ａｍ
e=anode
ｓ
olv
ｅ
vano
ｄ
e
＝－
5
．５
v
ｓ
tep
＝
-0
．５
vf
ｉ
n
ａ
l=-20
name=anode
ｓ
o
ｌ
v
ｅ
va
ｎ
ode
＝
-
２
2 v
ｓ
te
ｐ＝
-2
vf
ｉ
nal=
－
40
n
ａｍｅ
=anode
solve
van
ｏｄ
e=-45
vst
ｅ
p=-
５
ｖｆ
ina
ｌ
=
－
2
４０
na
ｍ
e=a
ｎ
ode
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
５
< br>图
5
所示
,
最大电场在结界面处
,
约为
2
．
５
×
１
0
V
?
ｃｍ
-1
，
在耐压层中线性减小到
80
０
0
０
V
?
c
ｍ
-1
。
?
图
4
普通耐压
层功率二
< br>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
,
Ｉ
d
=
Ｉ
ｆ
0
。
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
I
ｄ
以
d
i0
/
d
t
= -
Ｕｒ／
L
的速率下降。在一段时间内电流
I
d
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
ｖ
an
ｏｄ
e=1
ｌ
o
ｇ
o
ｕｔｆ
=cj2_
１
.lo
ｇ
ｓ
o
ｌ
ve
vcatho
ｄ
e=2.
０
ramptime=2
．０
e-8
ｔ
stop=
５
.
０ｅ－
7
tste
ｐ
=1
．
0e-1<
/p>
０
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
R
1
的值很小
,
电阻
R
2
的值很大，例如可设
Ｒ
1
为
1×
10
-3
?
，
R
2
为<
/p>
1×
1
０
6
?
；电感
L
1
可设为
3
ｎ
H
；电压源及电流源也分别给定一个初始定值
v
1
，
i
1
；
那么由于
R
2
远大于
< br>Ｒ
１
，则根据
K
Ｃ
L
可知
,
< br>电流
ｉ
1
主要经过
R
１
支路，
即
ｉ
1
的绝大部分电流稳定的流过二极管，
二极管正向导通，
而
Ｒ
2
支路几乎断路
,
没有电路流过。然后，
在短暂的时间内
,
使电阻
Ｒ
2
的阻值骤降。此时，
电阻器
R
２
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
×
10
6
?
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
i
1
短
路
,
这样电流
ｉ
1
几乎
全部从
R
2
支路流过
,
而二极管支路就没有
i
1
的分流，此刻电压源
v
1
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
,
Ｐ
N
结功率二极管的反向恢复时间约为
50
ｎ
s
。
图６
反向恢复特性测试原理电路图
R1
L1
+
独立电压源
V1
-
R2
二极管
-
+
< br>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３
ＰＮ结终端技术仿真
1
、实验内容
由于Ｐ
N
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
< br>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
< br>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
< br>2
０
0V
,
设计３个环
,
环的宽度依次为
6<
/p>
、
5
、
5
、
5
μm
,
间距为４、
5
、
6
μm
,
３
外延层
浓度为
1×
10
15
< br>
cm
-
,
观察表面电场。
（
2
）场板特性仿真
??
场板：氧化层厚度１
μm
,
结深１
μm
,
场板
长度分别为
0
μm
、
< br>2
μ
ｍ、４
μm
、
6
μm
、
< br>8
μm
、
10
< br>μm
，外延层浓度为
1×
10<
/p>
15
cm
-3
，观察表面电场。
?
图２
场
板
?
3
、场板的应用实例
:
场板对大功率
Ga
Ｎ
H
Ｅ
M
Ｔ击穿电压的影响
(1)
内容
（
a)G
ａ
N
HE
Ｍ
T
的工
作机理、击穿特性刻画以及对场板结构的Ｇａ
N
HEMT
击穿特性的
进行仿真分析。
（
b
）结构和参数：场板结构的
G
ａ
N HEMT
的
结构尺寸及掺杂浓度如图
3
所示。
图３
<
/p>
场板结构的大功率
G
ａ
< br>N HEM
Ｔ
?
(2)
要求
（
a)
掌握定义一个完整半导体器件结构的步骤，并能对其电性能进行仿真研究。
（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
i
ｎｔ
ernal,
定义结构参数
#
场板长度从
1u
ｍ增大到
2.25
ｕ
m
，步长为
0.
２
5
ｕ
m,
通过改变
l
取值来改变场板长度
ｓ
et l= 1.0
#
d
ｒ
ain-gate
dist
ａ
nce
set
L
ｄｇ
=5.1
#
ｆ
i
ｅ
ld
p
ｌ
a
ｔ
e<
/p>
thick
ｎ
ess
ｓ
et
t=1.773
５５
＃
AlGa
Ｎ
com
ｐ
o
ｓ
itio
ｎ
f
ｒａ
ctio
ｎ
s
ｅ
t
ｘ
c=
０．２９
5
# s
ｅ
t trap
ｌｉ
f
ｅｔ
ime
set lt
＝１
e-7
ｓ
et li
ｇ
h
ｔ
=1
ｅ
-
５
＃
m
ｅ
s
ｈ
loc
ａｔｉ
o
ｎ
s
based
ｏｎ
fi
ｅ
l
ｄ
ｐ
l
ａｔｅ
g
ｅｏ
metr
ｙ
ｓ
et
ｘｌ
=
０
.9
+ $$l
ｓ
et
x
ｄ
=0.9
+
＄
L
ｄ
g
se
ｔ
y
１
=
0.3
＋
＄
t
se
ｔ
y2
＝
＄ｙ
1 +
0
．
02
ｓ
et y3= $$y2
＋
0
．
0
４
s
ｅ
t
y4= $$y2
＋
0.18
#
启动二维器件仿真器
go
ａ
t
ｌ
as
mes
ｈ
w
ｉ
dth
＝
１０
0
０
?
#
网格结构
ｘ
.m
l=
０
.0
ｓ＝
0
．
1
x.
ｍ
l=
０
.05
s=0.0
５
x.m
l=0.
５
ｓ＝
0.05
x
．ｍ
l=0
．
9
s
＝
0.025
x.m l=(
０．
9
＋
$$xl
）
/
２
s=0.05
ｘ
.
ｍ
l=$$x
ｌ
s
＝０
.02
５
x.m
l=($$xl+
＄
x
ｄ
)/2
s=0.
２
5
ｘ
.m
ｌ＝
$$xd
－
0.0
５
s
＝
0.05
x.m
ｌ
=$$
ｘ
d
ｓ
=
０
.
０
5
#
y.m
l
＝
0.0
s
＝
0.
１
000
y.m l=
０
.3
s=
０
.1000
ｙ
.
ｍ
l
＝
$$
ｙ
1
s=0.0020
y.m
ｌ＝
$$
ｙ
2
s=0.0020
ｙ．
m
l=$$
ｙ
3
s
＝
0.0100
ｙ
.
ｍ
l=$$
ｙ
4
s=0.050
０
#
d
ｅｖ
ice
str
ｕ
c
ｔ
ure
#
Ｐ
OLA
Ｒ
.SC
Ａ
LE
is
ｃ
hose
ｎ
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ｔ
ch
< br>ｃａ
l
ｉｂｒ
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ｄ
v
ａｌ
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ｓ
#
ｏ
f 2DEG
ｃ
< br>ha
ｒ
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< br>conc
ｅ
ntr
ａ
t
ｉ
on
region
num
＝
1 m
ａ
t=
Ｓｉ
N y
．
min=
０
=$$y1
r
ｅ
gi
ｏ
n
n
ｕ
m=
２
mat=Al
Ｇ
aN
y.
ｍ
in=$$y1
y.
ｍ
ax=$$y2
donors
＝
1e
１
6
ｘ
.co
ｍ
p
＝
$$xc
ｐ
ola
ｒ
calc.
ｓ
tra
< br>ｉ
n
pol
< br>ａｒ．
sca
ｌ
e=
－０
.5
ｒｅ
g
ｉ
on
num=3
mat=G
ａ
N
ｎ
=
＄
y
2
ｙ
.
ｍａ
x=$$y4
dono
ｒｓ
=1e15
pola
ｒ
calc.s
ｔ
rai
ｎ
po
ｌ
ar.s
ｃａ
le=-0
．
5
＃
e
ｌｅ
ct name=so
ｕ
r
ｃ
e x
．
ma
ｘ
=
０
y.m
ｉ
n=$$y1 y.
ｍ
a
ｘ＝
$$y3
elec
ｔ
name=drai
ｎ
x.
ｍｉ
n
＝
6.0
ｙ
.min=
＄<
/p>
y1
ｙ
.max
＝
$$y3
ｅｌ
ect na
ｍ
e=
ｇａｔ
e
x.m
ｉ
n=0.5
＝
0.9 y.m
ｉｎ
=0.
３
y.
ｍ
a
ｘ
=$$y1
ｅｌｅ
c
ｔ
name
＝
g
ａｔ
e
ｘ
.mi
ｎ＝０
.5
x.m
ａ
x=$$xl
y
．ｍ
in=0.3 y.
ｍ
ax=
０
.3
＃
ｄｏ
pin
ｇ
gaussian
char
ａ
cter
ｉ
st
ｉ
c=
０
.01<
/p>
con
ｃ
=1
e
１
8
ｎ
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ｙｐ
e
ｔ＝
0.
０<
/p>
x.
ｒｉ
gh
ｔ＝
0.05 y
．
ｔｏ
p
＝＄
y
１
ｏ
m=$$y3
ｒａ
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ｌ
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ral=0
．
01
d
ｉ
re
ｃ
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gaussian
characte
r
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stic=0.01
conc=1e1
８
ｐｅ
x
．
le
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０
5
＼
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y.
ｔｏ
p=$$y1
y
．
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ｔｏ
m
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l
＝
0.
０
1
ｄ
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ｙ
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＃
< br>##
＃
#######
＃
###
＃
#############
＃
##
＃
＃
＃
#
＃
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＃
#####
＃
#
＃
＃
#######
＃
#
＃
#
＃
KM param
ｅ
te
ｒ
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＃
#####
＃
#
＃
##########
＃
##########
＃
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＃
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##
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#
＃＃
#
＃
######
＃
#####
ｍ
ater
ｉ
al mat
ｅ
r
ｉ
ａ
l=GaN
ｅ
g300=
３
.
４
a
ｌｉ
gn=0.8
per
ｍ
itt=
９
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＼
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mun=
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00
ｍ
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＝
10
ｖｓ
atn=2e
７
< br>
nc300=1
．
07e18
ｎ
v
３０
0=
1.16e19
ｒ
e
ａ
l
．
i
ｎ
dex
＝２
.
６
7 imag.
ｉ
nde
x=
０．
001
?
taun0
＝
$$lt taup0=$$lt
ma
ｔ
erial
<
/p>
m
ａｔ
erial
＝Ａ
lG
ａ
N
affi
ｎｉ
ty=3.8
２
e
ｇ
300=3.
９
6 align
< br>＝
0.
８
pe
ｒｍ
it
ｔ
< br>=
９．
5
?
m
ｕｎ
=600
mup=
１
0 nc300=2.07
ｅ
1
８
nv300=1.16e19
＼
rea
l
．
inde
ｘ
=
２
.5
ｉ
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人为引进光照以利于实现阻断状态下仿真收敛，这是仿真研
究击穿的常用手段
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人为引进光照以利于实现阻断状态下仿真收敛
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