半导体专业实验补充silvaco器件仿真.docx

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半导体专业实验补充silvaco器件仿真

实验2PN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4叩，器件长度20卩m耐压层厚度16卩mp+区厚度2艸，n+区厚度2叩。

掺杂浓度：

卩+区浓度为1xi019cm-3,门+区浓度为1&019術-3，耐压层参考浓度为5X1015cm-3。

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

goathena

#器件结构网格划分；

linexloc=0.0spac=0.4

linexloc=4.0spac=0.4

lineyloc=0.0spac=0.5

lineyloc=2.0spac=0.1

lineyloc=10spac=0.5

lineyloc=18spac=0.1

lineyloc=20spac=0.5

#初始化Si衬底；

initsiliconc.phos=5e15orientation=100two.d

#沉积铝；

depositalumthick=1.1div=10

#电极设置

electrodename=anodex=1

electrodename=cathodebackside

#输出结构图

structureoutf=cb0.str

tonyplotcb0.str

#启动Atlas

goatlas

#结构描述

dopingp.typeconc=1e20x.min=0.0x.max=4.0y.min=0y.max=2.0uniform

dopingn.typeconc=1e20x.min=0.0x.max=4.0y.min=18y.max=20.0uniform

#选择模型和参数

modelscvtsrhprint

methodcarriers=2

impactselb

#选择求解数值方法

methodnewton

#求解

solveinit

logoutf=cb02.log

solvevanode=0.03

solvevanode=0.1vstep=0.1vfinal=5name=anode

#画出IV特性曲线

tonyplotcb02.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。

1E9

图2普通耐压层功率二极管的仿真结构

ATLAS

tnIrmce|：

«i£I'Ih]

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。

solvevanode=-0.1vstep=-0.1vfinal=-5name=anode

solvevanode=-5.5vstep=-0.5vfinal=-20name=anode

solvevanode=-22vstep=-2vfinal=-40name=anode

solvevanode=-45vstep=-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©m-1,在耐压层中线性减小到80000V?

cm-1。

A71AS

图4普通耐压层功率二极管的反向I-V特性曲线

j一昱：

•MS

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，ld=Ifo。

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dio/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。

solvevanode=1

logoutf=cj2_1.log

solvevcathode=2.0ramptime=2.0e-8tstop=5.0e-7tstep=1.Oe-1O

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1X10込1,巳为1X10^1；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^主要经过R1支路，即h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1X106。

下降到1X10-3。

。

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h短路，这样电流h几乎全部从R2支路

流过，而二极管支路就没有h的分流，此刻电压源w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。

独立电压源V1

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3PN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。

阳极

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，设计3个环，环的宽度依次为6、5、5、5^m,间距为4、5、

6艸，外延层浓度为1xio15cm-3，观察表面电场。

（2）场板特性仿真

场板：

氧化层厚度1（im,结深1^m,场板长度分别为0（im>2（im>4^m>6^m>8叩、10^m,外延层浓度为1X1015cm-3，观察表面电场。

Insulator已

1xiolfi/cm30.04pm

0.5

7\w-

3、场板的应用实例：

场板对大功率GaNHEMT击穿电压的影响

（1）内容

（a）GaNHEMT的工作机理、击穿特性刻画以及对场板结构的GaNHEMT击穿特性的进行仿真分析。

（b）结构和参数：

场板结构的GaNHEMT的结构尺寸及掺杂浓度如图3所示。

n-AiGaN1x105fl7cm30.02um

0.05Lim

n^GaN1x1015/cms0J8

图3场板结构的大功率GaNHEMT

（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internal，定义结构参数

#场板长度从1um增大到2.25um，步长为0.25um,通过改变I取值来改变场板长度setl=1.0

#drain-gatedistance

setLdg=5.1

#fieIdpIatethickness

sett=1.77355

#AIGaNcompositionfraction

setxc=0.295

#settrapIifetime

setIt=1e-7

setIight=1e-5

#meshIocationsbasedonfieIdpIategeometry

setxI=0.9+$I

setxd=0.9+$Ldg

sety1=0.3+$t

sety2=$y1+0.02

sety3=$y2+0.04

sety4=$y2+0.18

#启动二维器件仿真器

goatIas

meshwidth=1000

#网格结构

x.mI=0.0s=0.1

x.mI=0.05s=0.05

x.mI=0.5s=0.05

x.mI=0.9s=0.025

x.mI=（0.9+$xI）/2s=0.05

x.mI=$xI

s=0.025

x.mI=（$xI+$xd）/2s=0.25

x.mI=$xd-0.05s=0.05

x.mI=$xd

s=0.05

y.mI=0.0

s=0.1000

y.mI=0.3

s=0.1000

y.mI=$y1

s=0.0020

y.ml=$y2s=0.0020

y.ml=$y3s=0.0100

y.ml=$y4s=0.0500

#devicestructure

#POLAR.SCALEischosentomatchcalibratedvalues

#of2DEGchargeconcentration

regionnum=1mat=SiNy.min=0y.max=$y1

regionnum=2mat=AlGaNy.min=$y1y.max=$y2donors=1e16p=$xcpolar

calc.strainpolar.scale=-0.5

regionnum=3mat=GaNy.min=$y2y.max=$y4donors=1e15polarcalc.strainpolar.scale=-0.5

electname=sourcex.max=0y.min=$y1y.max=$y3

electname=drainx.min=6.0y.min=$y1y.max=$y3

electname=gatex.min=0.5x.max=0.9y.min=0.3y.max=$y1

electname=gatex.min=0.5x.max=$xly.min=0.3y.max=0.3

dopinggaussiancharacteristic=0.01conc=1e18n.typex.left=0.0\

x.right=0.05y.top=$y1y.bottom=$y3ratio.lateral=0.01direction=y

dopinggaussiancharacteristic=0.01conc=1e18n.typex.left=$xd-0.05\

x.right=$xdy.top=$y1y.bottom=$y3ratio.lateral=0.01direction=y

IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII

aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

#KMparameterset

aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

materialmaterial=GaNeg300=3.4align=0.8permitt=9.5\

mun=900mup=10vsatn=2e7nc300=1.07e18nv300=1.16e19\real.index=2.67imag.index=0.001\taun0=$lttaup0=$lt

materialmaterial=AlGaNaffinity=3.82eg300=3.96align=0.8permitt=9.5\

mun=600mup=10nc300=2.07e18nv300=1.16e19\real.index=2.5imag.index=0.001\taun0=$lttaup0=$lt

aaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaa

modelprintfermifldmobsrh

impactmaterial=GaNselban1=2.9e8an2=2.9e8bn1=3.4e7bn2=3.4e7\ap1=2.9e8ap2=2.9e8bp1=3.4e7bp2=3.4e7

contactname=gatework=5.23

#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

beamnumber=1x.o=0y.o=$y4+0.1angle=270wavelength=0.3

outputcon.bandval.bandband.paramchargee.mobh.mobflowlinesqss

#IdVg特性求解

solve

logoutf=ganfetex02_0.log

solvevdrain=0.05

solvevstep=-0.2vfinal=-2name=gate

solvevstep=-0.1vfinal=-4name=gate

logoff

saveoutfile=ganfetex02_0.str

extractinitinfile="ganfetex02_0.log"

extractname="Vpinchoff"xintercept（maxslope（curve（v."gate",i."drain"）））

#IdVd击穿曲线

methodautonrgcarr.itlimit=10clim.dd=1e3clim.eb=1e3nblockit=25solveinit

#turnonopticalsourcetohelpinitiatebreakdown

##人为引进光照以利于实现阻断状态下仿真收敛

solveb1=$lightindex.check

solvensteps=10vfinal=$Vpinchoffname=gateb1=$light

logoutf=ganfetex02_$'index'.log

solvevstep=0.1vfinal=1name=drainb1=$light

solvevstep=1vfinal=10name=drainb1=$light

solvevstep=2vfinal=20name=drainb1=$light

solvevstep=5vfinal=1200name=drainb1=$lightcname=draincompl=0.5

#changetocurrentcontacttoresolvebreakdowncontactname=draincurrent

solve

solveimultistep=1.1ifinal=1name=drain

saveoutfile=ganfetex02_$'index'.str

extractinitinfile="ganfetex02_1$'index'.log"

extractname="a"slope（maxslope（curve（i."drain",v."drain"）））extractname="b"xintercept（maxslope（curve（i."drain",v."drain"）））extractname="Vdmax"max（curve（i."drain",v."drain"））

extractname="Idmax"x.valfromcurve（i."drain",v."drain"）wherey.val=$Vdmaxextractname="Vd1"$Vdmax-20

extractname="Id1"y.valfromcurve（v."drain",i."drain"）wherex.val=$Vd1extractname="c"gradfromcurve（v."drain",i."drain"）wherex.val=$Vdmaxextractname="d"$Idmax-$c*$Vdmax

extractname="Vbr"（$b-$d）/（$c-（1/$a））extractname="Is"$b+$Vbr/$a

tonyplotganfetex02_1.strganfetex02_2.strganfetex02_3.strganfetex02_4.strganfetex02_5.strganfetex02_6.str-setganfetex02_1.set

tonyplot-overlayganfetex02_1.logganfetex02_2.logganfetex02_3.logganfetex02_4.logganfetex02_5.logganfetex02_6.log-setganfetex02_0.set

quit

图4-9为不同场板长度下半导体层中碰撞离化率的分布图。

正向I-V特性曲线如图5所示,

导通电压接近0.8V。

GaNHEMTBreakdowiSimu^tion

FieldPlaleLangth-10micron

345&

图4场板长度L=1um的沟道中电子碰撞产生率模拟分布

GaNHEMTBreakdowiSimu^tion

FrfildPlHIeLength-1.25miciun

cii234sB

U»cn?

fis

0.4

1.£

GaNHEMTBreakaowiSimulation

FwldPlaleLength-1.Smicron

2.E-

i»S>

IT2

Micrans

图6场板长度L=1・5um的沟道中电子碰撞产生率模拟分布

GaNHEMTBreakdowiSimu^tion

FieldPlHIeL-angth-1.75miciun

3Bpr-taEazzIBIIT_■=

.€

Microns

GaNHEMTBreakdowiSimu^tion

FwldPlaleLrnigth-2.0micron

Microns

i1™!

：

肿q

2E-

IT2

图8场板长度L=2um的沟道中电子碰撞产生率模拟分布

GaNHEMTBreakdowiSimu^tion

FieldPlHIeL-angth-2.2^miciun

Microns

龙Bpr-isazllGilT

__=

图10-12是半导体中电场强度分布随场板长度的变化。

5000000

4000000

3000000

2000000

1000000-

3456

L（um）

图10不同场板长度的沟道中总电场分布

-1000000「

-2000000一

-3000000

-4000000

-5000000]r1y

012

3456

L（um）

图12不同场板长度的沟道中Y电场分布

图13是Id-Vd击穿曲线，可以清楚看到击穿电压从l=1um时的300V左右增大了l=2.25um

时的800V以上。

GaNFETBreakdown

VarioLPEF»eldPlaleLengths

L*1mcnm

L-125rrtcw

L»1.5rrttw

L-Z2

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