實(shí)驗(yàn)報(bào)告2(三極管器件仿真

1、學(xué)生實(shí)驗(yàn)報(bào)告院別課程名稱器件仿真與工藝綜合設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)班級(jí)實(shí)驗(yàn)二三極管器件仿真姓名實(shí)驗(yàn)時(shí)間學(xué)號(hào)指導(dǎo)教師成績(jī)批改時(shí)間報(bào) 告 內(nèi) 容一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)1、 掌握 BJT 基本結(jié)構(gòu)原理，BJT 輸出特性、輸入特性； 2、 掌握 Silvaco TCAD 器件仿真器仿真設(shè)計(jì)流程及器件仿真器 Atlas 語(yǔ)法規(guī)則； 3、 分析 BJT 結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)器件主要電學(xué)特性的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理1.BJT 的結(jié)構(gòu)及其原理雙極型晶體管是由兩個(gè)方向相反的 PN 結(jié)構(gòu)成的三端器件，主要有兩種基本結(jié)構(gòu)：PNP 型晶體管和 NPN 型晶體管。NPN 型晶體管的結(jié)構(gòu)如圖 1 所示。圖中，位于中間的 P 區(qū)為基區(qū)，基區(qū)很薄，摻雜濃

2、度很低；位于上層的 N 區(qū)是發(fā)射區(qū)，結(jié)面積小，摻雜濃度很高；位于下層的 N 區(qū)是集電區(qū)，結(jié)面積大；雖然發(fā)射區(qū)和集電區(qū)是同種類型的半導(dǎo)體，但是兩個(gè)區(qū)的摻雜濃度明顯不同，發(fā)射區(qū)的摻雜濃度遠(yuǎn)高于集電區(qū)，而集電區(qū)的面積則遠(yuǎn)大于發(fā)射區(qū)。PNP 型晶體管的結(jié)構(gòu)與 NPN 型相似。其中間層為 N 區(qū)，上下兩層分別為集電區(qū)和發(fā)射區(qū)；三個(gè)區(qū)的引出線依次是基極、集電極和發(fā)射極。晶體管不是兩個(gè) PN 結(jié)的簡(jiǎn)單結(jié)合，而是兩個(gè) PN 結(jié)共用一個(gè)極薄的 P 區(qū)（指NPN 型晶體管）或 N 區(qū)（指 PNP 型晶體管）作為基區(qū)，通過基區(qū)把兩個(gè) PN 結(jié)有機(jī)的結(jié)合成統(tǒng)一的整體。彼此間存在著相互聯(lián)系和相互影響，是晶體管具有完全不

3、同于兩個(gè)單獨(dú) PN 結(jié)的特性。2. BJT 的輸出特性共發(fā)射極輸出特性曲線描述是基極電流 為一常量時(shí)，集電極電流 與管壓降 之間的函數(shù)關(guān)系在飽和區(qū)內(nèi)，發(fā)射結(jié)和集電結(jié)均處于正向偏置。 主要隨 增大而增大，對(duì) 的影響不明顯，即當(dāng) 增大時(shí)， 隨之增大，但 增大不大。在飽和區(qū)，和 之間不再滿足電流傳輸方程，即不能用放大區(qū)中的 來描述 和 的關(guān)系，三極管失去放大作用。在放大區(qū)內(nèi)，發(fā)射結(jié)正向偏置，集電結(jié)反向偏置，各輸出特性曲線近似為水平的直線，表示當(dāng) 一定時(shí)， 的值基本上不隨 而變化。此時(shí)表現(xiàn)出 對(duì) 的控制作用， 。三極管在放大電路中主要工作在這個(gè)區(qū)域中。一般將 的區(qū)域稱為截止區(qū)，由圖可知， 也近似為零。

4、在截止區(qū)，三極管的發(fā)射結(jié)和集電結(jié)都處于反向偏置狀態(tài)。3. BJT 的輸入特性當(dāng)晶體管的集電極與發(fā)射極之間的電壓 VCE 為某一固定值時(shí)，基極電壓 VBE與基極電流 IB 間的關(guān)系曲線稱為雙極型晶體管的特性曲線如果將 VCE 固定在不同電壓值條件下然后在調(diào)節(jié) UBE 的同時(shí)測(cè)量不同 IB 值對(duì)應(yīng)的 UBE 值，便可繪出晶體管的輸入特性曲線當(dāng) U ce =0V 時(shí)，發(fā)射極與集電極短路，發(fā)射結(jié)與集電結(jié)均正偏，實(shí)際上是兩 個(gè)二極管并聯(lián)的正向特性曲線。當(dāng) ， 時(shí)，集電結(jié)已進(jìn) 入反偏狀態(tài)，開始收集載流子，且基區(qū)復(fù)合減少，特性曲線將向右稍微移動(dòng)一些， I C /IB 增大。但 U ce 再增加時(shí)，曲線右移很

5、不明顯。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.設(shè)計(jì)目標(biāo)參數(shù)： 尺寸:N 型襯底（2um1um）； 結(jié)構(gòu):集電區(qū)(2um1um ，gauss 分布，峰值 1e18，峰值在 1um 處)； 基區(qū)（集電結(jié)結(jié)深 0.15um，gauss 分布，峰值濃度 1e18，峰值在 0.05um 處）； 發(fā)射區(qū)（發(fā)射結(jié)結(jié)深 0.05 um，gauss 分布，峰值濃度 5e19，峰值在 0um 處）。 2.根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)畫出器件結(jié)構(gòu)圖； 3.學(xué)習(xí) Atlas 器件仿真語(yǔ)法規(guī)則，并設(shè)計(jì)器件； (1) 語(yǔ)句 1 仿真器調(diào)用命令語(yǔ)句 go。 調(diào)用 atlas 器件仿真器需要用到 go 語(yǔ)句： go atlas (2) 設(shè)置網(wǎng)格（mesh），建立

6、了一個(gè)含有網(wǎng)格信息的 2 微米1 微米大小的區(qū) 域。 mesh x.m l=0 spacing=0.15 x.m l=0.8 spacing=0.15 x.m l=1.0 spacing=0.03 x.m l=1.5 spacing=0.12 x.m l=2.0 spacing=0.15 y.m l=0.0 spacing=0.006 y.m l=0.04 spacing=0.006 y.m l=0.06 spacing=0.005 y.m l=0.15 spacing=0.02 y.m l=0.30 spacing=0.02 y.m l=1.0 spacing=0.12 (3) 區(qū)域定義語(yǔ)句

7、 (region)，定義材料的位置。 region num=1 silicon (4) 電極定義語(yǔ)句(electrode)，定義三極管的接觸電極。 electrode num=1 name=emitter left length=0.8 electrode num=2 name=base right length=0.5 y.max=0 electrode num=3 name=collector bottom (5) 摻雜定義語(yǔ)句(Doping)，是用來定義器件結(jié)構(gòu)中的摻雜分布。 doping reg=1 uniform n.type conc=5e15 doping reg=1 gauss

8、 n.type conc=1e18 peak=1.0 char=0.2 doping reg=1 gauss p.type conc=1e18 peak=0.05 junct=0.15 doping reg=1 gauss n.type conc=5e19 peak=0.0 junct=0.05 x.right=0.8 (6) 輸出結(jié)構(gòu)結(jié)果保存語(yǔ)句(save)。 save outf=bjtex04_0.str (7) 輸出文件繪制語(yǔ)句(tonyplot)。tonyplot bjtex04_0.str 4.根據(jù) Atlas 器件仿真語(yǔ)法規(guī)則獲取器件特性 (1) 模型選擇語(yǔ)句(models，imp

9、act)。 models conmob fldmob consrh auger print (2) 接觸設(shè)置語(yǔ)句(contact)。 contact name=emitter n.poly surf.rec (3) 命令執(zhí)行語(yǔ)句（solve），solve是命令atlas在一個(gè)或多個(gè)偏壓點(diǎn)（bias point） 進(jìn)行求解的語(yǔ)句。 solve init (4)數(shù)值方法選擇語(yǔ)句（method），用來設(shè)置求解方程或參數(shù)的數(shù)值方法 method newton autonr trap 。 (5)運(yùn)行數(shù)據(jù)結(jié)果保存語(yǔ)句（log） ，輸出結(jié)構(gòu)結(jié)果保存語(yǔ)句 log 是用來將程 序運(yùn)行后所計(jì)算的所有結(jié)果數(shù)據(jù)保存到

10、一個(gè)以 log為擴(kuò)展名結(jié)尾的文件中的 一個(gè)語(yǔ)句。從 solve 語(yǔ)句中運(yùn)算后所得到的結(jié)果都會(huì)保存在其中。 log outf= bjtex04_0.log (6)solve 語(yǔ)句,以一定的方式給 BJT 外加偏壓。 solve vcollector=0.025 solve vcollector=0.1 solve vcollector=0.25 vstep=0.25 vfinal=2 name=collector solve vbase=0.025 solve vbase=0.1 solve vbase=0.2 solve vbase=0.3 vstep=0.05 vfinal=1 name=b

11、ase (7)輸出文件繪制語(yǔ)句(tonyplot)。 tonyplot bjtex04_0.log (8)參數(shù)提取語(yǔ)句（extract）,根據(jù) log 文件獲得器件電學(xué)參數(shù)。 extract name=peak collector current max(curve(abs(v.base),abs(i.collecto r) extract name=peak gain max(i.collector/ i.base) 5.改變器件結(jié)構(gòu)參數(shù)（BJT 各區(qū)摻雜濃度BJT 各區(qū)雜質(zhì)分布BJT 各區(qū)雜質(zhì)類 型等），分析結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)器件結(jié)構(gòu)及電學(xué)參數(shù)影響。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果（一）器件設(shè)計(jì)1、器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如

12、圖所示，定義npn晶體管的網(wǎng)絡(luò)信息x為2.0，y為1.0，該區(qū)域塊摻雜n型材料濃度為5e15，設(shè)置為均勻分布；n型材料濃度為1e18，設(shè)置為高斯分布，峰值為1.0；p型材料濃度為1e18，設(shè)置為高斯分布，峰值為0.05，結(jié)深為0.15；n型材料濃度為5e19，設(shè)置為高斯分布，峰值為0，結(jié)深為0.05，在x的右邊區(qū)域0.8處；p型材料濃度為5e19，設(shè)置為高斯分布，峰值為0，在x的左邊區(qū)域0.8處，從而形成了該結(jié)構(gòu)，包括N+區(qū)域，P+區(qū)域，P區(qū)域，N-區(qū)域，N區(qū)域圖一 器件結(jié)構(gòu)2、網(wǎng)格調(diào)用及設(shè)計(jì)#調(diào)用atlas器件仿真器go atlas#網(wǎng)絡(luò)mesh初始化Mesh#定義x方向網(wǎng)格信息x.m l=

13、0 spacing=0.15x.m l=0.8 spacing=0.15x.m l=1.0 spacing=0.03x.m l=1.5 spacing=0.12x.m l=2.0 spacing=0.15#定義y方向網(wǎng)格信息y.m l=0.0 spacing=0.006y.m l=0.04 spacing=0.006y.m l=0.06 spacing=0.005y.m l=0.15 spacing=0.02y.m l=0.30 spacing=0.02y.m l=1.0 spacing=0.12#定義區(qū)域信息region num=1 silicon#定義電極信息electrode num=1

14、 name=emitter left length=0.8electrode num=2 name=base right length=0.5 y.max=0electrode num=3 name=collector bottom#該區(qū)域塊摻雜n型材料濃度為5e15，設(shè)置為均勻分布doping reg=1 uniform n.type conc=5e15# n型材料濃度為1e18，設(shè)置為高斯分布，峰值為1.0doping reg=1 gauss n.type conc=1e18 peak=1.0 char=0.2# p型材料濃度為1e18，設(shè)置為高斯分布，峰值為0.05，結(jié)深為0.15dop

15、ing reg=1 gauss p.type conc=1e18 peak=0.05 junct=0.15# n型材料濃度為5e19，設(shè)置為高斯分布，峰值為0，結(jié)深為0.05，在x的右邊區(qū)域0.8處doping reg=1 gauss n.type conc=5e19 peak=0.0 junct=0.05 x.right=0.8# p型材料濃度為5e19，設(shè)置為高斯分布，峰值為0，在x的左邊區(qū)域0.8處doping reg=1 gauss p.type conc=5e19 peak=0.0 char=0.08 x.left=1.5#set bipolar models#設(shè)置BJT仿真所需要用

16、到的物理模型models conmob fldmob consrh auger print#設(shè)置接觸類型contact name=emitter n.poly surf.rec#求解初始化solve init#保存結(jié)構(gòu)信息文件save outf=bjtex04_0.str#用tonyplot繪圖示意結(jié)構(gòu)文件tonyplot bjtex04_0.str -set bjtex04_0.set（2） 對(duì)比分析 表 3-1發(fā)射區(qū)摻雜濃度不變，改變基區(qū)摻雜濃度濃度（cm-3）器件結(jié)構(gòu)與雜質(zhì)分布圖輸出曲線1e161e171e181e19表3-2在不同基區(qū)摻雜濃度下的參數(shù)濃度（cm）最大集電極電流(mA)電

17、流放大系數(shù)1e161.18576237.1521e171.13197226.3951e180.133.8191e190.11.5971實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由表可知，在發(fā)射區(qū)摻雜濃度不變，改變基區(qū)摻雜濃度下，當(dāng)基區(qū)摻雜濃度逐漸增大，最大集電極電流逐漸減小，電流放大系數(shù)減小。表3-3基區(qū)摻雜濃度、基區(qū)寬度不變，改變發(fā)射區(qū)摻雜濃度濃度（cm-3）器件結(jié)構(gòu)與雜質(zhì)分布圖輸出曲線5e185e195e205e21表3-4在不同發(fā)射區(qū)摻雜濃度下的參數(shù)濃度（cm）最大集電極電流(mA)電流放大系數(shù)5e180.65.34565e190.133.8195e200.292.6135e210.402.678實(shí)驗(yàn)結(jié)論：由表可知，在基區(qū)摻雜濃度、基區(qū)寬度不變