半导体器件和工艺模拟：使用Silvaco设计构建PNP与NPN型BJT双极晶体管并分析特性
时间：2022-11-04 02:00:00
半导体器件和工艺模拟
使用Silvaco设计构建PNP与NPN型BJT分析双极晶体管的特性
**第一步：**使用SILVACO一个软件设计PNP管道，相应的工艺模拟和设备模拟，需要输出Gummel曲线及IC——VCE对晶体管性能的影响进行观察和分析。
一、使用工艺软件ATHENA制作的PNP基本结构：
二、PNP型三极管Gummel曲线：
三、PNP型三极管共射极输出特性曲线：
四、特点分析：
由图可知，PNP三极管基极导电压Vbe约为-0.1V。三极管在放大状态下工作Vbe约为-0.1V到-0.5V之间。同时，从输出特性曲线可以看出，当管道饱和时，饱和管压降较小，Vces 约为-0.6V。它与NPN 与型硅三极管相比，不仅电压、电流方向不同，而且导通电压值较小。利用这些特容易区分这些特性PNP型三极管。
五、实验程序及详细说明:
go athena #定义网格 line x loc=0.0 spacing=0.03 line x loc=0.2 spacing=0.02 line x loc=0.24 spacing=0.01 line x loc=0.3 spacing=0.015 line x loc=0.8 spacing=0.15 line y loc=0.0 spacing=0.01 line y loc=0.1 spacing=0.01 line y loc=0.4 spacing=0.02 line y loc=0.5 spacing=0.06 line y loc=1.0 spacing=0.15 #衬底掺硼，浓度为2e16 init c.boron=2e16 # 磷离子注入基区 implant phos energy=100 dose=8e13 # 基区退火 diffuse time=5 temp=900 # 多晶硅栅的积累厚度为0.3，设置10个网格 deposit poly thick=0.3 divisions=6 min.space=0.05 # 多晶掺杂 杂质为bf2 使用剂量为3e15 能量35kev implant bf2 dose=3e15 energy=35 # 从x=0.2um右侧多晶硅被刻蚀 etch poly right p1.x=0.2 # 放宽网格 relax y.min=.5 relax x.min=0.4 # 发射区退火 method compress fermi diffuse time=45 temp=900 nitrogen # 注入发射区离子 implant phos dose=2e14 energy=70 # 沉积氧化层 deposit oxide thick=0.3 divisions=10 min.space=0.1 # 刻蚀氧化层 etch oxide dry thick=0.3 # N离子混合后，接触区退火 implant arsenic dose=1e15 energy=50 diffuse time=30 temp=900 nitrogen # 铝在接触区域积累后反刻 deposit alum thick=0.05 div=2 etch alum start x=0.16 y=-4 etch continue x=0.16 y=0.2 etch continue x=0.6 y=0.2 etch done x=0.6 y=-4 # 命名电极 electrode x=0.0 name=emitter electrode x=0.7 name=base electrode backside name=collector # 提取结深 extract name="EB_xj" xj material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=1 extract name="BC_xj" xj material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.1 junc.occno=2 extract name="base_width" $BC_xj - $EB_xj #提取一维电气参数 extract name="base_rho" n.sheet.res material="Silicon" mat.occno=1 x.val=0.1 region.occno=2 extract name="poly_emitter_rho" p.sheet.res material="Polysilicon" mat.occno=1 x.val=0.1 region.occno=1 semi.poly #保存最终结构LiTianhao-PNPBJT.str中 structure outfile=LiTianhao-PNPBJT.str tonyplot LiTianhao-PNPBJT.str 接下来，模拟器件特性 #Gummel Plot 测试 go atlas # 设置材料和模型参数 material material=Polysilicon taun0=1e-9 taup0=1e-9 mun=40 mup=2 material material=Silicon taun0=5e-6 taup0=5e-6 models models material=Silicon bipolar print models material=Polysilicon srh #提供零偏压下潜能和载流子浓度的初始值 solve init method newton autonr trap solve prev #设置集电极电压，基极电压从-0.1到-0.4变化，-0.1步进 solve vcollector=-2 solve vbase=-0.1 vstep=-0.1 vfinal=-0.4 name=base log outf=LiTianhao-PNPBJT_0.log solve vbase=-0.4 vstep=-0.05 vfinal=-1.0 name=base ac freq=1e6 aname=base # 提取各种参数 extract name="peak collector current" max(abs(i."collector")) extract name="peak gain" max(i."collector"/ i."base") extract name="max fT" max(g."collector""base"/(2*3.1415*c."base""base")) tonyplot LiTianhao-PNPBJT_0.log # IC/VCE (输出特性曲线)测试 go atlas material material=Polysilicon taun0=1e-9 taup0=1e-9 mun=40 mup=2 material material=Silicon taun0=5e-6 taup0=5e-6 models models material=Silicon bipolar print models material=Polysilicon srh solve init solve vbase=-0.025 solve vbase=-0.05 solve vbase=-0.1 vstep=-0.1 vfinal=-0.7 name=base # 设置边界条件 contact name=base current # 保存基极偏置电流的恒定初始值 solve ibase=-1.e-6 outf=LiTianhao-PNPBJT_1.str master solve ibase=-2.e-6 outf=LiTianhao-PNPBJT_2.str master solve ibase=-3.e-6 outf=LiTianhao-PNPBJT_3.str master solve ibase=-4.e-6 outf=LiTianhao-PNPBJT_4.str master solve ibase=-5.e-6 outf=LiTianhao-PNPBJT_5.str master # 加载到每个初始基极电流文件和步进 VCE load inf=LiTianhao-PNPBJT_1.str master log outf=LiTianhao-PNPBJT_1.log solve vcollector=0.0 vstep=-0.25 vfinal=-5.0 name=collector load inf=LiTianhao-PNPBJT_2.str master log outf=LiTianhao-PNPBJT_2.log solve vcollector=0.0 vstep=-0.25 vfinal=-5.0 name=collector load inf=LiTianhao-PNPBJT_3.str master log outf=LiTianhao-PNPBJT_3.log solve vcollector=0.0 vstep=-0.25 vfinal=-5.0 name=collector load inf=LiTianhao-PNPBJT_4.str master log outf=LiTianhao-PNPBJT_4.log solve vcollector=0.0 vstep=-0.25 vfinal=-5.0 ame=collector
load inf=LiTianhao-PNPBJT_5.str master
log outf=LiTianhao-PNPBJT_5.log
solve vcollector=0.0 vstep=-0.25 vfinal=-5.0 name=collector
# 提取峰值电流和β值
extract name="pnp_max_ic_mA" max(abs(i."collector"))*1.0e+3
extract name="pnp_lin_slope" slope(maxslope(curve(v."collector",i."collector")))
extract name="pnp_sat_slope" slope(minslope(curve(v."collector",i."collector")))
tonyplot -overlay LiTianhao-PNPBJT_5.log LiTianhao-PNPBJT_4.log LiTianhao-PNPBJT_3.log LiTianhao-PNPBJT_2.log LiTianhao-PNPBJT_1.log
quit
**第二步：**使用SILVACO软件设计一个NPN管，进行相应的工艺模拟与器件模拟，要求输出Gummel曲线及IC——VCE特性曲线，并调整相关参数，观察并分析各关键工艺步骤对晶体管性能的影响。
一、用工艺软件ATHENA制作的NPN基本结构：
二、NPN型三极管Gummel曲线：
三、NPN型三极管共射极输出特性曲线：
四、特性分析：
由图可知，当Ib改变时，Ic和Vce的关系是一组平行的曲线族，并有截止、放大、饱和三个工作区。
1、截止区：此时晶体管的集电结处于反偏，发射结电压Vbe＜0处于反偏，由于Ib＝0，在反向饱和电流可忽略的前提下，Ic=βIb也等于0，晶体管无电流的放大作用。
2、放大区：工作在放大区的三极管有电流的放大作用，此时三极管的发射结正偏，集电结反偏，由输出特性曲线可见，当Ib等量变化时，Ic几乎也按一定比例等距离平行变化，此时三极管可近似看做一个输出电流Ic受Ib控制的受控电流源。
3、饱和区：当集电极电流Ic增大时，Vce=Vcc-Rc将下降，对于硅管，当Vce 降低到小于0.7V时，集电结进入正向偏置的状态，集电极吸引电子的能力将下降，此时即使Ib再增大，Ic也几乎不再增大了，三极管失去了电流放大作用。这种状态下，三极管为饱和状态。
通过上述两个选做题的实践与分析可看出，NPN型三极管的输出特性曲线和PNP型三极管的输出特性曲线是一组关于原点对称的图象。它们电压、电流方向不同，而且PNP三极管导通电压数值较小，利用这些特点可以实现特殊要求的电路。
五、实验程序与详细注释：
go atlas
# 建立网格
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
#定义发射区，集电区，基区三个区域，同时分析代码：欧姆区掺杂（因为电极还要做重掺杂才可以做成欧姆接触，所以做欧姆接触需要掺杂）
region num=1 silicon
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
#掺杂：高斯分布（离子注入时均匀掺杂突变结，实际情况是缓变结。）
doping reg=1 uniform n.type conc=5e15
doping reg=1 gauss 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
doping reg=1 gauss p.type conc=5e19 peak=0.0 char=0.08 x.left=1.5
#工艺仿真器件制作完成，保存到我的LiTianhao-BJT_athena.str文件中
save outf=LiTianhao-BJT_athena.str
tonyplot LiTianhao-BJT_athena.str
#接下来进行器件特性仿真：
models conmob fldmob consrh auger print
contact name=emitter n.poly surf.rec
# Gummel plot仿真
solve init
method newton autonr trap
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
log outf= LiTianhao-BJT_0.log
solve vbase=0.3 vstep=0.05 vfinal=1 name=base
tonyplot LiTianhao-BJT_0.log
#IC/VCE仿真，此时基极电流恒定
#偏置基极
log off
solve init
solve vbase=0.025
solve vbase=0.05
solve vbase=0.1 vstep=0.1 vfinal=0.7 name=base
#定义基极为电流边界
contact name=base current
#将基极偏置到不同的电流值
solve ibase=1.e-6
save outf=LiTianhao-BJT_1.str master
solve ibase=2.e-6
save outf=LiTianhao-BJT_2.str master
solve ibase=3.e-6
save outf=LiTianhao-BJT_3.str master
solve ibase=4.e-6
save outf=LiTianhao-BJT_4.str master
solve ibase=5.e-6
save outf=LiTianhao-BJT_5.str master
#载入不同基极电流,偏置集电极
load inf=LiTianhao-BJT_1.str master
log outf=LiTianhao-BJT_1.log
solve vcollector=0.0 vstep=0.25 vfinal=5.0 name=collector
load inf=LiTianhao-BJT_2.str master
log outf=LiTianhao-BJT_2.log
solve vcollector=0.0 vstep=0.25 vfinal=5.0 name=collector
load inf=LiTianhao-BJT_3.str master
log outf=LiTianhao-BJT_3.log
solve vcollector=0.0 vstep=0.25 vfinal=5.0 name=collector
load inf=LiTianhao-BJT_4.str master
log outf=LiTianhao-BJT_4.log
solve vcollector=0.0 vstep=0.25 vfinal=5.0 name=collector
load inf=LiTianhao-BJT_5.str master
log outf=LiTianhao-BJT_5.log
solve vcollector=0.0 vstep=0.25 vfinal=5.0 name=collector
#输出曲线族
tonyplot -overlay LiTianhao-BJT_1.log LiTianhao-BJT_2.log LiTianhao-BJT_3.log LiTianhao-BJT_4.log LiTianhao-BJT_5.log
quit
