器件与工艺模拟课程设计文档格式.docx
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这个电场能排斥空穴而吸引电子。
排斥空穴:
使栅极附近的P型衬底中的空穴被排斥,剩下不能移动的受主离子(负离子),形成耗尽层。
吸引电子:
将P型衬底中的电子(少子)被吸引到衬底表面。
(2)导电沟道的形成:
当vGS数值较小,吸引电子的能力不强时,漏——源极之间仍无导电沟道出现,如图1(b)所示。
vGS增加时,吸引到P衬底表面层的电子就增多,当vGS达到某一数值时,这些电子在栅极附近的P衬底表面便形成一个N型薄层,且与两个N+区相连通,在漏——源极间形成N型导电沟道,其导电类型与P衬底相反,故又称为反型层,如图1(c)所示。
vGS越大,作用于半导体表面的电场就越强,吸引到P衬底表面的电子就越多,导电沟道越厚,沟道电阻越小。
开始形成沟道时的栅——源极电压称为开启电压,用VT表示。
上面讨论的N沟道MOS管在vGS<VT时,不能形成导电沟道,管子处于截止状态。
只有当vGS≥VT时,才有沟道形成。
这种必须在vGS≥VT时才能形成导电沟道的MOS管称为增强型MOS管。
沟道形成以后,在漏——源极间加上正向电压vDS,就有漏极电流产生。
vDS对iD的影响
原理示意图
如图(a)所示,当vGS>
VT且为一确定值时,漏——源电压vDS对导电沟道及电流iD的影响与结型场效应管相似。
漏极电流iD沿沟道产生的电压降使沟道内各点与栅极间的电压不再相等,靠近源极一端的电压最大,这里沟道最厚,而漏极一端电压最小,其值为VGD=vGS-vDS,因而这里沟道最薄。
但当vDS较小(vDS<
vGS–VT)时,它对沟道的影响不大,这时只要vGS一定,沟道电阻几乎也是一定的,所以iD随vDS近似呈线性变化。
随着vDS的增大,靠近漏极的沟道越来越薄,当vDS增加到使VGD=vGS-vDS=VT(或vDS=vGS-VT)时,沟道在漏极一端出现预夹断,如图2(b)所示。
再继续增大vDS,夹断点将向源极方向移动,如图2(c)所示。
由于vDS的增加部分几乎全部降落在夹断区,故iD几乎不随vDS增大而增加,管子进入饱和区,iD几乎仅由vGS决定。
【实验目的】
1,让学生学习晶体管特性图示仪的使用,通过实验了解和掌握半导体器件的特性及其各种参数。
2,用MDRAW画NMOS管,对NMOS管的工艺结构加深认识,对其工艺参数有基本的认识。
3,用INSPECT模拟出NMOS管的衬底特性曲线,对NMOS管的特性加深理解
【实验要求】
1,目标:
用扩散--漂移(DD:
drift—diffusion)模型和流体力学(HD:
hudrcdynamics)模型得到Vgs对器件工作的影响。
(1)运用MDRAW工具设计一个栅长为0.18μm的NMOS德边界及掺杂。
(2)在MDRAW下对器件必要的位置进行网格加密。
(3)编辑*_des.cmd文件,并在终端下运行程序。
(4)应用INSPECT工具得出器件的Id—Vd特性曲线,观察在DD和HD方法下不同的结果并对结果。
提示:
*_des.cmd文件的编辑中在漏电压为2V时栅电压进行扫描(从0V到3V)。
注:
考虑在DESSIS中的方法进行模拟,且考虑到电子要能达到衬底则电子复合速度在衬底处为0。
Electrode{….{Name=“substrate”Voltage=0.0eRecVelocity=0}}
本实验大致按下图为指导,在每种工具下得到相应的文件最终用INSPECT进行模拟曲线,从而完成实验内容。
【实验步骤】
一,MDRAW仿真
1,用MDRAW画NMOS管,
mdraw是ISE仿真软件中对器件的二维结构、掺杂和网格编辑的编辑器
☆利用mdraw可以创建各种复杂的二维器件结构
☆利用mdraw可以详细定义内部杂质的分布情况
☆利用mdraw可以对工艺模拟得到的些器件结构进行再加密,提高仿真精度
☆启动方法:
打开终端
输入mdraw&
(回车)
即可进入编辑界面
2,mdraw分为两个界面通过左下角的按钮进行切换
✹边界编辑界面——Boundry
✹即器件的外形尺寸、各个部分所用材料、电极位置等。
✹掺杂和加密编辑界面—Doping
✹即掺杂所用材料及杂质分布函数、网格加密区域和网格密度等。
✹两个界面中左侧工具栏提供的工具不同
3,开始画图,首先在Boundry完成外形尺寸、各个部分所用材料、电极位置等步骤,具体如下:
画矩形图选中“addrectangle”画矩形图
*手动——用鼠标直接拉出自己需要大小的矩形框,在界面下方
可以看到鼠标坐所在位置的坐标。
*自动——选中“exactcoordinate”在图形框中随便拉鼠标,
便弹出对话框,在对话框中可精确定义矩形上下左右各边
坐标位置。
选择材料:
如silicon、phosphorus、boron等。
可先选材料,再画几何图形
也可画好几何图形后再改变材料,即单击“changematerial”按钮,选择材料,再单击需改变材料的区域
图形删除
选中左侧delete按钮,点击删除区域即可完成删除相应区域。
若删除点,点击相应点即可
电极修改或删除
选“addcontact”弹出对话框定义电极名
激活电极对话框选择deletecontact删除即可
电极添加
选“set/unsetcontact”→点击所要添加电极边缘即可(显示红色线条),若点击原先已有电极位置,则是删除电极。
如下图共有四个电极,栅极:
gate
源级:
source
漏极:
drain
衬底:
sub
进入Doping界面
“addconstantP”(均匀掺杂)
按左键拖拉鼠标可弹出对话框,既可定义均匀掺杂区域的坐标、杂质类型、浓度等有关参数。
一般用于衬底,多晶硅等的掺杂。
★在本次试验中整个衬底的掺杂采用均匀掺杂,源漏极采用的是高斯掺杂。
掺杂参数如下:
1衬底的均匀掺杂:
“addanalyticalp”(函数分布)
同上法,但对话框中要选择杂质分布函数,如高斯分布,余误差分布(函数曲线有两点坐标确定)。
2R源极重掺杂:
(参数同漏极重掺杂)
3源极轻掺杂:
4漏极重掺杂:
5漏极轻掺杂:
6垂直于沟道表面方向杂质非均匀分布:
efinement网格加密
●点击“Refinement”弹出对话框可以设置网格参数,如:
网格宽度和高度最大和最小步进。
网格加密时也要设置合适的加密程度,并且要对并不同的掺杂区域进行分别加密。
例如:
下图是对源极轻掺杂处的加密参数。
●掺杂和加密设置结束后运行BuildMesh,即可产生相应的网格定义文件(.grd)和掺杂定义文件(.dat),并在图中显示出来(ShowMesh要按下)
●结束后,可在File菜单选择“saveall”保存所有相关文件:
filename_mdr.bnd
filename_mdr.cmd:
BuildMesh过程中自动建立
filename_mdr.grd:
网格格点位置描述文件
filename_mdr.dat:
同.grd文件配合,描述各网格点处的掺杂
在本次试验中产生的文件命名为nmos_mdr.bnd、nmos_mdr.cmd、nmos_mdr.grd、
nmos_mdr.dat
二,DESSIS仿真
DESSIS是一个能对单个半导体器件或多个器件构成的电路进行一维,二维,三维模拟的器件仿真工具.
它将先进的物理模型和数学方法结合起来对最典型的半导体器件进行模拟,包括了深亚微米级的硅MOSFET和大功率的双极型器件.
另外,同样支持SiC和III–V化合物半导体器件及其他一些异质结器件的模拟.
1,Dessis涉及了很多的物理模型和模拟方法。
如:
●Drift-diffusion(漂移-扩散模拟)
●Thermodynamic(热力学模拟)
●Hydrodynamic(流体力学模拟)
●MonteCarlo(蒙特卡诺模拟)
●Thermionicemission(热电子发射模型)
●Nonlocaltunneling(非局域性隧道效应)等。
2,StartingDESSIS
编写*_des.cmd文件
在终端中运行命令:
dessis*_des.cmd
Dessis对单个器件进行模拟时*_des.cmd文件有以下六个部分:
1,File部分:
用于指定输入输出文件
•Gird=……:
定义网格描述文件,由mdraw或dios运行产生的.grd文件
•Doping=……:
定义掺杂分布文件,由mdraw或dios运行产生.dat文件
•Parameter=……:
用于定义特定的模型参数
•Plot=……:
记录器件仿真结果空间分布的输出文件,后缀*_des.dat,在tecplot中配合.grd文件查看结果;
•Current=……:
记录电特性(如电流、电压等)的仿真输出文件,标准扩展名为*_des.plt;
•Output=……:
定义日志文件名,扩展名*_des.log
2,Electrode部分:
用于定义被作为electrode的contacts,并给出边界条件。
常用参数有:
•Name:
Electrode的名字,
注意要与mdraw或dios中定义的contact名字精确匹配(大小写敏感);
•Voltage:
加在Electrode的起始电压;
•AreaFacter:
定义了电极的面积系数;
•Barrier:
定义金属-半导体的接触功,主要用于栅电极,NMOS、PMOS正负不同。
3,Physics部分
•漂移-扩散drift-diffusion模型仅由Poisson方程、电子和空穴的连续性方程组成,电子和空穴电流密度由电子或空穴的浓度梯度决定。
此模型在physics中默认使用。
•Hydrodynamic(<
carrier>
):
开启流体动力学模型,可以仅定义电子或空穴开启此模型。
深亚微米阶段drift-diffusion模型不敷用,蒙特卡罗求解Boltzman方程太慢,折衷采用Hydrodynamic模型。
此模型中电子、空穴温度不等于晶格温度。
它考虑的是一些基本方程和电子、空穴和晶格的能量守恒方程。
4,plot部分指定所有需要存如*_des.dat这个输出文件的数据。
每个数据类型都用关键字进行指定。
5,math部分指定了解答方程的一些控制要求
如:
Extrapolate为开启“外推”法计算;
RelErrControl为开启“误差控制”
Iterations=20为迭代次数控制
NotDamped=50允许的均方误差增加步数,一般大于Iterations。
BreakCriteria{Current(Contact=“drain”Absval=3e-4)精度控制
6,Solve部分规定了用户想要获得的解是什么,是模拟最关键的部分。
其基本思路是以器件结构为边界条件,按物理模型建立方程组,求解器件电学特性。
本实验中dessis文件如下:
File{
*inputfiles:
Grid="
nmos_mdr.grd"
Doping="
nmos_mdr.dat"
*outputfiles:
Plot="
nsub_des.dat"
Current="
nsub1_des.plt"
Output="
nsub1_des.log"
}
Electrode{
{Name="
source"
Voltage=0.0}
drain"
Voltage=0.0}
gate"
Voltage=0.0Barrier=-0.55}
substrate"
Physics{
Mobility(DopingDepHighFieldSatEnormal)
EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing(OldSlotboom))
Recombination(
SRH(DopingDep)
eAvalanche(CarrierTempDrive)
hAvalanche(Eparallel))
}
Plot{
eDensityhDensityeCurrenthCurrent
PotentialSpaceChargeElectricField
equasiFermihquasiFermieTemperature
eMobilityhMobilityeVelocityhVelocity
DopingDonorConcentrationAcceptorConcentration
Math{
Extrapolate
RelErrControl
Iterations=20Physics{Mobility(DopingDepHighFieldSatEnormal)
NotDamped=50
BreakCriteria{Current(Contact="
Absval=3e-4)}
Solve{
#-initialgatevoltageVgs=0.0
Poisson
Coupled{PoissonElectronHole}
#-rampgate:
Quasistationary(MaxStep=0.05
Goal{Name="
Voltage=2.0})
{Coupled{PoissonElectronHole}}
NewCurrentPrefix="
vg0_"
Quasistationary(InitialStep=0.01Maxstep=0.1MinStep=0.0001
Goal{name="
voltage=10.0})
{Coupled{PoissonElectronHole}}
}
在本次实验中我们做了一个对比,即加入条件eRecVelocity=0即:
电子要能达到衬底则电子复合速度在衬底处为0。
(注:
在该程序中漏极电压是从0变化到10,这是对要求的一个变动。
)
当终端运行完此程序时在终端输入INSPECT&
进入界面进行曲线仿真。
仿真结果如下图:
放大后则可以观察出两曲线间的差异如下:
【心得体会】
1,对于每一个实验课题,拿到题目时应该先依据实验要求进行分析应该怎样入手,将要解决的问题分为几部分,然后逐步的解决问题。
如在本实验中按照要求我们必须先用MDRAW画NMOS管,然后利用保存后输出的文件再结合DESSIS文件进行衬底特性曲线仿真。
2,刚开始时对实验工具不够了解,对器件的基尺寸要求也不是很了解,画图时比较鲁莽,但经过细心地分析后对尺寸进行了研究,然后用自动画图就很快的完成了尺寸画图。
掺杂参数也要按照实际合理设置,这样才能保证最终的器件衬底特性正确。
3,通过实验使我们对MOS管的工艺参数更加了解,了解了怎样从工艺技术上改变器件的性能,如:
因为平衡时p-n结势垒(内建电场区)是起着阻挡多数载流子往对方扩散的作用,势垒高度就反映了这种阻挡作用的强弱,即势垒高度表征着内建电场的大小;
当掺杂浓度提高时,多数载流子浓度增大,则往对方扩散的作用增强,从而为了达到平衡,就需要更强的内建电场、即需要更高的势垒,所以势垒高度随着掺杂浓度的提高而升高(从费米能级的概念出发也可说明这种关系:
因为平衡时p-n结的势垒高度等于两边半导体的费米能级的差,当掺杂浓度提高时,则费米能级更加靠近能带极值[n型半导体的更靠近导带底,p型半导体的更靠近价带顶],使得两边费米能级的差变得更大,所以势垒高度增大)。
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