器件仿真与工艺综合设计实验指导书
姥娘实验一：二极管器件仿真
一、实验目的
1、掌握二极管基本结构原理，二极管电流电压特性；
2、掌握Silvaco TCAD器件仿真器仿真设计流程及器件仿真器Atlas语法规则；
3、分析二极管结构参数变化对主要电学特性的影响。
二、实验原理
1.二极管的结构及其原理给我一首歌的时间简谱
PN结，是指一块半导体单晶，其中一部分是P型区，其余部分是N型区，如图1所示。P型区和N型区的交界面称为冶金结面（简称结面）。由PN结构成的二极管是最基本的半导体器件。无论半导体分立器件还是半导体集成电路，都是以PN结为基本单元构成的。例如NPN（或PNP）双极型晶体管的结构，是在两层N型区（或P型区）中夹一薄层P型区（或N型区），构成两个背靠背（或面对面）的PN结。
图1 PN结的结构图
PN结导通并产生电流，根据其的形成原理，必须抵消掉空间电荷区内部的电场阻力。我们通过P区接外加电源的正极，N区接负极的方法，给它加一个反方向的更大的电场，这样就可以抵消其内部自建电场，使载流子可以继续运动，形成线性的正向电流。外加的反向电压导致内建电场的阻力更大，使得PN结仅有极微弱的反向电流，不能导通。其是由于少数载流子的漂移运动形成，因少子数量有限，电流饱和。这时反向电压增大至某一数值时，PN结将因少子的数量和能量都增大，会碰撞破坏内部的共价键，使原来被束缚的电子和空穴被释放出来，不断增大电流，最终被击穿（变为导体）损坏，反向电流急剧增大。
2. 二极管的I~V特性
当对PN结外加电压时，会有电流流过。电流与外加电压的关系不遵从欧姆定律。外加正向电压（P区接正、N区接负）时，如果电压达到正向导通电压V f的数值，则会有明显的电流流过，而且当电压再
稍增大时，电流就会猛增；外加反向电压时，电流很小，而且当反向电压超过一定数值后，电流几乎不随外加电压而变化，如图2所示。
图2 PN结的伏安特性曲线
PN结在外加正向电压时流过的电流很大，外加反向电压时流过的电流很小，这说明它只能在一个方向上导电。PN结的这种特性叫做单向导电性，或整流特性。流过PN结的电流与外加电压的关系，叫做PN结的电压-电流特性，或伏安特性。图2即硅PN结的伏安特性，它类似一个非线性电阻，在正、反电压下的特征不对称。
3.二极管击穿特性
在一般的反向电压下，PN结的反向电流很小。但当反向电压增大到某一值V B时，反向电流会突然变大，如图3所示。这种现象叫做PN结的反向击穿，V B称为击穿电压。
图3 PN结的击穿现象
4.Atlas器件仿真流程
Atlas器件仿真可以仿真具有一定物理结构、材料属性及掺杂浓度信息的半导体器件在一定外界条件（如温度、偏压、电流等条件）下的电学、光学、热力学特性（包括载流子分布、电场分布、电势分布、能带分布、电流密度分布、电流与电压关系等）。Atlas器件仿真流程如图4所示：
图4 Atlas器件仿真流程图
三、实验内容与步骤
1.设计目标参数：
炒米粉
尺寸:P型衬底（1um×15um）；
结构:P区(1um×10um ，5e17)、N区(1um×5um,1e20)。
2.根据设计目标画出器件结构图；
3.学习Atlas器件仿真语法规则，并设计器件；
(1)仿真器调用命令语句go。
调用atlas器件仿真器需要用到go语句：
go atlas
(2) 设置网格（mesh），建立了一个含有网格信息的1微米×15微米大小的区域。
mesh
抓饭的做法
x.m l=0.0 spac=1.0
x.m l=1.0 spac=1.0
y.m l=0 spac=1.0
y.m l=5.0 spac=0.005
y.m l=15 spac=2
(3)区域定义语句(region)，定义材料的位置。
region num=1 silicon
(4) 电极定义语句(electrode)，定义PN接的接触电极。
electrode top name=cathode
electrode bottom name=anode
(5)掺杂定义语句(Doping)，是用来定义器件结构中的掺杂分布。
doping uniform conc=pe
doping pe conc=1.e20 x.l=0. x.r=1 y.t=0.0 y.b=5.0
(6)输出结构结果保存语句(save)。
save outf=diodeex02_0.str
(7) 输出文件绘制语句(tonyplot)。
tonyplot diodeex02_0.str
4.根据Atlas器件仿真语法规则获取器件特性
(1)模型选择语句(models，impact)。
models srh conmob bgn auger fldmob
impact crowell
(2)命令执行语句（solve），solve是命令atlas在一个或多个偏压点（bias point）进行求解的语句。
solve init
(3)数值方法选择语句（method），用来设置求解方程或参数的数值方法。
method newton trap maxtrap=10 climit=1e-4
(4)运行数据结果保存语句（log），输出结构结果保存语句log是用来将程序运行后所计算的所有结果数据保存到一个以log为扩展名结尾的文件中的一个语句。从solve语句中运算后所得到的结果都会保存在其中。
log outf=diodeex02.log
(5)solve 语句，以一定的方式给PN结外加偏压。
solve vcathode=0.25 vstep=0.25 vfinal=10 name=cathode
(6)输出文件绘制语句(tonyplot)。
tonyplot diodeex02.log
(7)参数提取语句（extract），根据log文件获得器件电学参数。
extract name="bv" x.val from curve(v."cathode",abs(i."cathode")) where
国庆趣事600字y.val=1e-10
extract name="leakage" y.val from curve(v."cathode",abs(i."cathode")) where x.val=-0.5
5.改变器件结构参数（PN结各区掺杂浓度﹑PN结各区杂质分布﹑PN结各区杂质类型等），分析结构参数变化对器件结构及电学参数（正向导通电压﹑反向饱和电流﹑击穿电压等）影响。
泥巴游戏四、实验报告
1.画出器件结构图；
2.自己设计表格完成改变衬底掺杂浓度﹑衬底杂质类型对器件结构及电学特性影响，要有详细的对比分析报告；
3.自己设计表格完成改变N区掺杂浓度﹑杂质类型及杂质分布对器件结构及电学特性影响，要有详细的对比分析报告；
白开头的成语4.根据所学内容，自主设计其他性能二极管。
五、预习与思考
1.预习二极管的结构原理，伏安特性，击穿特性等基本知识。
2.分析仿真结果与理论分析是否一致，有哪些效应可以解释上述原因。三叉神经痛症状
六、实验仪器
计算机，Silvaco TCAD软件
