实验报告2(三极管器件仿真)

学生实验报告院别课程名称器件仿真与工艺综合设计实验班级实验二三极管器件仿真姓名实验时间学号指导教师成绩批改时间报告内容一、实验目的和任务1、掌握BJT基本结构原理，BJT输出特性、输入特性；2、掌握SilvacoTCAD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BJT结构参数变化对器件主要电学特性的影响。二、实验原理1.BJT的结构及其原理双极型晶体管是由两个方向相反的PN结构成的三端器件，主要有两种基本结构：PNP型晶体管和NPN型晶体管。NPN型晶体管的结构如图1所示。图中，位于中间的P区为基区，基区很薄，掺杂浓度很低；位于上层的N区是发射区，结面积小，掺杂浓度很高；位于下层的N区是集电区，结面积大；虽然发射区和集电区是同种类型的半导体，但是两个区的掺杂浓度明显不同，发射区的掺杂浓度远高于集电区，而集电区的面积则远大于发射区。PNP型晶体管的结构与NPN型相似。其中间层为N区，上下两层分别为集电区和发射区；三个区的引出线依次是基极、集电极和发射极。晶体管不是两个PN结的简单结合，而是两个PN结共用一个极薄的P区（指NPN型晶体管）或N区（指PNP型晶体管）作为基区，通过基区把两个PN结有机的结合成统一的整体。彼此间存在着相互联系和相互影响，是晶体管具有完全不同于两个单独PN结的特性。2.BJT的输出特性共发射极输出特性曲线描述是基极电流为一常量时，集电极电流与管压降之间的函数关系在饱和区内，发射结和集电结均处于正向偏置。主要随增大而增大，对的影响不明显，即当增大时，随之增大，但增大不大。在饱和区，和之间不再满足电流传输方程，即不能用放大区中的来描述和的关系，三极管失去放大作用。在放大区内，发射结正向偏置，集电结反向偏置，各输出特性曲线近似为水平的直线，表示当一定时，的值基本上不随而变化。此时表现出对的控制作用，。三极管在放大电路中主要工作在这个区域中。一般将的区域称为截止区，由图可知，也近似为零。在截止区，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态。3.BJT的输入特性当晶体管的集电极与发射极之间的电压VCE为某一固定值时，基极电压VBE与基极电流IB间的关系曲线称为双极型晶体管的特性曲线如果将VCE固定在不同电压值条件下然后在调节UBE的同时测量不同IB值对应的UBE值，便可绘出晶体管的输入特性曲线当Uce=0V时，发射极与集电极短路，发射结与集电结均正偏，实际上是两个二极管并联的正向特性曲线。当，时，集电结已进入反偏状态，开始收集载流子，且基区复合减少，特性曲线将向右稍微移动一些，IC/IB增大。但Uce再增加时，曲线右移很不明显。三、实验内容1.设计目标参数：尺寸:N型衬底（2um×1um）；结构:集电区(2um×1um，gauss分布，峰值1e18，峰值在1um处)；基区（集电结结深0.15um，gauss分布，峰值浓度1e18，峰值在0.05um处）；发射区（发射结结深0.05um，gauss分布，峰值浓度5e19，峰值在0um处）。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)语句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：goatlas(2)设置网格（mesh），建立了一个含有网格信息的2微米×1微米大小的区域。meshx.ml=0spacing=0.15x.ml=0.8spacing=0.15x.ml=1.0spacing=0.03x.ml=1.5spacing=0.12x.ml=2.0spacing=0.15y.ml=0.0spacing=0.006y.ml=0.04spacing=0.006y.ml=0.06spacing=0.005y.ml=0.15spacing=0.02y.ml=0.30spacing=0.02y.ml=1.0spacing=0.12(3)区域定义语句(region)，定义材料的位置。regionnum=1silicon(4)电极定义语句(electrode)，定义三极管的接触电极。electrodenum=1name=emitterleftlength=0.8electrodenum=2name=baserightlength=0.5y.max=0electrodenum=3name=collectorbottom(5)掺杂定义语句(Doping)，是用来定义器件结构中的掺杂分布。dopingreg=1uniformn.typeconc=5e15dopingreg=1gaussn.typeconc=1e18peak=1.0char=0.2dopingreg=1gaussp.typeconc=1e18peak=0.05junct=0.15dopingreg=1gaussn.typeconc=5e19peak=0.0junct=0.05x.right=0.8(6)输出结构结果保存语句(save)。saveoutf=bjtex04_0.str(7)输出文件绘制语句(tonyplot)。tonyplotbjtex04_0.str4.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)。modelsconmobfldmobconsrhaugerprint(2)接触设置语句(contact)。contactname=emittern.polysurf.rec(3)命令执行语句（solve），solve是命令atlas在一个或多个偏压点（biaspoint）进行求解的语句。solveinit(4)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methodnewtonautonrtrap。(5)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。logoutf=bjtex04_0.log(6)solve语句,以一定的方式给BJT外加偏压。solvevcollector=0.025solvevcollector=0.1solvevcollector=0.25vstep=0.25vfinal=2name=collectorsolvevbase=0.025solvevbase=0.1solvevbase=0.2solvevbase=0.3vstep=0.05vfinal=1name=base(7)输出文件绘制语句(tonyplot)。tonyplotbjtex04_0.log(8)参数提取语句（extract）,根据log文件获得器件电学参数。extractname=peakcollectorcurrentmax(curve(abs(v.base),abs(i.collector)))extractname=peakgainmax(i.collector/i.base)5.改变器件结构参数（BJT各区掺杂浓度﹑BJT各区杂质分布﹑BJT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影响。四、实验结果（一）器件设计1、器件结构设计如图所示，定义npn晶体管的网络信息x为2.0，y为1.0，该区域块掺杂n型材料浓度为5e15，设置为均匀分布；n型材料浓度为1e18，设置为高斯分布，峰值为1.0；p型材料浓度为1e18，设置为高斯分布，峰值为0.05，结深为0.15；n型材料浓度为5e19，设置为高斯分布，峰值为0，结深为0.05，在x的右边区域0.8处；p型材料浓度为5e19，设置为高斯分布，峰值为0，在x的左边区域0.8处，从而形成了该结构，包括N+区域，P+区域，P区域，N-区域，N区域图一器件结构2、网格调用及设计#调用atlas器件仿真器goatlas#网络mesh初始化Mesh#定义x方向网格信息x.ml=0spacing=0.15x.ml=0.8spacing=0.15x.ml=1.0spacing=0.03x.ml=1.5spacing=0.12x.ml=2.0spacing=0.15#定义y方向网格信息y.ml=0.0spacing=0.006y.ml=0.04spacing=0.006y.ml=0.06spacing=0.005y.ml=0.15spacing=0.02y.ml=0.30spacing=0.02y.ml=1.0spacing=0.12#定义区域信息regionnum=1silicon#定义电极信息electrodenum=1name=emitterleftlength=0.8electrodenum=2name=baserightlength=0.5y.max=0electrodenum=3name=collectorbottom#该区域块掺杂n型材料浓度为5e15，设置为均匀分布dopingreg=1uniformn.typeconc=5e15#n型材料浓度为1e18，设置为高斯分布，峰值为1.0dopingreg=1gaussn.typeconc=1e18peak=1.0char=0.2#p型材料浓度为1e18，设置为高斯分布，峰值为0.05，结深为0.15dopingreg=1gaussp.typeconc=1e18peak=0.05junct=0.15#n型材料浓度为5e19，设置为高斯分布，峰值为0，结深为0.05，在x的右边区域0.8处dopingreg=1gaussn.typeconc=5e19peak=0.0junct=0.05x.right=0.8#p型材料浓度为5e19，设置为高斯分布，峰值为0，在x的左边区域0.8处dopingreg=1gaussp.typeconc=5e19peak=0.0char=0.08x.left=1.5#setbipolarmodels#设置BJT仿真所需要用到的物理模型modelsconmobfldmobconsrhaugerprint#设置接触类型contactname=emittern.polysurf.rec#求解初始化solveinit#保存结构信息文件saveoutf=bjtex04_0.str#用tonyplot绘图示意结构文件tonyplotbjtex04_0.str-setbjtex04_0.set（二）对比分析表3-1发射区掺杂浓度不变，改变基区掺杂浓度浓度（cm-3）器件结构与杂质分布图输出曲线1e161e171e181e19表3-2在不同基区掺杂浓度下的参数浓度（cm3-）最大集电极电流cI(mA)电流放大系数β1e161.18576237.1521e171.13197226.3951e180.669093133.8191e190.057985711.5971实验结论：由表可知，在发射区掺杂浓度不变，改变基区掺杂浓度下，当基区掺杂浓度逐渐增大，最大集电极电流逐渐减小，电流放大系数减小。表3-3基区掺杂浓度、基区宽度不变，改变发射区掺杂浓度浓度（cm-3）器件结构与杂质分布图输出曲线5e185e195e205e21表3-4在不同发射区掺杂浓度下的参数浓度（cm3-）最大集电极电流cI(mA)电流放大系数β5e180.00032672865.34565e190.000669093133.8195e200.00146307292.6135e210.00201339402.678实验结论：由表可知，在基区掺杂浓度、基区宽度不变，改变发射区掺杂浓度下，当发射区掺杂浓度逐渐增大，最大集电极电流逐渐增大，电流放大系数增大。表3-5发射区掺杂浓度不变，改变基区宽度宽度（um）器件结构与杂质分布图输出曲线0.060.080.100.120.14表3-6在不同基区宽度下的参数宽度（um）最大集电极电流cI(mA)电流放大系数β0.060.899106179.8210.080.772334154.4670.100.669093133.8190.120.583836116.7670.140.513391102.678