Silvaco半导体工艺和器件仿真

4.1.7栅氧厚度的最优化

下面介绍如何使用DECKBUILD中的最优化函数来对栅极氧化厚度进行最优化。假定所测量的栅氧厚度为100Å，栅极氧化过程中的扩散温度和偏压均需要进行调整。为了对参数进行最优化，DECKBUILD最优化函数应按如下方法使用：

a. 依次点击Main control和Optimizer…选项；调用出如图4.15所示的最优化工具。第一个最优化视窗显示了Setup模式下控制参数的表格。我们只改变最大误差参数以便能精确地调整栅极氧化厚度为100Å；

b. 将Maximum Error在criteria一栏中的值从5改为1；

c.

接下来，我们通过Mode键将Setup模式改为Parameter模式,并定义需要优化参数（图4.16）。

图4.15 DECKBUILD最优化的Setup模式

图4.16 Parameter模式

需要优化的参数是栅极氧化过程中的温度和偏压。为了在最优化工具中对其进行最优化，如图4.17所示，在DECKBUILD窗口中选中栅极氧化这一步骤；

图4.17 选择栅极氧化步骤

d. 然后，在Optimizer中，依次点击Edit和Add菜单项。一个名为Deckbuild：Parameter Defin

实验一、半导体器件仿真实验

一、 实验目的

(1) 熟悉multisim10软件的使用方法

(2) 学会用multisim10软件进行仿真测试及绘制三极管的输出特性曲线 (3) 掌握半导体二极管的伏安特性 (4) 掌握半导体三极管的输出特性

二、计算机仿真实验内容

2.1半导体二极管伏安特性仿真实验

（1）二极管正向特性测试仿真电路如图1.1所示。改变RW阻值的大小，可以改变二极管两端正向电压的大小，从而其对应的正向特性参数。

1Rw1.5kΩ50%Key=AV13 V 2R2100ΩU1DC 10MW3+U31.840m-A4DC 1e-009WD11N916++0.810-V0.626-VU2DC 10MW0

图1.1 测试二极管正向伏安特性实验电路

在仿真电路图1.1中，依次设置滑动变阻器RW触点至下端间的电阻值，调整二极管两端的电压。启动仿真开关，将测得的VD、ID及换算的rD的数值填入表1.1中，研究分析仿真数据。

表1.1 二极管正向伏安特性测量数据

10% 20% 30% 50% 70% 90% VD/mV ID/mA rD? VD/? ID （1） 二极管反向特性测

1

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论1现代半导体器件物理与工艺

概论

Physics and Technology of Modern

Semiconductor Devices

2004,7,30

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论2/

课程概论

课程名：现代半导体器件物理与工艺 学分：4

时间：秋季学期1-16周 先修课程：

z 固体物理学z 半导体物理

z

热力学与统计物理学z 量子力学

z 模拟电子技术基础z

数字电子技术基础

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论3/学习目标

掌握半导体物理基本理论

掌握基本器件物理知识 掌握IC制造工艺知识 Pspice建模

了解什么是微电子学和研究什么方面 了解微电子学的过去、现状和未来

初步了解集成电路设计、集成电路CAD方法等基本概念

现代半导体器件物理与工艺桂林电子科技大学概论4/

教材和参考资料

半导体器件物理与工艺施敏苏州大学出版社

半导体制造技术Michael Quirk et al. 电子工业出版社 微电子学概论张兴北京大学出版社

固体物理

黄昆高等教育出版社

Handbook of Semiconductor Fabrication Technology New York :Marcel Dekker,

第八章 金属/半导体接触和MESFET

自从Lilienfeld和Heil在1930年提出场效应晶体管（FET）的概念起，直到20世纪50年代半导体材料工艺发展到一定水平后才做出了可以实际工作的器件。所谓场效应就是利用电场来调制材料的电导能力，从而实现器件功能。除了前面讨论过的MOS、MNOS、MAOS、MFS等都属于场效应器件外,还发展了结型场效应管(J-FET), 肖特基势垒栅场效应管（MES FET）等。本章从金属与半导体接触出发，讨论MES FET的结构和工作原理。

8.1. 肖特基势垒和欧姆接触 8.1.1. 肖特基势垒

当金属和半导体接触时，由于金属的功函数与半导体的功函数不同，在接触的界面处存在接触电势差，就会形成势垒，通常称为肖特基势垒。下面以金属与n型半导体接触为例来讨论肖特基势垒的特性。

(1) 理想情况：假定接触处的半导体表面不存在表面态，图8.1(a)是金属与半导体接触前的能带图(非平衡条件下，其中qφm和qφ

S

分别为金属和半导体的功

1

图8.1

函数，qχ为半导体的电子亲和（势）能。功函数定义为将一个电子从Fermi能级移到材料外面（真空能级）所需要的能量，电子亲和能是将一个电子从导带底移到真空能

第八章 金属/半导体接触和MESFET

自从Lilienfeld和Heil在1930年提出场效应晶体管（FET）的概念起，直到20世纪50年代半导体材料工艺发展到一定水平后才做出了可以实际工作的器件。所谓场效应就是利用电场来调制材料的电导能力，从而实现器件功能。除了前面讨论过的MOS、MNOS、MAOS、MFS等都属于场效应器件外,还发展了结型场效应管(J-FET), 肖特基势垒栅场效应管（MES FET）等。本章从金属与半导体接触出发，讨论MES FET的结构和工作原理。

8.1. 肖特基势垒和欧姆接触 8.1.1. 肖特基势垒

当金属和半导体接触时，由于金属的功函数与半导体的功函数不同，在接触的界面处存在接触电势差，就会形成势垒，通常称为肖特基势垒。下面以金属与n型半导体接触为例来讨论肖特基势垒的特性。

(1) 理想情况：假定接触处的半导体表面不存在表面态，图8.1(a)是金属与半导体接触前的能带图(非平衡条件下，其中qφm和qφ

S

分别为金属和半导体的功

1

图8.1

函数，qχ为半导体的电子亲和（势）能。功函数定义为将一个电子从Fermi能级移到材料外面（真空能级）所需要的能量，电子亲和能是将一个电子从导带底移到真空能

雪崩击穿

电子和空穴受到强电场作用，向相反的方向加速运动，获得很大的动能和很高的速度，就会发生碰撞电离，产生电子—空穴对。 电子和空穴还会继续发生碰撞，产生下一代载流子。如此继续下去，载流子的数量大量增加，这种产生载流子的方式称为载流子的倍增。 当反向电压增大到一数值时，载流子的倍增如同雪崩现象一样，载流子迅速增多，使反向电压急剧增大，从而产生了PN结的击穿，称为雪崩击穿。 缓变基区的自建电场（NPN晶体管）

缓变基区晶体管的基区存在杂质浓度梯度，基区的多数载流子（空穴）相应具有相同的浓度分布梯度，这将导致杂质向浓度低的方向扩散，空穴一旦离开，基区的电中性将被破坏。为了维持电中性，必然在基区中产生一个电场，使空穴反方向的漂移运动来抵消空穴的扩散运动，这个电场称为缓变基区的自建电场。 JFET的本征夹断电压UP0

当栅压UGS增至耗尽层宽度时，成为全沟道夹断，沟道电导下降为零，定义使导电沟道消失所加的栅-源电压为夹断电压UP，此时，栅结上相应总电势差称为本征夹断电压UP0。 简要说明平衡PN结的空间电荷区是如何形成的（5分）。

P型和N型半导体接触，由于在界面处存在着电子和空穴的浓度差，N区中的电子要向P区扩散，P区中的空穴要向N区扩散。这样

雪崩击穿

电子和空穴受到强电场作用，向相反的方向加速运动，获得很大的动能和很高的速度，就会发生碰撞电离，产生电子—空穴对。 电子和空穴还会继续发生碰撞，产生下一代载流子。如此继续下去，载流子的数量大量增加，这种产生载流子的方式称为载流子的倍增。 当反向电压增大到一数值时，载流子的倍增如同雪崩现象一样，载流子迅速增多，使反向电压急剧增大，从而产生了PN结的击穿，称为雪崩击穿。 缓变基区的自建电场（NPN晶体管）

缓变基区晶体管的基区存在杂质浓度梯度，基区的多数载流子（空穴）相应具有相同的浓度分布梯度，这将导致杂质向浓度低的方向扩散，空穴一旦离开，基区的电中性将被破坏。为了维持电中性，必然在基区中产生一个电场，使空穴反方向的漂移运动来抵消空穴的扩散运动，这个电场称为缓变基区的自建电场。 JFET的本征夹断电压UP0

当栅压UGS增至耗尽层宽度时，成为全沟道夹断，沟道电导下降为零，定义使导电沟道消失所加的栅-源电压为夹断电压UP，此时，栅结上相应总电势差称为本征夹断电压UP0。 简要说明平衡PN结的空间电荷区是如何形成的（5分）。

P型和N型半导体接触，由于在界面处存在着电子和空穴的浓度差，N区中的电子要向P区扩散，P区中的空穴要向N区扩散。这样

2014/10/16

2.2 PN结的直流电流电压方程PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小，这说明 PN结具有单向导电性，可作为二极管使用。 PN结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路中的符号为

本节的重点 1、中性区与耗尽区边界处的少子浓度与外加电压的关系。这称为“结定律”,并将被用做求解扩散方程的边界条件； 2、PN结两侧中性区内的少子浓度分布和少子扩散电流； 3、PN结的势垒区产生复合电流

P区 -xp xn

N区

2.2.1外加电压时载流子的运动情况平衡 PN结的能带图 P区 N区外加正向电压 V后，PN结势垒高度由 qVbi降为 q(Vbi -V), xd与 Emax减小，使扩散电流大于漂移电流，形成正向电流。外加电场内建电场

EC Ei

EF EVqVbi

EC EF Ei EV

P

N

E

平衡时外加正向电压时面积为 Vbi面积为 Vbi-V

0

x

正向电流密度由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度 Jdp (在 N区中推导 ) 2、电子扩散电流密度 Jdn (在 P区中推导 ) 3、势垒区复合电流密度 Jr (在势垒区中推导 ) P区

J J dp J dn J r

Jdp N区

Jdn

势垒高度降低后不能再阻止 N区电子向 P区的扩散及

2014/10/16

2.2 PN结的直流电流电压方程PN结在正向电压下电流很大，在反向电压下电流很小，这说明 PN结具有单向导电性，可作为二极管使用。 PN结二极管的直流电流电压特性曲线，及二极管在电路中的符号为

本节的重点 1、中性区与耗尽区边界处的少子浓度与外加电压的关系。这称为“结定律”,并将被用做求解扩散方程的边界条件； 2、PN结两侧中性区内的少子浓度分布和少子扩散电流； 3、PN结的势垒区产生复合电流

P区 -xp xn

N区

2.2.1外加电压时载流子的运动情况平衡 PN结的能带图 P区 N区外加正向电压 V后，PN结势垒高度由 qVbi降为 q(Vbi -V), xd与 Emax减小，使扩散电流大于漂移电流，形成正向电流。外加电场内建电场

EC Ei

EF EVqVbi

EC EF Ei EV

P

N

E

平衡时外加正向电压时面积为 Vbi面积为 Vbi-V

0

x

正向电流密度由三部分组成： 1、空穴扩散电流密度 Jdp (在 N区中推导 ) 2、电子扩散电流密度 Jdn (在 P区中推导 ) 3、势垒区复合电流密度 Jr (在势垒区中推导 ) P区

J J dp J dn J r

Jdp N区

Jdn

势垒高度降低后不能再阻止 N区电子向 P区的扩散及

半导体器件基础总复习

双极型晶体管部分

晶体管由两个 pn 结： 发射结和集电结将晶体管划分为三个区： 发射区、基区及集电区。 相应的三个电极称为发射极、基极和集电极，并用 E，B 和 C ( 或 e，b 和 c ) 表示。 晶体管有两种基本结构： pnp 管和 npn 管。

双极型 NPN 晶体管制造过程： 1、在 N 型衬底中扩散 P 型杂质；

2、在 P 型扩散区中再扩散 N型杂质； 3、在磷氧化层上开出基区和发射区接触孔； 4、蒸发金属；

5、光刻金属，引出及区、发射区引线； 6、制备集电极电极 7、切片、封装

发射效率 ??

JnEJnE??JEJnE?JpE1?1JpE

??1?1JnEDpepneWbDnbn0pbLpe20

可见提高 Ne / Nb，降低 R□e / R□b可提高发射效率，使γ 接近于 1。

1?Wb?JJ**?基区输运系数 ??nC?1?rB ??1??? 2?LJnEJnE?nb?1

半导体器件基础总复习

集电区倍增因子?*?1?1222qni?nC?pC?C 22两种类型晶体管均可适用

?WWnpn 晶体管共基电流放大系数 ??1?eb?b2

?bLpe2Lpe