微電子TCAD課程設計.

1、微電子器件課程設計報告項目：厄利電壓的測量班級：微電xxxx學號：xxxxxx姓名：xxx課程設計報告1.目的 隨著當今科學技術的進步，有越來越多的器件被發(fā)明，但是有的器件和人們所設想的有一定的偏差，比如晶體管的輸出特性曲線和厄利電壓，現(xiàn)在來研究一下這個電壓。雙極結性晶體管（NPN）的集電極電流數(shù)值上等于從發(fā)射區(qū)注入基區(qū)的空穴形成的空穴擴散電流與空穴在渡越基區(qū)時發(fā)生少量復合而形成的空穴復合電流之差。在理想的三級管中，當VBE<0.7V時, 集電極電流為零，當VBE>0.7V時, 雙極結性晶體管導通，當VBC=0,即VCE=VBE,IC=IB,當VBC<0,此時集電極電流為IC

2、=IB+ICEO(ICEO代表基極開路，集電極反偏時從發(fā)射極穿透到集電極的電流，稱為集-發(fā)電流)，可見集電極電流IC與輸出端電壓VCE無關。但在實測的晶體管特性曲線中，IC在放大區(qū)隨VCE的增加而略有增加。這是由基區(qū)展寬效應（厄利效應）引起的。2.工作原理 厄利效應，也稱基區(qū)寬度調(diào)制效應，是指當雙極性晶體管（BJT）的集電極發(fā)射極電壓VCE改變，基極集電極耗盡寬度WBC（耗盡區(qū)大?。┮矔淖?。此變化稱為厄利效應。下圖中的有效中性基區(qū)為P所在的那個區(qū)，基區(qū)相鄰的耗盡區(qū)為相臨的畫有陰影的那個區(qū)，中性發(fā)射區(qū)和集電區(qū)為左右兩邊N所在的兩個區(qū)，集電區(qū)相鄰的耗盡區(qū)為相鄰的畫有陰影的那個區(qū)。從下圖中可以

3、看到，若集電極基極反向偏置電壓增大，則基區(qū)相鄰的耗盡區(qū)越寬，中性基區(qū)越窄?；鶇^(qū)變窄對于電流的影響有以下兩方面，由于基區(qū)變得更窄，電子與空穴復合的可能性更小。若穿過基區(qū)的電荷梯度增加，那么注入基區(qū)的少子電流會增加。在反向偏置電壓的作用下，集電結勢壘區(qū)寬度增寬。勢壘區(qū)右側(cè)向中性集電區(qū)擴展，左側(cè)向中性基區(qū)擴展。這使得中性基區(qū)寬度WB減少，如下圖所示?；鶇^(qū)寬度的減少使基區(qū)少子濃度梯度增加，必然導致電流放大系數(shù)和集電極電流的增大。 若集電區(qū)電壓升高，以上因素都會使集電區(qū)或晶體管的輸出電流增大，如下圖所示的雙極結性晶體管輸出特性曲線。特性曲線中電壓較大時的切線進行反向外推，其延長線與電壓軸相交，在電壓軸上

4、截得的負截距稱為厄利電壓，記為VA。從厄利效應可以看出，如果雙極結性晶體管的基區(qū)寬度發(fā)生變化，會導致更大的反向偏置電壓在集電極基極，會增加集電極基極耗盡區(qū)寬度，減少基區(qū)寬度?？偟膩碚f，增加集電極電壓（VC），集電極電流（IC）也會跟著上升。厄利電壓的推導：現(xiàn)在VBE為定值時，IC隨VCE的變化率。如果忽略基區(qū)中的復合與ICEO，則IC可表示為 IC=AEqDBni2exp(qVBE/kT)-1/WB0NB(x)de將上式對VCE求偏微分，并注意到式中只有WB是隨VCE變化的，得到 Ic/VCEVBE=ICNB(WB)(-dWB/dVCE)/ WB0NBdx 上式是在VBE為常數(shù)的條件下得到的。

5、事實上由于基區(qū)復合很小，多數(shù)晶體管的基極電流IB主要是由從基區(qū)向發(fā)射區(qū)注入少子的電流組成。因此VBE不變也就意味著IB不變，從而得 Ic/VCEIB= ICNB(WB)(-dWB/dVCE)/ WB0NBdx=IC/VA=1/r0上式中，VA稱為厄爾利電壓，r0稱為共發(fā)射級增量輸出電阻，分別有以下兩式表示 VA=WB0NBdx/NB(WB)(-dWB/dVCE) r0=VCE/Ic=VA/IC當VCE增加時，WB減少，因此VA是正的。上面第二式表明在晶體管的輸出端并聯(lián)著一個增量輸出電阻r0因VCE=VBE+VCB,故當VBE為定值時dVCE=dVCB,VCB是集電結上的反向電壓。當VCB變化時

6、，集電結勢壘區(qū)中性基區(qū)一側(cè)的電荷變化量為dQTC=ACNB(WB)(-dWB)上式中，AC是集電結面積。根據(jù)集電結勢壘電容的定義，有 CTCdQTC/dVCB=ACqNB(WB)(-dWB/dVCB)另一方面，中性基區(qū)的平衡多子總電荷可表示為 QBBO=AEqWB0NBdx于是厄利電壓可表示為 VA=QBBOAC/(CTCAE)實際上當集電極電壓VCB變化是QBBO及CTC也會發(fā)生變化，所以VA是VCB的函數(shù)。通常把VCB=0時的VA之值稱為厄利電壓。對于均勻基區(qū)晶體管，上面第五式（WB0NBdx）中的積分等于NBWB。有因基區(qū)寬度WB的減少量就是勢壘區(qū)寬度xdB的增加量，即-dWB=dxdB

7、,xdB是由給出的P區(qū)一側(cè)的勢壘區(qū)寬度xp。這時VA的表達式可簡化為 VA=WB/(-dWB/dVCB)=WB/(-dxdB/dVCB)=2WBVbi/xdB從上式可知，對應于IB為不同常數(shù)時的各條IC-VCE曲線VCE接近于零時的切線均交于橫坐標的（-VA）。顯然，VA越大，則增量輸出電阻r0越大，IC-VCE曲線越平坦，晶體管的輸出特性就越接近于理想情況。 由上式可知，增大VA的措施是增大基區(qū)寬度WB，減少勢壘區(qū)寬度xdB，即增大基區(qū)摻雜濃度。根據(jù)資料了解到，實際的雙極結性晶體管的晶體管的輸出特性曲線（IC-VCE曲線）上的集電極電流略有增加，對應于IB為不同常數(shù)時的各條IC-VCE曲線V

8、CE接近于零時的切線均交于橫坐標的，并估計驗證這個厄利電壓。首先，在為了驗證雙極結性晶體管的導通性，即VBE大于某個數(shù)值時，三級管才導通，然后在三極管導通的情況下，基極電流不變，從零開始增加集電極電壓，集電極電流增加，到放大區(qū)后約為不變，但集電極電流略有增加，改變基極電流，放大區(qū)集電極電流不隨基極電流的不同而不發(fā)生厄利效應，最后觀察到對應于IB為不同常數(shù)時的各條IC-VCE曲線VCE接近于零時的切線均交于橫坐標的一點，即為厄利電壓。3.仿真過程先仿真出一個雙極結性晶體管（NPN），具體方法如下，先定義一個網(wǎng)格x軸長度為2，初始位置在0，末尾位置在2，y軸長度為1，初始位置在0，末尾位置在1，定

9、義整個區(qū)域為硅襯底區(qū)域代號num=1，定義三個電極，發(fā)射極區(qū)域代號1，位于整個硅襯底的ymax=0，x=0到x=0.8的0.8個長度，基極區(qū)域代號2，位于整個硅襯底的ymax=0，x=1.5到x=2的0.5個長度，集電極區(qū)域代號3，位于整個硅襯底的底部，然后對雙極結性晶體管摻雜，發(fā)射極摻雜濃度為5x1019，基區(qū)濃度5x1019，集電區(qū)摻雜濃度為1x1018，且為線性緩變結，這樣就完成了這個雙極結性晶體管的器件仿真。求解需要的未知量，首先設置接觸類型，設置emitter（發(fā)射極）的接觸類型為n型多晶硅（n.poly）, surf.rec是類型參數(shù)，表示定義在相應的接觸處使用有限表面回復速度。將

10、collector(集電極)處的電壓增至2V，將base的電壓生至0.7伏特，將邊界條件轉(zhuǎn)換至電流邊界條件，提升基級電流，保存結構文件，分別載入每一個保存過的結構文件，以此為初值，并在此初值基礎上提升collector的電壓，并將數(shù)據(jù)結果分別保存在不同log文件中。將輸出結果用tonyplot重疊繪制并進行對比。仿真程序如下：#Go atlas #mesh x.m l=0 spacing=0.15 x.m l=0.8 spacing=0.15x.m l=1.5 spacing=0.12x.m l=2.0 spacing=0.15#y.m l=0.0 spacing=0.006 y.m l=0.

11、06 spacing=0.005y.m l=0.30 spacing=0.02y.m l=1.0 spacing=0.12#region num=1 silicon electrode num=1 name=emitter left length=0.8 electrode num=2 name=base right length=0.5 y.max=0electrode num=3 name=collector bottom#doping reg=1 uniform n.type conc=5e15doping reg=1 gauss n.type conc=1e18 peak=1.0 ch

12、ar=0.2doping 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=0.8doping reg=1 gauss p.type conc=5e19 peak=0.0 char=0.08 x.left=1.5#contact name=emitter n.poly surf.rec#solve init#save outf=abc_0.str#tonyplot abc_0.str -set abc_0.set#me

13、thod newton autonr trap#solve vcollector=0.025solve vcollector=0.1solve vcollector=0.25 vstep=0.25 vfinal=2 name=collector#solve vbase=0.1 vstep=0.1 vfinal=0.7 name=base# contact name=base current# solve ibase=1.e-6save outf=abc_1.str mastersolve ibase=2.e-6save outf=abc_2.str mastersolve ibase=3.e-

14、6save outf=abc_3.str mastersolve ibase=4.e-6save outf=abc_4.str mastersolve ibase=5.e-6save outf=abc_5.str masterload inf=abc_1.str master#log outf=abc_1.log solve vcollector=0.0 vstep=0.25 vfinal=5.0 name=collectorload inf=abc_2.str masterlog outf=abc_2.logsolve vcollector=0.0 vstep=0.25 vfinal=5.0

15、 name=collectorload inf=abc_3.str masterlog outf=abc_3.logsolve vcollector=0.0 vstep=0.25 vfinal=5.0 name=collectorload inf=abc_4.str masterlog outf=abc_4.logsolve vcollector=0.0 vstep=0.25 vfinal=5.0 name=collectorload inf=abc_5.str masterlog outf=abc_5.logsolve vcollector=0.0 vstep=0.25 vfinal=5.0

16、 name=collector# tonyplot -overlay abc_1.log abc_2.log abc_3.log abc_4.log abc_5.log -set abc_1_log.set#quit4.結果和討論在TCAD中運行上述程序，得到tonyplot圖，觀察并查看結果。雙極結性晶體管仿真摻雜之后，得到的.str文件如下：從圖中可以看出雙極結性晶體管在各個位置的濃度。基區(qū)寬度WB的長度為發(fā)射極與基極相鄰勢壘區(qū)的邊界到集電極到基極相鄰勢壘區(qū)的邊界的長度。在相同條件下，若增大基區(qū)的摻雜濃度，則基區(qū)寬度就會增加，根據(jù)公式 VA=2WBVbi/xdB可知，在其他條件不變的情況下，基區(qū)寬度WB增加勢必使厄利電壓VA增大，從而使晶體管的輸出特性曲線越接近于理想情況。并且基區(qū)寬度WB增加，必然使勢壘區(qū)寬度xdB的減小，同讓使厄利電壓VA增大，故讓晶體管的輸出特性曲線越接近于理想情況，不改變器件大小的情況下，只要增大基區(qū)摻雜濃度增加即可。得到的IC-VCE關系圖從圖中可以看出在雙極結性晶體管導通的狀態(tài)下，不同基極電流的情況下，在放大區(qū)中，隨著集電極電壓的增大，集電極電流并不是如理想狀態(tài)下一直不變，而是略有上升。根據(jù)厄利電壓定義可知，對應