第四章雙極要點(diǎn)課件

第四章雙極器件模擬

§1雙極器件模擬GoatlasTITLEBipolarGummelplotandIC/VCEwithconstantIB#SilvacoInternational1992,1993,1994

mesh

x.ml=0spacing=0.15

x.ml=0.8spacing=0.15

x.ml=1.0spacing=0.03

x.ml=1.5spacing=0.12

x.ml=2.0spacing=0.15

當(dāng)x=0時(shí),space=0.15μ，當(dāng)x=1μ時(shí)，space=0.03μ，

y.ml=0.0spacing=0.006

y.ml=0.04spacing=0.006

y.ml=0.06spacing=0.005

y.ml=0.15spacing=0.02

y.ml=0.30spacing=0.02

y.ml=1.0spacing=0.12

regionnum=1silicon

#y.mesh

當(dāng)y=0時(shí)，Sapce=0.006μ

#區(qū)域1是硅材料electrodenum=1name=emitterleftlength=0.8y.max=0electrodenum=2name=baserightlength=0.5y.max=0electrodenum=3name=collectorbottom

#Emitterontheleft

，length=0.8μ,atY=0#Baseontheright

，length=0.5μ,atY=0#Collectoratbottom#摻雜語(yǔ)句，在區(qū)域1內(nèi)，均勻分布，N型雜質(zhì)，濃度5e15。

#在區(qū)域1內(nèi)，高斯分布，n型雜質(zhì),做集電極接觸。

#高斯分布，p型雜質(zhì),做基區(qū)。

#高斯分布，n型雜質(zhì),做發(fā)射區(qū)，x的右邊界為0.8

#高斯分布，p型雜質(zhì),做基極接觸，x的左邊界為1.5。

dopingreg=1uniformn.typeconc=5e15dopingreg=1gaussn.typeconc=1e18peak=1.0char=0.2#basedopingreg=1gaussp.typeconc=1e18peak=0.05junct=0.15#EMITTERdopingreg=1gaussn.typeconc=5e19peak=0junct=0.05x.right=0.8#basecontactdopingreg=1gaussp.typeconc=5e19peak=0char=0.08x.left=1.5

§2設(shè)置器件結(jié)構(gòu)#setbipolarmodelsmodelsconmob

fldmob

consrhaugerprintcontactname=emittern.polysurf.rec#與濃度有關(guān)的遷移率，場(chǎng)，與濃度有關(guān)的srh復(fù)合，輸出所有模型的狀態(tài)，系數(shù)，常數(shù)的變化#規(guī)定有限表面的復(fù)合速度用于相關(guān)的接觸

solveinitsaveoutf=bjtex04_0.strtonyplotbjtex04_0.str-setbjtex04_0.setmethodnewton

autonrtrap#牛頓算法，執(zhí)行自動(dòng)的NewtonrichardronProcedure,減小步長(zhǎng)。solvevcollector=0.025solvevcollector=0.1solvevcollector=0.25vstep=0.25vfinal=2name=collector

solvevbase=0.025solvevbase=0.1solvevbase=0.2logoutf=bjtex04_0.log#把集電極加到2V，基極加到0.2V，開始記錄solvevbase=0.3vstep=0.05vfinal=1name=base#基極加到1V，bjtex04_0.log主要記錄了Vc=2V時(shí)，Vb從0.3V到1V，#ic和ib能得到HFE等tonyplotbjtex04_0.log-setbjtex04_0_log.setlogoff#關(guān)閉記錄

solveinitsolvevbase=0.025solvevbase=0.05solvevbase=0.1vstep=0.1vfinal=0.7name=base#模擬一個(gè)雙極管正常工作時(shí)vbase=0.7V的狀態(tài)。#switchtocurrentboundaryconditionscontactname=basecurrent

#由OUTFILE參數(shù)寫入的輸出文件上標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)文件，save了五個(gè)基極電流,在不同的文件中

#變化IB求解并保存結(jié)果solveibase=1.e-6saveoutf=bjtex04_1.strmastersolveibase=2.e-6saveoutf=bjtex04_2.strmastersolveibase=3.e-6saveoutf=bjtex04_3.strmastersolveibase=4.e-6saveoutf=bjtex04_4.strmastersolveibase=5.e-6saveoutf=bjtex04_5.strmaster#loadineachinitialguessfileandrampVCEloadinf=bjtex04_1.strmasterlogoutf=bjtex04_1.logsolvevcollector=0.0vstep=0.25vfinal=5.0name=collector#ib為1e-6時(shí)ic-vce關(guān)系曲線。loadinf=bjtex04_2.strmasterlogoutf=bjtex04_2.logsolvevcollector=0.0vstep=0.25vfinal=5.0name=collectorloadinf=bjtex04_3.strmasterlogoutf=bjtex04_3.logsolvevcollector=0.0vstep=0.25vfinal=5.0name=collectorloadinf=bjtex04_4.strmasterlogoutf=bjtex04_4.logsolvevcollector=0.0vstep=0.25vfinal=5.0name=collectorloadinf=bjtex04_5.strmasterlogoutf=bjtex04_5.logsolvevcollector=0.0vstep=0.25vfinal=5.0name=collector#以圖形成輸出結(jié)果tonyplot-overlaybjtex04_1.logbjtex04_2.logbjtex04_3.logbjtex04_4.logbjtex04_5.log-setbjtex04_1_log.setquit第四章雙極器件模擬

§2光電表面控制負(fù)阻晶體管（PNEGIT)器件模擬毛陸虹2002.10.8器件結(jié)構(gòu)光電表面控制負(fù)阻晶體管PNEGIT（PhotoelectronicSurface-ControlledNegativeImpedanceTransistor)結(jié)構(gòu)是在常規(guī)光電三極管發(fā)射結(jié)上面做一柵極，器件結(jié)構(gòu)是柵控晶體管，將柵極與集電極相連，原基極電極處作為光注入窗口.當(dāng)該器件工作時(shí)，發(fā)射極(E)接地，集電極（柵極）接正電壓。光照基極電位

IphB，又VCE(VG)

柵極下面的基區(qū)表面將發(fā)生耗盡

IBS(IphB)eff

IphC，就在IphC-VCE特性曲線上出現(xiàn)負(fù)阻區(qū)

圖4.2-1模擬中的PNEGIT器件剖面結(jié)構(gòu)，器件的橫方向是x，縱方向是y，與x,y垂直的方向?yàn)閦方向。光電表面控制負(fù)阻晶體管結(jié)構(gòu)是在常規(guī)光電三極管發(fā)射結(jié)上面做一柵極，器件結(jié)構(gòu)是柵控晶體管，將柵極與集電極相連，見圖4.2-1光電表面控制負(fù)阻晶體管(PNEGIT)

器件模擬程序goatlas

TITLEPnegit

MESH

X.Ml=0spacing=0.25

X.Ml=7spacing=0.25

Y.Ml=-0.05spacing=0.025

Y.Ml=0spacing=0.025Y.Ml=0.5spacing=0.05

Y.Ml=2spacing=0.1

REGIONNUM=1Y.MIN=0SILICONREGIONNUM=2Y.MAX=0oxideELECTrodeNUM=1NAME=baseX.MIN=1.25X.MAX=1.75Y.MAX=0.0Y.MIN=0ELECTrodeNUM=2NAME=EmitterX.MIN=4.25X.MAX=5.25Y.MAX=0.0Y.MIN=0ELECTrodeNUM=3NAME=CollectorBOTTOMELECTrodeNUM=4NAME=GateX.MIN=2.0X.MAX=4.0y.min=-0.05y.max=-0.05dopingreg=1n.TYPE

conc=5e15Y.MIN=0UNIFORM#基區(qū)dopingreg=1p.TYPEgaussconc=1e17peak=0.3CHAR=0.16X.MIN=1.25x.max=5.75ratio.lat=0.75dopingreg=1p.TYPEgaussconc=9e16peak=0.0CHAR=0.16X.MIN=1.25x.max=5.75ratio.lat=0.75#發(fā)射區(qū)dopingreg=1n.TYPEgaussconc=7e18peak=0CHAR=0.1X.MIN=3.75x.max=5.25ratio.lat=0.75#集電區(qū)接觸層dopingreg=1n.TYPE

conc=1e19peak=2.0CHAR=0.27REGRIDDOPINGLOGarithmRATIO=1SMOOTH.k=1REGRIDDOPINGLOGarithmRATIO=1SMOOTH.k=1\X.MIN=2.25X.MAX=5.75Y.MAX=0.50INTERFACES.P=1e4S.N=1e4QF=1e10inttrap

e.level=0.49acceptordensity=1e10degen=12sign=1e-15sigp=1e-15＃界面缺陷陷阱，陷阱能級(jí)，受主能級(jí)，陷阱能級(jí)的狀態(tài)密度，陷阱能級(jí)的簡(jiǎn)并因子，電子和空穴捕獲截面inttrap

e.level=0.32donordensity=1e10degen=1sign=1.e-15sigp=1.e-15trape.level=0.49acceptordensity=1e13degen=12sign=1e-13sigp=1e-13#體缺陷陷阱trape.level=0.32donordensity=1e13degen=1sign=1e-13sigp=1e-13contactname=basecurrentbeamnum=1x.origin=1y.origin=-1.55angle=90.0wavelength=0.6019\min.window=-1max.window=3solveinit#REGRIDPHOTOGENIGNORE=OXIDERATIO=.2MAX=1SMOOTH=1MODELSCONSRHAUGERCONMOBFLDMOBSRFMOB2saveoutf=pn7_0.strmasterlogoutf=pn7_0.logmethodnewton

solvev3=0.05b1=1e-6solvev3=0.05b1=1e-5solvev3=0.05b1=1e-4solvev3=0.05b1=1e-3solvev3=0.05b1=1e-2solvev3=0.05b1=1e-1solvev3=.1v4=0.1b1=1e-1solvev3=.5v4=.5b1=1e-1solvev3=1v4=1b1=1e-1solvev3=2v4=2b1=1e-1solvev3=5v4=5b1=1e-1solvev3=10v4=10b1=1e-1solvev3=20v4=20b1=1e-1outputflowlines

jx.e

jy.e

jx.h

jy.hsaveoutf=pn7_1.strtonyplotpn7_0.log-setpn7_0.log.set圖4.2-2給出產(chǎn)生負(fù)阻前的電流密度矢量圖，圖中器件的電極分別是柵極、基極、發(fā)射極、集電極，器件內(nèi)的分界線分別是發(fā)射結(jié)、發(fā)射結(jié)耗盡區(qū)邊界、集電結(jié)、集電結(jié)耗盡區(qū)邊界。器件加電壓，當(dāng)器件VCE(VG)為0.2V時(shí),器件還未進(jìn)入負(fù)阻區(qū)，從圖可見光生基極電流即IphB向發(fā)射結(jié)流動(dòng)

.圖4.2-2PNEGIT出現(xiàn)負(fù)阻前的電流密度矢量圖圖4.2-3給出產(chǎn)生負(fù)阻時(shí)的電流密度矢量圖，VCE(VG)為3V,從圖可見負(fù)阻出現(xiàn)后基區(qū)的光生電流IphB一部分向表面和柵極下耗盡區(qū)內(nèi)流動(dòng)，即復(fù)合電流IBS，另一部分流向發(fā)射結(jié)流動(dòng)即有效基極電流(IphB)eff，這就用模擬驗(yàn)證了上述分析的正確性。

圖4.2-3PNEGIT出現(xiàn)負(fù)阻時(shí)的電流密度矢量圖圖4.2-4不同光強(qiáng)度下PNEGIT的IphC-VCE特性圖4.2-5給出器件基區(qū)表面濃度變化對(duì)負(fù)阻曲線的影響，從圖中可見摻雜越高Nbs越不易出現(xiàn)表面耗盡達(dá)到表面耗盡所需VCE(VG)

負(fù)阻出現(xiàn)的晚，在器件設(shè)計(jì)中可以用調(diào)整摻雜濃度以控制負(fù)阻曲線。模擬還顯示了器件的擊穿特性，基區(qū)摻雜濃度Nbs在反偏下集電結(jié)耗盡區(qū)向基區(qū)擴(kuò)展的越少穿通電壓。圖4.2-5PNEGIT基區(qū)表面濃度變化對(duì)負(fù)阻曲線的影響圖4.2-6比較了柵氧化膜厚度tox變化對(duì)負(fù)阻曲線的影響，tox分別取0.1m、0.15m和0.2m，可見厚度相當(dāng)于MOS電容柵下感應(yīng)的電荷耗盡區(qū)厚度

IBS負(fù)阻出現(xiàn)所對(duì)應(yīng)的VCE越高。在器件設(shè)計(jì)中亦可調(diào)整柵氧化膜厚度以控制負(fù)阻曲線。圖4.2-7比較柵覆蓋基區(qū)面積大小對(duì)負(fù)阻曲線的影響，將圖4.2-1器件向x方向擴(kuò)大使柵面積分別為1.5d、1.75d、3d(m2)，d為z方向的長(zhǎng)度。首先可以看出柵面積越小負(fù)阻隨VCE增加出現(xiàn)的越晚，這是因?yàn)闁琶娣e越小，柵下耗盡區(qū)越小。而當(dāng)柵面積減小時(shí)負(fù)阻區(qū)之后的IphC越大，這是因?yàn)闁琶娣e越小，柵對(duì)器件覆蓋面積越小，耗盡區(qū)越小，復(fù)合電流越弱，谷值電流增大。

圖4.2-6柵氧化膜厚度tox變化圖4.2-7柵覆蓋基區(qū)面積大小對(duì)負(fù)阻曲線的影響對(duì)負(fù)阻曲線的影響采用如下方法提取IBS1，IBS2。首先取消模擬程序中的體復(fù)合項(xiàng)，即取消Trap語(yǔ)句,。把柵極做在冶金結(jié)空間電荷層以外，柵面積為1.2d(m2)見圖3.2-8a,加VBE=0.5V，加VCE再做一個(gè)與圖3.2-6a相同的器件，只是把柵極做在冶金結(jié)上面，柵覆蓋面積0.4d(m2)見圖3.2-8b，與圖3.2-8a加相同的電壓.直接顯示IB就得到疊加在(IB)eff以上的IBS1和IBS2見圖3.2-9。圖4.2-8aNEGIT柵覆蓋在冶金結(jié)外圖4.2-8bNEGIT柵覆蓋在冶金結(jié)上可以看