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1、精选优质文档-倾情为你奉上器件与工艺模拟课程设计题目:PNP管设计及其准静态电特性分析班级：电子科学与技术11-1班组员： 李可 冼马军 张胜学号： 目录一、设计内容及基本要求二、晶体管工艺参数设计三、PNP管设计四、准静态电特性分析五、问题讨论六、心得体会七、参考文献一 设计内容及基本要求1、目标：设计一共射极直流增益150的PNP双极型晶体管，并分析其输入特性和输出特性。2、要求：1） MDRAW工具设计一个双极型晶体管（平面工艺）；2） 在MDRAW下对器件必要的位置进行网格加密；3） 编辑*_des.cmd文件，并在终端下运行此程序，其中集电极偏压从0V扫到-20V；4） 应用INSP
2、ECT工具得出器件的输出特性和不同基极电流（取0,-2,-4,-6,-8,-10A）时的Ic-Vc输出特性曲线。5） 用Tecplot_ise对比晶体管工作于放大区（iB0, VCEVBE）、饱和区（iB0, VCEVBE）和截止区（iB150的PNP双极型晶体管。首先各区浓度，一般晶体管浓度满足NENBNC。同时又要求发射极重掺杂，所以去NE=11019cm-3 ，NB=11017cm-3，NC=11016cm-3，根据图1，得到少子迁移率：C=n=1248cm2/vs B=p=331cm2/vs E=n=270cm2/vs根据公式可得少子的扩散系数DC=0.0261248=32.45cm2
3、/sDB=0.026331=8.61cm2/sDE=0.0261248=7.02cm2/s根据图2、图3，分别得到各区少子寿命C、B、E、C=810-5s B=210-6s E=1.0710-7s根据公式得出少子的扩散长度：LC=510m LB=41.4m LE=8.67m2、尺寸参数（1）集电极厚度：WC为5m，（2）基区宽度 当发射效率1时，电流放大系数，因此基区宽度的最大值可按下式估计：，设计过程中取=4。根据公式,求得低频管的基区宽度的最大值为： =21.4m基区宽度的具体设计：E-B结的内建电势为：C-B结的内建电势为：根据公式,E-B结在基区一边的耗尽层宽度为： ，可以当成单边突变
4、结处理 C-B结在基区一边的耗尽层厚度为： 对于准中性基区宽度W，取基区宽度，则 验证其取值的准确性，根据公式有： 解得的符合设计指标，所以基区宽度为，且没有超过其最大值。具体基区厚度实验进行调整。三 PNP管设计1、 双极型晶体管平面工艺 根据以上计算的数据，利用MDRAW软件设计并画出pnp的平面工艺图形，如图4。图4 平面工艺首先三个区均采用的是均匀掺杂。图中基区和集电区分别采用了欧姆接触和外延层重掺杂，浓度分别为：基区ND=11020cm-3，集电区NA=11020cm-3，目的是减小电阻。通过模拟，为达到所要求的增益150，最终确定的参数：(1) 浓度：发射区NE=11020cm-3
5、 ，基区NB=1.11017cm-3，集电区NC=11016cm-3，(2) 尺寸发射区：宽度WE=0.5m，长度LE=1m基区：宽度WC=0.65m，长度LC=3m集电区：宽度WC=3.85m，长度LC=3m最后各个区分界面经行网格加密，在运行程序，仿真出图4的图形，再保存文件。2、 Dessis文件及其仿真 根据MDRAW生成的pnp_mdr.grd，pnp_mdr.dat文件，进行dessis程序的编写，程序如下，完成Ib为0A、-2A、-4A、-6A、-8A、-10A时集电极电压从0扫到-20V的输出特性曲线。“File * Input Files Grid =“pnp_mdr.grd
6、” Doping =“pnp_mdr.dat” * Output Files Plot = “pnp_des.dat” Current = “pnp_des.plt” Output = “pnp.log”Electrode Name=“emitter” Voltage=0.0 Name=“base Voltage=0.0 Current=0.0 Name=“collector Voltage=0.0 Physics Mobility (DopingDependence HighFieldSaturation ) Recombination ( Auger SRH(DopingDep) ) Pl
7、ot Potential ElectricField SpaceCharge eTemperature eMobility hMobility eVelocity hVelocity DonorConcentration AcceptorConcentration DopingConcentration AvalancheGeneration SRH Auger TotalRecombination eDensity hDensity eCurrent hCurrent TotalCurrent eQuasiFermi hQuasiFermi Math Extrapolate NotDampe
8、d=100 Iterations=20 RelerrControl AvalDerivatives Solve * Initial Guess Coupled (Iterations=100) Poisson Coupled Poisson Electron Hole *Ramp base to 0.0uA save (FilePrefix=“ Ib0 ”) *Ramp base to -2e-6 uA Quasistationary(InitialStep=1e-9 Minstep=1e-12 Maxstep=0.2 Increment =1.5 Goal Name=“base” Curre
9、nt=-2e-6 ) Coupled Poisson Electron Hole save (FilePrefix=“Ib1”)*Ramp base to -4e-6 uA Quasistationary(InitialStep=1e-9 Minstep=1e-12 Maxstep=0.2 Increment =1.5 Goal Name=“base” Current=-4e-6 ) Coupled Poisson Electron Hole save (FilePrefix=“Ib2”) *Ramp base to -6e-6 uA Quasistationary(InitialStep=1
10、e-9 Minstep=1e-12 Maxstep=0.2 Increment =1.5 Goal Name=“base” Current=-6e-6 ) Coupled Poisson Electron Hole save (FilePrefix=“Ib3”)*Ramp base to -8e-6 uA Quasistationary(InitialStep=1e-9 Minstep=1e-12 Maxstep=0.2 Increment =1.5 Goal Name=“base” Current=-8e-6 ) Coupled Poisson Electron Hole save (Fil
11、ePrefix=“Ib2”)*Ramp base to -10e-6 uA Quasistationary(InitialStep=1e-9 Minstep=1e-12 Maxstep=0.2 Increment =1.5 Goal Name=“base” Current=-1e-5 ) Coupled Poisson Electron Hole save (FilePrefix=“Ib2”)# Load saved structures and ramp collector voltage to create family of curves:# First curveLoad (FileP
12、refix=“ Ib0” )NewCurrentFile=“ IcVc0_” Quasistationary(InitialStep=0.01 Minstep=1e-4 MaxStep=0.2 Goal Name = “collector” voltage=-20 ) Coupled Poisson Electron Hole CurrentPlot (time =(range =(0.0 0.2) intervals=10; range =(0.2 1.0) intervals=20) ) Load (FilePrefix=“ Ib1” )NewCurrentFile=“ IcVc1_” Q
13、uasistationary(InitialStep=0.01 Minstep=1e-4 MaxStep=0.2 Goal Name = “collector” voltage=-20 ) Coupled Poisson Electron Hole CurrentPlot (time =(range =(0.0 0.2) intervals=10; range =(0.2 1.0) intervals=20) ) Load (FilePrefix=“ Ib2” ) NewCurrentFile=“ IcVc2_” Quasistationary (InitialStep=0.01 Minste
14、p=1e-4 MaxStep=0.2 Goal Name = “collector” voltage=-20 ) Coupled Poisson Electron Hole CurrentPlot (time =(range =(0.0 0.2) intervals=10; range =(0.2 1.0) intervals=20) ) Load (FilePrefix=“ Ib3” )NewCurrentFile=“ IcVc3_”Quasistationary (InitialStep=0.01 Minstep=1e-4 MaxStep=0.2Goal Name = “collector
15、” voltage=-20 ) Coupled Poisson Electron Hole CurrentPlot (time =(range =(0.0 0.2) intervals=10; range =(0.2 1.0) intervals=20) ) Load (FilePrefix=“ Ib4” )NewCurrentFile=“ IcVc4_”Quasistationary (InitialStep=0.01 Minstep=1e-4 MaxStep=0.2Goal Name = “collector” voltage=-20 ) Coupled Poisson Electron
16、Hole CurrentPlot (time =(range =(0.0 0.2) intervals=10; range =(0.2 1.0) intervals=20) ) Load (FilePrefix=“ Ib5” )NewCurrentFile=“ IcVc5_”Quasistationary (InitialStep=0.01 Minstep=1e-4 MaxStep=0.2Goal Name = “collector” voltage=-20 ) Coupled Poisson Electron Hole CurrentPlot (time =(range =(0.0 0.2)
17、 intervals=10; range =(0.2 1.0) intervals=20) ) ”四 准静态电特性分析1、 输出特性曲线及基区宽度调制效应分析 通过调用inspect，观察输出特性曲线Ic-Vc，如图5图5 Ic-Vc特性曲线从图中不同基区电流，直流增益均在150以上。截止区集电极电流集合为零。并且从图中可以清楚看出基极不为零时，当集电极达到放大区后，IC大小并不是保持不变的，而是随着集电极电压反向增加缓慢增加，这就是基区调制效应引起的。如若仔细计算，我们还可以发现在不同基极电流下，直流增益是不同的，即随着Ib方向增大，增益略有减小，造成这个现象的原因是基区扩展效应，即电流增大
18、，当达到大电流时，会造成基区有效宽度增加，由公式可以看出，当基区宽度xB增加时，增益会有所减小。2、 不同工作区特性分析电场分布图6 截止区电场分布图7 饱和区电场分布图8 放大区电场分布图68分别是截止，饱和，放大区的电场分布，电压降主要集中耗尽层，所以电场分布也主要在耗尽层位置。在截止区时由于Ib0，发射结和集电结皆是反偏，两者皆不导通，且空间电荷区较宽，因此空间电荷区有较大电场，又因为集电结耗尽层远大于发射结，所以发射结电场较小且不明显。在饱和区(Ib0, 0VCEVBE0，由于发射结正偏，集电结反偏，发射结导通，集电结截止，因此只有集电结空间电荷区有较大电场。载流子分布图9 截止区电子
19、 空穴分布图10 饱和区电子 空穴分布图11 放大区电子 空穴分布从图911载流子分布可以看出，电子浓度在N型区较高，P型区较低，同时空穴浓度在P型区较高，N型区较低,而在空间电荷区载流子浓度较低。在截止区时，电流几乎为零，因而载流子分布和不加电压情况相同。在饱和区集电极稍加电压，在电压不大的情况下，相当于小注入，因此各个区少子浓度相对于截止区略有增加，当多子浓度几乎不变。放大区集电极所加电压较大，导通电流较大，相当于大注入的情况，因此各区多子浓度和少子浓度相对于饱和区而言增加的更多。电流分布图12 截止区电流分布图12 饱和区电流分布图14 放大区电流分布从截止区，饱和区，放大区电流分布可以
20、看出放大区电流饱和区电流截止区电流，且截止区电流几乎为零。在饱和区和放大区ICIB，可以看出晶体管具有电流放大作用。五 问题讨论 本次实验pnp晶体管各个区采用的是均匀掺杂，如果采用高斯掺杂是否可以得到同样理想的曲线及其特性？高斯掺杂相对于均匀掺杂更接近实际，但过程更为复杂。通过高斯掺杂获得的器件I-V特性曲线如图15，其直流放大增益较小几乎没有放大作用，并且通过调节掺杂浓度和基区宽度对放大增益的改善较小如左图。同时当基区宽度足够小时，基区调制效应和变得极为严重，使得电流增加速度几乎没有减缓，并且基区扩展效应也显著增加，增益随IB减小而迅速减小如右图。 图15 高斯掺杂特性曲线六 心得体会此次
21、实验虽然只有两周，但是给我们组所带来的困难却是相当大的，虽然已学过半导体物理和半导体器件物理课程，但是要把理论的知识应用到实际中还有一些困难。一开始对晶体管各个参数进行粗算时，公式用的不是很熟，而且参数的计算相对于做题而言，条件不是那么的理想，要考虑各种实际情况。然后是软件的使用，所用的软件“red hat”从没接触过，各种不会，队友们一起图书馆和网上查找资料，学习软件的使用，并且在老师的耐心教导下，逐渐熟悉并掌握软件的操作。画出较为理想的图形。进行特性仿真时，又出现了错误增益没达到要求的150，又通过不断调节基区宽度和掺杂浓度来提高增益，并且不断优化dessis文件，最终得到符合要求的器件和较为理想的特性曲线。此次试验不仅让我更加熟悉了半导体中的有关知识，而且让我明白了理论知识和实际是有一定的差距，我们的学习不应仅仅满足于理论，更要将理论投入实践中。并且此课设，每次遇到困难，都是和队友一起面对，一起解决，让我明白团队力量的强大，我想若是我一个人要完成这项工作，几乎是不可能的事。七 参考文献1、 孟庆巨等，半导体器件物理（第二版）【M】，北京：科学出版社2009，2、 刘恩科等，半导体物理学（第7版），北京：电子工业出版社2011.3，3、 韩雁 丁扣宝，半导体器件TCAD设计与应用【M】，山东：电子工业出版社2013。专心-专注-专业