半导体器件模拟仿真

平时：30%上机+考试：70%第1页/共201页第一页，编辑于星期日：十二点 四十四分。 内容大纲一、 半导体仿真概述 2学时二、 半导体器件仿真软件使用 2学时+2学时上机三、 Diode器件仿真 2学时+2学时上机四、BJT器件仿真 4学时+4学时上机五、半导体工艺仿真软件使用 4学时+4学时上机六、MOS工艺及器件仿真 4学时+4学时上机七、总结与复习 2学时+4学时上机第2页/共201页第二页，编辑于星期日：十二点 四十四分。（1）什么是仿真？仿真和另外一个词汇建模（modeling）是密不可分的。所谓建模就是用数学方式抽象地总结出客观事物发展的一般规律。 仿真是在这个一般规律的基础上，对某事物在特定条件下的行动进行推演和预测。因此可以说建模是仿真的基础，仿真是随着建模的发展而发展的。建模和仿真的关系可以比作程序设计中算法和语言的关系。一、概论：半导体仿真概述 Introduction of Semiconductor Simulation1. 这门课是研究什么的？第3页/共201页第三页，编辑于星期日：十二点 四十四分。（2）什么是半导体器件仿真？那么像电子IT行业里面的仿真软件按用途分是多种多样的。仅仅是集成电路这个行业来讲，就分电路仿真、器件仿真、工艺仿真等。再深入下去研究，研究固体物理学，半导体物理学也都有相关的仿真软件可以进行原子、分子级别的仿真。包括工艺仿真和器件电学特性仿真两个部分。研究单个元器件从生产工艺到性能特性的。第4页/共201页第四页，编辑于星期日：十二点 四十四分。（3） 什么是半导体器件仿真器？ 前面提及的理论基础不仅仅是同学们学习这门功课所需要的前期基础知识，也同样是开发仿真软件中最需要的理论基础。为什么呢？ 因为仿真实质上是通过仿真器来完成的。一般仿真器实质上等于（输入接口+模型库+算法+输出接口）核心部分是模型库的建立，精度，处理速度需要通过算法来调节。一个半导体仿真器弄能是否强劲，就是看模型库是否强大。所以它是随着对半导体理论的探索和对实验数据的累计的发展而发展的。第5页/共201页第五页，编辑于星期日：十二点 四十四分。2. 在整个学科中所处的位置是什么？从纵向来讲，和其他CAD类或仿真类课程一样，它是基础理论知识和实际生产的链接点。从横向来讲，电路模拟、工艺模拟、器件模拟之间的关系可以用下面的结构图来表示第6页/共201页第六页，编辑于星期日：十二点 四十四分。工艺描述几何结构及掺杂 工艺仿真 (Process Simulation)电学特性 器件仿真 (Device Simulation)电路模拟用器件模型参数 IC电路仿真 (IC Circuit Simulation)IC电路特性本门课程重点学习部分 器件模拟参数提取 (Device parameter extraction tools)第7页/共201页第七页，编辑于星期日：十二点 四十四分。3. 有什么用？一方面，充分认识半导体物理学，半导体器件物理学等这些抽象难懂的理论基础知识在半导体工业中的实际应用。加强理论教学的效果。仿真也可以部分取代了耗费成本的硅片实验，可以降低成本，缩短了开发周期和提高成品率。也就是说，仿真可以虚拟生产并指导实际生产。第8页/共201页第八页，编辑于星期日：十二点 四十四分。如前图所表，这个器件仿真在逻辑上是基础于电路仿真的。工艺仿真可以实现离子注入、氧化、刻蚀、光刻等工艺过程的模拟。可以用于设计新工艺，改良旧工艺。器件仿真可以实现电学特性仿真，电学参数提取。可以用于设计新型器件，旧器件改良，验证器件的电学特性。如MOS晶体管，二极管，双极性晶体管等等。提取器件参数，或建立简约模型以用于电路仿真。第9页/共201页第九页，编辑于星期日：十二点 四十四分。4.学习这门功课需要哪些准备？半导体物理学半导体器件物理学、MOS、BJT、Diode、功率器件等集成电路工艺技术简单的电路基础。第10页/共201页第十页，编辑于星期日：十二点 四十四分。5. 学到什么程度？具体学什么？掌握模拟仿真软件的使用，对半导体器件的特性进行模拟和分析。具体为：1. 复习现有以硅为主的超大规模集成电路工艺技术。学习工艺仿真软件的使用方法 （氧化、扩散、离子注入、淀积、刻蚀、光刻等）2. 熟悉并学会使用器件仿真软件（1）学习如何用仿真语句编写器件的结构特征信息（2）学习如何使用atlas器件仿真器进行电学特性仿真3. 对半导体工艺仿真及器件仿真中所用到的模型加以了解4*. 利用工艺器件仿真软件，培养和锻炼工艺流程设计和新器件开发设计等方面的技能。第11页/共201页第十一页，编辑于星期日：十二点 四十四分。6. 半导体器件仿真的历史发展1949年：半导体器件模拟的概念起源于此年肖克莱（Shockley）发表的论文，这篇文章奠定了结型二级管和晶体管的基础。但这是一种局部分析方法，不能分析大注入情况以及集电结的扩展。1964年：古默尔（）首先用数值方法代替解析方法模拟了一维双极晶体管，从而使半导体器件模拟向计算机化迈进。1969年：DPKennedy和第一个用二维数值方法研究了JFET。JWSlotboom用二维数值方法研究了晶体管的DC特性。从此以后，大量文章报导了二维数值分析在不同情况和不同器件中的应用。相应地也有各种成熟的模拟软件，如CADDET和MINIMOS等。第12页/共201页第十二页，编辑于星期日：十二点 四十四分。Avanti: Tsuprem4/ MediciTsuprem4/Medici是Avanti公司的二维工艺、器件仿真集成软件包。Tsuprem4是对应的工艺仿真软件，Medici是器件仿真软件。7. 可选择的工艺及器件仿真工具简介第13页/共201页第十三页，编辑于星期日：十二点 四十四分。ISE-TCAD工艺及器件仿真工具ISE-TCAD是瑞士 ISE ( Integrated Systems Engineering ) 公司开发的生产制造用设计（DFM：Design For Manufacturing）软件，是一种建立在物理基础上的数值仿真工具，它既可以进行工艺流程的仿真、器件的描述，也可以进行器件仿真、电路性能仿真以及电缺陷仿真等。基本上是成为行业标准，功能强大，已被收购，升级版为Sentaurus TCAD。第14页/共201页第十四页，编辑于星期日：十二点 四十四分。Sentaurus TCAD Sentaurus Process 整合了： Avanti 公司的Tsuprem系列工艺级仿真工具（Tsuprem，Tsuprem，Tsuprem只能进行一维仿真，到了第四代的商业版Tsuprem4能够完成二维模拟）以及Taurus Process 系列工艺级仿真工具；(2)ISE Integrated Systems Engineering公司的ISE TCAD工艺级仿真工具Dios（二维）FLOOPS-ISE（三维）以及Ligament（工艺流程编辑）系列工具，将一维、二维和三维仿真集成于同一平台。Sentaurus Device 整合了(1)Avanti 的Medici和 Taurus Device (2)ISE 的DESSIS 器件物理特性仿真工具, 充实并修正了诸多器件物理模型, 推出新的器件物理特性分析工具Sentaurus Device。第15页/共201页第十五页，编辑于星期日：十二点 四十四分。Silvaco TCAD用来模拟半导体器件电学性能，进行半导体工艺流程仿真，还可以与其它EDA工具组合起来使用(比如spice)，进行系统级电学模拟。SivacoTCAD为图形用户界面，直接从界面选择输入程序语句，非常易于操作。其例子教程直接调用装载并运行，是例子库最丰富的TCAD软件之一。Silvaco TCAD平台包括：工艺仿真(ATHENA)器件仿真(ATLAS)快速器件仿真(Mercury)第16页/共201页第十六页，编辑于星期日：十二点 四十四分。 devedit 结构编辑器材料定义、结构定义指令 等价 *.str结构文件 atlas 器件仿真器*.log文件包含器件在指定工作条件下的工作特性。*.str文件指定工作条件下的结构文件。包含器件的载流子分布、电势分布、电场分布等信息。输入端仿真系统输出端输出端/输入端 athena工艺仿真器图形界面操作-简易方便命令方式输入-复杂费力Silvaco 软件介绍外部指令 如偏压等工艺指令 如扩散等输出端仿真系统输入端输入端输入端指令的输入通过deckbuild 软件窗口传送至仿真器*.log *.str等输出文件通过tonyplot软件窗口来查看athena工艺仿真部分Atlas器件仿真部分第17页/共201页第十七页，编辑于星期日：十二点 四十四分。Athena概述用途：开发和优化半导体制造工艺流程。 功能：模块大致分3类（1） 用来模拟 离子注入、扩散、氧化等以模拟掺杂分布为主 的模块。 （2） 用来模拟 刻蚀、淀积等以形貌为主的模块 （3）用来模拟固有和外来衬底材料参数及/或制造工艺条件参数的扰动对工艺结果影响的所谓IC工艺统计模拟 可迅速和精确地模拟应用在CMOS、双极、SiGe / SiGeC 、SiC、SOI 、III-V、光电子和功率器件技术的所有关键加工步骤 athena工艺仿真器第18页/共201页第十八页，编辑于星期日：十二点 四十四分。如图所示为一个半导体工艺仿真的结果示意图。掺杂浓度几何结构 第19页/共201页第十九页，编辑于星期日：十二点 四十四分。deckbuild 的使用（1）deckbuild的调用在终端下使用如下命令：deckbuild-an&注： -an表示当启动deckbuild时，使用athena作为默认仿真器回车，短暂延时后，会出现deckbuild的主窗口，如图：上半部分的文本窗口用来创建和编辑仿真程序的输入窗口。中间是程序控制窗口下半部分的窗口是运行时用来显示仿真器的输出信息。第20页/共201页第二十页，编辑于星期日：十二点 四十四分。（2）程序实例为了熟悉deckbuild下运行athena的机制，我们来打开和运行一些程序实例。点击菜单 Main Control, 在下拉菜单中再点击 Examples，会出现子窗口Deckbuild:examples所有实例都列在菜单”section”中根据应用类别分为若干组第21页/共201页第二十一页，编辑于星期日：十二点 四十四分。双击文件名来选择实例如Mos1ex01.in被选中的输入文件的描述将会出现在示例窗口中，如图所示这些描述包括a. 运行本例所需要的软件模块b. 提供本例演示概貌c. 描述本例所使用的仿真命令d. 描述本例运行结束后显示出来的结果点击Load example与这个例子相关的输入文件会载入到deckbuild的文本窗口中此输入文件以及与之相关的其他文件会自动拷贝到你的工作目录中去第22页/共201页第二十二页，编辑于星期日：十二点 四十四分。通过点击中间的程序控制窗口中的run按钮，来运行输入文件。第23页/共201页第二十三页，编辑于星期日：十二点 四十四分。一旦工艺模拟完成，MOS管的结构将会自动显示出来。如图所示，这是MOS管的结构图。接下来会自动传递给器件仿真器 - ATLAS来进行器件仿真。第24页/共201页第二十四页，编辑于星期日：十二点 四十四分。功能:（1）勾画器件。（2）生成网格。(修改网格) 既可以对用devedit画好的器件生成网格，或对athena工艺仿真生成含有网格信息的器件进行网格修改。为什么要重新定义网格？ 工艺仿真中所生成的网格是用来形成精确度掺杂浓度分布、结的深度等以适合于工艺级别的网格，这些网格某些程度上不是计算器件参数所必需的。例如在计算如阈值电压、源/漏电阻，沟渠的电场效应、或者载流子迁移率等等。Devedit可以帮助在沟渠部分给出更多更密度网格而降低其他不重要的区域部分，例如栅极区域或者半导体/氧化物界面等等。以此可以提高器件参数的精度。简单说就是重点区域重点给出网格，不重要区域少给网格。和工艺仿真的区别devedit - 考虑结果 他不考虑器件生成的实际物理过程，生成器件时不需要对时间、温度等物理量进行考虑。athena - 考虑过程 必需对器件生成的外在条件、物理过程进行描述。 devedit 结构编辑器athena之外的另一种可以生成器件信息的工具。第25页/共201页第二十五页，编辑于星期日：十二点 四十四分。第26页/共201页第二十六页，编辑于星期日：十二点 四十四分。结构材料定义： Mesh(网格)Region(区域)Electrode(电极) Doping(掺杂) Material(材料)材料定义、结构定义指令 athena之外的另一种可以生成器件信息的工具。与devedit类似，用atlas器件仿真器语言编写器件信息。与devedit不同的是需要编程操作，没有图形操作界面。第27页/共201页第二十七页，编辑于星期日：十二点 四十四分。第28页/共201页第二十八页，编辑于星期日：十二点 四十四分。二、半导体器件仿真软件使用 本章介绍ATLAS器件仿真器中所用到的语句和参数。具体包括：语句的语法规则语句名称 语句所用到的参数列表， 包括类型，默认值及参数的描述正确使用了语句的实例学习重点（1） 语法规则 （2）用ATLAS程序语言编写器件结构第29页/共201页第二十九页，编辑于星期日：十二点 四十四分。1. 语法规则规则1： 语句和参数是不区分大小写的。 A=a 可以在大写字母下或小写字母下编写。abc=Abc=aBc 规则2： 一个语句一般有以下的定义格式： =其中：表示语句名称表示参数名称表示参数的取值。 间隔符号是被用来分离语句中的多个参数。第30页/共201页第三十页，编辑于星期日：十二点 四十四分。解析：在一个语句后的参数可以是单词或者数字。 单词可由字母和数字所组成的字符串。由空格（space）或回车(carriage return)来终止。例： region (OK) reg ion (wrong)数字可以是数字也可以是字符串也是由空格（space）或回车(carriage return)来终止。例: 3.16 (OK) 3.1 6 (wrong)数字的取值范围可以从1e-38 到 1e38 数字可以包含符号 + 或 或 E（十进制） 例： -3.1415 （OK）第31页/共201页第三十一页，编辑于星期日：十二点 四十四分。规则3: 参数有4种类型任何没有逻辑值的参数必须按 PARA=VAL 的形式定义这里PARA表示参数名称，VAL表示参数值。 包括 ：特性型，整数型，实数型参数（Character, Integer， Real）而逻辑型参数必须和其他参数加以区分。第32页/共201页第三十二页，编辑于星期日：十二点 四十四分。例如，在语句：DOPING UNIFORM CONCENTRATION=1E16 P.TYPE 中解析：Doping 是语句名称Uniform 和 p.tpye是两个逻辑型参数，在程序内部对应了逻辑值CONCENTRATION=1E16 对应的是一个实数型参数。每一个语句对应多个参数，这些参数代表了这个语句的某种属性，但都包含在4中参数之中。第33页/共201页第三十三页，编辑于星期日：十二点 四十四分。温馨提示：（1）命令缩减没有必要输入一个语句或参数名的全称。 ATLAS只需要用户输入足够的字符来区分于其他命令或参数。例： 命令语句 DOP 等同于 doping， 可以作为其命令简写。 但建议不要过度简单，以免程序含糊不清，不利于将来调用时阅读。（2）连续行有的语句超过256个字符，为了不出现错误，ATLAS语序定义连续行。将反斜线符号放在一条语句的末尾，那么程序每当遇到都会视下一行为上一行的延续。 第34页/共201页第三十四页，编辑于星期日：十二点 四十四分。2. 通过实例学语句实例简介：此实例演示了肖特基二极管正向特性。大致分为三个部分（1）用atlas 句法来形成一个二极管结构（2）为阳极设置肖特基势垒高度（3）对阳极正向偏压第35页/共201页第三十五页，编辑于星期日：十二点 四十四分。go atlas 调用atlas器件仿真器mesh space.mult=1.0 网格初始化#x.mesh loc=0.00 spac=0.5 x方向网格定义x.mesh loc=3.00 spac=0.2x.mesh loc=5.00 spac=0.25x.mesh loc=7.00 spac=0.25x.mesh loc=9.00 spac=0.2x.mesh loc=12.00 spac=0.5#y.mesh loc=0.00 spac=0.1 y方向网格定义y.mesh loc=1.00 spac=0.1y.mesh loc=2.00 spac=0.2y.mesh loc=5.00 spac=0.4region num=1 silicon 定义区域electr name=anode x.min=5 length=2 定义电极electr name=cathode bot#. N-epi doping doping n.type conc=5.e16 uniform 定义初始掺杂浓度 #. Guardring doping doping p.type conc=1e19 x.min=0 x.max=3 junc=1 rat=0.6 gauss 定义p环保护掺杂doping p.type conc=1e19 x.min=9 x.max=12 junc=1 rat=0.6 gauss#. N+ doping doping n.type conc=1e20 x.min=0 x.max=12 y.top=2 y.bottom=5 uniformsave outf=diodeex01_0.strtonyplot diodeex01_0.str -set diodeex01_0.setmodel conmob fldmob srh auger bgn contact name=anode workf=4.97solve initmethod newtonlog outfile=diodeex01.logsolve vanode=0.05 vstep=0.05 vfinal=1 name=anodetonyplot diodeex01.log -set diodeex01_log.setquit第36页/共201页第三十六页，编辑于星期日：十二点 四十四分。解析：（1）第一部分语句用来描述器件，包括网格参数（mesh）, 电极设置（electrode locations）以及掺杂分布（doping distribution） 这是一个具有重掺杂的浮动式环状保护区域的二维n类型器件，它分布在结构的左右两边。肖特基阳极在器件顶端，重掺杂的阴极位于器件底端。（2）在器件描述之后，模型语句被用来定义下列模型：载流子浓度、迁移率、场迁移率、能隙变窄、SRH激发复合模型、Auger复合模型。双载流子模型也有所定义 carriers=2第37页/共201页第三十七页，编辑于星期日：十二点 四十四分。关键语句是设置肖特基接触contact name= (char表示接触的名称，用英文字符来表示比如 anode cathode)work= (val表示变量参数，用来设置功函数大小)这个语句是用来设置肖特基电极的功函数的。在这个例子里面，因为衬底是亲和能为4.17的n类型硅，所指定的功函数为4.97，这样提供了一个肖特基势垒的高度为0.8V. 默认的势垒高度是0. （一个完美的欧姆接触）这个条件是为阴极假定的。（3）电学仿真简单地将阳极电压以间隔为0.05V升至1.0V.第38页/共201页第三十八页，编辑于星期日：十二点 四十四分。3. ATLAS器件仿真器中所用到的语句和参数详解：#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：go atlas 解析： go 用来退出和重新启动atlas仿真器注意： 这个命令是通过 deckbuild来执行的主要包括三大部分内容（1）器件编辑语句 region、electrode、doping等（2）模型与环境设置语句 models method等（3）电学特性仿真语句 solve 等 第39页/共201页第三十九页，编辑于星期日：十二点 四十四分。#语句2 设置初始网格均匀分布，为1.0微米 mesh space.mult=1.0 #语句3 设置x方向网格，从以0.5间隔的x=0.00的位置渐变过渡到以0.2为间隔的x=3.0的位置。这样可以根据需要设置多个网格x.mesh loc=0.00 spac=0.5 x.mesh loc=3.00 spac=0.2x.mesh loc=5.00 spac=0.25x.mesh loc=7.00 spac=0.25x.mesh loc=9.00 spac=0.2x.mesh loc=12.00 spac=0.5第40页/共201页第四十页，编辑于星期日：十二点 四十四分。解析：以上建立了一个含有网格信息的12微米5微米大小的区域。.MESH 定义沿着方向的网格位置。注意： x,y,z 方向上定义是等价的。语法结构如下：X.MESH LOCATION= SPACING=Location定义了网格线的位置Spacing定义了网格间隔。#语句4设置y方向网格信息y.mesh loc=0.00 spac=0.1y.mesh loc=1.00 spac=0.1y.mesh loc=2.00 spac=0.2y.mesh loc=5.00 spac=0.4第41页/共201页第四十一页，编辑于星期日：十二点 四十四分。#语句5 区域定义语句 region num=1 silicon解析:region语句定义了材料的位置 每一个三角形都必须定义成一种材料。语法结构如下： REGION NUMBER= Number=定义了一个区域的序号，它可以从1到200. 具有同一个区域序号的多重区域线条可以用来定义一个具有多个矩形特征的区域。是一种或多种材料的名字 如 silicon sio2 polysilicon等。是一个或多个位置参数。第42页/共201页第四十二页，编辑于星期日：十二点 四十四分。region num=1 silicon x.min=1.0 x.max=12 y.min=0.5 y.max=5对于一个区域，可以指定其材料属性和位置坐标第43页/共201页第四十三页，编辑于星期日：十二点 四十四分。region num=1 silicon x.min=1.0 x.max=12 y.min=0.5 y.max=5region num=2 sio2 x.min=0.0 x.max=1 y.min=0 y.max=5定义多个区域，可使用多个region语句来完成。第44页/共201页第四十四页，编辑于星期日：十二点 四十四分。region num=1 silicon x.min=1.0 x.max=12 y.min=0.5 y.max=5region num=2 sio2 x.min=0.0 x.max=1 y.min=0 y.max=5region num=2 sio2 x.min=0.0 x.max=12 y.min=0 y.max=1定义每个区域可以使用多条Region语句，只要保证区域标号一致即可。第45页/共201页第四十五页，编辑于星期日：十二点 四十四分。Silvaco ATLAS仿真器中可选的材料。主要包括单晶半导体如 硅、锗、金刚石等化合物半导体如 砷化镓等 III-V族 II-VI族等绝缘体如 二氧化硅，四氮化三硅等导体如 多晶硅、铝、金等几大类。第46页/共201页第四十六页，编辑于星期日：十二点 四十四分。#语句6 电极定义语句，其基本格式是# ELECTRODE NAME= NUMBER= 电极语句 电极名称 电极编号 电极位置 electr name=anode x.min=5 length=2electr name=cathode bot(系统默认是电极位置为 top x.min=0 x.max=x.max)第47页/共201页第四十七页，编辑于星期日：十二点 四十四分。electr name=anode x.min=5 length=2 y.min=0 y.max=0.5electr name=cathode bot第48页/共201页第四十八页，编辑于星期日：十二点 四十四分。electr name=anode x.min=5 length=2 y.min=0 y.max=0.5electr name=cathode y.min=4.5 y.max=5第49页/共201页第四十九页，编辑于星期日：十二点 四十四分。#语句7 掺杂定义语句doping n.type conc=5.e16 uniform掺杂语句 掺杂类型定义 掺杂浓度定义 掺杂形态定义# p type dopingdoping p.type conc=1e19 x.min=0 x.max=3 junc=1 rat=0.6 gaussdoping p.type conc=1e19 x.min=9 x.max=12 junc=1 rat=0.6 gauss#. N+ doping doping n.type conc=1e20 x.min=0 x.max=12 y.top=2 y.bottom=5 uniformDoping语句是用来定义器件结构中的掺杂分布。对于一组doping语句，每一个语句都是在之前语句的基础上给出的，有叠加的效果。 第50页/共201页第五十页，编辑于星期日：十二点 四十四分。Doping语句参数详解：1. 解析分布类型参数介绍这些参数语句定义了Atlas将如何从解析函数中生成一个掺杂分布.（1）Gaussian类型解析分布 Gaussian定义了高斯解析函数的使用来生成一个掺杂分布。 如果Gaussian被定义了，那么下面的参数必须被定义。(i) 极性参数 N.type P.type(ii)下列分布定义之一：concentration和 junction 浓度和结深concenration 和 charactreistic 浓度和特性dose和characteristic 剂量和特性长度（2）Uniform定义了使用常数作为解析函数来生成掺杂分布。掺杂会通过边界参数被定义在一个box中。这个box的默认值是整个区域。同样如果Uniform被定义了，那么N.type P.type以及浓度参数都必须定义。第51页/共201页第五十一页，编辑于星期日：十二点 四十四分。2. 掺杂物类型参数介绍Antimony 锑 Arsenic 砷 Boron硼 Indium 铟 Phosphorus磷E.LEVEL 设置了分立陷阱能级的能量。 对于acceptors，是对应于导带边缘的。对于donors，是对应于价带边缘的。N.Type Donor 定义了一个n类型或donor类型的掺杂物。 此参数可以与gaussian或uniform分布类型联合使用。P.Type Acceptor 定义一个p类型或acctoper类型的掺杂物。此参数可以与gaussian或uniform分布类型联合使用。Trap 定义了掺杂浓度被处理为陷阱态密度。OX.Charge 定义了一个固定的氧化物电荷分布。氧化物电荷只能在任何绝缘物区域使用。第52页/共201页第五十二页，编辑于星期日：十二点 四十四分。3. 垂直分布参数Concentration 浓度 定义了峰值浓度当高斯分布被使用时。 如果此参数未被定义，峰值浓度会从极性参数，边界条件，计量，或电阻率，特征浓度中计算出来。当uniform分布被定义，concentration参数被定义为均匀掺杂浓度的值，浓度必须是正的。Dose 剂量 只适用于高斯分布，定义了高斯分布的总剂量。Junction 结深 定义了高斯分布的硅区域内部p-n结的位置。当junction被定义了，characteristic length会通过在常数矩形区域的终点之间的一个迭代中点检测掺杂浓度而计算出来。 Junction的位置只是通过考虑所有前面掺杂语句信息来估算的，这意味着某些情况下，doping语句的顺序是很重要的。第53页/共201页第五十三页，编辑于星期日：十二点 四十四分。doping n.type conc=5.e16 uniformdoping p.type conc=1e19 y.min=0 y.max=0 char=30 gaussdoping n.type conc=1e19 y.min=300 y.max=300 char=30 gaussCHARACTERISTIC 定义了注入物的基本特征长度。如果此参数未被定义，基本特征长度可以从极性参数、边界条件参数、浓度和结参数中获得。第54页/共201页第五十四页，编辑于星期日：十二点 四十四分。go atlasmesh space.mult=1.0 x.mesh loc=0.00 spac=5x.mesh loc=12.00 spac=5y.mesh loc=0.00 spac=1y.mesh loc=30 space=5y.mesh loc=270.00 spac=5y.mesh loc=300.00 spac=1region num=1 silicon x.min=0.0 x.max=12 y.min=0.0 y.max=300electr name=anode topelectr name=cathode botdoping n.type conc=5.e16 uniformdoping p.type conc=1e19 y.min=0 y.max=0 char=30 gaussdoping n.type conc=1e19 y.min=300 y.max=300 char=30 gausssave outf=diodeex01_3.strsolve initmethod newtonlog outfile=diodeex01_1.logsolve vanode=0.0 vstep=0.5 vfinal=100 name=anodequit第55页/共201页第五十五页，编辑于星期日：十二点 四十四分。第56页/共201页第五十六页，编辑于星期日：十二点 四十四分。doping n.type conc=5.e16 uniformdoping p.type conc=1e19 peak=20 char=30 gaussdoping n.type conc=1e19 peak=280 char=30 gaussPeak 定义了高斯分布中峰值浓度的深度位置。第57页/共201页第五十七页，编辑于星期日：十二点 四十四分。4. 水平方向扩展参数类型X.Min X.Max Y.Min Y.max Z.Min Z.Max用以定义矩形边界。X.Left X.min用以定义左侧边界X.Right X.Max 用以定义右侧边界Y.Top. Y.Min 用以定义上方边界Y.Bottom Y.Max 用以定义下方边界Z.Back Z.Min 用以定义后方边界Z.Front Z.Max 用以定义前方边界第58页/共201页第五十八页，编辑于星期日：十二点 四十四分。5. 水平方向分布参数类型Lat.Char 定义水平（x方向）特征长度，如果不定义此长度则通过下列公式计算Lat.Char = Ratio.Lateral * Char 其中Char是y方向上的特征长度，Ratio.Lateral是 x方向与y方向的特征长度比例系数）doping n.type conc=5.e16 uniformdoping p.type conc=1e19 x.min=0 x.max=3 char=20 lat.char=0.1 gauss改变lat.char 分别为 0.1 、1、 5、 12 对水平方向掺杂分布的影响 如图所示第59页/共201页第五十九页，编辑于星期日：十二点 四十四分。第60页/共201页第六十页，编辑于星期日：十二点 四十四分。6. Trap （陷阱） 参数REGION 指定对哪个区域进行陷阱参数设置，系统默认对所有区域进行设置。E.LEVEL 设置分立陷阱能级，对于acceptors, E.LEVEL 在导带附近对于 donors， E.LEVEL 在共价带附近。DEGEN.FAC 定义了陷阱能级的退化因子，用来计算密度。SIGN 、 SIGP 定义了对于电子或空穴的陷阱 捕获横截部分（capture cross section ）TAUN TAUP定义了陷阱能级中的电子寿命和空穴寿命。第61页/共201页第六十一页，编辑于星期日：十二点 四十四分。# 语句8 输出结构结果保存语句， 其基本格式为SAVE OUTFILE= save outf=diodeex01_0.str# 语句9， 输出文件绘制语句tonyplot diodeex01_0.str -set diodeex01_0.set第62页/共201页第六十二页，编辑于星期日：十二点 四十四分。第63页/共201页第六十三页，编辑于星期日：十二点 四十四分。#语句10 模型选择语句model conmob fldmob srh auger bgn #语句11 接触设置语句contact name=anode workf=4.97第64页/共201页第六十四页，编辑于星期日：十二点 四十四分。迁移率模型介绍：(1) ANALYTIC 指定了一个硅的随浓度变化的迁移率解析模型，包含了对温度的依赖关系。N 是总掺杂浓度 TL is Kelvin温度。定义conmob和analytic参数都会激活此模型。此模型参数设置要用到mobility语句。缺省值参数值是硅材料和300K第65页/共201页第六十五页，编辑于星期日：十二点 四十四分。(2) ARORA 指定了一个解析的浓度和温度依赖关系的模型，具有以下形式选择conmob和arora参数都会使用此模型。 模型参数设置也是通过mobility语句来实现。模型的默认值也是硅材料和300K。第66页/共201页第六十六页，编辑于星期日：十二点 四十四分。ARORA迁移率模型用户自定义参数表第67页/共201页第六十七页，编辑于星期日：十二点 四十四分。(3) CCSMOB 指定了一个载流子-载流子散射模型。这个模型是基于Dorkel 和 Leturq 的模型。Dorkel 和 Leturq 的模型是适用于低场强的迁移率模型。它包含了对温度、掺杂浓度、载流子-载流子散射的函数关系。通过ccsmob参数语句来激活这个模型。这里 L is 晶格散射， l是离子化掺杂散射 C是载流子-载流子散射。 可以看出，选定了conmob模型就等同于同时选定了analytic 和arora模型第68页/共201页第六十八页，编辑于星期日：十二点 四十四分。ccsmob迁移率模型用户自定义参数表(4) CVT定义了随纵向电场变化的迁移率模型第69页/共201页第六十九页，编辑于星期日：十二点 四十四分。（5） FLDMOB 定义了横向电场迁移率模型。在例子中已经有所介绍，其满足下列关系式：第70页/共201页第七十页，编辑于星期日：十二点 四十四分。(6) KLA 指定了 Klaassen 迁移率模型此模型整合了多数和少数载流子迁移率模型。包括了晶格散射效应、掺杂散射、载流子-载流子散射相应等。 此模型和实验值吻合的非常好。以施主掺杂浓度为函数的电子多数载流子迁移率可以涵盖从1e14到1e22的广阔范围。以受主掺杂浓度为函数的电子少数载流子迁移率可以涵盖从1e17到1e20的范围。以施主掺杂浓度为函数的空穴少数载流子迁移率可以涵盖从1e17到1e20的范围温度设定范围为70K到500K此模型可在MOS或Bipolar仿真中使用。第71页/共201页第七十一页，编辑于星期日：十二点 四十四分。（7）MIN.SURF 指定了 WATT, TASCH或 SHI mobility 模型，只能用于少数载流子。迁移率模型总表第72页/共201页第七十二页，编辑于星期日：十二点 四十四分。复合模型介绍：(1) AUGER 参数语句指定了 Auger 复合模型。Augn和augp是用户自定义材料参数。其缺省值如下（2）AUGGEN指定程序使用Auger 复合模型为激发项和复合项。第73页/共201页第七十三页，编辑于星期日：十二点 四十四分。（3）CONSRH指定Shockley-Read-Hall复合模型，这个模型使用 了随浓度变化的载流子寿命。满足下列公式：n 是总掺杂浓度 TAUN0, TAUP0, NSRHN, 和 NSRHP 参数可以通过Material语句来设定。（4）SRH指定程序使用恒定载流子寿命的Shockley-Read-Hall模型第74页/共201页第七十四页，编辑于星期日：十二点 四十四分。（5）KLAAUG指定程序优先使用 Klaassen模型(6) KLASRH第75页/共201页第七十五页，编辑于星期日：十二点 四十四分。（7）TRAP.COULOMBIC 对应于库仑势阱 Poole-Frenkel 势垒降低模型。（8）TRAP.TUNNEL 对应于 trap-assisted 跃迁模型（9）TATUN 对应于 Klaassen trap-assisted 跃迁模型第76页/共201页第七十六页，编辑于星期日：十二点 四十四分。激发模型介绍： 1. 能带间跃迁模型（1）BBT.KL 定义了一个基于Klaassen的能带间跃迁模型 （2）BBT.STD 定义了一个标准能带跃迁模型模型（1）（2）均满足下列公式：对于 BBT.STD对于 BBT.KL第77页/共201页第七十七页，编辑于星期日：十二点 四十四分。（4）DEVDEG.H 激活了由热空穴注入所导致的 器件退化模型。此情况下，HHI 也要被选定（5）DEVDEG.B同时激活了由热电子注入和热空穴注入所导致的 器件退化模型。此情况下，HEI和HHI 也要同时被选定。（3）DEVDEG.E 激活了由热电子注入所导致的 器件退化模型。 此情况下， HEI 也要被选定。（6）HEI 指定了注入到氧化物中的热电子。这个参数可以用来仿真MOS栅极电流或EPROM编程过程。（7）HHI指定了注入到氧化物中的热空穴。2. 热载流子模型：第78页/共201页第七十八页，编辑于星期日：十二点 四十四分。#语句12 命令执行语句solve语句介绍：solve是命令atlas在一个或多个偏压点（bias point）进行求解的语句solve init解析：init是初始化（initial）参数，表示将所有电压归零。对于指定结构，如果在初始偏置点没有标明这个参数，系统将自动赋予这个参数。第79页/共201页第七十九页，编辑于星期日：十二点 四十四分。#语句13 数值方法选择语句methodmethod newton解析： method是用来设置求解方程或参数的数值方法。第80页/共201页第八十页，编辑于星期日：十二点 四十四分。#语句14 运行数据结果保存语句 语句介绍：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。log outfile=diodeex01.log第81页/共201页第八十一页，编辑于星期日：十二点 四十四分。# 语句15 solve 语句solve vanode=0.05 vstep=0.05 vfinal=1 name=anodetonyplot diodeex01.log -set diodeex01_log.setquit第82页/共201页第八十二页，编辑于星期日：十二点 四十四分。第83页/共201页第八十三页，编辑于星期日：十二点 四十四分。语句汇总：Contact 设置接触类型Doping 设置掺杂类型Electrode 设置电极Go 仿真器调用Log 定义输出数据文件语句Material 定义材料类型Mesh 定义初始化网格信息Method 设置数值方法Mobility 设置迁移率模型Models 选取仿真模型Quit 程序退出语句Region 定义区域语句Save 结构文件保存语句Solve 求解语句Tonyplot 绘图语句X.MESH Y.MESH Z.MESH 定义x,y,z方向网格语句第84页/共201页第八十四页，编辑于星期日：十二点 四十四分。三、 二极管仿真 Diode Simulation二极管简介：为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。基本特性：单向导电性。第85页/共201页第八十五页，编辑于星期日：十二点 四十四分。二极管的应用1、整流二极管 利用二极管单向导电性，可以把方向交替变化的交流电变换成单一方向的脉冲直流电。 2、开关元件 二极管在正向电压作用下电阻很小，处于导通状态，相当于一只接通的开关；在反向电压作用下，电阻很大，处于截止状态，如同一只断开的开关。利用二极管的开关特性，可以组成各种逻辑电路。 3、限幅元件 二极管正向导通后，它的正向压降基本保持不变（硅管为0.7V，锗管为0.3V）。利用这一特性，在电路中作为限幅元件，可以把信号幅度限制在一定范围内。 4、继流二极管 在开关电源的电感中和继电器等感性负载中起继流作用。 第86页/共201页第八十六页，编辑于星期日：十二点 四十四分。5、检波二极管 在收音机中起检波作用。 6、变容二极管 使用于电视机的高频头中。 7、显示元件 用于VCD、DVD、计算器等显示器上。 8、稳压二极管 反向击穿电压恒定，且击穿后可恢复，利用这一特性可以实现稳压电路。第87页/共201页第八十七页，编辑于星期日：十二点 四十四分。二极管工作原理：晶体二极管为一个由p型半导体和n型半导体形成的p-n结，在其界面处两侧形成空间电荷层，并建有自建电场。当不存在外加电压时，由于p-n 结两边载流子浓度差引起的扩散电流和自建电场引起的漂移电流相等而处于电平衡状态。当外界有正向电压偏置时，外界电场和自建电场的互相抑消作用使载流子的扩散电流增加引起了正向电流。当外界有反向电压偏置时，外界电场和自建电场进一步加强，形成在一定反向电压范围内与反向偏置电压值无关的反向饱和电流。当外加的反向电压高到一定程度时，p-n结空间电荷层中的电场强度达到临界值产生载流子的倍增过程，产生大量电子空穴对，产生了数值很大的反向击穿电流，称为二极管的击穿现象。p-n结的反向击穿有齐纳击穿和雪崩击穿之分。第88页/共201页第八十八页，编辑于星期日：十二点 四十四分。实例： 一维二极管击穿仿真此例子使用自动曲线追踪算法演示了1维二极管击穿仿真，程序内容包括：（1）用atlas语句生成一维二极管结构；（2）为击穿仿真设置模型；（3）曲线追踪参数的设置；（4）自动反向电压曲线追踪仿真。第89页/共201页第八十九页，编辑于星期日：十二点 四十四分。实例详解：（1）用atlas语句生成一维二极管结构：go atlas #调用atlas仿真器mesh x.m l=0.0 spac=1.0 #定义x方向网格信息x.m l=1.0 spac=1.0y.m l=0 spac=1.0 #定义y方向网格信息y.m l=5.0 spac=0.005y.m l=15 spac=2region num=1 silicon #定义区域1，材料为硅 electrode top name=emitter #定义电极及名称electrode bottom name=basedoping uniform conc=5e17 p.type #定义p区掺杂doping uniform n.type conc=1.e20 x.l=0. x.r=1 y.t=0.0 y.b=5.0 #定义n区掺杂 save outf=diodeex03_0.str #存储结构信息为文件diodeex03_0.str第90页/共201页第九十页，编辑于星期日：十二点 四十四分。（2）为击穿仿真设置模型：models srh conmob bgn auger fldmob #srh对应Shockley-Read-Hall 复合模型，其载流子寿命是固定的。这里ETRAP是陷阱能级和本征费米能级之间的差值。TL是晶格温度。Taun0和Taup0是电子和空穴的寿命。电子和空穴的寿命是可以自定义的，不同材料具有不同的寿命值。第91页/共201页第九十一页，编辑于星期日：十二点 四十四分。#auger模型参数语句对应了auger recombination 模型，它满足下列公式：关于此复合过程目前为止物理学上是解释不清楚的。Augn和augp是用户自定义材料参数。#conmob对应了一个和浓度相关的迁移率模型，可以用于硅和砷化镓。这个模型只在300K时有效。它是一个经验数据模型。#fldmob对应了一个随横向场强变化而变化的迁移率模型。当载流子在电场中加速，随着场强的增加，载流子速度会出现饱和。为了体现此效应就得引入一个随场强增大而减小的迁移率。这是由于漂移速度是迁移率和电场强度的乘积。第92页/共201页第九十二页，编辑于星期日：十二点 四十四分。#bgn 对应了能带变窄模型。这里 E 是横向电场 n0 and p0 分别是低场强下电子和空穴的迁移率。 BETAN 和BETAP 参数是用户自定义参数。第93页/共201页第九十三页，编辑于星期日：十二点 四十四分。impact crowell#Impact语句用来激活Crowell-Sze冲击电离模型。模型出自论文：C.R. Crowell and S. M. Sze, “Current Transport in Metal-Semiconductor Barriers”, Solid State Electronics, 9, 1966, p. 1035-1048在任何空间电荷区，如果有足够高的反偏电压，就会有足够高的电场强度来使载流子加速到一个点，到达这个点以后，载流子就会获得足够的能量在与晶体原子碰撞的过程当中激发出更多的载流子。为了获得足够的能量，必须满足两个基本条件。第一个基本条件是场强要足够强。那么自由载流子之间的碰撞之间的距离必须足够大来使得载流子加速到充分高的速度。或者说载流子必须得到电离能Ei.如果这些自由载流子的激发率足够高的话，这一过程将最终导致雪崩击穿。第94页/共201页第九十四页，编辑于星期日：十二点 四十四分。（3）曲线追踪参数的设置solve init #解初始化solve vemitter=0.1 #设置要进行曲线追踪的电极method newton climit=1.e-4 #设置数值方法第95页/共201页第九十五页，编辑于星期日：十二点 四十四分。curvetrace end.val=1e-4 contr.name=emitter curr.cont mincur=1e-13 nextst.ratio=1.2#curvetrace语句用来初始化曲线追踪程序。#end.val语句参数是命令仿真在电流超过这个值的时候终止。#contr.name语句参数定义曲线追踪所对应的电极#curr.cont mincur语句定义将被用来监测的最小电流值 curr.cont mincur=1e-13表示当电流达到1e-13时开始监测#nextst.ratio语句参数是用来定义加大远离转换点的I-V曲线的平 稳部分的电压间隔用的“最大化因子”。这个语句可以在曲线平稳部分增大电压间隔。比如说第一个间隔是0.1V, 那个第