生长结工艺的双极型晶体管设计

基于ISE_TCAD仿真生长结双极晶体管 生长结工艺的双极型晶体管设计 一、课程设计的内容 本课程设计要求利用ISE软件进行生长结工艺的双极型晶体管设计。 根据图示在MDRAW中画出边界，并进行均匀掺杂，其中E、B、C三个区域都是在Si上掺杂； 其中Ne=5*1018 ，Nb=2*1017，Nc=4*1015 单位：/cm3 ； 利用tecplot_ise画出V(X)，E(X)，估计耗尽层宽度； 设 , 其中V(X) , E(X) , p(x) , n(x) ,及电流密度。 利用 ， ， 推导出γ和β。 二、课程设计的目的 通过本课程的学习和训练，了解和掌握本专业基本课程的前提下，在教师的指导下，结合具体设计内容，掌握课程设计的完整过程和各个环节、基本方法和途径，能够根据相关资料或在教师辅导的前提下，利用所学理论完成预定题目的综合性设计。巩固和系统掌握电子科学与技术专业的基本理论知识和各种现代设计工具， 通过多人共同完成一项设计任务使我们认识到与人协作的重要性及协作技巧。提高我们理论联系实际的能力、增强学以致用的思维意识，提高专业素质。 三 、课程设计的流程 （一）以Si为介质时的晶体管仿真 1、桌面右键——选中New Terminal——键入mdraw进入软件 （1）按照实验内容要求，画出晶体管模型： 将Exact Coordinates选中，点击左上角ADD Rectangle，在面板上任意画个矩形，此时弹出一个对话框，如下图所示： 输入如下数值： left：0 right：6.2 top：0 bottom：1 给晶体管加电极 选中set/unset contacts按钮，单击ADD CONTACT弹出对话框。 发射极：输入Name：emitter，点击OK，用鼠标点击发射极的左边界。 基 极：点击ADD Point，选中Exact Coordinates，加入点x=1，y=0和点x=1.2，y=0，再单击ADD CONTACT弹出对话框，输入Name：base，点击OK，用鼠标点击基极的上边界。 集电极：再单击ADD CONTACT弹出对话框，输入Name：collector，点击 OK，用鼠标点击集电极的上边界。 所得图形如下图所示： （3）杂质掺杂：点击右下角Doping，再点击左上角ADD Contact P，在晶体管 区域画一个矩形，此时弹出一个对话框，如下图所示： 输入如下数据： profile name：Ne concentration=5e+18，species：As X0:0 Y0:0 X1:1 Y1:1 点击OK,此时已将发射区掺杂完毕，接下来重复上面步骤实现基区与集电区掺杂： 基区输入 profile name：Nb concentration=2e+17，species：B X0:1 Y0:0 X1:1.2 Y1:1 集电区输入 profile name：Nc concentration=4e+15，species：As X0:1.2 Y0:0 X1:6.2 Y1:1 （4）构建网格：点击ADD Refinement,点击Exact Coordinates,在晶体管区域画一个矩形，此时弹出如下对话框： 输入如下数据： X0:0 Y0:0 X1:6.2 Y1:1 Max Element Width: 0.1 Max Element Height: 0.1 Min Element Width：0.01 Min Element Height：0.01 点击ADD ,选中第一项添加后，点击OK. 最后点击菜单栏Mesh——Build Mesh，构建网格 保存文件：点击File——Save All ，保存成文件名npn。 2、编写程序 桌面右键点击New terminal——键入gedit npn_des.cmd 编写程序如下： File { * Input Files Grid = "npn_mdr.grd" Doping = "npn_mdr.dat" * Output Files Plot = "npn_des.dat" Current = "npn_BJT_des.plt" Output = "npn_BJT.log" } Electrode { { Name="emitter" Voltage=0.0 } { Name="base" Voltage=0.3 } { Name="collector" Voltage=3.8 } // 此时Vcb=3.5V,将Voltage=4.3V，再运行一遍（Vcb=4V）。 } Plot { * Fields, Charges, etc Potential Electricfield/vector SpaceCharge eMobility hMobility eVelocity hVelocity * Doping profiles DonorConcentration AcceptorConcentration DopingConcentration * Band Structure/Composition ConductionBand ValenceBand BandGap Affinity * Density, Current eDensity hDensity eCurrent/Vector hCurrent/Vector TotalCurrent/Vector * Recombination/Generation rates SRH Auger TotalRecombination * Driving Forces eQuasiFermi hQuasiFermi eGradQuasiFermi/vector hGradQuasiFermi/vector eEparallel hEparallel } Math { Extrapolate NotDamped=100 Iterations=20 RelerrControl AvalDerivatives } Physics { Mobility ( DopingDependence HighFieldSaturation ) Recombination ( Auger SRH(DopingDep) ) } Solve { Poisson Coupled { Poisson Electron Hole } Quasistationary ( InitialStep=1e-3 Minstep=1e-8 MaxStep=0.05 Goal { Name="base" Voltage=0.3} ){ Coupled { Poisson Electron Hole } } Poisson Coupled { Poisson Electron Hole } Quasistationary ( InitialStep=1e-3 Minstep=1e-8 MaxStep=0.05 Increment=1.2 Goal { Name="collector" Voltage=3.8} // 此时Vcb=3.5V,将Voltage=4.3V，再运行一遍（Vcb=4V）。 ){ Coupled { Poisson Electron Hole } } } 保存文件后运行文件，在New Terminal下输入dessis npn_des.cmd，运行文件。 3、运行TECPLOT_ISE，观察曲线 在New Terminal下输入tecplot_ise进入软件 点击File——load调出文件npn_des.dat 和npn_mdr.grd点击OK，显示实验结果。 点击工具栏上的slicer选中y轴，设成常数为0.5. 选中[Y=0.5]npn_des.dat ,点X，选X1。 再选Electrostatic Potentia，点Y,此时出现V(X)曲线如下图所示： 选中[Y=0.5]npn_des.dat ,点X，选X1 再选eDensity，点Y,此时出现n(X)曲线如下图所示： 选中[Y=0.5]npn_des.dat ,点X，选X1 再选hDensity，点Y,此时出现p(X)曲线如下图所示： 选中[Y=0.5]npn_des.dat,点X，选X1 再选ElectricField，点Y,此时出现E(X)曲线如下图所示： 选中[Y=0.5]npn_des.dat ,点X，选X1 再选TotalCurrent，点Y,此时出现电流密度曲线如下图所示： 4、估计耗尽层宽度 仔细观察电位曲线，如下图： 可以看出基区的中性区宽度为1.13-1.07=0.06um， 发射结耗尽层宽度为1.07-0.987=0.083um， 集电结耗尽层宽度为2.4-1.13=1.27um。 （二）实验结果与讨论 （1）运行文件后观察实验结果： ， 由于放大系数过小，应减小基区掺杂浓度来提高放大系数。 （2）现将基区浓度改为： 后，重新运行程序，得到结果如下： ， 此时，符合晶体管的放大系数。 由 , ，得 （3）将 加4V电压时，观察运行结果： ， 可见当集电极电压升高后，放大系数变大。 这是因为基区掺杂浓度低，导致基区宽变效应明显，在集电极所加电压增大后，基区变窄，导致双极晶体管放大系数和集电结电流的明显增大。 四、实验心得 通过这次实验，使我对ISE等相关软件的使用有了更深入的了解。从刚开始对这个软件的陌生，慢慢摸索到现在基本掌握，但还不能说是精通。使我深刻的体会到学习的重要性，培养独立自主学习能力和解决问题能力的重要性。特别是这个专业，实用性特别强，要在这个学科取得成绩，对各种软件的精通使用无疑是至关重要的。所以在以后的学习中，我会积极培养自己这方面的兴趣，在不断学习的的过程中掌握其并熟练应用。