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半导体功率器件与智能功率IC实验学生姓名：田瑞学号：201422030143指导教师：乔明一、实验室名称：211楼803 工作站二、实验项目名称：半导体功率器件与智能功率IC实验——VDMOS器件仿真设计实验三、实验原理：对于阈值电压的调节，可以改变氧化层厚度，氧化层厚度越大，栅对沟道的控制能力越弱，阈值电压越大。
也可以增大沟道区掺杂浓度，浓度越大，沟道区越难反型，阈值电压越大。
MEDICI的使用流程:四、实验目的：通过实验，了解VDMOS器件的结构，掌握VDMOS器件的设计方法，熟悉MEDICI 软件的使用。
五、实验内容：完成一种600V VDMOS器件完整的设计仿真工作，其指标达到预定要求。
其中，主要针对器件耐压、阈值电压、跨导、开态特性进行仿真优化，确定栅氧厚度、沟道浓度、栅长、漂移区掺杂、漂移区厚度等重要的浓度和结构参数。
衬底n+换成p+，再仿真器件的转移特性和击穿特性，比较与VDMOS区别，并分析原因。
VDMOS指标要求：BV > 600VV T 2~3V器件结构构造网格构造器件求解输出MEDICI 输入文件Device Structure SpecificationSolution SpecificationInput/Output预先确定器件结构V20V maxG六、实验器材（设备、元器件）：MEDICI软件七、实验步骤：title VDMOSassign name=nd n.val=1e14assign name=pwell n.val=2e18assign name=dpwell n.val=1.2assign name=tepi n.val=35assign name=ld n.val=6mesh smooth=1x.mesh width=@ld h1=0.10y.mesh n=1 L=-0.1y.mesh n=3 L=-0.017y.mesh n=4 L=0y.mesh depth=@dpwell h1=0.05y.mesh depth=@tepi-@dpwell h1=0.05 h2=0.05 h3=1y.mesh depth=0.5 h1=0.05y.mesh depth=0.1 h1=0.05region name=si siliconregion name=sio y.max=0 oxideelectrod name=gate x.min=1 x.max=@ld-1electrod name=source x.max=0.6 y.max=0electrod name=source x.min=@ld-0.6 y.max=0electrod name=drain y.min=@tepi+0.5$$$$$ n drift $$$$$$$profile region=si n-type n.peak=@nd uniform$$$$$ p-well $$$$profile region=si p-type n.peak=@pwell+@nd xy.ratio=0.4 x.min=0 x.max=1.5 y.junction=@dpwellprofile region=si p-type n.peak=@pwell+@nd xy.ratio=0.4 x.min=@ld-1.5 x.max=@ld y.junction=@dpwell$$$$ n+/p+ source $$$$profile region=si p-type n.peak=1e20 xy.ratio=0.4 x.min=0 x.max=0.4y.junction=0.4profile region=si n-type n.peak=1e20 xy.ratio=0.4 x.min=0.5 x.max=1y.junction=0.2profile region=si p-type n.peak=1e20 xy.ratio=0.4 x.min=@ld-0.4 x.max=@ldy.junction=0.4profile region=si n-type n.peak=1e20 xy.ratio=0.4 x.min=@ld-1 x.max=@ld-0.5 y.junction=0.2$$$ drain $$$profile region=si n-type n.peak=1e20 uniform x.min=0 y.min=@tepi y.max=@tepi+0.5regrid ignore=sio doping logarith ratio=1 smooth=1 cos.angle=0.8$$$$ gate material $$$$$contact name=gate n.polysisave out.f=vdmos.mesh$$$$ plot $$$$plot.2d grid fill scale title=" the orignal gird"plot.2d boundary scale junction fill title="the junction profiles"plot.1d doping y.start=0.01 y.end=0.01 title="surface doping log" y.logplot.1d doping y.start=0.01 y.end=0.01 title="surface doping"plot.1d doping y.start=3 y.end=3 title="y=3 doping log" y.logplot.1d doping y.start=3 y.end=3 title="y=3 doping"plot.1d doping x.start=3 x.end=3 title="x=3 doping log" y.logplot.1d doping x.start=3 x.end=3 title="x=3 doping"八、实验数据及结果分析：器件模型：VDMOS的BV特性曲线：更改参数后BV为642V阈值电压曲线：更改参数后阈值电压为2V衬底n+换成p+时：BV为620V 阈值电压为2.45V九、实验结论：1、由BV特性曲线的比较可知，增大击穿电压BV可以采用的方法有增大漂移区浓度与厚度。
实验六半导体器件仿真实验姓名:林少明专业：微电子学学号11342047【实验目的】1、理解半导体器件仿真的原理，掌握Silvaco TCAD 工具器件结构描述流程及特性仿真流程；2、理解器件结构参数和工艺参数变化对主要电学特性的影响。
【实验原理】1. MOSFET 基本工作原理（以增强型NMOSFET 为例）：图1 MOSFET 结构图及其夹断特性当外加栅压为0 时，P 区将N+源漏区隔开，相当于两个背对背PN 结，即使在源漏之间加上一定电压，也只有微小的反向电流，可忽略不计。
当栅极加有正向电压时，P 型区表面将出现耗尽层，随着V GS的增加，半导体表面会由耗尽层转为反型。
当V GS>V T时，表面就会形成N 型反型沟道。
这时，在漏源电压V DS的作用下，沟道中将会有漏源电流通过。
当V DS一定时，V GS越高，沟道越厚，沟道电流则越大。
2. MOSFET 转移特性V DS 恒定时，栅源电压 V GS 和漏源电流 I DS 的关系曲线即是 MOSFET 的转移特性。
对于增强型 NMOSFET ，在一定的 V DS 下， V GS =0 时， I DS =0；只有 V GS >V T 时,才有 I DS >0。
图 2 为增强型 NMOSFET 的转移特性曲线。
图 2 增强型 NMOSFET 的转移特性曲线图中转折点位置处的 V GS （th ） 值为阈值电压。
3. MOSFET 的输出特性对于 NMOS 器件，可以证明漏源电流：令n =oxWC Lμβ，称β为增益因子。
（1）()DS GS T V V V <<-由于 V DS 很小，忽略2DS V 项，可得：I DS 随 V DS 而线性增加，故称为线性区。
（2）()DS GS T V V V <-DS V 增大，但仍小于()GS T V V -，2DS V 项不能忽略。
故：在一定栅源电压下，V DS 越大，沟道越窄，则沟道电阻越大，曲线斜率变小。
器件仿真实验报告电力电子仿真仿真实验报告目录实验一：常用电力电子器件特性测试................................................................................... 3 （一）实验目的：................................................................................................ .. (3)掌握几种常用电力电子器件（SCR、GTO、MOSFET、IGBT）的工作特性； (3)掌握各器件的参数设置方法，以及对触发信号的要求。
(3)（二）实验原理.................................................................................................... (3)（三）实验内容.................................................................................................... (3)（四）实验过程与结果分析 (3)1．仿真系统.................................................................................................... (3)2．仿真参数.................................................................................................... .. (4)3．仿真波形与分析.................................................................................................... .. (4)4．结论.................................................................................................... .. (10)实验二：可控整流电路.................................................................................................... .. (11)（一）实验目的.................................................................................................... . (11)（二）实验原理.................................................................................................... . (11)（三）实验内容.................................................................................................... . (11)（四）实验过程与结果分析 (12)1．单相桥式全控整流电路仿真系统，下面先以触发角为0度，负载为纯电阻负载为例.................................................................................................... .. (12)2．仿真参数.................................................................................................... (12)3．仿真波形与分析.................................................................................................... (14)实验三：交流-交流变换电路................................................................................................19（一）实验目的.................................................................................................... . (19)（三）实验过程与结果分析 (19)1）晶闸管单相交流调压电路 (19)实验四：逆变电路.................................................................................................... . (26)（一）实验目的.................................................................................................... . (26)（二）实验内容.................................................................................................... . (26)实验五：单相有源功率校正电路 (38)（一）实验目的.................................................................................................... . (38)（二）实验内容.................................................................................................... . (38)个性化作业：................................................................................................ . (40)（一）实验目的：................................................................................................ . (40)（二）实验原理：................................................................................................ . (40)（三）实验内容.................................................................................................... . (40)（四）结果分析：................................................................................................ . (44)（五）实验总结：................................................................................................ . (45)实验一：常用电力电子器件特性测试（一）实验目的：掌握几种常用电力电子器件（SCR、GTO、MOSFET、IGBT）的工作特性；掌握各器件的参数设置方法，以及对触发信号的要求。
实验报告实验名称半导体器件课程设计班级姓名：学号：实验日期：实验地点：一．P MOS的制造流程制作PMOS的主要流程为：衬底掺杂—〉栅氧化—〉离子注入—〉淀积多晶硅栅—〉多晶硅氧化—〉多晶掺杂—〉边墙氧化层淀积—〉边墙氧化层刻蚀形成氧化层—〉源漏注入—〉源漏退火—〉金属化—〉镜像生成PMOS结构。
二．实验程序和图形进入模拟软件后，输入数据和程序go athena# Non-Uniform Grid(0.6um x 0.8um)line x loc=0.00 spac=0.10line x loc=0.20 spac=0.01line x loc=0.60 spac=0.01#line y loc=0.00 spac=0.008line y loc=0.20 spac=0.01line y loc=0.50 spac=0.05line y loc=0.80 spac=0.15# Initial Silicon Structure with <100> Orientationinit silicon c.phosphor=1.0e14 orientation=100 two.d# Gate Oxidationdiffus time=11 temp=950 dryo2 press=1.00 hcl.pc=3#extract name="Gateoxide" thickness material="SiO~2"mat.occno=1 x.val=0.3# Threshold Voltage Adjust implantimplant phosphor dose=9.5e10 energy=10 crysta l此图为离子注入后杂质浓度在画线处注入的磷的浓度相对于器件的深度的分布# Conformal Polysilicon Depositiondeposit polysilicon thick=0.20 divisions=10# Poly Definitionetch polysilicon left p1.x=0.35# Polysilicon Oxidationdiffus time=3 temp=900 weto2 press=1.00# Polysilicon Dopingimplant boron dose=3.0e13 energy=10 crystal# Spacer Oxide Depositiondeposit oxide thick=0.12 divisions=10# Spacer Oxide Etchetch oxide dry thick=0.12# Soucer/Drain Implantimplant bf2 dose=5.0e15 energy=24 tilt=0 rotation=0 crystal # Source/Drain Annealingmethod fermidiffus time=1 temp=900 nitro press=1.00下图为源漏退火前后两图相叠加、对比的图形。
半导体器件模拟设计研究随着科技的不断发展，各种电子设备在我们的生活中越来越普遍。
而在这些设备中，半导体器件扮演着至关重要的角色。
半导体器件模拟设计研究是半导体技术研发的重要一环，对于提升半导体器件的性能和稳定性具有重要作用。
一、半导体器件的基本原理半导体器件是利用半导体材料（如硅、锗等）的特殊性质，运用电子学和半导体物理学原理制成的电子元器件。
半导体器件的基本原理是利用P型材料和N型材料在界面处形成的PN结，在不同的电场作用下，控制电子和空穴的运动，实现电信号的转移和控制。
不同类型的半导体器件有不同的原理和工作方式，如二极管、三极管、场效应管等。
二、半导体器件模拟设计的意义半导体器件的性能和稳定性是制约其应用的关键因素。
在设计半导体器件时，需要根据其使用场景和需要的性能，选择合适的材料和设计方案，并进行模拟和优化。
半导体器件模拟设计研究的意义在于通过计算机模拟和仿真分析，预测和优化器件的性能，提高设计效率和成功率。
三、半导体器件模拟设计的过程半导体器件模拟设计的过程主要分为以下几个步骤：1.选取合适的EDA工具EDA（Electronic Design Automation）工具是进行半导体器件模拟和设计的关键软件。
常用的EDA工具有SPICE、ADS、HSPICE等，需要根据不同的需求和场合，选择合适的工具。
2.建立器件模型根据设计方案，需要建立相应的器件模型。
模型的建立需要考虑材料特性、结构参数等因素，以确保模拟结果的准确性和可靠性。
3.设计和布局电路在建立模型后，需要设计和布局电路，确定各个元器件之间的连接方式和工作模式。
设计过程中需要考虑材料特性、电路参数、工艺限制等因素。
4.进行仿真分析在电路设计和布局后，需要进行仿真分析，检查和评估器件性能和运行情况。
可以通过SPICE仿真、HSPICE仿真等方式进行分析。
5.优化和改进设计在仿真分析结果的基础上，需要对设计进行优化和改进。
可以考虑改变器件材料、结构参数、电路参数等方案，找到最优方案，提高器件性能和稳定性。
实验六半导体器件仿真实验姓名:林少明专业：微电子学学号11342047【实验目的】1、理解半导体器件仿真的原理，掌握Silvaco TCAD 工具器件结构描述流程及特性仿真流程；2、理解器件结构参数和工艺参数变化对主要电学特性的影响。
【实验原理】1. MOSFET 基本工作原理（以增强型NMOSFET 为例）：图 1 MOSFET 结构图及其夹断特性当外加栅压为0 时，P 区将N+源漏区隔开，相当于两个背对背PN 结，即使在源漏之间加上一定电压，也只有微小的反向电流，可忽略不计。
当栅极加有正向电压时，P 型区表面将出现耗尽层，随着V GS的增加，半导体表面会由耗尽层转为反型。
当V GS>V T时，表面就会形成N 型反型沟道。
这时，在漏源电压V DS的作用下，沟道中将会有漏源电流通过。
当V DS一定时，V GS越高，沟道越厚，沟道电流则越大。
2. MOSFET 转移特性V DS 恒定时，栅源电压 V GS 和漏源电流 I DS 的关系曲线即是 MOSFET 的转移特性。
对于增强型 NMOSFET ，在一定的 V DS 下， V GS =0 时， I DS =0；只有 V GS >V T 时,才有 I DS >0。
图 2 为增强型 NMOSFET 的转移特性曲线。
图 2 增强型 NMOSFET 的转移特性曲线图中转折点位置处的 V GS （th ） 值为阈值电压。
3. MOSFET 的输出特性对于 NMOS 器件，可以证明漏源电流：令n =oxWC Lμβ，称β为增益因子。
（1）()DS GS T V V V <<-由于 V DS 很小，忽略2DS V 项，可得：I DS 随 V DS 而线性增加，故称为线性区。
（2）()DS GS T V V V <-DS V 增大，但仍小于()GS T V V -，2DS V 项不能忽略。
故：在一定栅源电压下，V DS 越大，沟道越窄，则沟道电阻越大，曲线斜率变小。
根据③式知，I DS -V DS 关系曲线为通过原点的抛物线。
当 V DS =(V GS -V T )时，I DS -V DS 关系曲线斜率为 0，表明此时沟道电阻很大。
在该区，沟道电阻逐渐变大，称为可变电阻区，或非饱和区。
（3）()DS GS T V V V ≥-将()DS GS T V V V =-代入①式，得到此时，漏电流 I DS 与漏源电压 V DS 无关，即达到饱和，I DSat 则称为饱和漏电流。
根据上述分析，可分析 MOSFET 的输出特性曲线：图 3 增强型 NMOSFET 输出特性4. 影响阈值电压的因素：可以证明，对于 NMOSFET 的阈值电压 V T 表达式为：其中， Cox 为栅电容，Fp ϕ为费米势，ms φ为接触电势差， Qox 为氧化层电荷密度。
由公式⑤可知，影响阈值电压的主要由栅电容 Cox 、衬底杂质浓度、氧化层电荷密度 Qox 等因素决定。
由0sox oxC t εε=可知，氧化层厚度 tox 越薄，则 Cox 越大，使阈值电压 V T 降低。
费米势：lnAFp iN kT q n ϕ=，当 P 区掺杂浓度 N A 变大，则费米势增大，阈值电压 V T 增大 。
氧化层电荷密度 Qox 增大，则 V T 减小。
5. 影响 MOSFET 输出特性的因素由①式可知，影响输出曲线的因素为增益因子β和阈值电压 V T 。
已知n oxW C Lμβ=，因此，当沟道长度 L 增大时，β减小。
由原理 4 知，影响 V T 的主要因素有栅电容 Cox 、衬底杂质浓度、氧化层电荷密度 Qox 等因素。
【实验仪器】计算机，Silvaco TCAD 软件【实验内容】1.采用ALTAS 器件仿真工具对NMOS 器件电学特性仿真 （1）I-V 输出特性曲线a、Vds=0.1V时，Id-Vgs曲线。
b、Vgs分别为3.3V、4.4V和5.5V时，Id-Vgs曲线。
（2）器件参数提取，如阈值电压、Beta和Theta等。
2.改变器件结构参数和工艺参数，分析其对NMOS器件主要电学特性的影响。
（1）栅氧厚度tox（2）沟道长度L（3）衬底杂志浓度【实验数据记录及分析】1.采用ALTAS器件仿真工具对NMOS器件电学特性仿真在Silvaco 中建立的指定参数器件模型结构如图示：图4指定参数MOSFET 结构模型中，氧化层厚度tox 为0.1 μm，沟道长度L 为 1 μm，p型衬底浓度10^17cm-3,n阱掺杂浓度为10^19cm-3。
选用载流子统计模型(fermidirac)对器件进行模拟，固定漏源电压为0.1V。
所得的转移特性曲线如图所示：图5 转移特性曲线图当 V GS分别为 3.3、4.4、5.5V 时，模拟出器件的输出曲线如图示：图6 器件输出特性曲线由下至上的曲线分别代表V GS为3.3、4.4、5.5V 的情况。
由该模拟结果可得，在V GS>V T 的情况下，随着V GS的增大，饱和漏源电流I DSat增大，与式④所分析的结果相符合。
观察曲线可知，当V DS较小时，曲线近似呈线性，随着V DS增大，曲线趋于平缓，与实验原理分析结果相符。
提取器件参数，从运行窗口中可以看到阀值电压，Beta 和Theta 等，如下：图7 提取参数代码段1提取结果总结如下： 阀值电压：vt=3.41966 V Beta ：beta=4.24194e-005 A/V2 Theta ：theta=0.0644978 1/V2.改变器件结构参数和工艺参数，分析其对NMOS 器件主要电学特性的影响。
（1）改变栅氧厚度tox 的值，分析其对NMOS 器件电学特性的影响。
①将氧化层厚度tox 从0.1μm 改为0.05μm ，分别就器件结构及器件参数、转移特性曲线、输出特性曲线三个方面进行分析和比较。
器件结构及器件参数比较（1）tox=0.1 μm（2）t ox =0.05 μm图8器件结构及器件参数图对比观察器件结构图和器件参数值可知，栅极和沟道之间的氧化层变薄，而且阈值电压变小了，Beta 值变大了，Theta 值变小了。
转移特性曲线改变比较图9 器件转移特性曲线对比观察图9曲线，可知改变氧化层厚度为0.05 μm 后，V T = V ，比氧化层厚度为0.1 μm 时的V T =3.41699 V 要小，说明氧化层变薄后，阈值电压降低。
由公式⑤以及公式0sox oxC t εε=，分析可知，当氧化层厚度t ox 的值越小时，即氧化层厚度越薄，栅极电容C ox 的值越大，使阈值电压的降低。
可知仿真结果和理论分析相符合。
输出特性曲线比较（V gs 分别为3.3v ，4.4v ，5.5v ）图10器件输出特性曲线对比观察图10曲线，可知改变氧化层厚度为0.05 μm 后，在通入同等栅极电压的情况下，氧化层厚度变薄，饱和漏源电流变得比原器件大。
由公式0sox oxC t εε=，n oxW C Lμβ=分析可知，氧化层厚度变薄，C ox 和β的值同时增大。
由此可知，仿真结果和理论分析相符合。
②将氧化层厚度tox 从0.1μm 改为0.2μm ，分别就器件结构及器件参数、转移特性曲线、输出特性曲线三个方面进行分析和比较。
为进一步验证①中的结论，下面将列出厚度为0.2μm 时，器件结构及器件参数、转移特性曲线、输出特性曲线三个方面的仿真情况，不对结果再作详细分析。
器件结构及器件参数比较（1）t ox =0.1 μm（2）t ox =0.2 μm图11器件结构及器件参数图对比转移特性曲线改变比较图12 器件转移特性曲线对比输出特性曲线比较（V gs分别为3.3v，4.4v，5.5v）图13器件输出特性曲线对比分别观察图11,、图12、图13可知，当氧化层厚度增大时，阈值电压增大，饱和漏源电流变得比原器件小，即β值减少。
可知当氧化层厚度增大时，仿真结果和理论分析也一致。
（2）改变沟道长度L的值，分析其对NMOS器件电学特性的影响。
将沟道长度度tox从1μm改为0.6μm，分别就器件结构及器件参数、转移特性曲线、输出特性曲线三个方面进行分析和比较。
器件结构及器件参数比较（1）L=1μm（2）L=0.6 μm图14器件结构及器件参数图对比观察图14，可知当沟道长度减小到0.6μm 后，阈值电压减少到3.32242V ，但变化幅度非常小，另外，β值减小，θ值增大。
转移特性曲线改变比较图15 器件转移特性曲线对比改变沟道长度为0.6μm 后，阈值电压V T =3.32242V ，与沟道长度为1μm vt=3.41699 V 近似相等，说明沟道长度和阈值电压无明显相关性。
结合实验理论分析，在理想状态下，由公式可知，阈值电压与沟道长度没有明显的相关性，仿真结果和理论分析结果相符合。
输出特性曲线比较（V gs 分别为3.3v ，4.4v ，5.5v ）图16器件输出特性曲线对比由图可知，沟道长度变短之后，在通入相同栅压的情况下，饱和漏源电流比改变之前要大。
结合实验原理分析，n oxW C Lμβ=，当沟道长度变小时，β值增大，饱和漏源电流增大。
可知仿真结果和理论分析结果相符合。
（3）改变衬底掺杂浓度的值，分析其对NMOS 器件电学特性的影响。
将衬底掺杂浓度从1017cm -1改为1015 cm -1，分别就器件结构及器件参数、转移特性曲线、输出特性曲线三个方面进行分析和比较。
器件结构及器件参数比较（1）N A =1017cm -1（2）N A = 1015 cm -1图17器件结构及器件参数图对比观察图17可知，衬底浓度减小时，阈值电压减小了，β值增大，theta 值减小了。
转移特性曲线改变比较图18 器件转移特性曲线对比改变衬底掺杂浓度为1015cm-1时，阈值电压减小为vt=1.25669 V，比掺杂浓度为1017cm-1时小由公式分析可知，当掺杂浓度减小时，费米电势增大，则阈值电压减小。
所以仿真结果和理论分析结果相符合。
输出特性曲线比较（V gs分别为3.3v，4.4v，5.5v）图19器件输出特性曲线对比观察图19可知，衬底浓度变小后，通入相同的栅极电压下，饱和漏源电流比改变前小。
由半导体物理知识可知，衬底掺杂浓度减小会增大载流子迁移率，根据公式n oxuW C Lμβ=，β值增大，饱和源漏电流增大，所以，可知仿真结果和理论分析结果相符合。
【实验总结】一、通过本次实验，熟悉了利用silvaco 软件进行NMOS 器件结构描述流程和电学特性仿真的流程，通过修改参数进行仿真实验，对于器件参数对器件电流特性的影响有了更加深入的了解。
二、通过改变实验参数，可总结出：1. 随着栅压的提高，横流区的漏极电流也相应提高；2. 恒流区的漏极电流也是随着漏极电压增大而略有增大，不是理想横流特性；3. 随着栅极与沟道间氧化层厚度的变小，栅极对于漏极电流的调控能力增强；4.当栅压过大时，会出现氧化层击穿，会导致漏极电流反而减小；5.由于氧化层太薄，导致漏电流更大了，所以器件开关比变小；6.随着沟道长度的增加，漏极电流会有所下降，但是恒流特性会有所提高；。
