当前位置：文档之家 › 微电子器件基础实验

微电子器件基础实验

  • 格式：docx
  • 大小：376.28 KB
  • 文档页数：16

0

微电子器件基础实验报告

指导老师： 曾荣周

姓名：郭衡

班级：电科1704

学号：17419002064

湖南工业大学交通工程学院

2019 年 9 月 1

实验一 Silvaco TCAD 软件的基本使用方法和 PN 结的工作原理及

特性仿真与分析

一、 实验目的与任务

1．实验目的：

（1） 学会安装 Silvaco TCAD 软件

（2） 学会 Silvaco TCAD 软件的基本使用方法

（3） 通过对 PN 结的特性仿真与分析，理解 PN 结的工作原理

2．实验任务：完成 PN 结二极管的 IV 特性和击穿特性仿真

二、实验基本理

1． Silvaco TACD 软件 ATLAS 器件仿真器使用

2．二极管工作原理：

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、雪崩击穿和热击穿之分。

3．均匀掺杂PN结二极管atlas代码： 2

4．高斯掺杂PN结二极管atlas代码：

三、实验仪器设备与工具软件

1．PC 机（能运行 Win7 或更高版本的系统）。

2． SILIVACO-TCAD 软件。

四、实验内容

1．二极管 IV 特性仿真

（1） 用 atlas 生成一个 PN 结构二极管；

（2） 通过改变掺杂浓度和掺杂方式，观察耗尽区及其宽度；

（3） 对阳极正向偏压，仿真 IV 曲线。

2．二极管击穿仿真

（1） 用 atlas 生成一维二极管结构； 3

（2） 为击穿仿真设置模型；

（3） 曲线追踪参数设置；

（4） 自动反向电压曲线追踪仿真。

五、实验步骤

1．用 Atlas 生成仿真器件 PN 结二极管

2．观察器件结构

3．仿真出二极管 IV 特性和击穿特性曲线

4．分析二极管 IV 特性和击穿特性曲线

六、 实验报告

1．写出二极管 IV 特性仿和二极管击穿仿真代码

2．画出器件结构

3．画出仿真曲线和观察结果，并进行分析说明。

4．记录实验过程中出现的问题及解决办法。

均匀掺杂代码：

4

高斯掺杂代码：

均匀掺杂器件结构： 5

高斯掺杂器件结构：

均匀掺杂的仿真曲线： 6

高斯掺杂的仿真曲线：

实验结果分析：

均匀掺杂的仿真曲线从0.8开始呈指数增长，而高斯掺杂的仿真曲线从1.2开始呈指数下降。由于PN结正向导电时，电阻很小；反向导电时，其电阻很大。所以PN结具有单向导电性。高斯掺杂的杂质分布是对应于有效表面源扩散的，而均匀掺杂是对应于体扩散的。所以均匀掺杂是指数增长，而高斯掺杂是指数下降。

7

实验二 双极型晶体管 BJT 的工作原理及特性仿真与分析

一、 实验目的与任务

1．实验目的：

通过对 BJT 的特性仿真与分析，理解 BJT 的结构及工作原理

2．实验任务：完成 NPN 和 PNP BJT 输出特性 IC-VCE仿真

二、 实验基本原理

1．三极管工作原理：

BJT是双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor—BJT）的缩写，又常称为双载子晶体管。它是通过一定的工艺将两个PN结结合在一起的器件，有PNP和NPN

两种组合结构，是三端子器件。

一个npn晶体管可以被认为是共享一个阳极的两个二极管的组合。当发射结正偏，载流子热激发和耗尽区反向电场之间的平衡被打破，使得热激发电子被注入到基极区域，这些电子穿越基极从浓度较高的发射极区域附近扩散到集电极。在基极区域的电子被称为少数载流子，因为基极是p类型掺杂的。为了减少在到达集电极之前载流子被复合的百分比，晶体管的基区必须足够薄以使得载流子可以扩散到集电极。特别是基区厚度必须比电子的扩散长度小。共享的基极和不对称的集电极和发射极的掺杂是双极结型晶体管与两个分立反偏并联二极管的最大区分之处。

pnp晶体管……。

三、实验仪器设备与工具软件

1．PC 机（能运行 Win7 或更高版本的系统）。

2． SILIVACO-TCAD 软件。

四、实验内容

1．NPN BJT 输出特性 IC-VCE仿真

（1） 用 atlas 生成一个 NPN BJT 结构 8

（2） 仿真 NPN BJT IC-VCE输出特性曲线并分析

2．PNP BJT 输出特性 IC-VCE仿真

（1） 用 atlas 生成一个 PNP BJT 结构

（2） 仿真 PNP BJT IC-VCE输出特性曲线并分析

五、实验步骤

1．用 Atlas 生成仿真器件 NPN 和 PNP BJT

2．观察器件结构

3．仿真 NPN 和 PNP BJT IC-VCE 特性曲线并分析其工作特性

六、实验报告

1．写出 NPN 和 PNP BJT 仿真代码

2．画出器件结构

3．画出仿真曲线和观察结果，并进行分析说明。

4．记录实验过程中出现的问题及解决办法。

NPN代码：

9

PNP代码：

NPN器件结构： 10

PNP器件结构：

NPN仿真曲线： 11

PNP仿真曲线：

实验结果分析：

NPN型bjt的仿真曲线在第三象限呈指数下降，PNP型的bjt的仿真曲线在第一象限呈指数增长。NPN和PNP主要就是电流方向和电压正负不同，说得“专业”一点，就是“极性”问题。NPN 是用 B→E 的电流（IB）控制 C→E 的电流（IC），E极电位最低，且正常放大时通常C极电位最高，即 VC > VB > VE。PNP 是用 E→B 的电流（IB）控制 E→C 的电流（IC），E极电位最高，且正常放大时通常C极电位最低，即 VC < VB < VE。 NPN输出是低电平0，PNP输出的是高电平1。

12

实验三 场效应晶体管 MOSFET 的工作原理及特性仿真与分析

一、实验目的与任务

1．实验目的：

通过对 MOSFET 的特性仿真与分析，理解 MOSFET 的结构及工作原理

2．实验任务：完成 N-MOSFET 和 P-MOSFET 转移和输出特性仿真

一、 实验基本原理

1．N-MOSFET 工作原理：

当 VGS < VT（称为阈电压）时，N+型的源区与漏区之间隔着 P 型区，且漏结反偏，故无漏极电流。当 VGS >VT 时，栅下的 P 型硅表面发生强反型，形成连通源、漏区的 N 型沟道，在 VDS作用下产生漏极电流 ID。对于恒定的 VDS，

VGS 越大，沟道中的电子就越多，沟道电阻就越小，ID 就越大。

N-MOSFET 是通过改变 VGS来控制沟道的导电性，从而控制漏极电流 ID，是一种电压控制型器件。

2．P-MOSFET 工作原理………。

三、实验仪器设备与工具软件

1．PC 机（能运行 Win7 或更高版本的系统）。

2． SILIVACO-TCAD 软件。

四、实验内容

1．N-MOSFET 转移和输出特性仿真

（1） 用 atlas 生成一个 N-MOSFET 结构

（2） 仿真 N-MOSFET 转移和输出特性曲线并分析

2．P-MOSFET 转移和输出特性仿真 13

（1） 用 atlas 生成一个 P-MOSFET 结构

（2） 仿真 P-MOSFET 转移和输出特性曲线并分析

五、实验步骤

1．用 Atlas 生成仿真器件 N-MOSFET 和 P-MOSFET

2．观察器件结构

3．仿真 N-MOSFET 和 P-MOSFET 输出和转移特性曲线并分析其工作特性

六、实验报告

1．写出 N-MOSFET 和 P-MOSFET 仿真代码

2．画出器件结构

3．画出仿真输出和转移特性曲线和观察结果，并进行分析说明改变溶度的变化会导致曲线平移。

4．记录实验过程中出现的问题及解决办法。

P-MOSFET代码：

N-MOSFET代码： 14

N-MOSFET器件结构：

P-MOSFET器件结构：

Nmos转移特性曲线：

Nmos输出特性曲线： 15

Pmos转移特性曲线：

Pmos输出特性曲线：

实验分析说明：

nmos输出特性曲线与pmos输出特性曲线完全相反，转移特性曲线也一样。Nmos输出特性曲线斜率先呈指数增长，当vds>Vdsat时，斜率变化不是很明显，Id达到饱和而不再随vds变化而变化。Nmos转移特性曲线斜率开始时增长很平缓，当Vgs>Vt时，也就是大于开启电压=0.7V时，斜率开始增长。而pmos输出特性曲线的斜率开始变化很平缓，当Vds>Vdsat时，变化开始呈负指数增长，pmos转移特性曲线开始呈负指数增长，后变化很平缓。

合集下载

微电子器件与IC设计基础第2版课后答案

微电子器件与IC设计基础第2版课后答案

课后习题答案

1.1 为什么经典物理无法准确描述电子的状态？在量子力学中又是用什么方法来描述的？

解：在经典物理中，粒子和波是被区分的。然而，电子和光子是微观粒子，具有波粒二象性。因此，经典物理无法准确描述电子的状态。

在量子力学中，粒子具有波粒二象性，其能量和动量是通过这样一个常数来与物质波的频率和波矢k建立联系的，即

knchphE

上述等式的左边描述的是粒子的能量和动量，右边描述的则是粒子波动性的频率和波矢k。

1.2 量子力学中用什么来描述波函数的时空变化规律？

解：波函数是空间和时间的复函数。与经典物理不同的是，它描述的不是实在的物理量的波动，而是粒子在空间的概率分布，是一种几率波。如果用tr,表示粒子的德布洛意波的振幅，以trtrtr,,,2表示波的强度，那么，t时刻在r附近的小体积元zyx中检测到粒子的概率正比于zyxtr2,。

1.3 试从能带的角度说明导体、半导体和绝缘体在导电性能上的差异。

解：如图1.3所示，从能带的观点来看，半导体和绝缘体都存在着禁带，绝缘体因其禁带宽度较大(6~7eV)，室温下本征激发的载流子近乎为零，所以绝缘体室温下不能导电。半导体禁带宽度较小，只有1~2eV，室温下已经有一定数量的电子从价带激发到导带。所以半导体在室温下就有一定的导电能力。而导体没有禁带，导带与价带重迭在一起，或者存在半满带，因此室温下导体就具有良好的导电能力。

1.4 为什么说本征载流子浓度与温度有关？

解：本征半导体中所有载流子都来源于价带电子的本征激发。由此产生的载流子称为本征载流子。本征激发过程中电子和空穴是同时出现的，数量相等，inpn00。对于某一确定的半导体材料，其本征载流子浓度为kTEVCigeNNpnn002

式中，NC，NV以及Eg 都是随着温度变化的，所以，本征载流子浓度也是随着温度变化的。

微电子工艺实验标准实验报告1

微电子工艺实验标准实验报告1

电子科技大学微电子与固体电子学院

标 准 实 验 报 告

（实验）课程名称： 微电子工艺实验

电子科技大学教务处制表

电 子 科 技 大 学

实 验 报 告

学生姓名： 学 号： 班级

指导教师：王姝娅、钟志亲、戴丽萍、王刚

实验地点：微固搂2搂IC实验室、IC测量室、3搂机房

实验时间：

一、实验室名称 功率半导体器件实验室、集成电路测量分析实验室、微固体学院机房

二、实验项目名称：

三、实验学时：32

四、实验原理：

五、实验目的：

1 熟悉半导体工艺的一般步骤。

2 掌握半导体工艺各个步骤的要求。会计算方块电阻。

3 牢记温度控制、溶液配比要求。

六、实验内容：

1熟悉实验步骤和参数要求。

2 跟据实验原理和实验步骤进行实验操作。

七、实验器材（设备、元器件）：

八、实验步骤：

九、总结及心得体会：

十、 实验建议 十一、思考题：

1 怎样计算结深？

2 一扩散炉斜坡式升温（从600℃开始）15分钟，在1100℃下保温30分钟，然后在15分钟内斜坡式降温到600℃。计算有效扩散时间。假定是硅中的磷。

3 试说明提高光刻精度的方法？

4（100）硅片上有若干掺磷的小岛，其表面掺磷浓度为6×cm32210。硅片在900℃下在湿氧中氧化60分钟，分别计算在掺杂区和未掺杂区的氧化层厚度。

5 试说明方块电阻与掺杂剂量或注入剂量之间的关系，并由此进一步说明方块电阻的定义。

报告评分：

指导教师签字：

虚拟仿真实验在半导体器件物理实验中的应用探究

虚拟仿真实验在半导体器件物理实验中的应用探究

总第494期Vol. 4942020年12月Dec.2020大学(教学与教育)University(Teaching & Education)

虚拟仿真实验在半导体器件物理实验中的

应用探究

段小玲，王树龙，许晟瑞

(西安电子科技大学微电子学院，陕西西安710071)

摘要:半导体器件物理实验是微电子与集成电路专业的核心专业实验，具有实践性强及 技术更新快的特点，而真实实验环节存在实验设备昂贵、安全风险和器件内部特征与参数信 息难以获得等问题。西安电子科技大学微电子学院实验中心把虚拟仿真实验应用到半导体 器件物理实验当中，作为真实实验的有效补充，通过虚实结合的实验模式探索，解决了经费 有限、安全风险和教学内容前沿创新不足等问题，积极促进了高水平、高素质、强能力的集成 电路人才培养。关键词:虚拟仿真;半导体器件物理实验;虚实结合中图分类号:G642.0 文献标识码:A 文章编号:1673-7164(2020)48-0075-03

半导体器件是集成电路芯片的核心部分,其性能高低主导着芯片的整体性能。半导体器件物理实验是 微电子与集成电路专业的一门基础实验课，其涉及的实验设备相对昂贵,受到经费预算、场地空间、安全风 险、试错成本、实验课时以及半导体器件本身结构特点等条件的限制,真实实验很难实现学生人手一台设

备实验，使其在有限的实践环节中充分理解实验原理、进行实验操作并对实验结果进行全面深刻地分析。为了解决实验课中普遍存在的问题，各大高校致力于实验室建设、团队建设、实验教学内容和教学模 式改革探索和实践研究2〕。西安电子科技大学微电子学院微电子与集成电路实验中心通过专业基础实验

室重构和虚拟仿真实验室建设的多年探索，取得了一些教学改革经验叫进行了系列虚拟仿真实验建设和 探索。例如，把虚拟仿真实验应用到半导体器件物理实验当中，借助虚拟仿真技术“层层”剖析半导体器件, 宜观、形象地展现出半导体器件内部不同方向上结构和参数的变化规律,增强学生对半导体器件结构、特 性和原理的把握，弥补了传统实验教学存在的不足，使半导体器件物理实验教学更加高效。本文基于前期

微电子器件的制造技术研究

微电子器件的制造技术研究

微电子器件的制造技术研究

随着科技的不断发展，微电子器件逐渐成为现代科技领域最为重要的组成部分之一。微电子器件是指那些体积很小，功耗低、速度快的电子器件，在信息通讯、计算机技术、电子娱乐等领域都有广泛的应用。而要想让这些微电子器件更加高效而稳定地工作，就需要采用先进的微电子制造技术。本文将详细介绍现代微电子器件的制造技术，并对其未来发展做出一定的展望。

（一）微电子器件制造技术的历史发展

微电子器件的发展历史可以追溯到20世纪50年代。当时，美国贝尔实验室的主管发现，要想进一步提高电子器件的稳定性和精度，就需要采用新的微电子制造技术。于是，人们开始尝试在石英晶体上制造电路，在石英晶体表面形成金属线和晶体管，从而成功制造出了第一批微电子器件。

随着计算机产业的迅速发展，人们对微电子器件的需求越来越大。于是，微电子制造技术也得到了快速的发展。20世纪60年代，光刻技术被应用于微电子器件的制造中，这使得微电子器件的精度和稳定性得到了显著的提高。接着，人们开始尝试使用扫描电子显微镜来制造微电子器件，这项技术的出现，极大地提高了微电子器件的制造质量和效率。

在20世纪70年代，人们开始研究利用化学稀释技术（也叫做“拆线法”）来制造微电子器件，同时也开始研究利用氧化铟和硫化铝等材料来制造微电子器件。至此，微电子器件的制造技术已经掌握了多种不同的方法和工艺。

（二）现代微电子器件制造技术的工艺流程

现代微电子器件的制造流程，主要包括六个步骤：晶圆准备、光刻、蚀刻、薄膜沉积、退火、掩膜剥离。下面我们逐一介绍这些步骤。

1. 晶圆准备 晶圆准备是微电子器件制造中非常重要的一步，其质量直接关系到后续的加工效果。晶圆准备主要包括晶片制备、清洗、去毛刺、去磕碰等过程。其中晶片制备是整个制造流程中最为关键的一环，其需要使用高精密的机械制造设备进行操作。

2. 光刻

光刻是微电子器件制造中使用最为广泛的技术之一。其主要原理是利用UV光在化学上作用于光刻胶层，通过选择性曝光和显影，形成所需的图案结构。光刻技术能够实现良好的图案分辨率和精度，因此也是制造微电子器件的重要工艺。