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：ln AFp 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 VBeta：beta=4.24194e-005 A/V2Theta：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=1 μm （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1015 cm-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；。