P型沟道静电感应晶体管的结构设计3.1 p型沟道静电感应器件的简介p型沟道静电感应晶体管，顾名思义，就是导电沟道是p型沟道的静电感应晶体管，与n型沟道静电感应晶体管是相对的。

3.1.1 p型沟道静电感应晶体管的简单结构根据n型沟道静电感应晶体管的结构，画出p型沟道静电感应晶体管的二维简单模型图如图3.1所示。

该模型是一个简单的表面栅型结构，和n型结构对比，图3.1 表面栅型p型沟道结构静电感应晶体管模型p型结构栅区是重掺杂的n型材料，源区和漏区是重掺杂的p型材料，沟道区是轻掺杂的p型材料。

和n型沟道静电感应晶体管一样，p型沟道静电感应晶体管在零偏压下，沟道区也是耗尽的。

p型沟道静电感应晶体管正常工作时，栅极接正偏压，源极接地，漏极接负偏压。

3.1.2 p型沟道静电感应晶体管的工作原理画出p型沟道SIT沟道电力线的简图如图3.2所示。

对比n型沟道静电感图3.2 p 型沟道SIT 沟道电力线简图应晶体管，p 型沟道静电感应晶体管沟道内电力线的方向发生了变化。

由于栅区正电荷相互排斥的作用，在靠近源区的沟道内也产生了势垒区。

画出沟道内电场的一维曲线如图3.3所示：图3.3 p 型沟道SIT 沟道电场的一维曲线示意图 电场是电势的负梯度d E dx Φ=-，结合图3.3可以画出p 型沟道静电感应晶体管沟道内的一维电势曲线，如图3.4所示：图3.4 p 型沟道SIT 一维沟道电势示意图沟道内电势能Q q =Φ，示意图和电势Φ示意图差不多。

所以p 型沟道静电感应晶体管沟道内也存在势垒。

从源区扩散进入沟道的空穴越过势垒后漂移到漏区，便形成了电流。

栅极电压G V 增大，沟道势垒升高，越过势垒的载流子数目减少，因此漏电流减小；漏极电压D V 增大，沟道势垒降低，越过势垒的载流子数目增加，漏极电流增大。

3.1.3 p 型沟道静电感应晶体管的I-V 特性曲线由2.4小节可知，静电感应晶体管在小电流时，沟道满足耗尽层近似，理论分析得到漏极电流随漏极电压的增大呈指数增大关系；中、大电流时呈线性增大关系。

虽然这一理论是以n型沟道静电感应晶体管为模型建立的，但依然适用于p型沟道静电感应晶体管。

p型沟道静电感应晶体管正常工作时，栅极接正压，漏极接负压，源极接地，所以其I-V特性曲线位于坐标系的第三象限。

根据这一结论画出p型沟道静电感应晶体管理想的I-V特性曲线示意图如图3.5所示：图3.5 p型沟道静电感应晶体管I-V特性曲线示意图对比n型和p型沟道静电感应晶体管的I-V特性曲线示意图，发现它们关于坐标原点满足中心对称关系。

3.2 p型沟道静电感应晶体管的基本制造参数对于一个电力器件，它的电学特性PE与器件的材料参数PM、结构参数PS和工艺参数PT密不可分，当然也有一些器件生产过程中难以避免的工艺误差ET，但电学特性主要还是由PM、PS、PT三个参数确定。

将它们之间的关系可表示成函数关系式：（3-1）各制造参数PM、PS、PT之间的匹配关系不同，函数形式F也就不同，对应的电学特性自然也就不同。

对静电感应器件而言，想要器件表现出理想的I-V 特性，就得找到各制造参数之间最佳的匹配关系[8]。

器件参数的选取离不开Silvaco TCDA模拟工具的辅助。

Silvaco TCDA是基(,,)P P P PE F M S T于一系列物理模型和方程而建立的一个软件模拟环境，用来进行半导体器件模拟和工艺模拟。

在本实验中，可以通过该软件模拟环境观察器件的电学特性随各制作参数变化的基本规律，根据这些变化规律来确定器件的制造参数，以便更有效地进行器件的设计和制作。

3.2.1 材料参数半导体器件的制作均是在硅片衬底上进行的，对于硅片的选择主要包括以下几项参数：晶向，掺杂浓度，电阻率，直径，寿命等。

晶体主要有（111）、（110）、（100）三个晶向，其中（111）晶向对应的晶面原子密度大，双层原子面间共价键密度较小，因此外延生长速度慢，表面原子位错较多，但成本低；（100）晶向对应的晶面原子密度小，但双层原子面间共价键密度大，键和能力强，外延生长速度快，表面质量较好；（110）晶向的晶面正好介于中间。

实验发现采用（111）晶向制作的器件其I V -特性与（100）晶向的几乎完全重合，如图3.6所示，说明SIT 对于表面态的敏感程度低。

为降低成本，采用（111）晶向的硅材料。

图3.6 不同晶向下P 型沟道SIT 的I V -特性曲线衬底材料起着芯片支撑和形成漏极欧姆接触的作用，可用来形成漏极。

低掺杂的衬底有利于提高栅漏击穿电压，但大电流下会造成衬底载流子分布不均匀，使正向导通电阻增大。

另外，衬底掺杂过低不利于欧姆接触的形成。

高掺杂虽然可以形成有效的欧姆接触，增大电流容量，但会降低器件的耐压特性。

为保证器件的高耐压特性，降低通态压降，衬底厚度n w 取少子扩散长度n L 的2.5 3.0倍之间，即：(2.5~3.0)n n w L = 。

由于n n n L D τ=，而少子寿命n τ又与衬底的掺杂浓度有关系，所以少子扩散长度n L 与衬底的掺杂浓度有关，更进一步，也就是说衬底的厚度n w 与衬底的掺杂浓度A N 有关。

在本次试验中选衬底材料为掺B 浓度183110cm -⨯，对应的少子寿命为20n s τμ=，80n L m μ=。

衬底厚度n w 在200300m m μμ之间。

在衬底材料上通过外延生长形成沟道。

通过Silvaco 模拟发现沟道掺杂浓度不同，器件的I V -特性也不相同，如图3.7所示。

总的来说在133110cm -⨯左右时，（a ） 沟道浓度133110A N cm -=⨯时呈类三极管特性（a ） 沟道浓度143210A N cm -=⨯时呈混合特性图3.7 不同沟道浓度下的I V -特性 器件呈现出类三极管特性。

对比图()a 和()b ，发现沟道浓度越低，漏极电流越小。

但浓度锅高时，会使器件的栅控能力减弱，导致沟道夹断程度小，器件呈现电阻特性。

本次实验取沟道掺杂浓度133110AN cm-=⨯。

综合考虑，最终选衬底为掺杂浓度为183110cm-⨯，厚度300mμ，晶向（111）p型单晶硅硅片，外延层掺杂浓度为133110cm-⨯。

3.2.2 结构参数结构参数的选取是制作器件又一个重要的步骤。

对于静电感应晶体管，非本征区沟道是最为复杂的地方，结构参数的划分也最为精细。

画出p型沟道SIT 栅体与沟道的结构参数示意图如图3.8所示：图3.8 p型沟道SIT栅体与沟道的参数示意图图中标出的结构参数分别是：沟道长度cl，沟道厚度cd，栅体厚度gt，栅体长度jx，栅孔间距d和源区厚度jsx等，还有没标记出的沟道宽度cw，漏区长度jdx，本征沟道区长度bl等。

1.沟道厚度cd如图3.8所示，够到厚度也就是两个栅区间的实际距离。

记a为沟道的半厚度，a为栅沟的pn+结在零偏压下的耗尽层宽度。

近似认为栅沟pn+结是单边突变结，则耗尽区宽度为：（3-2）式中，ε是硅的介电常数，满足0rεεε=，148.8610F cmε-=⨯，是真空介电常数，rε是硅的相对介电常数，为11.8，V是栅沟pn+结的自建电势，满足：（3-3）其中，AN是沟道区的掺杂浓度，DN是栅体的掺杂浓度。

122AVaqNε⎛⎫≈ ⎪⎝⎭02ln A DiN NkTVq n=定义夹断因子β为沟道厚度cd与零栅压下耗尽区宽度a的比值，即：（3-4）表征零栅压下沟道的夹断程度。

它将沟道厚度与零栅压的耗尽层宽度联系在一起，进一步与栅沟的掺杂浓度联系在一起，必然影响着器件的电学特性[5]。

利用Silvaco软件对不同β取值的p型沟道SIT进行I V-曲线模拟，发现p 型SIT当0.65β>时，器件的I V-曲线便表现出电阻特性；当0.45β≈时，器件I V-曲线呈典型的类三极管特性；当0.3β<时，器件深度夹断，此时仍呈现出（a）0.39β=（b）0.44β=（c）0.6β=图3.9 夹断因子取不同值时p型沟道SIT的I V-特性曲线类三极管特性，但器件的漏极电流较小，死去较大。

在本次试验中取夹断因子β在0.30.5之间。

如图3.9所示，器件夹断因子不同时，对应的I V-特性曲线。

2.沟道长度cl002cd aa aβ==沟道长度对器件I V -特性的影响也比较大。

实验表明，当器件沟道厚度一定时，沟道越长，器件的类三极管特性越差，饱和特性越明显。

定义沟道长厚比（a ） 1.5ς=时p 型沟道SIT 的I V -特性曲线（b ） 30ς=时p 型沟道SIT 的I V -特性曲线图3.10 不同沟道长厚比时，p 型沟道SIT 的I V -特性曲线c c ld ς=，表征器件在耗尽状态下，漏极电压对源区的控制能力。

ς越小，沟道长度c l 也就越小，则漏极电压的控制能力强[5]。

用Silvaco 模拟发现：当 1.5ς≈时，SIT 表现出很好的类三极管特性；当20ς>时，SIT 就会表现出类电阻特性。

如图3.10所示。

3．栅体厚度g t栅体厚度和器件的开关特性有着密不可分的联系。

栅体越厚，栅源电容gs C 越大，不利于器件的开通和关断。

为了减小栅源电容，提高器件的开关特性，就得减小栅体的厚度。

但是栅体厚度过小，就提高对沟道厚度c d 和栅体掺杂浓度 G N 的要求[5]。

权衡考虑，本次实验取定栅体厚度g t 为0.7m μ。

4.沟道宽度c w对于沟道宽度，SIT 没有具体的要求。

沟道宽度大，沟道的电流容量也就大，但是沟道宽度过大，会不利于栅体对沟道电流的控制，导致栅控迟钝，影响器件的特性。

实验表明1002000mm μμ的沟道宽度均可以用来制作SIT [5]。

5.漂移区长度gd l对p 沟道型SIT ，源区的空穴扩散越过势垒后，通过漂移区抵达漏区形成漏电流。

图3.11 不同漂移区长度下p 型沟道SIT 的I V -特性在相同的漏极偏压下，改变漂移区的长度（栅漏间距），会发现p 型沟道SIT 呈现出不同的I V - 特性。

如图3.11所示。

观察图，可以发现在相同的漏电压下，漂移区越长，漏极电流越小。

这是因为漂移区越长，空穴通过漂移区的渡越时间τ就越长，根据：（3-5） 可知，空穴的渡越时间变长，导致漏极电流变小。

综合考虑，本次实验取漂移区D QI τ=μ。

的长度为19.6m3.3 p型沟道静电感应晶体管的器件参数及特性3.3.1 p型沟道静电感应晶体管的器件参数根据3.2章节中的理论分析和软件模拟，确定出器件的参数如表3.2所示。

表3.2 p型沟道静电感应晶体管的器件参数3.3.2 p型够道静电感应晶体管的器件特性-特性曲线1.器件结构和I V根据表3.2给出的参数，利用Silvaco TCDA模拟软件，编写程序，经过多-特性如图3.12所示。