Silvaco TCAD仿真10——MOSFET结构仿真

代码

MOS器件结构 

go atlas

#定义网格
#二维非均匀网格
mesh
x.m l=0.0   spacing=0.3
x.m l=0.5   spacing=0.018
x.m l=2.5   spacing=0.018
x.m l=3     spacing=0.3
y.m l=-0.02 spacing=0.01
y.m l=0.0   spacing=0.01
y.m l=0.3   spacing=0.06
y.m l=1.0   spacing=0.2

#定义材料
region num=1 y.min=0   silicon
region num=2 y.max=0.0 oxide

#定义电极
elect num=1 name=gate   x.min=0.5 length=2   y.min=-0.02 y.max=-0.02
elect num=2 name=source left      length=0.5 y.min=0.0   y.max=0.0
elect num=3 name=drain  right     length=0.5 y.min=0.0   y.max=0.0
elect num=4 name=substrate substrate

#定义掺杂
doping uniform p.type conc=2.e16
doping uniform n.type conc=1.e20 x.max=0.5 y.max=0.2
doping uniform n.type conc=1.e20 x.min=2.5 y.max=0.2

 不同沟道状态

#模型定义
#迁移率模型( cvt)、复合模型
models cvt srh print

#电极接触类型
#多晶硅栅(自对准效应)
contact name=gate n.poly

#界面电荷
#SiO2和Si的接触是不理想的,存在界面态,固定的界面电荷
interface qf=3e10
method newton

#求解初始状态
solve init
#求解漏电压=10V的情况
solve vdrain=10
#存储结果
log outf=nmos1_1.log

solve vgate=0 vstep=0.25 vfinal=5.0 name=gate
save outf=nmos1_1.str

quit

 仿真

对于硅基器件,

Vd=10V,Vg=5V,绝大部分器件,处于反型。

夹断,处于饱和状态。

器件结构

 分布情况

查看其他分布情况 

右键->display 

电场分布情况 

 载流子分布情况

 电流

 cutline做切线看物理量分布

 tools->cutline

选择人为设置坐标 ,create

 

可以看到沟道及其附近电子浓度

 看到沟道夹断的情况

 参考:

最简单的MOSFET仿真

<think>好的,用户现在需要的是在Silvaco ATLAS中仿真p-GaN增强型氮化镓HEMT,具体是当漏极电压为0时,栅极电压逐渐正向增大,观察栅极电流随电压变化直至击穿的情况,并给出仿真代码。我需要先回顾之前的对话历史,看看用户之前的问题和我的回答,以便保持一致性。 用户之前问过肖特基结反向击穿的物理模型,我详细列出了各个模型和代码示例。现在用户的问题转向HEMT器件仿真,特别是p-GaN增强型结构。需要明确用户的需求:他们可能是在设计或优化HEMT器件,关注栅极在正向电压下的电流特性,包括击穿现象。这可能涉及栅极的肖特基接触或p型栅结构的击穿机制。 首先,我需要确定p-GaN HEMT的结构特点。增强型通常需要p-GaN栅极来耗尽二维电子气(2DEG),在栅极加正向电压时,空穴注入可能导致电流增大,最终击穿。仿真时需要包括材料参数、物理模型(如迁移率、复合模型、隧穿、碰撞电离等),以及正确的电极设置。 接下来,用户需要的是仿真代码,所以需要构建一个ATLAS的deck文件。这包括网格定义、材料参数、物理模型激活、电极设置、求解步骤等。同时,用户提到漏极电压为0,所以可能需要将漏极接地,而栅极电压从0开始正向扫描。 需要考虑的关键点: 1. 结构定义:包括衬底、缓冲层、势垒层、p-GaN栅极。 2. 材料参数:GaN的带隙、电子亲和能,p型掺杂浓度等。 3. 物理模型:SRH复合、费米统计、场致发射隧穿(因为正向偏置可能导致栅极隧穿电流)、碰撞电离(击穿时)。 4. 电极设置:栅极作为肖特基接触,源漏作为欧姆接触。 5. 求解步骤:初始求解,栅极电压扫描,监测栅极电流。 6. 输出和可视化:保存结果,提取I-V曲线,确定击穿点。 需要检查是否需要考虑自热效应,但如果是静态特性,可能暂时不需要启用热模型。另外,确保在栅极区域网格足够细,以准确捕捉高电场区域。击穿的判断可能需要观察电流的急剧上升,同时结合电场分布。 可能遇到的挑战包括收敛性问题,特别是在高偏置时,可能需要调整求解方法和步长。另外,物理模型的参数需要根据实际材料属性校准,比如碰撞电离系数和隧穿参数。 最后,代码示例需要包括所有必要的部分,结构定义、材料参数、模型激活、界面设置、求解命令和输出。同时,可能需要注释说明关键步骤,帮助用户理解各部分的作用。</think>在Silvaco ATLAS中仿真p-GaN增强型HEMT的栅极正向击穿特性,需重点关注**栅极肖特基接触的场致发射隧穿**和**雪崩击穿机制**。以下是完整仿真代码与分步说明: --- ### **代码框架(关键注释版)** ```tcl go atlas #----------------------- 1. 结构定义 ---------------------- mesh # 纵向分层(单位:μm) region x.min=0 x.max=0.5 y.min=0 y.max=0.02 material=pGaN # p-GaN帽层 region x.min=0 x.max=0.5 y.min=0.02 y.max=0.03 material=AlGaN # AlGaN势垒层 region x.min=0 x.max=0.5 y.min=0.03 y.max=0.5 material=GaN # GaN缓冲层 # 横向电极定位 electrode name=gate x.min=0.2 x.max=0.3 y.min=0 top # 栅极(肖特基接触) electrode name=source x.min=0 x.max=0.1 y.min=0.02 bottom # 源极 electrode name=drain x.min=0.4 x.max=0.5 y.min=0.02 bottom # 漏极 #----------------------- 2. 材料参数 ---------------------- material material=pGaN eg=3.4 affinity=2.1 epsilon=9.0 \ mun=1000 mup=50 taun=1e-9 taup=1e-9 \ doping p.type concentration=1e17 # p型掺杂 material material=AlGaN eg=4.2 affinity=1.8 epsilon=9.5 polarization material material=GaN eg=3.4 affinity=2.7 epsilon=9.0 #----------------------- 3. 物理模型激活 ---------------------- models fermi temp=300 # 费米统计 srh auger bgn # SRH复合+Auger+带隙变窄 fldmob analytic # 电场相关迁移率 impact selb # 雪崩击穿模型 trapdirect # 直接隧穿模型 contact name=gate workfunc=5.1 # 金属功函数设置(肖特基势垒高度) #----------------------- 4. 界面极化电荷 ---------------------- interface qf=1e13 # AlGaN/GaN界面极化电荷密度 #----------------------- 5. 初始求解 ---------------------- solve init #----------------------- 6. 栅极电压扫描(漏极Vd=0) ---------------------- solve vgate=0.5 vstep=0.1 vfinal=10 # 从0.5V开始逐步增大至10V log outf=gate_IV.log master log=gate_IV.log #----------------------- 7. 输出设置 ---------------------- save outf=HEMT_breakdown.str tonyplot HEMT_breakdown.str ``` --- ### **关键模型与参数说明** #### **1. 栅极电流机制建模** - **场致发射隧穿(Fowler-Nordheim Tunneling)** 通过`TRAPDIRECT`模型实现,需设置隧穿有效质量: ```tcl models trapdirect td.effmass=0.22 # GaN电子有效质量比 ``` - **雪崩击穿阈值控制** 调整碰撞电离系数(与材料相关): ```tcl impact selb alphan=3e5 betan=1.5e6 # GaN的电子电离参数 ``` #### **2. 收敛性优化技巧** - **电压步进策略** 使用自适应步长防止发散: ```tcl solve vgate=0.5 vstep=0.1 vfinal=10 climit=1e3 ``` - **非线性求解器配置** ```tcl method newton autonr itlimit=30 # 增强Newton迭代稳定性 ``` #### **3. 击穿特性验证** - **提取栅极电流曲线** 在`gate_IV.log`文件中查找`Igate`随`Vgate`变化数据,绘制曲线时应观察到: - **阶段1**(Vgate < 5V):隧穿电流主导,指数型增长 - **阶段2**(Vgate > 5V):雪崩击穿触发,电流陡升 - **电场分布验证** 在TonyPlot中查看`Electric Field`分布,击穿时应满足: $$\max(E_{vertical}) > 3\ \text{MV/cm}\quad (\text{GaN临界击穿场强})$$ --- ### **典型仿真结果分析** | 栅压范围 (V) | 电流机制 | 预期电流量级 | |--------------|--------------------|--------------------| | 0.5 - 3.0 | 热电子发射 | 1e-9 - 1e-6 A/μm | | 3.0 - 6.0 | 场致发射隧穿 | 1e-6 - 1e-3 A/μm | | >6.0 | 雪崩倍增主导 | >1e-2 A/μm | **注**:若需精确匹配实验数据,需通过`CALIBRATE`语句对`ALPHAN/BETAN`和`TD.EFFMASS`进行参数扫描优化。
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