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NMOS管设计及其准静态电特性分析


课程设计报告
题目:NMOS 管设计及其准静态电特性分析

姓名: 学号: 学院:电子科学与应用物理学院 专业:电子科学与技术 10-3 组员: 指导老师: 日期:2014.1.2

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目录

1. 设 计 任 务 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 3
1.1 1.2

设计内容…………………………………………………3 结构参数…………………………………………………3

2. 设 计 方 案 及 步 骤 … … … … … … … … … … … … … … … … … 3 3. M O S 管 的 设 计 和 器 件 特 性 模 拟 … … … … … … 4 3.1 设计流程…………………………………………………… 4 3.2 Dessis 模块建立…………………………………………… 5 3.3 程 序 运 行 … … … … … … … … … … … … … … … … … … … 6 3.4 查 看 输 出 特 性 曲 线 和 转 移 特 性 曲 线 … … … … … … … … 6 4.仿真结果图形…………………………………………………………8 5.心得体会……………………………………………………………10

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1. 设计任务
1.1 设计内容
目标:设计一开启电压为 0.55V 的 NMOS 器件,并分析其输入输出 特性、亚阈值特性及其影响因素。 1) 运用 MDRAW 工具设计一个栅长为 0.18 ? m 的 NMOS 管的边界及掺 杂;在 MDRAW 下对器件必要的位置进行网格加密; 2) 根据设计目标编制 dessis 模拟程序,模拟器件的转移特性,并 在终端下运行此程序; 3) 应用 INSPECT 工具得出器件的转移特性曲线,并提取出开启电 压 Vt; 4) 若开启电压不满足要求, 回到第一步调整器件结构, 重复 1) ~3) 5) 分析栅氧厚度和沟道掺杂对亚阈值特性的影响 6) 确定好开启电压为 0.55V 的器件结构和掺杂分布后,编制新的 dessis 模拟程序分析此器件在 Vgs 分别为 0、0.2、0.5、0.8、 1.5V、2.0V 时的输入输出特性
1.2

结构参数参考值:
栅氧厚度:~4nm

1.2.1 栅长:180nm 1.2.2 开启电压 VTH 公式:

VTH ? VFB ? 2? f ?

2? S qN A (2? F ) qQI ? COX COX

式中:NA 为沟道掺杂浓度;COX 为栅电容大小; QI 是为调节 VTH 而进行离子注入的剂量。

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2. 设计方案及步骤
1.根据参数要求计算得到理想化 nMOS 的沟道 W/L 和衬底掺杂,设定初始的 结构参数。 2.运用 MDraw 模块画出 nMOS 相应图形。 3.编写转移特性和输入输出的 Dessis 程序。 4.运行 MDraw 和转移特性 Dessis, 先得到 nMOS 的转移特性 Id-Vg 曲线, 确定 出阈值电压。 5.调整衬底掺杂和二氧化硅层厚度及沟道长度,使阈值电压和跨导达到所给 参数要求。 6.运行 MDraw 和输入输出 Dessis 程序,得到 nMOS 的 Id-Vd 输入输出特性曲 线。 7.在画出不同 Vg 下的 Id-Vd 输入输出曲线。

3. MOS 管的设计和器件特性模拟
关于 ISE 软件 工艺及器件仿真工具 ISE-TCAD 是瑞士 ISE 公司开发的软件,是一种建立 在物理基础上的数值仿真工具, 它既可以进行工艺流程的仿真、 器件的描述, 也可以进行器件仿真、电路性能仿真及电缺陷仿真等。 TCAD 软件包是由多个模块组成的,主要是工艺仿真工具 DIOS、器件生 成工具 MDRAW、器件仿真工具 DESSIS。这些模块都可以在 GENESISe 平台中 打开和运行。

3.1 设计流程
nMOS 器件设计流程包括利用工艺仿真工具 DIOS 创建器件结构, 然后使 用器件生成工具 MDRAW 进行器件网格和掺杂的优化,最后使用器件仿真工 具 DESSIS 进行器件特性仿真。

3.1.1 在 ISE 中建立一个新的项目
首先进入 ISE TCAD 运行的 Linux 操作环境,进入操作界面按照 Project →New → New Project 顺序进行创建新目录。 在工作主界面的 Family Tree 目录下的 No Tools 边框上面, 右键 Add →Add Tool →Tools →MDraw →OK,在 Create Default Experime 边框选定 OK , 之后再在 MDraw 工作框上右键 Add →Add Tool →Tools →Dessis →OK,在 Add Tool 边框上点击确定 After Last Tool →Apply →Tools →Inspect →OK。 这样,工作界面 Family Tree 目录下就有 MDraw、Dessis 这两个模块了。 之后进行保存 Project →Save As →输入工作名称→OK 就可以了,或者也可
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以直接点击保存的快捷图标进行保存。

3.1.2 建立器件结构模型
利用 Mdraw 模块建立 nMOS 和 pMOS 器件结构模型,包括器件的边界、 掺杂、网格的划分。 首先要进行 MDraw 的绘制器件工作, 右键 MDraw →Edit Input →Boundary 进入 MDraw 的绘制器件结构工作区。 在 MDraw 绘制过程中,可以徒手绘制,这是默认模式的绘制方式。然 而在大多数情况下,需要按照器件尺寸精确绘制,这时可以从 Performance Area 中点击 Exact Coordinates 选择精确坐标绘制。 接下来要选择器件的制作 材料,打开 Materials 菜单,选择 MESFET 器件材料 Si。 绘制器件结构图时,选择Exact Coordinates,点击Add Rectangle增加 矩形框,输入预先设计的各点坐标,设定器件各个结构的尺寸大小。 器件结构绘制完成后,需要在源、漏、栅的欧姆金属和Si衬底接触面上 添加欧姆接触层。 首先Add Contact, 命名接触, 然后点击Set/Unset Contact 在器件表面添加接触。 接触设定以后,进行文件保存。器件 Boundary 的保存文件扩展名为 *.bnd。 要保存边界文件, 打开 File →Save As。 下一步进行脚本文件保存, File →Save Scrip File。脚本文件全称为:工作文件名如 SiC-MESFET /mdraw_mdr.tcl。

3.1.3 进行器件掺杂
进行区域掺杂,运行环境由 Boundary 切换到 Doping。掺杂确定以后, 点击 Build Mesh 显示掺杂后的网格。 细化网格:把原始网格划分成为更小的网格,网格划分的越小 在器件仿真时更加接近器件真实情况。 器件的主要工作部分是源、 漏区和沟道层,有必要对沟道的网格进一步进行细 化,以便进行仿真时,能得到更好的结果。

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3.2 Dessis 模块建立 3.2.1 建立 Dessis 模块
如下图所示,右击 Family Tree 中 MDraw 工具,在下拉菜单 Add 中选择 Dessis 工具加入 Family Tree 中。

3.2.2 进行 Dessis 语言编程
在 dessis_des.cmd 文件中编辑 nMOS 和 pMOS 器件的仿真程序。 编程语言如下:

File{ *input files: Grid="nms_mdr.grd" Doping="nms_mdr.dat" *output files: Plot="nms2_des.dat" Current="nms2_des.plt" Output="nms2_des.log" } Electrode{ {Name="s" Voltage=0.0} {Name="d" Voltage=0.0} {Name="g" Voltage=2.0 Barrier=-0.55} {Name="b" Voltage=0.0} }
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Plot{ eDensity hDensity eCurrent hCurrent Potential SpaceCharge ElectricField eMobility hMobility eVelocity hVelocity Doping DonorConcentration AcceptorConcentration } Physics{ Mobility(DopingDep HighFieldSat Enormal) EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing (OldSlotboom)) } Math{ Extrapolate RelErrControl } Solve{ #-initial solution: Poisson Coupled{Poisson Electron} #-ramp gate: Quasistationary(MaxStep=0.05
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Goal{Name="d" Voltage=2.5}) {Coupled{Poisson Electron}} }

3.3 程序运行
在 MDraw 和 Dessis 模块建立完成后, 开始 run 程序, 将 MDraw 和 Dessis 模块同时选定,点击鼠标右键,选择 Run,等待程序 Run 完。

3.4 查看输出特性曲线和转移特性曲线
当程序 Run 完后,此时模块处为黄色,表示已经完成,否则程序 出现错误不能运行,那么点击黄色小方块右键选择 Inspect,此时 定义 X 坐标和 Y 坐标,便可以出现模拟出的曲线。

4. 仿真结果图形 Nmos 的模型:

转移特性曲线:
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输出曲线:

5. 心得体会
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通过此次课程设计,使我更加扎实的掌握了有关半导体器件方面的知识,在 设计过程中虽然遇到了一些问题,但经过一次又一次的思考,一遍又一遍的检查 终于找出了原因所在, 也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足。实践 出真知,通过亲自动手制作,使我们掌握的知识不再是纸上谈兵。 我认为,在这学期的实验中,不仅培养了独立思考、动手操作的能力,在各 种其它能力上也都有了提高。更重要的是,在实验课上,我们学会了很多学习的 方法。而这是日后最实用的,真的是受益匪浅。要面对社会的挑战,只有不断的 学习、实践,再学习、再实践。这对于我们的将来也有很大的帮助。以后,不管 有多苦,我想我们都能变苦为乐,找寻有趣的事情,发现其中珍贵的事情。就像 中国提倡的艰苦奋斗一样, 我们都可以在实验结束之后变的更加成熟,会面对需 要面对的事情。 回顾起此课程设计,至今我仍感慨颇多,从理论到实践,在这段日子里,可 以说得是苦多于甜, 但是可以学到很多很多的东西,同时不仅可以巩固了以前所 学过的知识, 而且学到了很多在书本上所没有学到过的知识。通过这次课程设计 使我懂得了理论与实际相结合是很重要的,只有理论知识是远远不够的,只有把 所学的理论知识与实践相结合起来,从理论中得出结论,才能真正为社会服务, 从而提高自己的实际动手能力和独立思考的能力。在设计的过程中遇到问题,可 以说得是困难重重,但可喜的是最终都得到了解决。 实验过程中,也对团队精神的进行了考察,让我们在合作起来更加默契,在 成功后一起体会喜悦的心情。 果然是团结就是力量,只有互相之间默契融洽的配 合才能换来最终完美的结果。 此次设计也让我明白了思路即出路,有什么不懂不 明白的地方要及时请教或上网查询,只要认真钻研,动脑思考,动手实践,就没 有弄不懂的知识,收获颇丰。

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