一、实验目的和任务
1、 掌握 BJT 基本结构原理，BJT 输出特性、输入特性；
2、 掌握 Silvaco TCAD 器件仿真器仿真设计流程及器件仿真器 Atlas 语法规则；
3、 分析 BJT 结构参数变化对器件主要电学特性的影响。
二、实验原理
1.BJT 的结构及其原理
双极型晶体管是由两个方向相反的 PN 结构成的三端器件，主要有两种基本结构：PNP 型晶体管和 NPN 型晶体管。NPN 型晶体管的结构如图 1 所示。图中，位于中间的 P 区为基区，基区很薄，掺杂浓度很低；位于上层的 N 区是发射区，结面积小，掺杂浓度很高；位于下层的 N 区是集电区，结面积大；虽然发射区和集电区是同种类型的半导体，但是两个区的掺杂浓度明显不同，发射区的掺杂
浓度远高于集电区，而集电区的面积则远大于发射区。
PNP 型晶体管的结构与 NPN 型相似。其中间层为 N 区，上下两层分别为集电区和发射区；三个区的引出线依次是基极、集电极和发射极。晶体管不是两个 PN 结的简单结合，而是两个 PN 结共用一个极薄的 P 区（指NPN 型晶体管）或 N 区（指 PNP 型晶体管）作为基区，通过基区把两个 PN 结
有机的结合成统一的整体。彼此间存在着相互联系和相互影响，是晶体管具有完全不同于两个单独 PN 结的特性。
2. BJT 的输出特性
共发射极输出特性曲线描述是基极电流 为一常量时，集电极电流 与管压降 之间的函数关系在饱和区内，发射结和集电结均处于正向偏置。 主要随 增大而增大，对 的影响不明显，即当 增大时， 随之增大，但 增大不大。在饱和区，和 之间不再满足电流传输方程，即不能用放大区中的 来描述 和 的关系，三极管失去放大作用。在放大区内，发射结正向偏置，集电结反向偏置，各输出特性曲线近似为水平的直线，表示当 一定时， 的值基本上不随 而变化。此时表现出 对 的控制作用， 。三极管在放大电路中主要工作在这个区域中。一般将 的区域称为截止区，由图可知， 也近似为零。在截止区，三极管的发射结和集电结都处于反向偏置状态。
3. BJT 的输入特性
三、实验内容
1.设计目标参数：
尺寸:N 型衬底（2um×1um）；
结构:集电区(2um×1um ，gauss 分布，峰值 1e18，峰值在 1um 处)；
基区（集电结结深 0.15um，gauss 分布，峰值浓度 1e18，峰值在 0.05um
处）；
发射区（发射结结深 0.05 um，gauss 分布，峰值浓度 5e19，峰值在 0um
处）。
2.根据设计目标画出器件结构图；
3.学习 Atlas 器件仿真语法规则，并设计器件；
(1) 语句 1 仿真器调用命令语句 go。
调用 atlas 器件仿真器需要用到 go 语句：
go atlas
(2) 设置网格（mesh），建立了一个含有网格信息的 2 微米×1 微米大小的区
域。
mesh
x.m l=0 spacing=0.15
x.m l=0.8 spacing=0.15
x.m l=1.0 spacing=0.03
x.m l=1.5 spacing=0.12
x.m l=2.0 spacing=0.15
y.m l=0.0 spacing=0.006
y.m l=0.04 spacing=0.006
y.m l=0.06 spacing=0.005
y.m l=0.15 spacing=0.02
y.m l=0.30 spacing=0.02
y.m l=1.0 spacing=0.12
(3) 区域定义语句 (region)，定义材料的位置。
region num=1 silicon
(4) 电极定义语句(electrode)，定义三极管的接触电极。
electrode num=1 name=emitter left length=0.8
electrode num=2 name=base right length=0.5 y.max=0
electrode num=3 name=collector bottom
(5) 掺杂定义语句(Doping)，是用来定义器件结构中的掺杂分布。
doping reg=1 uniform n.type conc=5e15
doping reg=1 gauss n.type conc=1e18 peak=1.0 char=0.2
doping reg=1 gauss p.type conc=1e18 peak=0.05 junct=0.15
doping reg=1 gauss n.type conc=5e19 peak=0.0 junct=0.05 x.right=0.8
(6) 输出结构结果保存语句(save)。
save outf=bjtex04_0.str
(7) 输出文件绘制语句(tonyplot)。tonyplot bjtex04_0.str
4.根据 Atlas 器件仿真语法规则获取器件特性
(1) 模型选择语句(models，impact)。
models conmob fldmob consrh auger print
(2) 接触设置语句(contact)。
contact name=emitter n.poly surf.rec
(3) 命令执行语句（solve），solve是命令atlas在一个或多个偏压点（bias point）
进行求解的语句。
solve init
(4)数值方法选择语句（method），用来设置求解方程或参数的数值方法
method newton autonr trap 。
(5)运行数据结果保存语句（log） ，输出结构结果保存语句 log 是用来将程
序运行后所计算的所有结果数据保存到一个以 log为扩展名结尾的文件中的
一个语句。从 solve 语句中运算后所得到的结果都会保存在其中。
log outf= bjtex04_0.log
(6)solve 语句,以一定的方式给 BJT 外加偏压。
solve vcollector=0.025
solve vcollector=0.1
solve vcollector=0.25 vstep=0.25 vfinal=2 name=collector
solve vbase=0.025
solve vbase=0.1
solve vbase=0.2
solve vbase=0.3 vstep=0.05 vfinal=1 name=base
(7)输出文件绘制语句(tonyplot)。
tonyplot bjtex04_0.log
(8)参数提取语句（extract）,根据 log 文件获得器件电学参数。
extract name="peak collector current" max(curve(abs(v."base"),abs(i."collecto
r")))
extract name="peak gain" max(i."collector"/ i."base")
5.改变器件结构参数（BJT 各区掺杂浓度﹑BJT 各区杂质分布﹑BJT 各区杂质类
型等），分析结构参数变化对器件结构及电学参数影响。
四、实验结果
（一）器件设计
1、器件结构设计
如图所示，定义npn晶体管的网络信息x为2.0，y为1.0，该区域块掺杂n型材料浓度为5e15，设置为均匀分布；n型材料浓度为1e18，设置为高斯分布，峰值为1.0；p型材料浓度为1e18，设置为高斯分布，峰值为0.05，结深为0.15；n型材料浓度为5e19，设置为高斯分布，峰值为0，结深为0.05，在x的右边区域0.8处；p型材料浓度为5e19，设置为高斯分布，峰值为0，在x的左边区域0.8处，从而形成了该结构，包括N+区域，P+区域，P区域，N-区域，N区域
2、网格调用及设计
#调用atlas器件仿真器
go atlas
#网络mesh初始化
Mesh
#定义x方向网格信息
x.m l=0 spacing=0.15
x.m l=0.8 spacing=0.15
x.m l=1.0 spacing=0.03
x.m l=1.5 spacing=0.12
x.m l=2.0 spacing=0.15
#定义y方向网格信息
y.m l=0.0 spacing=0.006
y.m l=0.04 spacing=0.006
y.m l=0.06 spacing=0.005
y.m l=0.15 spacing=0.02
y.m l=0.30 spacing=0.02
y.m l=1.0 spacing=0.12
#定义区域信息
region num=1 silicon
#定义电极信息
electrode num=1 name=emitter left length=0.8
electrode num=2 name=base right length=0.5 y.max=0
electrode num=3 name=collector bottom
#该区域块掺杂n型材料浓度为5e15，设置为均匀分布
doping reg=1 uniform n.type conc=5e15
# n型材料浓度为1e18，设置为高斯分布，峰值为1.0
doping reg=1 gauss n.type conc=1e18 peak=1.0 char=0.2
# p型材料浓度为1e18，设置为高斯分布，峰值为0.05，结深为0.15
doping reg=1 gauss p.type conc=1e18 peak=0.05 junct=0.15
# n型材料浓度为5e19，设置为高斯分布，峰值为0，结深为0.05，在x的右边区域0.8处
doping reg=1 gauss n.type conc=5e19 peak=0.0 junct=0.05 x.right=0.8
# p型材料浓度为5e19，设置为高斯分布，峰值为0，在x的左边区域0.8处
doping reg=1 gauss p.type conc=5e19 peak=0.0 char=0.08 x.left=1.5
#set bipolar models
#设置BJT仿真所需要用到的物理模型
models conmob fldmob consrh auger print
#设置接触类型
contact name=emitter n.poly surf.rec
#求解初始化
solve init
#保存结构信息文件
save outf=bjtex04_0.str
#用tonyplot绘图示意结构文件
tonyplot bjtex04_0.str -set bjtex04_0.set
（二）对比分析
