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1、 华侨大学电子工程系 微电子器件与电路实验 Lab # 3 集成二极管电学特性 实 验 时 间 2013 学年上第九周 机电信息实验大楼A526 文 档 名 称 集成二极管电学特性仿真验证实验 文 档 类 型 实验教学文档 文 档 撰 写 HWW 文 档 版 本 Ver：1.0 更 新 时 间 2013.10.28 更 新 内 容 初始文档，未更新内容 文 档 更 新 初始文档，未更新内容 支 持 软 件 Cadence IC 5141 适 用 专 业 集成电路设计与系统集成专业 华侨大学厦门专用集成电路与系统重点实验室 国立华侨大学 信息科学与工程学院电子工程系 微电子器件与电路实验 #3
2、集成二极管电学特性仿真验证实验 实验指导教师：HWW 实验时间： 集成 A 班：2013-10-29 08：00-10：00 地点：机电信息实验大楼 A526 在集成电路设计中由于使用不同的工艺代工厂使用不同工艺提供的器件模型不一样，导致器件的电学特性也会不一致。在本实验将验证二极管的电学特性随着二极管结面积、工艺、温度等变化曲线。对比集成二极管同分立二极管电学特性有何不同。 在实验中提供三种集成二极管， 分别是N+/P衬底二极管、 NWell/P衬底二极管和P+/Nwell二极管。三种二极管的 Layout 结构如下图所示： 图 3.1 集成二极管的 Layout N+/P 衬底二极管 NW
3、ell/P 衬底二极管 P+/Nwell 二极管 实验 3.1 集成二极管 I-V 特性仿真验证实验 图 3.2 集成二极管电学特性测试电路 正向导通的二极管电流会随着正向偏压的变化而发生改变，在本实验中将测试集成二极1 1 管的 I-V 特性曲线。实验选取面积为 50um X 50um 的 P+/Nwell 二极管进行验证，验证电路如下图所示，将仿真测试电路搭建完毕后，对直流电压源进行 DC 分析，分析 I-V 特性曲线，测试出流过二极管电流为 1uA,10uA,100uA,1mA 和 10mA 所对应的二极管的正向偏置电压，注意测试的时候，电流不能偏离给定值的 5%，将仿真输出曲线记录下来
4、，并将相关数据填入表格3-1。 表格 3-1 集成二极管 I-V 特性曲线 I-V 特性曲线 二极管 类型 二极管 面积 V1uA V10uA V100uA V1mA V10mA 电压增加分量V - 思考以下问题： 将测试结果和实验 1 的结果进行对比，电流每增加 10 倍，集成二极管所增加的电压和分立器件相比有何不一样？ 如果定义二极管流过的电流是 100uA 时对应的偏置电压为正向导通电压，那么该二极管的正向导通电压为多少？ 实验 3.2 集成二极管电流和面积的关系 在二极管 I-V 特性计算中，二极管的电流是和面积成正比的，面积越大电流也会越大。本实验将验证集成二极管的 I-V 特性曲线
5、和二极管面积的关系。测试电路依然使用图 3.2 的测试电路， 因为需要仿真的二极管电流和面积的关系曲线， 所以选择对器件的 W 进行 DC 分析。器件尺寸参数的分析和偏置电压的设置顺序是一致的，只不过在选取分析对象的时候选取的是二极管而不是电压源。 图 3.3 集成二极管电流和面积测试电路 2 2 进行 DC 分析后，输出二极管的电流曲线，此时横坐标显示的方式为对数坐标，可以将其改成线性坐标的形式。具体方法为点击横轴下方的位置，双击，选择线性坐标的形式 Liner。 3 3 最后的结果如上图所示，发现二极管电流会随着器件宽度的增加而增加，且基本是线性增加的。 实验内容：画出正偏电压为 1V 时
6、，pdio 电流随 W 变化的曲线，L 保存 50um 不变。 思考问题： 仔细观察曲线斜率，思考斜率是否是恒定不变的？如果不是，请分析应该是什么原因造成的？ 实验 3.3 不同工艺二极管的 I-V 特性曲线对比 不同工艺二极管的 I-V 特性会不一样，在同一个原理图中扫描出 50um X 50um 的三种二极管的 I-V 特性曲线。测试电路如下图所示，在同一界面中扫描出 3 种二极管的 I-V 曲线。 思考问题： 对比同一偏压下那种二极管的电流会比较大，讨论二极管电流是随着掺杂浓度的增加而增加还是随着掺杂浓度的增加而减小？ 4 4 实验 3.4 二极管的温度特性 温度的增加会影响二极管的 I
7、-V 特性，本实验将对二极管进行温度扫描分析二极管的温度对二极管正向导通压降的关系。在这里我们定义二极管流过 100uA 时对应的二极管偏压为正向导通电压。(注意观察节点电压时，点击的是“线” ，电流点击的是“点”) 温度扫描也是选择 DC 分析，只不过 DC 分析里面选择的是 Temperature 设置温度范围为-45 到 125之间。 5 5 如此可以测试出温度特性曲线，将结果填入表格 3-2 中 表格 3-2 二极管温度特性 二极管类型 面积 （um） 电流 (mA) 正/负温度系数 （+/-） 温度漂移系数 （mV/） nw_dio ndio pdio 实验 3.5 二极管的 C-V
8、 特性测试 Cadence IC 平台提供器件参数的仿真，可以通过对电压进行 DC 分析，验证器件的 C-V特性。本实验用于分析三种二极管的 C-V 特性，二极管的面积都使用 50umx50um 面积的二极管。 6 6 仿真需要准备一个 saveop.scs 脚本，用于保存每一个器件 DC 分析的直流工作点，打开saveop.scs 文件可以看到里面存储每一个器件的 DC 分析的直流工作点， 注意要仿真器件的编号必须在里面，没有的话自己补上： 然后把 saveop.scs 加载到模型路径里面 7 7 运行仿真，结束后在 Tools-result Browser 8 8 如上面的步骤选取 lx5
9、, 自上而下分别是(cap:结电容、capp:侧墙电容、cd:二极管总电容、gd:电导、i：电流、lx0:结压降、lx1:流过二极管直流电流、lx2:热平衡电导、lx3:电容上电荷、lx4:流过二极管电容的电流、lx5:二极管总电容、pwr：功耗)，这里我们需要观察的二极管总电容 9 9 实验内容：分别对 50um X 50um 的三种二极管进行？C-V 特性分析，将数据记录在表格3-3 中，并回答以下问题： 表格 3-3 集成二极管的 C-V 特性曲线 C-V 特性( 单位 pF) 器件类型 器件尺寸 C-9V C-7V C-5V C-3V C-1V C0V C1V pdio 50umX50um ndio 50umX50um nw_dio 50umX50um 思考以下问题： 同一偏压下哪种二极管电容最大，哪种电容最小，电容大小和掺杂浓度是什么关系？ 正偏情况下，电容为什么会变大？某电路假设需要使用大电容，是否可以考虑使用正偏二极管来实现？为什么？ 1010
