半导体器件仿真｜Semiconductor Lab

PN 二极管正反向特性

采用 Shockley 方程并加入串联电阻。正向电流由结电压决定，外偏压的一部分会落在串联电阻上。

载流子注入与导电状态

FORWARD BIAS

电子空穴

二极管电流 I

—

A

实际结电压 Vⱼ

—

V

反向饱和电流 Iₛ

—

A

微分电阻

—

Ω

正向与反向 I–V

LINEAR

|I| 半对数特性

LOG₁₀ |I| / A

I = Iₛ[exp(Vⱼ/nVₜ) − 1]　V = Vⱼ + IRₛ　—

观察 01

升高温度后，为什么相同正向电压下电流明显增加？

观察 02

增大 Rₛ，外偏压与实际结电压之间会出现什么差别？

观察 03

半对数坐标为什么更容易观察反向饱和电流与指数导通区？

MOS 电容：积累、耗尽与反型

理想栅、P 型硅衬底，300 K。调节栅压观察界面载流子和低频/高频 C–V 响应。

栅极、氧化层与界面电荷

INVERSION

电子 / 反型电荷空穴 / 积累电荷

工作区

—

当前偏置状态

阈值电压 Vₜₕ

—

V

耗尽层宽度 W

—

μm

单位面积电容 C/A

—

nF/cm²

MOS C–V 曲线

CAPACITANCE

表面势 ψₛ 与栅压

SURFACE POTENTIAL

Cₒₓ = εₒₓ/tₒₓ　耗尽区：1/C = 1/Cₒₓ + W/εₛ　—

观察 01

负栅压为什么会使 P 型衬底表面的空穴增多？

观察 02

进入强反型后，低频和高频 C–V 曲线为何不同？

观察 03

氧化层变厚时，阈值电压和电容如何变化？

N 沟道 MOSFET 工作区

长沟道增强型 NMOS，阈值电压 0.5 V。改变栅压和漏压，观察沟道形成、线性区与饱和区。

反型沟道与电子输运

SATURATION

沟道电子夹断区域

工作区

—

Vᴅₛ 与 Vₒᵥ 比较

漏极电流 Iᴅ

—

mA

过驱动电压 Vₒᵥ

—

V

跨导 gₘ

—

mS

输出特性 Iᴅ–Vᴅₛ

CURRENT Vɢₛ

转移特性 Iᴅ–Vɢₛ

CURRENT Vᴅₛ

Vₒᵥ = Vɢₛ − Vₜₕ　线性区：Iᴅ = μCₒₓ(W/L)[VₒᵥVᴅₛ − Vᴅₛ²/2]　—

观察 01

Vɢₛ 小于阈值时，为什么动画中没有连续导电沟道？

观察 02

Vᴅₛ 超过 Vₒᵥ 后，漏端附近为什么出现夹断区？

观察 03

增大 W/L 或减小 tₒₓ，曲线斜率为什么增加？

光电二极管与太阳能电池

光照产生电子—空穴对。正向偏压下可作为太阳能电池，反向偏压下可作为光电探测器。

光子吸收与光生载流子分离

PHOTOCURRENT

电子空穴

光子能量 E

—

eV

光电流 Iₚₕ

—

mA

输出功率 P

—

mW

最大转换效率 η

—

Pₘₚ / Pᵢₙ

光照与暗态 I–V

PHOTOCURRENT

太阳能输出 P–V

MAXIMUM POWER POINT

I = Iₛ[exp(V/Vₜ)−1] − Iₚₕ　Iₚₕ = ℛPᵢₙ　—

观察 01

光照增强时，I–V 曲线为什么整体向下平移？

观察 02

短路电流、开路电压和最大功率点分别对应什么状态？

观察 03

波长接近硅的截止波长时，光电流为什么下降？

从器件结构，看到电学特性。

PN 二极管正反向特性

载流子注入与导电状态

正向与反向 I–V

|I| 半对数特性

MOS 电容：积累、耗尽与反型

栅极、氧化层与界面电荷

MOS C–V 曲线

表面势 ψₛ 与栅压

N 沟道 MOSFET 工作区

反型沟道与电子输运

输出特性 Iᴅ–Vᴅₛ

转移特性 Iᴅ–Vɢₛ

光电二极管与太阳能电池

光子吸收与光生载流子分离

光照与暗态 I–V

太阳能输出 P–V

从器件结构，
看到电学特性。