2. 二极管
2.1 实验基础部分
2.1.1 PN 结基础性能仿真代码
go atlas // 启动 ATLAS 模拟器
mesh // 定义网格相关参数
x.mesh location=0.00 spac=1.0 // 定义 x 方向的网格，起始位置 0.00，间距 1.0
x.mesh location=1.00 spac=1.0 // 定义 x 方向的网格，起始位置 1.00，间距 1.0
y.mesh location=0.00 spac=0.1 // 定义 y 方向的网格，起始位置 0.00，间距 0.1
y.mesh location=10.00 spac=0.1 // 定义 y 方向的网格，起始位置 10.00，间距 0.1
region num=1 silicon // 定义区域 1，材料为硅
electrode name=anode top // 定义阳极，位置在顶部
electrode name=cathode bottom // 定义阴极，位置在底部
doping n.type conc=5.e16 uniform // 定义 n 型掺杂，浓度 5×10¹⁶ cm⁻³，均匀掺杂
doping p.type conc=5.e17 y.bottom=5.0 uniform // 定义 p 型掺杂，浓度 5×10¹⁷ cm⁻³，
从底部到 5.0μm 高度区域均匀掺杂
// 定义 p 型掺杂区域，区域上边界为 5.0 μm
output con.band val.band QFN QFP // 定义输出内容，包括导带、价带、准费米能级和准
费米势
// 定义输出文件中包括导带，价带，费米能级等信息。
model conmob fldmob srh auger bgn // 定义物理模型，包括迁移率模型、复合模型和带
隙变窄模型
// 两种迁移率模型，两种少子复合模型，一种能带模型。
solve init // 进行初始化求解
save outf=diode.str // 保存器件结构数据到文件 diode.str 中
// 保存计算了初始值的器件结构
tonyplot diode.str // 使用 TonyPlot 工具绘制保存的器件结构
// 调用相关工具绘出器件结构。
method newton // 指定求解方法为牛顿法
// 制定了数值计算方法
log outfile=diode.log // 定义日志文件，记录求解过程信息到 diode.log
solve vnode=0.1 vstep=0.1 vfinal=2 name=anode // 进行求解操作，电压节点步长 0.1V，
电压步长 0.1V，最终电压 2V，对阳极操作
tonyplot diode.log // 使用 TonyPlot 工具绘制日志文件内容
quit // 退出 ATLAS 模拟器
图 2.1 基础性能仿真代码示意图
2.1.2 结果以及分析
接着按照以下步骤进行仿真：
1. 调整显示方式
图 2.2 调节结构图显示方式
图 2.3 仿真结构图
从图 2.3 中可以得出 PN 结结构具有以下特点：
1. 掺杂类型和区域
图中显示了两种不同颜色的区域，分别代表不同类型的掺杂。
上部的红色区域代表 P 型掺杂，P 型掺杂通常是在半导体材料中掺入三价元素（如硼）
，
形成空穴作为多数载流子。
下部的紫色区域代表 N 型掺杂，N 型掺杂通常是在半导体材料中掺入五价元素（如磷），
形成电子作为多数载流子。
2. 结区
在 P 型和 N 型掺杂区域之间有一个明显的边界，这个边界就是 PN 结。
PN 结是 P 型和 N 型半导体的交界处，在这个区域内，由于电子和空穴的扩散运动，会
形成一个空间电荷区（耗尽层）
，图中显示的 PN 结区域较为清晰。
3. 掺杂浓度
图中的颜色深浅可能代表了掺杂浓度的不同。从图中的颜色刻度（Abs Net Doping）来
看，P 型和 N 型区域的掺杂浓度相对较高。
图 2.4 调节电路图显示方式（选择观测阳极电流）
图 2.5 PN 结 IV 特性曲线
从图中可以看到：
1. 正向特性
当阳极电压（Anode Voltage）从 0V 开始逐渐增加时，阳极电流（Anode Current）在
开始阶段增加得较为缓慢。
随着阳极电压进一步增加，阳极电流迅速增大。这表明在正向偏置下，PN 结的电阻较
小，电流随着电压的增加而快速增加。
2. 反向特性
在图中显示的电压范围内，没有明显的反向电流出现。通常在反向偏置时，PN 结会有一
个很小的反向饱和电流，但在图中可能由于电压范围的限制或电流值太小而未显示出来。
图 2.6 选取剖面
图 2.7 正常 PN 结载流子空间分布
图 2.7 展示了 PN 结载流子（电子和空穴）的空间分布情况。
1. 耗尽层
在 PN 结的界面附近，存在一个耗尽层。这是由于 P 型和 N 型半导体中的载流子（电子和
空穴）在结区附近扩散并复合，导致该区域的载流子浓度显著降低。在图中，耗尽层表现
为电子浓度和空穴浓度急剧变化的区域。
2. P 型区
在 P 型区，空穴是多数载流子。从图中可以看到，在 P 型区的左侧，空穴浓度较高且
相对稳定，呈现出一个较高的水平。随着靠近 PN 结界面，空穴浓度逐渐降低，这是因为
空穴向 N 型区扩散并在耗尽层中复合。电子是少数载流子。电子浓度相对较低，并且在靠
近 PN 结界面处略有增加，这是由于 N 型区的电子扩散到 P 型区。
3. N 型区
在 N 型区，电子是多数载流子。从图中可以看到，在 N 型区的右侧，电子浓度较高且
相对稳定，呈现出一个较高的水平。随着靠近 PN 结界面，电子浓度逐渐降低，这是因为
电子向 P 型区扩散并在耗尽层中复合。空穴是少数载流子。空穴浓度相对较低，并且在靠
近 PN 结界面处略有增加，这是由于 P 型区的空穴扩散到 N 型区。
4. 载流子扩散和漂移
在 PN 结中，由于 P 型区的空穴浓度高于 N 型区，空穴会从 P 型区向 N 型区扩散；同
理，电子会从 N 型区向 P 型区扩散。 扩散运动导致在耗尽层中形成内建电场，这个电场
会产生漂移运动，使电子和空穴在电场作用下做反向移动。在平衡状态下，扩散运动和漂
移运动达到动态平衡，形成稳定的耗尽层。
红色叉线代表导带能量。在图中可以看到，在 P 型和 N 型区域内，导带能量相对平坦，
表明在这些区域内电子的能量状态较为稳定。在 PN 结附近，导带能量有一个明显的弯曲，
这是由于内建电场的存在。
绿色实线代表电子的准费米能级（Quasi - Fermi Level）。准费米能级在平衡状态下是
平的，但在有电流通过时会发生变化在图中，电子的准费米能级在 PN 结附近也有一个弯曲，
这与导带能量的弯曲相对应。
蓝色虚线代表穴的准费米能级。与电子的准费米能级类似，空穴的准费米能级在 PN 结
附近也有弯曲。在 P 型区域内，空穴的准费米能级相对平坦，在 N 型区域内也是如此，但
在 PN 结附近会有变化。
青色实线代表价带能量。在 P 型和 N 型区域内，价带能量相对平坦。在 PN 结附近，
价带能量同样有一个明显的弯曲，这与导带能量的弯曲相对应。
此外，在 PN 结附近存在一个耗尽层，这是由于电子和空穴在结区扩散并复合，导致该
区域的载流子浓度显著降低。在能带图中，耗尽层表现为导带和价带能量急剧变化的区域。
由于 P 型和 N 型半导体中的载流子扩散，在 PN 结附近会形成内建电场。这个电场导致能
带弯曲，使得电子和空穴在电场作用下产生漂移运动。
图 2.9 正常 PN 结电场分布
红色叉线代表电场（Electric Field）。在图中可以看到，在远离 PN 结的 P 型和 N 型区
域内，电场强度几乎为零，表明在这些区域内没有明显的电场作用。在 PN 结附近，电场强
度出现一个尖锐的峰值，这表明存在内建电场。
在 PN 结形成时，P 型区的空穴向 N 型区扩散，N 型区的电子向 P 型区扩散，这种载
流子的扩散运动导致在 PN 结附近形成了内建电场。内建电场方向从 N 型区指向 P 型区，
用于阻止载流子的进一步扩散，从而达到动态平衡。
在远离 PN 结的区域，由于没有载流子的扩散运动或者载流子已经达到平衡分布，所以
电场强度几乎为零。而在 PN 结附近，载流子的扩散形成了强烈的电场，导致电场强度急剧
上升形成峰值。
2.1.3 基础单边突变结
图 2.10 修改参数使之变成单边突变结
在这段代码中，p 型掺杂浓度（1×10¹⁹ cm⁻³）远高于 n 型掺杂浓度（1×10¹⁵ cm⁻³），并
且在空间上有一个明显的边界（在 y = 5.0μm 处）
，这就形成了单边突变结
图 2.11 单边突变结载流子浓度空间分布
红色叉线代表电子浓度（Electron Conc）
。在图中可以看到，在远离 PN 结的两侧区域
内，电子浓度相对较低且较为稳定，表明在这些区域内电子的分布较为均匀。在 PN 结附近，
电子浓度有一个明显的峰值，这是由于在 PN 结处电子从 N 型区向 P 型区扩散，导致该区
域电子浓度升高。
绿色实线代表空穴浓度（Hole Conc）。在图中可以看到，在远离 PN 结的两侧区域内，
空穴浓度相对较低且较为稳定。在 PN 结附近，空穴浓度也有一个明显的峰值，这是由于在
PN 结处空穴从 P 型区向 N 型区扩散，导致该区域空穴浓度升高。
此外，在 PN 结附近存在一个耗尽层，这是由于电子和空穴在结区扩散并复合，导致该
区域的载流子浓度显著降低。在图中，耗尽层表现为电子浓度和空穴浓度从两侧的较低值向
中间的峰值变化的过渡区域。
由于 P 型和 N 型半导体中的载流子扩散，在 PN 结附近会形成内建电场。这个电场会
影响电子和空穴的分布，使得电子和空穴在电场作用下产生扩散和漂移运动，最终在 PN 结
附近形成浓度的变化。这种载流子的分布特性是 PN 结能够表现出整流特性等电学行为的基
础。
图 2.12 单边突变结能带图
红色叉线代表导带能量。在图中可以看到，在远离 PN 结的两侧区域内，导带能量相对
平坦，表明在这些区域内电子的能量状态较为稳定。在 PN 结附近，导带能量有一个明显的
弯曲，这是由于内建电场的存在。
绿色实线代表电子的准费米能级。在图中可以看到，在远离 PN 结的两侧区域内，电子的准
费米能级相对平坦。在 PN 结附近，电子的准费米能级有一个弯曲，这与导带能量的弯曲相
对应。
蓝色虚线代表空穴的准费米能级。在图中可以看到，在远离 PN 结的两侧区域内，空穴
的准费米能级相对平坦。在 PN 结附近，空穴的准费米能级有一个弯曲，这与导带能量的弯
曲相对应。
青色实线代表价带能量。在图中可以看到，在远离 PN 结的两侧区域内，价带能量相对
平坦。在 PN 结附近，价带能量同样有一个明显的弯曲，这与导带能量的弯曲相对应。
此外，在 PN 结附近存在一个耗尽层，这是由于电子和空穴在结区扩散并复合，导致该区域
的载流子浓度显著降低。在能带图中，耗尽层表现为导带和价带能量急剧变化的区域。
由于 P 型和 N 型半导体中的载流子扩散，在 PN 结附近会形成内建电场。这个电场导
致能带弯曲，使得电子和空穴在电场作用下产生漂移运动。
图 2.13 电场分布
红色叉线代表电场。在图中可以看到，在远离 PN 结的两侧区域内，电场强度几乎为零，
表明在这些区域内没有明显的电场作用。在 PN 结附近，电场强度出现一个尖锐的峰值，这
是由于内建电场的存在。
由于电子和空穴在结区扩散并复合，在 PN 结附近存在一个耗尽层，导致该区域的载流
子浓度显著降低。在图中，耗尽层表现为电场强度从两侧的零值急剧上升到中间峰值的区域。
由于 P 型和 N 型半导体中的载流子扩散，在 PN 结附近会形成内建电场。这个电场导
致电场强度在 PN 结处出现峰值，使得电子和空穴在电场作用下产生漂移运动。
2.1.4 基础 PN 结的正向 IV 特性
图 2.14 修改后的代码
go atlas // 启动 ATLAS 模拟器
mesh // 开始定义网格相关参数
x.mesh location=0.00 spac=1.0 // 定义 x 方向的网格，起始位置为 0.00，间距为 1.0
x.mesh location=1.00 spac=1.0 // 定义 x 方向的网格，起始位置为 1.00，间距为 1.0
y.mesh location=0.00 spac=0.1 // 定义 y 方向的网格，起始位置为 0.00，间距为 0.1
y.mesh location=10.00 spac=0.1 // 定义 y 方向的网格，起始位置为 10.00，间距为 0.1
region num=1 silicon // 定义一个区域，材料为硅
electrode name=anode top // 定义阳极，位置在顶部
electrode name=cathode bottom // 定义阴极，位置在底部
doping n.type conc=1e17 uniform // 定义 n 型掺杂，浓度为 1×10¹⁷ cm⁻³且均匀分布
doping p.type conc=1e19 y.bottom=20.0 uniform // 定义 p 型掺杂，浓度为 1×10¹⁹ cm⁻³
且在底部到 20.0μm 高度的区域均匀分布
output con.band val.band QFN QFP // 定义要输出的物理量，包括导带、价带等信息
model conmob fldmob srh auger bgn // 选择多种物理模型
solve init // 进行初始化求解
method newton // 指定求解方法为牛顿法
log outfile=diode.log // 定义日志文件
solve vanode=0.1 vstep=0.1 vfinal=1.0 name=anode // 进行求解操作，从 0V 开始，以
0.1V 的电压步长逐步增加到 1.0V，针对阳极进行操作
save outf=diode.str // 保存计算得到的器件结构数据到文件 diode.str 中
tonyplot diode.str // 使用 TonyPlot 工具绘制保存的器件结构
quit // 退出模拟器
图 2.15 修改后的结构图
红色区域代表 P 型掺杂。在图中可以看到，在远离 PN 结的 P 型区域内，掺杂浓度较
高且相对均匀，表明在这些区域内空穴作为多数载流子的浓度稳定。在 PN 结附近，P 型掺
杂区域与 N 型掺杂区域相接，形成 PN 结。
紫色区域代表 N 型掺杂。在图中可以看到，在远离 PN 结的 N 型区域内，掺杂浓度相
对均匀，表明在这些区域内电子作为多数载流子的浓度稳定。在 PN 结附近，N 型掺杂区域
与 P 型掺杂区域相接，形成 PN 结。
在 PN 结附近存在一个耗尽层，这是由于电子和空穴在结区扩散并复合，导致该区域的
载流子浓度显著降低。在图中，耗尽层表现为 P 型和 N 型掺杂区域的交界处。由于 P 型和
N 型半导体中的载流子扩散，在 PN 结附近会形成内建电场。这个电场导致在 PN 结处形成
势垒，使得电子和空穴在电场作用下产生漂移运动，进而影响电流的流动。
电流浓度分布
红色叉线代表总电流密度。在图中可以看到，在远离 PN 结的两侧区域内，总电流密度
相对较低且较为稳定，表明在这些区域内电流流动较为平缓。在 PN 结附近，总电流密度有
一个明显的峰值，这是由于在 PN 结处电子和空穴的复合与产生过程导致电流集中。
绿色实线代表电子电流密度。在图中可以看到，在远离 PN 结的两侧区域内，电子电流
密度相对较低且较为稳定。在 PN 结附近，电子电流密度有一个明显的峰值，这与总电流密
度的峰值相对应，表明在 PN 结处电子的流动对总电流有重要贡献。
蓝色虚线代表空穴电流密度。在图中可以看到，在远离 PN 结的两侧区域内，空穴电流
密度相对较低且较为稳定。在 PN 结附近，空穴电流密度有一个明显的峰值，这与总电流密
度的峰值相对应，表明在 PN 结处空穴的流动对总电流有重要贡献。
此外，在 PN 结附近存在一个耗尽层，这是由于电子和空穴在结区扩散并复合，导致该
区域的载流子浓度显著降低。在图中，耗尽层表现为电流密度从两侧的较低值向中间峰值变
化的过渡区域。由于 P 型和 N 型半导体中的载流子扩散，在 PN 结附近会形成内建电场。
这个电场导致电流密度在 PN 结处出现峰值，使得电子和空穴在电场作用下产生移动，进而
形成电流。
能带图
红色叉线代表总电流密度。在图中可以看到，在远离 PN 结的两侧区域内，总电流密度
较低且较为稳定。在 PN 结附近，总电流密度有一个明显的变化，这是由于在 PN 结处电流
的产生和复合机制导致的。
绿色实线代表电子电流密度。在图中可以看到，在远离 PN 结的两侧区域内，电子电流
密度较低且较为稳定。在 PN 结附近，电子电流密度有一个明显的变化，这与总电流密度的
变化相对应。
蓝色虚线代表空穴电流密度。在图中可以看到，在远离 PN 结的两侧区域内，空穴电流
密度较低且较为稳定。在 PN 结附近，空穴电流密度有一个明显的变化，这与总电流密度的
变化相对应。
此外，在 PN 结附近存在一个耗尽层，这是由于电子和空穴在结区扩散并复合，导致该
区域的载流子浓度显著降低。在图中，耗尽层表现为电流密度从两侧的较低值向中间变化的
过渡区域。由于 P 型和 N 型半导体中的载流子扩散，在 PN 结附近会形成内建电场。这个
电场导致电流密度在 PN 结处出现变化，使得电子和空穴在电场作用下产生移动，进而形成
电流。
2.2 ESD 的二极管解决方案概述
用于 ESD 保护的二极管有·许许多多种，如普通二极管、PIN 二极管等。普通二极管在
正向导通时具有低导通电阻和大泄放电流的优点，但正向导通压降较低，常用于低压集成电
路的 ESD 保护；反向导通时维持电压较高，但导通电阻偏大，应用受限。PIN 二极管通过
在 PN 结中间增加低掺杂的本征区来提高耐压，常用于高压功率二极管中。
2.3 器件基本结构设计
2.3.1 器件的分层结构设计
2.3.2 材料选择及材料来源
2.4 器件工艺仿真
2.4.1 工艺仿真代码
2.4.2 工艺仿真成果
2.5 器件性能仿真
2.5.1 仿真代码以及解释
2.5.2 对仿真结果的分析