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半導體元件原理級模擬分析

MOSFET、MESFET 和肖特基二極管

半導體模組使您可以在最基礎的物理場層級詳細分析半導體元件的運行狀態。

該模組基於漂移-擴散方程,包含等溫或非等溫傳遞模型。它可用於模擬一系列實際元件——包括雙極、金屬半導體場效應晶體管(MESFET)、金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)、肖特基二極管、晶閘管和PN 結等。

多物理場效應通常會對半導體元件的性能產生重要影響。

半導體加工通常在高溫下進行,因此可能會在材料中產生應力。此外,高功率元件會產生大量的熱。

半導體模組支持在COMSOL® 平台上進行半導體元件級模擬,使您可以簡便地創建用戶定義的多種物理模型。

此外,軟體非常透明,您隨時可以修正模型方程,完全自由地定義模組中未預定義的現象。

 

有限元法或有限體積法離散

使用半導體模組模擬空穴和電子傳遞時,可以選擇使用有限元或有限體積方法。

每種方法均具有各自的優缺點:

· 有限體積離散:半導體元件模擬中的有限體積離散本身就可以保證電流守恆。

因此,它可以最精確地計算電荷載流子的電流密度。

半導體模組使用Scharfetter Gummel迎風原理來處理電荷載流子方程。

它會計算出在每個網格單元內恆定的解,從而只有在兩個網格單元相鄰的網格面上才能計算通量。

但是,由於COMSOL®模組套件中的模組基於有限元方法,這會使設置多物理場模型變得更具挑戰性。

· 有限元離散:有限元方法是一種能量守恆的方法。

因此,該技術中並不隱含電流守恆。要獲得精確的電流結果,需要減小求解器缺省容差或細化網格。

為了提高數值穩定性,在求解半導體元件中的物理場時,將使用Galerkin最小二乘穩定性算法。

使用有限元方法模擬半導體元件的一個優點是您可以在單個模型中更簡便地將模型耦合到其他物理場(例如熱傳或固體力學)。


您可以模擬任意類型的半導體

半導體模組用於模擬尺度為100 奈米或更大的可以通過偏微分方程使用傳統的漂移-擴散模型進行模擬的半導體元件。

該模組包含許多物理介面——用於定義模型輸入,描述物理方程和邊界條件。

這些介面可用於模擬半導體元件中的電子和空穴傳遞、靜電現象,並可將半導體模擬與SPICE 電路模擬相耦合。

半導體介面可以求解電荷載流子的Poisson 方程和連續性方程。

它會直接求解電子和空穴的濃度。您可以選擇有限體積法或有限元方法求解模型。

半導體介面含有半導體和絕緣體的材料模型,以及歐姆接觸、肖特基接觸、柵極的邊界條件和各種靜電邊界條件。
半導體介面中的一些功能可以描述遷移率屬性,因為該屬性會受材料載流子的散射限制。半導體模組包含了幾個預定義的遷移率模型,用戶也可以創建自定義的遷移率模型。

這兩種類型的模型可以使用任意方式組合。每個遷移率模型可定義一個輸出電子和空穴遷移率。

輸出遷移率可以用作其他遷移率模型的輸入,同時可以使用一些方程來關聯遷移率,例如Matthiessen 法則。半導體介面還包含了向半導體域中添加俄歇、直接和Shockley-Read Hall 複合的功能,或者您也可以指定自己的複合速率。
定義摻雜分佈對於半導體元件的模擬非常關鍵。半導體模組提供了摻雜模型功能來執行該操作。

可以指定常數或用戶定義的摻雜分佈,或者也可以使用近似高斯分佈。

此外,還可以直接將數據從外部源載入COMSOL Multiphysics®,然後透過內置的插值函數進行處理。
除半導體介面外,半導體模組還包括強化的靜電場介面功能,這些功能可在半導體介面和獨立的靜電介面中使用。透過電路物理介面和SPICE 載入功能還可以實現系統級和混合元件模擬。

半導體模組包含一個附加的材料數據庫,其中具有多種材料的屬性。

每個模型均帶有文檔說明,包括理論背景和創建模型的操作步驟說明。這些模型在COMSOL® 中以MPH 文件格式存在,您可以打開這些文件做進一步的研究。

您可以按照操作步驟指示信息以及實際模型作為自己的模擬應用的模板。

特點

▲使用有限體積法透過Scharfetter-Gummel 迎風原理求解漂移-擴散方程

▲Fermi-Dirac 統計和Maxwell-Boltzmann 統計

▲特定的特徵可定義歐姆接觸、Schottky 接觸和邊界處的柵極

▲預定義的遷移率模型可用於模擬有關聲子、雜質和載流子的散射,還可以模擬高場速度飽和以及表面散射,您也可以定義自己的遷移率模型

 

▲可以使用包含Auger、直接和Shockley-Read Hall 複合速率的特徵,也可以自己指定

▲指定常數或高斯數,或使用分析函數或插值函數自己指定摻雜分佈

▲指定本體中或絕緣柵/表面的離散和連續的阱能級

▲透過SPICE 電路進行系統級和混合元件的模擬

▲鬆弛時間近似用於描述散射過程

 

▲包含連續準Fermi 能級或熱離子發射的異質結

▲碰撞電離

▲不完全電離

▲熱傳效應

▲直接和間接光躍遷

應用

▲雙極晶體管

▲金屬半導體場效應晶體管(MESFET)

▲金屬氧化物半導體場效應晶體管(MOSFET)

 

▲絕緣柵雙極晶體管(IGBT)

▲Schottky 二極管

▲PN 結

 

▲太陽能電池

▲發光二極管(LED)

▲光電二極管

軟體展示需求

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