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COMSOL Multiphysics® 5.3 版本針對半導體模組的用戶新增了薛丁格方程物理場介面來處理量子力學問題,還新增了幾個案例模型。請閱讀以下內容,進一步了半導體模組的更新。

新的物理場介面:薛丁格方程

新增的薛丁格方程介面求解單粒子薛丁格方程來解決一維、二維和三維中的一般量子力學問題,以及在假設包絡函數逼近的情況下,計算量子限域系統中的電子波函數和空穴波函數。介面中已為您配置了相應的邊界條件和研究類型,用於輕鬆地設置模型和計算各種情況中的相關物理量,如,束縛態的特徵能量、準束縛態的衰減率、傳遞和反射係數、共振穿隧條件和超晶格結構的有效帶隙。 “半導體模組”包含兩個新案例,以幫助展示各種內置功能的使用。

 

 

量子線中的準束縛態衰減。
諧波電勢中的波包。
超晶格中的Bloch 波函數。
通過一維雙勢壘的共振隧穿。


有關使用薛定諤方程進行模擬的示例,請訪問以下“案例庫”路徑:
Semiconductor_Module/Verification_Examples/double_barrier_1d

其他性能改進

電流驅動的金屬接觸

新版本中新增了一個公式,其中使用電流驅動的金屬接觸邊界條件更輕鬆地實現了模型的收斂。

有關阱密度明細的更多選項

對於每種阱物質,除了用於對阱密度求和外,下拉菜單中還包括了相應的選項,反應每一種物質的影響。除了指定物質類型外,現在還可使用在定義摻雜和阱時常用的常規濃度曲線工具,來定義具有指定中性能級的阱。

用戶自定義的碰撞電離模型

新版本中,碰撞電離特徵新增了一個用戶自定義模型選項。

新App:超晶格帶隙工具

超晶格帶隙工具有助於設計由兩種交替生長的半導體材料(超晶格)構成的周期性結構。這種工具使用有效質量薛定諤方程來估算給定超晶格結構中電子和空穴的基態能級。設備工程師可以使用該工具快速計算給定週期性結構的有效帶隙,並對設計參數運行迭代,直到獲得所需的帶隙值。

為使用此App,用戶須輸入所希望的超晶格參數,包括阱和勢壘層的寬度、這些層中電子和空穴的有效質量、這些層中的帶隙以及傳導帶偏移。價帶偏移會自動更新,且App 用戶應檢查其正性。用戶還可以控制研究所用的最大網格單元尺寸。單擊“計算”按鈕可計算傳導帶邊的偏移、價帶邊的偏移和有效帶隙。在“圖形”窗口中繪製了電子波函數和空穴波函數。


“案例庫”路徑:
Semiconductor_Module/Applications/superlattice_band_gap_tool

新的教學模型:一維雙勢壘

雙勢壘結構之所以受到關注,是由於該結構可用於共振隧穿二極管等半導體器件中。

這一驗證模型演示了薛定諤方程接口中設置簡單的一維GaAs/AlGaAs雙勢壘結構,分析了準束縛態及其時間演化、共振隧穿現象,以及透射隨能量變化的情況。對於準束縛態和共振隧穿條件下計算的特徵能量,以及計算的透射係數,模型結果與解析結果非常一致。

一維雙勢壘中準束縛態的衰減。

“案例庫”路徑:
Semiconductor_Module/Verification_Examples/double_barrier_1d

新的多物理場教學模型:ISFET

離子敏感場效應晶體管(ISFET)是在MOSFET 的基礎上用合適的電解質取代其柵極觸點構建的。離子與柵極電介質之間的相互作用引起柵極電壓的變化,通過測量這一電壓變化可確定電解質中特定離子物質的濃度。

本ISFET pH 傳感器教程闡明了建立半導體模型與電解質模型之間耦合的過程。還演示了一種使用簡單的全局方程來提取操作參數的技術,由此無需對實際反饋電路進行顯式建模。

注:除了“半導體模組”,本教程還需要以下任一模組:“電池與燃料電池模組”、“化學反應工程模組”、“腐蝕模組”、“電化學模組”、“電鍍模組”或“微流體模組”。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中新增的ISFET 教學模型中的表面圖。 ISFET 中的電勢。 ISFET 中的電勢。

“案例庫”路徑:
Semiconductor_Module/Devices/isfet

新的教學模型:一維MOSCAP

金屬-氧化物-矽(MOS)結構是許多矽平面器件的基本構建塊。通過測量電容,可以深入了解此類器件的工作原理。本教程構建了一個簡單的一維MOS 電容器(MOSCAP)模型,計算了低頻和高頻CV 曲線。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中新增的“一維MOSCAP”教學模型中的繪圖。 MOSCAP 的低頻和高頻CV 曲線。 MOSCAP 的低頻和高頻CV 曲線。


“案例庫”路徑:
Semiconductor_Module/Devices/moscap_1d

新的教學模型:一維矽太陽能電池

這個教學模型使用簡單的一維矽太陽能電池模型,演示了使用“半導體模組”來設置和執行半導體模擬的基本步驟。案例中用戶自定義光生成率的表達式,而結果則顯示太陽能電池的典型IV 曲線和PV 曲線。此模型中並沒有詳細模擬光伏效應的載流子生成機制,為簡便起見,使用了任意用戶定義的表達式來表示生成率。此外,使用了Shockley-Read-Hall 模型用於獲得主要的複合效應。在正常工作條件下,在pn 結損耗區域的兩側掃描光生載流子,施加較小的順向偏壓來提取電功率,即光電流和外加電壓的積。


“案例庫”路徑:
Semiconductor_Module/Devices/si_solar_cell_1d

更新的教學模型:雙極晶體管的熱性能

雙極晶體管熱分析的更新模型中研究了半導體器件中的非均勻溫度效應。半導體接口提供固體傳熱接口中的熱源,而固體傳熱接口計算半導體接口中使用的溫度分佈。現在,模擬可在較高的功率下運行,以達到較高的溫度,產生更清晰的熱效應。

顯示雙極晶體管中溫度分佈和電壓分佈的COMSOL 繪圖。 雙極晶體管中的電壓分佈(上圖)和溫度分佈(下圖)。 雙極晶體管中的電壓分佈(上圖)和溫度分佈(下圖)。


“案例庫”路徑:
Semiconductor_Module/Devices/bipolar_transistor_thermal