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半導體模組提供專門的功能，用於基本物理層面分析半導體元件的操作。可以使用半導體模組模擬一系列常見元件類型，包括雙極性晶體管、金屬半導體場效電晶體（MESFET）、金屬氧化物半導體場效電晶體（MOSFET）、絕緣栅雙極型晶體管（IGBT）、肖特基二極體、p-n接面、太陽能電池等。

此模組還包括設計用於模擬電磁波與半導體材料之間交互作用的功能。典型建模元件包括光電二極體、LED和雷射二極體等。此外，此模組還可以在建模過程中使用用戶定義的方程和表達式。

半導體模組還具有與任何其他COMSOL Multiphysics附加產品結合的靈活性。


您可以使用半導體模組來分析各種類型的電晶體

感測器、光子元件、量子系統以及基本的半導體基本結構


3D 雙極電晶體

計算雙極電晶體的電流-電壓響應，並模擬該元件作為類比電流放大器的操作。

MOSFETs

 計算金屬-氧化物-半導體(MOS)晶體管的直流特性。

太陽能電池

計算太陽能電池的使用者定義產生率(變形)和Shockley-Read-Hall復合速率。

 

LEDs

模擬一個發射紅外線光的 LED。

ISFET 感測器

耦合半導體模型和電解質模型，以模擬離子敏感場效電晶體（ISFET）pH 感測器。

3D IGBT

使用三維模擬建模橫向電晶體場效電晶體（IGBT），並按照實際裝置中的方向排列交替發射極。

p-Channel FET

分析一個InSb p型場效電晶體（FET）的直流特性，使用密度梯度公式添加量子限制。

玻色-愛因斯坦凝聚 (Bose-Einstein condensate)

解決Gross-Pitaevskii方程式，模擬旋轉的玻色-愛因斯坦凝聚體中涡流晶格的形成。



更詳細探索半導體模組功能與特點


漂移擴散方程式

半導體模組的基石是解決漂移擴散和泊松方程式的半導體介面。此介面可用於模擬半導體元件中的絕緣和半導體區域。漂移擴散公式的一個應用是使用費米-狄拉克或馬克斯韋-玻爾茲曼統計模擬元件的基礎物理學。

漂移擴散方程式的可用分析類型包括熱平衡、穩態、瞬態響應和小信號分析。

載子遷移率模型

在使用漂移擴散方法模擬半導體元件時，真實的載子遷移率模型非常重要。在這些情況下，載子的遷移受到材料中的散射限制。半導體模組包含了多個預定義的載子遷移率模型，也提供了使用者自定義載子遷移率模型的選項。

預定義的載子遷移率模型包括聲子、雜質和載子-載子散射、高電場速度飽和和表面散射等選項。

使用者可以輕鬆地在自定義功能中輸入適當的表達式來指定自定義載子遷移率模型，無需腳本或編碼。這些自定義載子遷移率模型可以任意地與內建的預定義載子遷移率模型組合使用。

抗雜訊能力分析

使用半導體模組進行抗雜訊能力分析可以評估元件的穩定性和性能。對於半導體元件而言，其性能往往受到各種類型的雜訊干擾，例如溫度、輻射、外界電磁場、功率波動等。抗雜訊能力分析可以模擬這些影響，並評估元件在各種條件下的穩定性和可靠性。

半導體模組提供了多種分析方式，包括噪音密度、輸入反應和頻譜分析等。此外，使用者可以將各種不同的雜訊源加入模擬中，例如白噪聲、1/f噪聲、隨機噪聲等，以模擬真實工作環境中可能遭遇到的各種干擾。

 

產生與再結合

在半導體模組中，可以透過設定介面中的Auger 再結合、直接再結合、衝擊離子化產生與陷阱輔助再結合等產生和再結合過程。使用者可以手動設定這些過程的速率，進而自訂產生和再結合的功能。

在間接能隙半導體中，使用陷阱輔助再結合模型設定電子和空穴再結合速率。預設使用Shockley-Read-Hall捕捉模型模擬穩態再結合，此模型考慮介於兩個能隙中央的能態。使用明確陷阱分佈模型可指定能隙內的離散陷阱或連續的陷阱態密度。

 

金屬半導體接觸

專用的金屬接觸邊界特性可用於建立金屬-半導體接觸的模擬。此端子類型支援電壓、電流、功率及連接外部電路。

理想蕭基接觸型別可用於模擬簡單的整流金屬-半導體結，其電流-電壓特性取決於結界處的電位壁。若要將表面複合效應和表面陷阱中的表面電荷密度納入此模型，可將陷阱輔助表面複合邊界條件添加到與金屬接觸條件相同的邊界選擇中。

 

絕緣體-半導體接觸

Semiconductor 模組包含一個功能，可用於建立在半導體和金屬之間的薄絕緣材料（氧化物）的模擬。此功能還支援小訊號分析，可用於計算 I-V 曲線。

對於建立一個一般的絕緣體模擬，使用者可以將電荷守恆域功能加入到 Semiconductor 模組中，與使用 Electrostatics 介面進行模擬時添加功能的方式相似。針對絕緣體域，可模擬多種邊界條件，包括：

  • 半導體-絕緣體界面
  • 外部表面電荷累積
  • 電位位移場
  • 浮動電位

 

薛丁格方程式介面

可解出單個粒子在外部勢場中的薛丁格方程式。這個介面適用於一般量子力學問題和量子限制系統，例如量子井、線和點（使用包絡函數近似）。

適當的邊界條件和研究類型已經被實現，使得使用者能夠輕鬆地設置模型以計算各種情況下的相關量，例如束縛態的本徵能量、準束縛態的衰變速率、穿透和反射係數、共振穿隧條件以及超晶格結構的有效帶隙。

Schrödinger–Poisson 方程式介面

結合了 Schrödinger 方程式和 Electrostatics 介面，以模擬量子受限系統中的電荷載子。此介面可用於模擬量子受限器件，例如量子井、線和點，以及用於模擬多帶系統和具有自旋粒子的多成分波函數。此外，它還具有模擬一個 Bose-Einstein 凝聚體中涡流晶格形成等一般量子系統的能力。

在使用 Schrödinger-Poisson 方程式介面時，電位對於 Schrödinger 方程式中的電位能項有貢獻，而來自本徵態的機率密度的統計權重和為空間電荷密度做出貢獻。介面中提供了一個專用的研究類型，可自動生成求解器設置，以實現雙向耦合系統的自洽解。

此介面包括一個用於模擬帶有入射和出射波的開放邊界的選項，用於模擬諧振穿隧條件。此外，週期邊界條件可用於模擬超晶格。

 

光學躍遷

光學躍遷功能可用於模擬半導體中的光吸收以及受刺激和自發輻射的發射。當存在一個振盪的電場時（通常由傳播的電磁波產生），在兩個量子狀態之間進行轉換時，會發生受刺激的發射或吸收。自發輻射則發生在從高能到低能的量子狀態轉換時。

半導體光電子學

半導體模組包含兩種多物理界面，可用於模擬電磁波與半導體的交互作用。要使用此功能，需要 Wave Optics Module。此功能基於 Wave Optics Module 中的 Frequency Domain 介面和 Beam Envelopes 介面。

Semiconductor and Electromagnetic Waves 介面之間的耦合通過 Semiconductor Module 中的 Optical Transitions 功能進行。此功能在半導體界面內的域中引入了一個受激發射發生率，適用於直接帶隙材料。此項目與 Electromagnetic Waves 介面中對應的光學強度成正比。此外，光學轉換功能還可以考慮直接帶隙材料中的自發發射。

光吸收或發射的效應通過對複雜介電率或折射率的對應變化來考慮。

電路介面可用於建立集中式系統

以模擬電路中的電流和電壓。當模擬一般電源、電阻、電容、電感和其他半導體元件時，此功能非常有用。電路模型還可以與二維和三維分佈式場模型相連接。此外，電路拓撲可以以SPICE網表格式匯出和匯入。電路可以與半導體器件的物理模型相結合，以模擬實際負載。

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