半导体模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本为“半导体模块”用户提供了一个全新的 App,可用于评估位于特定时间和地点的太阳能电池的设计参数。改进了理想肖特基结,热电子发射和连续准费米能级边界条件,在提升模型精度的同时节约计算时间和内存。下文将详细介绍半导体模块的具体更新内容。

新 App:硅太阳能电池和射线光学

“硅太阳能电池和射线光学”App 结合了射线光学模块和半导体模块,阐明了硅太阳能电池在特定日期和位置的工作情况。射线光学模块计算用户选定的某一天及某个位置的平均照度。半导体模块根据用户指定的设计参数计算太阳能电池的归一化输出特性。

归一化输出特性与计算所得的平均照度相乘,即得到电池在指定日期和位置的输出特性,前提是输出与照度之间是简单的线性关系。随后,用户可以计算太阳能电池的效率及一天的发电量。

底层模型包含一个一维硅 PN 结,其中包含了载流子的生成及 Shockley-Read-Hall 复合。接地的阳极模拟成发射器(n 掺杂区域)上沉积的薄层欧姆接触。类似地,阴极模拟成基准侧(p 掺杂区域)沉积的、连到外部电路的理想欧姆接触。

“硅太阳能电池和射线光学”App 库路径: Semiconductor_Module/Applications/si_solar_cell_with_ray_optics

注意:要运行此 App,需要半导体模块和射线光学模块。

“硅太阳能电池和射线光学”App 的用户界面,显示计算结果和太阳位置。 “硅太阳能电池和射线光学”App 的用户界面,显示计算结果和太阳位置。
“硅太阳能电池和射线光学”App 的用户界面,显示计算结果和太阳位置。

理想肖特基型金属接触边界条件的增强性能

在 COMSOL Multiphysics® 5.2 及之前的版本中,理想肖特基型金属接触边界条件采用常数外插方案,这需要在边界附近采用非常精细的网格剖分才能获得可接受的计算精度。5.2a 版本采用高阶外插方案,以便在没有采用极为精细网格的条件下也能获得更好的计算精度。例如,在一个均匀材料和电流密度的矩形区域左边界采用理想肖特基边界条件,下图是两种不同网格下的 COMSOL Multiphysics® 5.2a 的仿真结果,可见两种不同网格都得到了非常精确的结果,两者几乎没有差别。

理想肖特基左边界没用采用非常精细的网格。 理想肖特基左边界没用采用非常精细的网格。
理想肖特基左边界没用采用非常精细的网格。
理想肖特基左边界采用了非常精细的网格。 理想肖特基左边界采用了非常精细的网格。
理想肖特基左边界采用了非常精细的网格。
即便没有采用细化网格时,电流密度的仿真结果也是高度一致的(注:最小和最大值的小数点后 5 位都是完全一样的)。 即便没有采用细化网格时,电流密度的仿真结果也是高度一致的(注:最小和最大值的小数点后 5 位都是完全一样的)。
即便没有采用细化网格时,电流密度的仿真结果也是高度一致的(注:最小和最大值的小数点后 5 位都是完全一样的)。
非细化网格和细化网格得到的结果几乎完全一样。 非细化网格和细化网格得到的结果几乎完全一样。
非细化网格和细化网格得到的结果几乎完全一样。

异质结的热电子发射边界条件的改进性能

在 COMSOL Multiphysics® 先前版本中,同理想肖特基边界条件一样,异质结的热电子发射边界条件采用了常数外插方案,这需要在边界处采用非常精细的网格剖分才能获得可接受的计算精度。5.2a 版本采用高阶外插方案,以便在没有采用极为精细网格的条件下也能获得更好的计算精度。

连续准费米能级异质结边界条件的增强功能

COMSOL Multiphysics® 现在支持在连续准费米能级异质结边界条件中采用费米-狄拉克分布。在 5.2 及之前的版本中,连续准费米能级边界条件只能采用麦克斯韦-玻尔兹曼分布。在 5.2a 版本中, 边界条件中也支持费米-狄拉克分布,因此异质结处可得到更精确的仿真结果,如下图所示。
连续准费米能级的异质结边界处采用费米-狄拉克分布,计算得到的能级如预想的一样位于零能级。 连续准费米能级的异质结边界处采用费米-狄拉克分布,计算得到的能级如预想的一样位于零能级。
连续准费米能级的异质结边界处采用费米-狄拉克分布,计算得到的能级如预想的一样位于零能级。

相邻电荷守恒域中采用更为精确的静电公式

COMSOL Multiphysics® 5.2a 版本对相邻的电荷守恒域中采用改进的静电公式,以便得到更为精确的仿真结果。这对于模拟相邻的不同绝缘(介电)材料非常有用,可以考虑相邻计算域中不同介电常数的影响,如下图所示。
在 5.2a 版本中,静电物理场接口(左图)和“半导体模块”(右图)的计算结果一致。

在 5.2a 版本中,静电物理场接口(左图)和“半导体模块”(右图)的计算结果一致。

在 5.2a 版本中,静电物理场接口(左图)和“半导体模块”(右图)的计算结果一致。

优化的研究设置可加速双极型晶体管教学模型计算

双极型晶体管教学案例中的求解设置得到优化,以便节约计算时间。三维模型的计算时间从数天减少到几个小时,二维模型的计算时间则从一个多小时减少为仅需要几分钟。