半导体模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.3 版本针对“半导体模块”的用户新增了薛定谔方程 物理场接口来处理量子力学问题,还新增了几个案例模型。请阅读以下内容,进一步了解“半导体模块”的更新。

新的物理场接口:薛定谔方程

新增的薛定谔方程 接口求解单粒子薛定谔方程来解决一维、二维和三维中的一般量子力学问题,以及在假设包络函数逼近的情况下,计算量子限域系统中的电子波函数和空穴波函数。接口中已为您配置了相应的边界条件和研究类型,用于轻松地设置模型和计算各种情况中的相关物理量,如,束缚态的特征能量、准束缚态的衰减率、传递和反射系数、共振隧穿条件和超晶格结构的有效带隙。“半导体模块”包含两个新示例,以帮助演示各种内置功能的使用。

 
量子线中的准束缚态衰减。
 
谐波电势中的波包。
 
超晶格中的 Bloch 波函数。
 
通过一维双势垒的共振隧穿。


有关使用薛定谔方程进行模拟的示例,请访问以下“案例库”路径:
Semiconductor_Module/Verification_Examples/double_barrier_1d

其他性能改进

电流驱动的金属接触

新版本中新增了一个公式,其中使用电流驱动的金属接触边界条件更轻松地实现了模型的收敛。

有关阱密度明细的更多选项

对于每种阱物质,除了用于对阱密度求和外,下拉菜单中还包括了相应的选项,反应每一种物质的影响。除了指定物质类型外,现在还可使用在定义掺杂和阱时常用的常规浓度曲线工具,来定义具有指定中性能级的阱。

用户自定义的碰撞电离模型

新版本中,碰撞电离特征新增了一个用户自定义模型选项。

新 App:超晶格带隙工具

超晶格带隙工具有助于设计由两种交替生长的半导体材料(超晶格)构成的周期性结构。这种工具使用有效质量薛定谔方程来估算给定超晶格结构中电子和空穴的基态能级。设备工程师可以使用该工具快速计算给定周期性结构的有效带隙,并对设计参数运行迭代,直到获得所需的带隙值。

为使用此 App,用户须输入所希望的超晶格参数,包括阱和势垒层的宽度、这些层中电子和空穴的有效质量、这些层中的带隙以及传导带偏移。价带偏移会自动更新,且 App 用户应检查其正性。用户还可以控制研究所用的最大网格单元尺寸。单击“计算”按钮可计算传导带边的偏移、价带边的偏移和有效带隙。在“图形”窗口中绘制了电子波函数和空穴波函数。


“案例库”路径:
Semiconductor_Module/Applications/superlattice_band_gap_tool

新的教学模型:一维双势垒

双势垒结构之所以受到关注,是由于该结构可用于共振隧穿二极管等半导体器件中。

这一验证模型演示了薛定谔方程 接口中设置简单的一维 GaAs/AlGaAs 双势垒结构,分析了准束缚态及其时间演化、共振隧穿现象,以及透射随能量变化的情况。对于准束缚态和共振隧穿条件下计算的特征能量,以及计算的透射系数,模型结果与解析结果非常一致。

 
一维双势垒中准束缚态的衰减。

“案例库”路径:
Semiconductor_Module/Verification_Examples/double_barrier_1d

新的多物理场教学模型:ISFET

离子敏感场效应晶体管(ISFET)是在 MOSFET 的基础上用合适的电解质取代其栅极触点构建的。离子与栅极电介质之间的相互作用引起栅极电压的变化,通过测量这一电压变化可确定电解质中特定离子物质的浓度。

本 ISFET pH 传感器教程阐明了建立半导体模型与电解质模型之间耦合的过程。还演示了一种使用简单的全局方程来提取操作参数的技术,由此无需对实际反馈电路进行显式建模。

注:除了“半导体模块”,本教程还需要以下任一模块:“电池与燃料电池模块”、“化学反应工程模块”、“腐蚀模块”、“电化学模块”、“电镀模块”或“微流体模块”。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中新增的 ISFET 教学模型中的表面图。 ISFET 中的电势。 ISFET 中的电势。

“案例库”路径:
Semiconductor_Module/Devices/isfet

新的教学模型:一维 MOSCAP

金属-氧化物-硅(MOS)结构是许多硅平面器件的基本构建块。通过测量电容,可以深入了解此类器件的工作原理。本教程构建了一个简单的一维 MOS 电容器(MOSCAP)模型,计算了低频和高频 C-V 曲线。

COMSOL Multiphysics 5.3 版本中新增的“一维 MOSCAP”教学模型中的绘图。 MOSCAP 的低频和高频 C-V 曲线。 MOSCAP 的低频和高频 C-V 曲线。


“案例库”路径:
Semiconductor_Module/Devices/moscap_1d

新的教学模型:一维硅太阳能电池

这个教学模型使用简单的一维硅太阳能电池模型,演示了使用“半导体模块”来设置和执行半导体仿真的基本步骤。案例中用户自定义光生成率的表达式,而结果则显示太阳能电池的典型 I-V 曲线和 P-V 曲线。此模型中并没有详细模拟光伏效应的载流子生成机制,为简便起见,使用了任意用户定义的表达式来表示生成率。此外,使用了 Shockley-Read-Hall 模型用于获得主要的复合效应。在正常工作条件下,在 p-n 结损耗区域的两侧扫描光生载流子,施加较小的顺向偏压来提取电功率,即光电流和外加电压的积。


“案例库”路径:
Semiconductor_Module/Devices/si_solar_cell_1d

更新的教学模型:双极晶体管的热性能

双极晶体管热分析 的更新模型中研究了半导体器件中的非均匀温度效应。半导体 接口提供固体传热 接口中的热源,而固体传热 接口计算半导体 接口中使用的温度分布。现在,仿真可在较高的功率下运行,以达到较高的温度,产生更清晰的热效应。

显示双极晶体管中温度分布和电压分布的 COMSOL 绘图。 双极晶体管中的电压分布(上图)和温度分布(下图)。 双极晶体管中的电压分布(上图)和温度分布(下图)。


“案例库”路径:
Semiconductor_Module/Devices/bipolar_transistor_thermal