半导体模块更新

COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本为“半导体模块”的用户引入了一个适用于准费米能级离散化选项的新研究,添加了功率驱动的终端,并新增和更新了多个教学案例。请阅读以下内容,进一步了解这些半导体特征及其他新增功能。

半导体平衡研究

半导体 物理场接口中新增了一个名为半导体平衡 的研究步骤。这一新研究适用于已处于平衡状态的系统,还可用于为非平衡系统生成初始条件。

这个裁剪的屏幕截图显示 COMSOL Multiphysics 5.3a 版本中的“模型向导”。

显示新的 半导体平衡研究步骤的“模型向导”窗口。

显示新的 半导体平衡研究步骤的“模型向导”窗口。

准费米能级公式

此版本新增了一个离散化方案,其中使用准费米能级作为载流子的因变量。准费米能级公式提供了一个备选方案,可用于在极低温度下为半导体器件建模时处理高度非线性的方程组。

功率驱动的终端

金属接触 边界条件中新增了一个选项,可用于指定终端功率。这是除电压和电流驱动的终端以外的又一种方案,可通过两种不同的方式连接到电路。

陷阱功能

陷阱 特征的功能得到了扩展,用户现在可以为每个离散或连续能级子节点单独输入初始阱占有率和简并因子,还可以为每个连续能级子节点定制能量离散化、能量范围以及沿能量轴的网格点数。这一扩展功能对于研究具有复杂陷阱属性的系统,尤其是其动力学特性方面,提供了更多的灵活性。

适用于薛定谔方程接口的完美匹配层

薛定谔方程 接口除了包含用于出射波的开放边界 条件外,现在还新增了完美匹配层 (PML) 功能,可用于在稳态研究中吸收出射波。这项功能有助于研究各种散射现象。

新增教学案例:玻色-爱因斯坦凝聚的 Gross-Pitaevskii 方程

本教学案例使用“半导体模块”中的薛定谔方程 物理场接口求解谐势阱中玻色-爱因斯坦凝聚基态的 Gross-Pitaevskii 方程。该方程本质上是非线性单粒子薛定谔方程,其势能贡献与局部粒子密度成正比。特征值研究不适用于求解此类非线性特征值问题,因此,这里改用稳态研究以及一个执行波函数归一化的全局方程来求解基态解。正如我们所预期的那样,大量粒子的仿真结果与 Thomas-Fermi 近似高度吻合。

 
通过对一系列数量不断减少的粒子求解 Gross-Pitaevskii 方程,来呈现玻色-爱因斯坦凝聚的蒸发可视化效果,图中的动画显示了仿真结果。


案例库路径:
Semiconductor_Module/Quantum_Systems/gross_pitaevskii_equation_for_bose_einstein_condensation

新增教学案例:一维 MOSCAP 小信号

金属-氧化物-硅 (MOS) 结构是许多硅平面器件的基本结构单元,其电容测量法可以帮助用户深入了解此类器件的工作原理。本教学案例构建了一个简单的 MOS 电容器 (MOSCAP) 一维模型,使用小信号分析方法计算了低频和高频 C-V 曲线。模型使用 COMSOL Multiphysics® 5.3a 版本中新增的准费米能级公式和半导体平衡 研究步骤。

“一维 MOSCAP 小信号”教学案例的结果图。 低频和高频工况下的 C-V 曲线。 低频和高频工况下的 C-V 曲线。

案例库路径:
Semiconductor_Module/Device_Building_Blocks/moscap_1d_small_signal

增强功能和 Bug 修复

  • 增强了用于不完全电离、空间变化的电子亲和性及带隙的有限体积公式,并提高了与热平衡条件的一致性
  • 基于用户定义的 Schottky 势垒高度自动设置金属接触 电势的约束值
  • 改进了高场迁移率模型在低电流下的性能表现
  • 增强了所有掺杂分布类型中连续参数缩放的一致性
  • 修复了用于带隙变窄(FVM 和 FEM)、位置相关的带隙 (FVM) 以及温度梯度引起的载流子扩散 (FVM) 的公式
    • 使用带隙特征的 MOSFET 教学案例得到更新
  • 更正了有限元对数公式的 Fermi-Dirac 变量定义
  • 修复了用于金属接触 边界条件中用户定义的 Schottky 势垒高度的公式

教学案例改进

MOSFET 系列教学案例

MOSFET 系列教学案例已更新,现在包含用户定义的较粗化网格,明显加快了计算速度。该系列模型包含的带隙变窄效应得到了改进。随着公式的增强,现在可以使用较粗化的网格得到更高的精度。

模型总体计算速度大幅提高

许多教学案例都已更新,现在包含更高效的网格和参数化扫描设置,实现计算速度提升高达 10 倍。

  • MOSFET 系列教学案例
    • MOSFET 的直流特性
    • MOSFET 击穿
    • MOSFET 迁移率模型
    • MOSFET 小信号分析
  • 离子敏感场效应晶体管仿真
  • 砷化镓 p-n 结红外发光二极管
  • PN 二极管电路
  • Caughey Thomas 迁移率
  • Lombardi 表面迁移率
  • 浮栅 EEPROM 器件的编程
  • MESFET 的直流特性

案例库结构重组

“案例库”中的“器件”类别替换为四个新的类别:

  1. 器件构建块
  2. 光子器件和传感器
  3. 量子系统
  4. 晶体管