半导体模块

半导体器件原理级仿真分析

半导体模块

晶体管运行:施加的栅极电压使器件导通,并决定漏极饱和电流。

MOSFET、MESFET 和肖特基二极管

半导体模块使您可以在最基础的物理场层级详细分析半导体器件的运行状态。该模块基于漂移-扩散方程,包含等温或非等温传递模型。它可用于仿真一系列实际器件——包括双极、金属半导体场效应晶体管 (MESFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管 (MOSFET)、肖特基二极管、晶闸管和 P-N 结等。

多物理场效应通常会对半导体器件的性能产生重要影响。半导体加工通常在高温下进行,因此可能会在材料中产生应力。此外,高功率器件会产生大量的热。半导体模块支持在 COMSOL 平台上进行半导体器件级仿真,使您可以简便地创建用户定义的多种物理模型。此外,软件非常透明,您随时可以修正模型方程,完全自由地定义模块中未预定义的现象。


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  • MOS 晶体管的直流特性表征了晶体管的运行状态:施加的栅极电压使器件导通,并决定了漏极饱和电流。 MOS 晶体管的直流特性表征了晶体管的运行状态:施加的栅极电压使器件导通,并决定了漏极饱和电流。

有限元法或有限体积法离散

使用半导体模块模拟空穴和电子传递时,可以选择使用有限元或有限体积方法。每种方法均具有各自的优缺点:

  • 有限体积离散:半导体器件模拟中的有限体积离散本身就可以保证电流守恒。因此,它可以最精确地计算电荷载流子的电流密度。半导体模块使用 Scharfetter Gummel 迎风原理来处理电荷载流子方程。它会计算出在每个网格单元内恒定的解,从而只有在两个网格单元相邻的网格面上才能计算通量。但是,由于 COMSOL 模块套件中的模块基于有限元方法,这会使设置多物理场模型变得更具挑战性。

  • 有限元离散:有限元方法是一种能量守恒的方法。因此,该技术中并不隐含电流守恒。要获得精确的电流结果,需要减小求解器缺省容差或细化网格。为了提高数值稳定性,在求解半导体器件中的物理场时,将使用 Galerkin 最小二乘稳定性算法。使用有限元方法模拟半导体器件的一个优点是您可以在单个模型中更简便地将模型耦合到其他物理场(例如传热或固体力学)。

您可以模拟任意类型的半导体

半导体模块用于模拟尺度为 100 纳米或更大的可以通过偏微分方程使用传统的漂移-扩散模型进行模拟的半导体器件。该模块包含许多物理接口——用于定义模型输入,描述物理方程和边界条件。这些接口可用于模拟半导体器件中的电子和空穴传递、静电现象,并可将半导体仿真与 SPICE 电路仿真相耦合。

半导体接口可以求解电荷载流子的 Poisson 方程和连续性方程。它会直接求解电子和空穴的浓度。您可以选择有限体积法或有限元方法求解模型。半导体接口含有半导体和绝缘体的材料模型,以及欧姆接触、肖特基接触、栅极的边界条件和各种静电边界条件。

半导体接口中的一些功能可以描述迁移率属性,因为该属性会受材料载流子的散射限制。半导体模块包含了几个预定义的迁移率模型,用户也可以创建自定义的迁移率模型。这两种类型的模型可以使用任意方式组合。每个迁移率模型可定义一个输出电子和空穴迁移率。输出迁移率可以用作其他迁移率模型的输入,同时可以使用一些方程来关联迁移率,例如 Matthiessen 法则。半导体接口还包含了向半导体域中添加俄歇、直接和 Shockley-Read Hall 复合的功能,或者您也可以指定自己的复合速率。

定义掺杂分布对于半导体器件的模拟非常关键。半导体模块提供了掺杂模型功能来执行该操作。可以指定常数或用户定义的掺杂分布,或者也可以使用近似高斯分布。此外,还可以直接将数据从外部源导入 COMSOL Multiphysics®,然后通过内置的插值函数进行处理。

除半导体接口外,半导体模块还包括强化的静电场接口功能,这些功能可在半导体接口和独立的静电接口中使用。通过电路物理接口和 SPICE 导入功能还可以实现系统级和混合器件仿真。半导体模块包含一个附加的材料数据库,其中具有多种材料的属性。每个模型均带有文档说明,包括理论背景和创建模型的操作步骤说明。这些模型在 COMSOL 中以 MPH 文件格式存在,您可以打开这些文件做进一步的研究。您可以按照操作步骤指示信息以及实际模型作为自己的模拟应用的模板。

DC Characteristics of a MOS Transistor (MOSFET)

Wavelength Tunable LED

Breakdown in a MOSFET

Lombardi Surface Mobility

Caughey-Thomas Mobility

Bipolar Transistor

Heterojunction 1D

PN-Junction 1D

PN-Diode Circuit

DC Characteristics of a MESFET