半导体模块
半导体模块
使用半导体模块在原理级分析半导体器件
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。
半导体和光电子器件的物理场仿真
半导体模块提供了专用的工具，在最基础的物理层面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，可用于仿真一系列实际器件，包括双极晶体管、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)、绝缘栅双极晶体管 (IGBT)、肖特基二极管和 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。半导体模块使用户轻松创建涉及多个物理场效应的模型。例如，功率器件中的热效应可以通过添加一个传热物理场接口（位于 COMSOL Multiphysics® 软件平台）来模拟。还可以包含光跃迁来模拟诸如太阳能电池、发光二极管(LED) 以及光电二极管等一系列器件（有些可能需要波动光学模块）。
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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。
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。
半导体模块包含了加强的静电场模拟功能，这些功能可在半导体接口和独立的静电接口中使用。通过具有 SPICE 导入功能的电路模拟物理场接口，可实现系统级和混合器件的仿真。当与 波动光学模块 或者 RF 模块 共同使用时，半导体模块提供了额外的光电子模拟物理场接口。半导体模块还包括了专用的材料库，其中预置了多种常用材料的相关属性，方便建模时调用。模块自带的所有案例均带有说明文档，包含详细的理论背景知识和创建模型的逐步操作教程，案例模型均为MPH 格式，您可以通过这些模型学习半导体建模，也可以将其作为建立您自己模型的基础和起点。
半导体模块
产品特征
- 使用有限体积法通过 Scharfetter-Gummel 迎风原理求解漂移-扩散方程
- 松弛时间近似用于描述散射过程
- Fermi-Dirac 统计和 Maxwell-Boltzmann 统计
- 特定的特征可定义欧姆接触、Schottky 接触和边界处的栅极
- 预定义的迁移率模型可用于模拟有关声子、杂质和载流子的散射，还可以模拟高场速度饱和以及表面散射，您也可以定义自己的迁移率模型
- 可以使用包含 Auger、直接和 Shockley-Read Hall 复合速率的特征，也可以自己指定
- 指定常数或高斯数，或使用分析函数或插值函数自己指定掺杂分布
- 指定本体中或绝缘栅/表面的离散和连续的阱能级
- 通过 SPICE 电路进行系统级和混合器件的仿真
- 包含连续准 Fermi 能级或热离子发射的异质结
- 碰撞电离
- 不完全电离
- 传热效应
- 直接和间接光跃迁
应用领域
- 双极晶体管
- 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)
- 绝缘栅双极晶体管 (IGBT)
- Schottky 二极管
- P-N 结
- 太阳能电池
- 发光二极管 (LED)
- 光电二极管
支持的文件类型
| 文件格式 | 扩展名 | 导入 | 导出 |
|---|---|---|---|
| SPICE Circuit Netlist | .cir | 是 | 是 |
一维 PN 结
这个简单的基准模型采用有限元法和有限体积法计算一维 p-n 结的电势和载流子浓度。将结果与 Kramer 和 Hitchon 编著的 "Semiconductor Devices: A Simulation Approach" 一书中的等效装置进行了比较。
波长可调 LED
蓝光 LED 因为在现代高效照明中的应用而广受关注。由于带隙能量大，氮化镓广泛应用于生成蓝光。该 App 模拟了氮化镓基发光二极管的发射属性。此元件活化区使用的材料为 InxGa1-xN，包含镓和铟的混合物，其中铟的成份由 x 给定。这种可调活化区的带隙可以通过改变铟的含量来加以控制。
使用射线光学的硅太阳能电池仿真
“基于射线光学方法模拟硅太阳能电池”App 结合了“射线光学模块”和“半导体模块”，阐明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”计算用户选定的日期和位置的平均照度，“半导体模块”利用用户指定的设计参数计算太阳能电池的归一化输出特性。 假定输出与照度之间存在简单的线性关系，归一化输出特性与计算所得的平均照度相乘，可获得电池在指定日期和位置的输出特性。然后，用户可以计算太阳能电池的效率及一天的发电量。 基础模型由包含载流子生成和 Shockley-Read-Hall 复合的一维硅 PN 结组成。接地的阳极被模拟为发射极（n 掺杂区）上沉积的薄欧姆接触，类似地，阴极被模拟为沉积在基准侧（p 掺杂区）并连接到外部电路的理想欧姆接触。
一维硅太阳能电池
本教学案例使用硅太阳能电池的简单一维模型来演示使用“半导体模块”建立和执行半导体仿真的基本步骤。用户定义表达式用于表示光生成率，结果显示太阳能电池的典型 I-V 曲线和 P-V 曲线。 本例没有详细模拟光伏效应产生的载流子生成机制，为了简单起见，改用任意用户定义表达式来表示生成率，另外，采用 Shockley-Read-Hall 模型来捕获主复合效应。在正常操作条件下，光生载流子被扫掠到 p-n 结耗尽区的每一侧。施加较小的顺向偏压来提取由光电流和外加电压的乘积给出的电功率。 请阅读相关博客文章，了解有关本例的更多细节：“用半导体模块分析硅太阳能电池设计”。
PN 二极管电路
模型提取硅 p-n 结二极管的 SPICE 参数，用于创建半波整流器的集总元件等效电路模型。将模型与完整器件仿真进行了比较。在示例中，将二维网状 p-n 结二极管连接到包含正弦源、电阻器和接地的电路，形成基本半波整流器电路，建立器件模型。为了验证仿真结果，将器件仿真的输出与使用大信号二极管模型获得的电路响应进行了比较。
双极晶体管
Caughey-Thomas 迁移率
随着外加场平行分量的增大，载流子可以获得高于环境热能的能量，并且能够通过光学声子发射将场获得的能量传递到晶格。光学声子发射产生的效应导致载流子迁移率饱和。Caughey Thomas 迁移率模型将高场速度散射添加到现有的迁移率模型（或恒定输入迁移率模型）。 此模型演示如何使用 Caughey-Thomas 高场饱和模型对电子和空穴迁移率进行建模。场相关迁移率使得已经高度非线性的问题更加非线性。在高场极限条件下，有必要使用延拓方法实现收敛。
Lombardi 表面迁移率
表面声学声子和表面粗糙度对载流子迁移率具有重要影响，尤其是在 MOSFET 栅极下的薄反转层中。Lombardi 表面迁移率模型使用 Matthiessen 定则将这些影响产生的表面散射添加到现有的迁移率模型。 此模型演示如何使用 Lombardi 表面迁移率模型来计算简单 MOSFET 中的电子迁移率，将流入终端的电流密度分布和总电流与迁移率恒定的情况进行比较。
MESFET 的直流特性
在 MESFET 中，栅极形成整流结，该整流结通过改变结的耗尽宽度来控制沟道的开口。 在此模型中，我们模拟了 n 掺杂砷化镓 MESFET 对不同漏极和栅压的响应。对于 n 型掺杂材料，电子浓度预计会比空穴浓度大几个数量级。因此，可以使用多数载流子选项来计算自由度较少的精确解，然后通常需要使用电子和空穴公式。 这两种方法得到的解非常一致，但多数载流子公式的求解速度要快一倍。
MOS 晶体管 (MOSFET) 的直流特性
下一步:
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