Semiconductor Module
Semiconductor Module
Für detaillierte Analysen von Halbleiterbauelementen auf elementarer Ebene
Transistorbetrieb, wobei eine angelegte Gate-Spannung das Bauelement einschaltet und den Sättigungsstrom bestimmt.
MOSFETs, MESFETs und Schottky-Dioden
Mit dem Semiconductor Module kann die Funktionsweise von Halbleiterbauelementen auf elementarer physikalischer Ebene detailliert analysiert werden. Das Modul basiert auf den Drift-Diffusionsgleichungen, in denen isotherme oder nicht isotherme Transportmodelle verwendet werden. Mit dem Modul können einige in der Praxis verwendete Bauelemente simuliert werden - dazu gehören bipolare Metall-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MESFETs), Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), Schottky-Dioden, Thyristoren und p-n-Übergänge.
Multiphysikalische Effekte können erheblichen Einfluss auf die Leistung eines Halbleiterbauelements haben. Halbleiterverarbeitung erfolgt oftmals bei hohen Temperaturen, was dazu führen kann, dass mechanische Spannungen in das Material eingebracht werden. Darüber hinaus kann es in Hochleistungsbauelementen zu erheblicher Wärmeentwicklung kommen. Das Semiconductor Module ermöglicht das Modellieren von Halbleiterbauelementen auf COMSOL Basis, wodurch Sie in die Lage versetzt werden, problemlos auf Ihre Aufgabenstellung angepasste Simulationen zu erstellen, in denen mehrere physikalische Effekte berücksichtigt werden. Hinzu kommt die einzigartige Transparenz der Software, denn Sie können die Modellgleichungen jederzeit ändern. Hierdurch erhalten Sie vollständige Freiheit für das Definieren von Phänomenen, die nicht im Modul enthalten sind.
Weitere Bilder
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Die DC-Charakteristik eines MOS-Transistors, die den Transistorbetrieb veranschaulicht. Die angelegte Steuerspannung schaltet das Bauelement ein und bestimmt den Sättigungsstrom.
Verwenden der Finite-Elemente- oder Finite-Volumen-Diskretisierung
Wenn Sie im Semiconductor Module den Transport von Löchern und Elektronen modellieren, können Sie zwischen der Finite-Elemente- und der Finite-Volumen-Methode wählen. Jede dieser Methoden hat ihre Vor- und Nachteile:
Finite-Volumen-Diskretisierung: Eine Finite-Volumen-Diskretisierung in der Modellierung von Halbleiterbauelementen bedingt von Natur aus eine immanente Stromerhaltung. Dadurch bietet diese Art der Diskretisierung das genaueste Ergebnis für die Stromdichte der Ladungsträger. Im Semiconductor Module wird ein Scharfetter-Gummel-Schema mit Upwind-Verfahren für die Ladungsträgergleichungen verwendet. Dieses Schema führt zu einer Lösung, die in jedem Netzelement konstant ist, sodass Flüsse nur auf Netzflächen erstellt werden können, die an zwei Netzelemente angrenzen. Da andere Produkte in der COMSOL-Produktpalette auf der Finite-Elemente-Methode basieren, kann es dadurch etwas anspruchsvoller werden, Modelle für mehrere physikalische Effekte zu gestalten.
Finite-Element-Diskretisierung: Die Finite-Elemente-Methode ist eine energieerhaltende Methode. Daher ist Stromerhaltung für diese Methode nicht implizit gegeben. Um genaue Ströme ermitteln zu können, kann es erforderlich sein, die Standardlösertoleranzen herabzusetzen oder das Netz zu verfeinern. Um die numerische Stabilität zu verbessern, wird eine Galerkin-Stabilisierungsmethode der kleinsten Quadrate verwendet, wenn die physikalischen Effekte für Halbleiterbauelemente berechnet werden. Ein Vorteil des Modellierens von Halbleiterbauelementen mit der Finite-Elemente-Methode besteht darin, dass Sie Ihr jeweiliges Modell einfacher mit anderen physikalischen Effekten wie Wärmeübertragung oder Strukturmechanik kombinieren können.
Sie können alle Halbleitertypen modellieren
Mit dem Semiconductor Module werden Halbleiterbauelemente mit Längenskalen von 100 nm und mehr modelliert, welche dem konventionellen Drift-Diffusions-Ansatz in Form von partiellen Differentialgleichungen genügen. In dem Produkt gibt es eine Reihe von Physikinterfaces - grafische Benutzerschnittstellen zur Eingabe von Modellparametern, mit denen entsprechende physikalische Gleichungen und Randbedingungen beschrieben werden. Hierzu gehören Schnittstellen zum Modellieren des Transports von Elektronen und Löchern in Halbleiterbauelementen und des elektrostatischen Verhaltens dieser Elemente, sowie eine Schnittstelle zum Koppeln von Halbleiter- zu SPICE-Schaltkreissimulationen.
Im Halbleiter-Interface wird die Poisson-Gleichung zusammen mit Kontinuitätsgleichungen für die Ladungsträger gelöst. Sowohl die Elektronen- als auch die Lochkonzentrationen werden explizit bestimmt. Für die jeweilige Lösung Ihres Modells haben Sie die Wahl zwischen der Finite-Volumen- und der Finite-Elemente-Methode. Das Halbleiter-Interface beinhaltet Materialmodelle für halbleitende und isolierende Materialien sowie Randbedingungen für ohmsche Kontakte, Schottky-Kontakte, Gatter und ein großes Spektrum elektrostatischer Randbedingungen.
Einzelne Funktionen im Halbleiter-Interface basieren auf der Ladungsträgerbeweglichkeit, da diese durch die Streuung von Ladungsträgern im Material beschränkt ist. Das Semiconductor Module enthält mehrere vordefinierte Beweglichkeitsmodelle und bietet die Möglichkeit, benutzerdefinierte Beweglichkeitsmodelle zu erstellen. Sowohl vor- als auch benutzerdefinierte Beweglichkeitsmodelle können in beliebiger Art und Weise kombiniert werden. In jedem Beweglichkeitsmodell wird eine Ausgangsbeweglichkeit für Elektronen und Löcher definiert. Diese Ausgangsbeweglichkeit kann als Eingang für andere Beweglichkeitsmodelle verwendet werden, wobei Gleichungen dazu verwendet werden können, Beweglichkeiten zu kombinieren, beispielsweise über die Matthiessensche Regel. Das Halbleiter-Interface umfasst außerdem Funktionen, mit denen einem halbleitenden Bereich Auger-, Strahlende und Shockley-Read-Hall-Rekombination hinzugefügt werden kann. Darüber hinaus können Sie auch Ihre eigene Rekombinationsrate definieren.
Für die Modellierung von Halbleiterbauelementen ist es entscheidend eine Dotierungsverteilung anzugeben. Das Semiconductor Module stellt hierfür eine Funktion für Dotierungsmodelle bereit. Neben konstanten und benutzerdefinierten Dotierungsprofilen kann außerdem ein angenähertes Gauß'sches Dotierungsprofil verwendet werden. Weiterhin können externe Daten in COMSOL Multiphysics® importiert und bei Bedarf von Interpolationsfunktionen verarbeitet werden.
Zusammen mit dem Halbleiter-Interface beinhaltet das Semiconductor Module erweiterte Elektrostatik-Funktionalität, die sowohl im Halbleiter-Interface als auch in einem eigenen Elektrostatik-Interface verfügbar ist. Simulationen auf Systemebene sowie Simulationen mit unterschiedlichen Bauelementen sind über ein Physikinterface für elektrische Schaltkreise mit SPICE-Importfunktion möglich. Das Semiconductor Module beinhaltet eine zusätzliche Materialdatenbank mit Kenngrößen für viele Materialien. Zu jedem Modell gibt es eine Dokumentation, die den jeweiligen theoretischen Hintergrund sowie Schritt-für-Schritt-Anleitungen für die Modellerstellung enthält. Die Modelle sind in COMSOL als MPH-Dateien verfügbar, die Sie für weitere Analysen öffnen können. Die Schritt-für-Schritt-Anleitungen und die vorliegenden Modelle können Sie als Vorlagen für Ihre eigenen Modellierungen und Anwendungen nutzen.
Breakdown in a MOSFET
MOSFETs typically operate in three regimes depending on the drain-source voltage for a given gate voltage. Initially the current-voltage relation is linear, this is the Ohmic region. As the drain-source voltage increases the extracted current begins to saturate, this is the saturation region. As the drain-source voltage is further increased the ...
P-N Junction Diode with External Circuit
This model extracts spice parameters for a silicon p-n junction diode. The spice parameters are used to create a lumped-element equivalent circuit model of a half-wave rectifier that is compared to a full device level simulation. In this example, a device model is made by connecting a 2D meshed p-n junction diode to a circuit containing a ...
DC Characteristics of a MOS Transistor (MOSFET)
This model calculates the DC characteristics of a simple MOSFET. The drain current versus gate voltage characteristics are first computed in order to determine the threshold voltage for the device. Then the drain current vs drain voltage characteristics are computed for several gate voltages. The linear and saturation regions for the device can be ...
Bipolar Transistor
This model shows how to set up a simple Bipolar Transistor model. The output current-voltage characteristics in the common-emitter configuration are computed and the common-emitter current gain is determined.
P-N Junction Benchmark Model
This simple benchmark model computes the potential and carrier concentrations for a one-dimensional p-n junction using both the finite element and finite volume methods. The results are compared with an equivalent device from the book, "Semiconductor Devices: A Simulation Approach," by Kramer and Hitchon.
DC Characteristics of a MESFET
In a MESFET, the gate forms a rectifying junction that controls the opening of the channel by varying the depletion width of the junction. In this model we simulate the response of a n-doped GaAs MESFET to different drain and gate voltages. For a n-doped material the electron concentration is expected to be orders of magnitude larger than the ...
Lombardi Surface Mobility in a Semiconductor
Surface acoustic phonons and surface roughness have an important effect on the carrier mobility, especially in the thin inversion layer under the gate in MOSFETs. The Lombardi surface mobility model adds surface scattering resulting from these effects to an existing mobility model using Matthiessen’s rule. This model demonstrates how to use the ...
Caughey-Thomas Mobility in a Semiconductor
With an increase in the parallel component of the applied field, carriers can gain energies above the ambient thermal energy and be able to transfer energy gained by the field to the lattice by optical phonon emission. The latter effect leads to a saturation of the carriers mobility. The Caughey Thomas mobility model adds high field velocity ...
Heterojunction Benchmark
This one-dimensional model simulates three different heterojunction configurations under forward and reverse bias. The model shows the difference in using the continuous quasi-Fermi levels model as opposed to the thermionic emission model to determine the current transfer occurring between the different materials creating the junction under bias. ...
