Semiconductor Module

Analyze Semiconductor Devices at the Fundamental Level with the Semiconductor Module

Semiconductor Module

Operação de um transistor onde uma tensão aplicada à porta liga o dispositivo e então determina a corrente de saturação do dreno.

MOSFETs, MESFETs e Diodos Schottky

O Semiconductor Module permite a análise detalhada da operação de dispositivos semicondutores sob a perspectiva da física fundamental. O módulo baseia-se nas equações de deriva-difusão (drift-diffusion), usando modelos de transporte isotérmico ou não isotérmico. É útil para simular uma gama de dispositivos práticos – inclusive transistores bipolares, de efeito de campo semicondutor-metal (MESFETs), transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor(MOSFETs), diodos de Schottky, tiristores e juntas P-N.

Os efeitos multifísicos geralmente exercem influências importantes sobre o desempenho de dispositivos semicondutores. A fabricação de semicondutores frequentemente ocorre a temperaturas altas e, por conseguinte, é possível que tensões sejam introduzidas nos materiais. Além disso, dispositivos de alta potência podem gerar uma quantidade significativa de calor. O Semiconductor Module permite a modelagem no nível do dispositivo semicondutor na plataforma COMSOL, possibilitando criar facilmente simulações personalizadas envolvendo vários efeitos físicos. Além disso, o software é transparente, visto que é sempre possível manipular as equações dos modelos, dando liberdade total na definição de fenômenos que não estão predefinidos no módulo.


Imagens adicionais:

  • Característica CC de um transistor MOS demonstrando a operação do transistor quando uma tensão aplicada na porta liga o dispositivo e então determina a corrente de saturação do dreno. Característica CC de um transistor MOS demonstrando a operação do transistor quando uma tensão aplicada na porta liga o dispositivo e então determina a corrente de saturação do dreno.

Faça Uso da Discretização por Elementos Finitos ou Volumes Finitos

Você pode optar por usar o método dos elementos finitos ou dos volumes finitos quando for modelar o transporte de elétrons e lacunas no Semiconductor Module. Cada método tem seu conjunto de vantagens e desvantagens:

  • Finite Volume Discretization: A discretização por volume finito na modelagem de dispositivos semicondutores, inerentemente, conserva a corrente. Como resultado, é proporcionado um resultado mais preciso para a densidade de corrente dos portadores de carga. O Semiconductor Module usa um esquema Upwind de Scharfetter-Gummel para as equações dos portadores de carga. É produzida uma solução constante dentro de cada elemento de malha, portanto, os fluxos só podem ser determinados nas faces da malha que são adjacentes a dois outros elementos da malha. Ainda, como os módulos do COMSOL baseiam-se no método dos elementos finitos, pode se tornar pouco mais desafiador configurar modelos multifísicos.

  • Finite Element Discretization: O método dos elementos finitos é um método de conservação da energia. Consequentemente, a conservação da corrente não é implícita nesta técnica. Para obter correntes precisas, pode ser necessário estreitar as tolerâncias padrão dos métodos de resolução ou refinar a malha. A fim de ajudar com a estabilidade numérica, um método de estabilização dos mínimos quadrados de Galerkin é incluído para resolver a física em dispositivos semicondutores. Uma vantagem de modelar dispositivos semicondutores usando o método dos elementos finitos é poder acoplar, com maior facilidade, o modelo a outras físicas, como transferência de calor ou mecânica dos sólidos, em um único modelo.

Modelagem de Todos os Tipos de Semicondutores

O Semiconductor Module é usado para modelar dispositivos semicondutores com dimensões de centenas de nm ou mais, os quais também podem ser modelados por uma abordagem de deriva-difusão convencional usando equações diferenciais parciais. No módulo, há várias interfaces físicas – ferramentas para receber entradas de modelos a fim de descrever um conjunto de equações físicas e condições de contorno. Isso inclui interfaces para modelar o transporte de elétrons e lacunas em dispositivos semicondutores, o comportamento eletrostático destes e uma interface para acoplar simulações de semicondutores a uma simulação de circuito SPICE.

A interface Semiconductor resolve a equação de Poisson junto com as equações de continuidade para os portadores de carga. As concentrações de elétrons e lacunas são resolvidas explicitamente. Pode-se escolher entre resolver o modelo através do método de volumes finitos ou elementos finitos. A interface Semiconductor inclui modelos de materiais para materiais semicondutores e isolantes, além de condições de contorno para contatos ôhmicos, contatos de Schottky, portas e uma ampla gama de condições de contorno eletrostáticas.

Os recursos na interface Semiconductor descrevem a propriedade da mobilidade conforme ela é limitada pelo espalhamento de portadores no material. O Semiconductor Module inclui vários modelos de mobilidade predefinidos e a opção de criar modelos de mobilidade personalizados, definidos pelo usuário. Esses dois tipos de modelo podem ser combinados de várias, maneiras. Cada modelo de mobilidade define um elétron de saída e a mobilidade das lacunas. A mobilidade de saída pode ser usada como entrada para outros modelos de mobilidade, ao passo que equações podem ser usadas para combinar mobilidades, por exemplo, usando a regra de Matthiessen. A interface Semiconductor também contém recursos para adicionar as recombinações de Auger, Direta e de Shockley-Read Hall a um domínio semicondutor ou pode-se especificar uma taxa de recombinação personalizada.

Especificar a distribuição da dopagem é fundamental para a modelagem de dispositivos semicondutores. O Semiconductor Module oferece uma ferramenta para especificação do perfil de dopagem. Pode-se especificar perfis de dopagem constantes e definidos pelo usuário, ou pode-se usar um perfil de dopagem Gaussiano aproximado. Também é fácil importar dados a partir de fontes externas ao COMSOl Multiphysics®, que podem ser tratados por funções de interpolação integradas.

Junto com a interface Semiconductor, o Semiconductor Module vem equipado com recursos aprimorados de eletrostática, disponíveis tanto na interface Semiconductor quanto em uma interface de eletrostática independente. Simulações de sistema e de dispositivos mistos são possíveis graças a uma interface física para circuitos elétricos com capacidade de importação do SPICE. O Semiconductor Module inclui um banco de dados extra com propriedades de vários materiais. Cada modelo vem com documentação que inclui os fundamentos teóricos e instruções passo a passo de como criar o modelo. Os modelos são disponibilizados no COMSOL na forma de arquivos MPH, que podem ser abertos para um estudo mais aprofundado. Pode-se usar as instruções passo a passo e os modelos como ponto de partida para outras modelagens e aplicações.

Semiconductor Module

Recursos do Produto

  • Solução da equação drift-diffusion usando o método de volumes finito com um esquema upwinding Scharfetter-Gummel
  • Solução da equação drift-diffusion usando o método de elementos finitos com um método de estabilização por mínimos quadrados de Galerkin
  • Aproximação do tempo de relaxação usado para descrever o processo de scattering
  • Recursos dedicados para definir contato ôhmico, Schottky e barreiras nos contornos
  • Modelos de mobilidade predefinidos para fótons, impurezas ionizadas, scattering carrier-carrier, scattering de impurezas neurais, saturação de campo de alta velocidade e scattering de superfícies
  • Definir seus próprios modelos de mobilidade
  • Recursos para taxas de recombinação de Auger, Direto ou Shockley-Read Hall ou você pode especificar o seu próprio
  • Possibilita especificar perfis constantes doping, Gausiano ou seus próprios usando funções que variam espacialmente
  • Estatística de Fermi-Dirac e Maxwell-Boltzmann
  • Possibilita especificar perfis doping através de importação de dados e tratamento com built-in de funções de interpolação
  • Correntes e campo elétrico estático
  • Simulações de nível de sistema e dispositivo misto através de circuitos SPICE
  • Heterojunções com níveis quasi-Fermi contínuos ou emissão termoiônica
  • Ionização por impacto
  • Ionização incompleta
  • Análises estacionária, transiente e Small-signal

Áreas de Aplicação

  • Transistor bipolar
  • Transistor de efeito de campo metal-semicondutor (MESFETs)
  • Transistor de efeito de campo metal-oxide-semiconductor (MOSFETs)
  • Diodos Schottky
  • Tiristor
  • Junções P-N

Formatos de Arquivo Suportados

Formato do Arquivo Extensão Importa Exporta
SPICE Circuit Netlist .cir Sim Sim

Breakdown in a MOSFET

PN-Diode Circuit

DC Characteristics of a MOS Transistor (MOSFET)

Simulation of an Ion-sensitive Field-effect Transistor (ISFET)

PN-Junction 1D

Bipolar Transistor

Caughey-Thomas Mobility

Lombardi Surface Mobility

DC Characteristics of a MESFET

Si Solar Cell 1D

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