COMSOL Semiconductor Module 5.4
DESCRIPCIÓN
Semiconductor Module permite el análisis detallado del funcionamiento de dispositivos semiconductores al nivel físico fundamental.
CARACTERÍSTICAS
El módulo está basado en las ecuaciones de advección-difusión con modelos de transporte isotérmico y no isotérmico. Se proporcionan dos métodos numéricos: el método del volumen finito con "upwinding" de Scharfetter-Gummel y el método de elementos finitos estabilizado por mínimos cuadrados de Galerkin. El módulo proporciona una interfaz fácil de usar para analizar y diseñar dispositivos semiconductores, simplificando en gran medida las rareas de simulación del dispositivo en la plataforma de COMSOL.
Los modelos de materiales de semiconducción y aislamiento además de las condiciones de contorno para contactos óhmicos, contactos Schottky, y puertas se proporcionan como características dedicadas dentro del Semiconductor Module. El módulo incluye funcionalidad mejorada para el modelado electrostático. Las simulaciones a nivel de sistema y de dispositivos mixtos es posible a través de una interfaz para circuitos eléctricos con capacidades de importación SPICE.
El módulo Semiconductor es útil para simular una gran variedad de dispositivos prácticos. La librería de modelos integrada contiene una suite de modelos diseñados para proporcionar instrucciones sencillas y demostrar cómo utilizar la interfaz para simular sus propios dispositivos. Semiconductor Module es particularmente adecuado para simular transistores incluyendo transistores bipolares, de efecto de campo metal-semiconductor (MESFET), efecto de campo metal-oxido-semiconductor (MOSFET), diodos Schottky, tiristores y uniones P-N.
SECTORES
Algunas de las principales aplicaciones del módulo pueden ser:
- Transistores bipolares
- Transistores de efecto de campo metal-semiconductor (MESFET)
- Transistores de efecto de campo metal-óxido-semiconductor (MOSFET)
- Diodos Schottky
- Tiristores
- Uniones P-N
VERSIONES
5.4
NOVEDADES
Ecuación de Schrödinger-Poisson
Se ha introducido una nueva interfaz multifísica Schrödinger-Poisson Equation para crear un acoplamiento bidireccional entre una interfaz física Electrostatics y una interfaz física Schrödinger Equation para modelar portadores de carga en sistemas confinados cuánticamente. El potencial eléctrico de la interfaz Electrostatics contribuye al término de energía potencial en la interfaz de la Ecuación de Schrödinger. Una suma ponderada estadísticamente de las densidades de probabilidad desde los estados propios tomados de la interfaz de la Ecuación de Schrödinger contribuye a la densidad de carga espacial en la interfaz Electrostática. Están soportadas todas las dimensiones espaciales (1D, 1D axisimétrico, 2D, 2D axisimétrico y 3D).
Un tipo de estudio dedicado Schrödinger-Poisson está disponible para la generación automática de iteracoines auto-consistentes en la secuencia del resolvedor. Un nuevo modelo comparativo de referencia, Self-Consistent Schrödinger-Poisson Results for a GaAs Nanowire, demuestra el uso de esta nueva funcionalidad.
Recombinación de superficie asistida por trampas
Una nueva condicion de contorno, Trap-Assisted Surface Recombination, reemplaza a la casilla Surface traps en las funcionalidades Insulation, Thin Insulator Gate, y Insulator Interface. A diferencia de la antigua casilla, que permitía únicamente una opción de trampas explícitas, la nueva condición de contorno tiene ambas opciones de recombinación SRH y trampas explícitas como su contrapartida de dominio (la condición de domino Trap-Assisted Recombination). Además, la nueva condición de contorno se extiende para incluir Schottky contacts. Se ha solucionado un problema en la formulación FEM (la carga de superficie no tiene efecto).
Modelo de túnel WKB
Ahora está disponible una nueva funcionalidad de tunelado basada en la aproximación WKB para tener en cuenta densidades de corriente adicionales para el tranporte de portadoras a través de heterouniones o barreras de Schottky via tunelado cuántico. Un nuevo modelo comparativo de referencia, Heterojunction Tunneling, demuestra el uso de esta nueva funcionalidad.
Heterouniones (Opción de emisión termoiónica) y contactos Schottky
Ahora está disponible una nueva sección Extra Current Contribution para añadir una contribución definida por el usuario o para utilizar el nuevo modelo WKB Tunneling Model mencionado anteriormente.
Heterouniones
Para la opción Thermoionic Emission, un único valor de A* (coeficiente de Richardson) se calcula seleccionando la menor masa efectiva entre los dos lados para las densidades de corriente de emisión termoiónica de ambos lados, de forma que la densidad de corriente total consistentemente se cancela a cero en el equilibrio.
Túnel aislador
La variable para el campo eléctrico perpendicular en el aislador (semi.E_ins) ahora está disponible para el tipo de túnel definido por el usuario, haciéndola más conveniente para definir la densidad de corriente del tunelado.
Mejoras de estabilidad
El modelo de mobilidad Fletcher y los modelos SRH, Auger y recombinación Directa han sido mejorados para incorporar valores de concentración de portadores no negativos en la formulación.
Nombrado de terminal al duplicar
Cuando se duplica o pegan contactos de metal, puertas aisladas o terminales electrostáticos, la entidad duplicada ahora tiene un nuevo nombre de terminal único. Antes de la versión 5.4 la entidad duplicada tenía el mismo nombre de terminal que la entidad original.
Corriente de terminal de pequeña señal
La variable de la corriente de terminal para el análisis de pequeña señal ahora incluye la contribución desde la corriente de desplazamiento. Esto hace más conveniente calcular los parámetros concentrados como la capacidad diferencial de un contacto Schottky con bias.
Niveles de trampas continuas de pequeña señal
El análisis de pequeña señal ahora puede realizarse en sistemas con niveles de trampas continuos.
Paso de estudio de equilibrio de semiconductor
La formulación ha mejorado los contactos de metal guiados por corriente.
Modelo de célula solar de Si
El modelo actualizado si_solar_cell_ld utiliza irradiancia solar AM 1.5 y el espectro de absorción del silicio para la tasa de fotogeneración.
Modelo iD de heterounión
El modelo actualizado muestra 4 formas diferentes de alcanzar una mejor convergencia: Study 1, escalado manual; Study 2, solución heredada de Study 1 (mismo que antes); Study 3, paso Semiconductor Equilibrium como condición inicial; y Study 4, rampa tanto de dopado como de corriente termoiónica desde 1e-8 (la rampa de dopado antes estaba apagada). Se han eliminado los ajustes obsoletos del resolvedor (amortiguación inicial, número de iteración); comentarios, la descripción del modelo y la documentación del modelo se han actualizado; y las etiquetas han cambiado de nombre.
Modelo Gan_Double_Heterstructure_LED
El aumento gradual y el ajuste de los valores iniciales y los ajustes del resolvedor han sido reemplazados por el paso de estudio de Semiconductor Equilibrium. Se han eliminado los ajustes del solucionador para el estudio del bias actual. La descripción del modelo, los comentarios de configuración y la documentación del modelo se han actualizado.
Modelo de EEPROM
El estudio 1 se ha cambiado con el resolvedor por defecto y el escalado manual para su mejor convergencia (el modelo había estado utilizando la configuración de Newton altamente no lineal y luego apenas convergía).
5.3a
NOVEDADES
La versión 5.3a trae un nuevo estudio para una opción de discretización a nivel cuasi Fermi, terminales alimentados en potencia, así como tutoriales nuevos y actualizados.
Estudio de Semiconductor equilibrium
Se ha introducido un nuevo paso de estudio llamado Semiconductor Equilibrium para la interfaz física Semiconductor. Se puede utilizar este nuevo estudio para sistemas que se sabe que están en equilibrio así como para generar condiciones iniciales para sistemas no en equilibrio.
Ventana del Asistente de modelo mostrando el nuevo paso de estudio Semiconductor Equilibrium.
Formulación de nivel Cuasi-Fermi
Se ha añadido un nuevo esquema de discretización utilizando los niveles de cuasi-Fermi como variables dependientes para los portadores de carga. La formulación de nivel cuasi-Fermi proporciona una opción alternativa para hacer frente el sistema de ecuaciones a menudo altamente no lineal cuando se modelan dispositivos semiconductores, por ejemplo, a temperaturas muy bajas.
Terminal alimentado en potencia
Se ha añadido una opción a la condición de contorno de Contacto metálico para especificar la potencia del terminal. Esto es además de los terminales alimentados en tensión y en corriente y conectando a circuitos en dos formas diferentes
Funcionalidad Trapping
La funcionalidad de la función Trapping se ha ampliado de forma que los usuarios puedan entrar la ocupación de trampas inicial y el factor de degeneración individualmente para cada subnodo de nivel de energía discreta o continua. La discretización de energía, el rango de energía y el número de puntos de malla a lo largo del eje de energía también pueden adaptarse individualmente para cada subnodo de nivel de energía continua. La funcionalidad ampliada permite mayor flexibilidad en el estudio de sistemas con propiedades de trampas complejas, en particular su dinámica.
PML para la interfaz de la Ecuación de Schrödinger
Además de la condición de Contorno abierto para ondas salientes, la funcionalidad de Capas perfectamente adaptadas (PML) se añaden a la interfaz de la Ecuación de Schrödinger para absorber ondas salientes para estudios estacionarios. Esto ayuda al estudio de varios fenómenos de dispersión.
Nuevo modelo tutorial: Gross-Pitaevskii Equation for Bose-Einstein Condensation
Este tutorial resuelve la ecuación Gross-Pitaevskii para el estado tierra de un condensador Bose-Einstein en una trampa armónica, utilizando la interfaz física de la Ecuación de Schrödinger en el módulo Semiconductor Module. La ecuación es esencialmente una ecuación de Schrödinger de partícula única no lineal, con una contribución de energía potencial proporcional a la densidad de partícula local. El estudio de valores propios no es adecuada para resolver este tipo de problema de valores propios no lineales. En su lugar, se utiliza un estudio estacionario con una ecuación global forzando la normalización de la función de onda para resolver la solución de estado-tierra. El resultado para un gran número de partículas se ajusta bien con la aproximación Thomas-Fermi esperada.
Nuevo modelo tutorial: MOSCAP 1D Small Signal
La estructura metal-silicio-oxido (MOS) es el bloque de construcción fundamental para muchos dispositivos planos de silicio. Sus medidas de capacidad proporcionan mucho conocimiento sobre los principios de funcionamiento de estos dispositivos. Este tutorial construye un modelo 1D sencillo de un capacitor MOS (MOSCAP). Se calculan las curvas C-V tanto de baja como de alta frecuencia, utilizando el enfoque de análisis de pequeña señal. El modelo emplea la formulación de nivel cuasi-Fermi y el paso de estudio Semiconductor Equilibrium, ambos nuevos en COMSOL Multiphysics® versión 5.3a.
Curvas C-V para los casos de baja y alta frecuencia.
Mejoras y errores solucionados
- Formulación de volumen finito mejorada para ionización incompleta, afinidad de electrón variable espacialmente y banda gap y consistencia con la condición de equilibrio térmico
- Configuración automática del valor de restricción para el potencial eléctrico en un Contacto metálico con la altura de la barrera Schottky definida por el usuario
- Comportamiento del modelo de movilidad de campo alto mejorada a bajas corrientes
- Consistencia mejoradas para el escalado de parámetro de continuación entre todos los tipos de perfil de dopado
- Fijada la formulación para estrechamiento de la banda-gap (FVM y FEM), banda gap dependiente de posición (FVM), y difusión de portadora debido al gradiente de temperatura (FVM)
- Definiciones de variables de Fermi-Dirac corregidas para la formulación logarítmica de elementos finitos
- Formulación solucionada para el caso de altura de barrera Schottky definida por el usuario en la condición de contorno de Contacto metálico.
5.3
NOVEDADES
La versión 5.3 de COMSOL incluye en su módulo de Semiconductores una nueva interfaz física de Ecuación de Schrödinger para problemas de mecánica cuántica así como varios nuevos modelos.
Nueva interfaz física: Ecuación de Schrödinger
La interfaz recientemente añadida de Ecuación de Schrödinger resuelve la ecuación de una partícula de Schrödinger para problemas de mecánica cuántica en 1D, 2D y 3D, así como para las funciones de honda de electrones y huecos en sistemas confinados cuánticamente bajo la aproximación de la función envolvente. Se han implementado condiciones de contorno y tipos de estudios apropiados para configurar modelos fácilmente y calcular parámetros relevantes en varias situaciones, como las energías propias de estados límite, la tasa de decaimiento de los estados casilimitados, los coeficientes de transmisión y reflexión, la condición de tunelamiento resonante, y el gap de banda efectiva de una estructura superred. Se han incluido dos nuevos ejemplos en el módulo de Semiconductores que ayudan a ilustrar el uso de estas funcionalidades integradas.
Otras mejoras de rendimiento
Contactos metal controlados por corriente
Una nueva formulación logra una convergencia más fácil para modelos con condiciones de contorno de contacto metal controlado por corriente
Más opciones para especificación de densidad de trampas
para cada tipo de especie de trampa, además de la suma de densidades de trampas, ahora está disponible cada contribución individual como una opción en el correspondiente menú desplegable. Además de las trampas con tipos de especies especificados, ahora las trampas con energía neutral especificada pueden ser definidas utilizando las mismas herramientas de perfil de concentración general para dopajes y trampas.
Modelo de ionización de impacto definida por el usuario
Ahora se dispone de un modelo definido por el usuario para la funcionalidad de ionización de impacto.
Nueva aplicación: Herramienta de banda prohibida de superred
La herramienta de banda prohibida de superred ayuda al diseño de estructuras periódicas hechas con dos materiales semiconductore alternativos (superredes). La herramienta utiliza la ecuación de Schrödinger de masa efectiva para estimar los niveles de energía del estado de tierra de electrón y hueco en una estructura de superred dada. Los ingenieros de dispositivos pueden utilizar la herramienta para calcular rápidamente la banda prohibida efectiva para una estructura periódica dada e iterar los parámetros de diseño haste que alcancen un valor de banda prohibida deseada.
Para utilizar la app, entrar los parámetros de la superred deseada, incluyendo los anchos de las capas de pozo y barrera, las masas efectivas para electrone y huecos en esas capas, las bandas prohibidas en esas capas y el offset de banda de conducción. El offset de la banda de valencia se actualiza automáticamente y su positividad debería ser comprobada por el usuario de la app. El usuario también puede controlar el tamaño máximo de los elementos de la malla utilizada para los estudios. El botón de cálculo Compute obtiene la deriva en la conducción y el límite de la banda de valencia y la banda prohibida efectiva. Se grafican las funciones de onda de electrón y hueco en la ventana Gráfica.
Nuevo modelo tutorial: Doble barrera 1D
La estructura de doble barrera es interesante por su aplicación en dispositivos semiconductores como los diodos túnel resonantes.
Este ejemplo de verificación muestra la interfaz de la Ecuación de Schrödinger para configurar una estructura de barrera doble 1D GaAs/AlGaAs para analizar los estado casilimitados y su evolución en el tiempo, el fenómeno de túnel resonante y la transmisión como función de la energía. Los resultados del modelo muestran muy buena coincidencia con resultados analíticos, tanto para las energías propias calculadas para los estado casilimitados como para la condición de túnel resonante, como para el cálculo de coeficientes de transmisión.
Nuevo modelo tutorial multifísico: ISFET
Se construye un transistor de efecto de campo sensible a iones (ISFET) reemplazando el contacto de puerta de un MOSFET con un electrolito de interés. La concentración de una especie iónica específica en el electrolito puede ser determinada midiendo el cambio en la tensión de la puerta debida a la interacción entre los iones y el dieléctrico de la puerta.
Este tutorial de un sensor de pH ISFET ilustra el procedimiento para configurar el acoplamiento entre el modelo semiconductor y el modelo electrolítico. También se muestra la técnica para usar una ecuación global simple para extraer los parámetros operativos, sin la necesidad de modelar explícitamente la circuitería de realimentación real.
Nota: Ademása del módulo Semiconductor, se necesita uno de los siguientes módulos para este tutorial: Batteries & Fuel Cells Module, Chemical Reaction Engineering Module, Corrosion Module, Electrochemistry Module, Electrodeposition Module, o Microfluidics Module.
Potencial eléctrico en un ISFET
Nuevo modelo tutorial: MOSCAP 1D
La estructura MOS (oxido silicio metal) es el bloque de construcción fundamental para muchos dispositivos planos de silicio. Sus medidas de capacidad proporcionan un conocimiento profundo de los principios de sus dispositivos. Este tutorial construye un modelo 1D sencillo de una capacidad MOS (MOSCAP) y calcula las curvas C_V tanto a baja como alta frecuencia.
Curvas C-V de baja y alta frecuencia del MOSCAP.
Nuevo modelo tutorial: Célula solar de Si 1D
Este tutorial utiliza un modelo 1D sencillo de una célula solar de silicio para ilustrar los pasos básicos para configurar y realizar la simulación de un semiconductor con el módulo Semiconductor Module. Se utiliza una expresión definida por el usuario para la tasa de foto-generación y el resultado muestra las típicas curvas I-V y P-V de células solares.
El mecanismo de generación de portadora a partir del efecto fotovoltaico no se modela en detalle. En su lugar, por simplicidad, se utiliza una expresión definida por el usuario para la tasa de generación. Además, el modelo Shockley-Read-Hall es uilizado para capturar el efecto de recombinación principal. Bajo condiciones de trabajo normales, las portadoras fotogeneradas son barridas a cada lado de la región de extinción de la unión p-n. Se aplica una pequeña tensión de offset directo para extraer la potencia eléctrica, dada por el producto de la fotocorriente y la tensión aplicada.
Modelo tutorial actualizado: Bipolar transistor thermal
En una actualización del Análisis térmico de un modelo de transistor bipolar, se investigan los efectos de una temperatura no uniforme a lo largo de un dispositivo semiconductor. La interfaz Semiconductor proporciona la fuente de calor utilizada en la interfaz Transferencia de calor en sólidos, mientras que la distribución de temperatura que es utilizada en la interfaz Semiconductor es calculada por la interfaz Transferencia de calor en sólidos. Ahora, la simulación puede correr a temperaturas mucho más altas, lo que resulta en efectos térmicos más visibles.
Las distribuciones de tensión (arriba) y temperatura (abajo) en un transistor bipolar.
5.2a
NOVEDADES
El módulo Semiconductor Module 5.2a trae una nueva app para evaluar los parámetros de diseño de una célula solar de silicio en una fecha y localización específica. Las condiciones de contorno Schottky ideal, Emisión termoiónica y Nivel Quasi-Fermi continuo se han mejorado para aumentar la precisión de los modelos semiconductores, a la vez que se ahorra tiempo computacional y memoria. Más detalles sobre las novedades del módulo a continuación.
Nueva app: Celda solar de Si con óptica de rayos
Mejora de rendimiento para la condición de contorno Schottky ideal en Contactos de metal
En COMSOL Multiphysics® 5.2 y versiones anteriores, se utiliza un esquema de extrapolación constante en los contactos de metal para la condición de contorno de Schottky ideal. Esta requiere una malla mucho más fina en los contornos para producir resultados con una precisión aceptable. En la versión 5.2a se utiliza un esquema de extrapolación de mayor orden para alcanzar una precisión mucho mayor sin la necesidad de una malla extremadamente densa en el contorno. Por ejemplo, la condición de contorno Ideal Schottky se aplica en el contorno izquierdo de un dominio rectangular con una material y densidad de corriente uniformes. Los siguientes gráficos de COMSOL Multiphysics® 5.2a comparan dos mallas y los resultados correspondientes, que son muy precisos y prácticamente indistinguibles uno del otro.
Rendimiento mejorado para la condición de contorno de Emisión termoiónica en heterouniones
En versiones anteriores de COMSOL Multiphysics®, se utilizaba un esquema de extrapolación constante en las heterouniones para la condición de contorno de Emisión termoiónica, similar a la condición de contorno de Schottky ideal. Esta requiere una malla mucho más fina en el contorno para producir resultados con precisión aceptable. En la versión 5.2a se utiliza un esquema de extrapolación de mayor orden para alcanzar mucha mejor precisión sin la necesidad de mallas extremadamente finas en el contorno.
Capacidades mejoradas para la condición de contorno de nivel Quasi-Fermi continuo en heterouniones
Formulacion más precisa para electrostática de dominios de conservación de carga cercana.
Ajustes de estudio optimizados que aceleran los tiempos de cálculo para los modelos tutoriales del transistor bipolar
Los ajustes del estudio para los modelos tutoriales del transistor bipolar se han optimizado para acelerar los tiempos de cálculo. El modelo 3D ahora tarda horas en resolverse, en vez de días, y el modelo 2D se resuelve en minutos en vez de horas.
5.2
Rediseño de la visualización de ecuaciones
5.1
NOVEDADES
Nueva app: LED de longitud de onda sintonizable
Transiciones ópticas indirectas
Material diamante añadido a librería de materiales semiconductores
Ahora se dispone del diamante como un material dentro de la Librería de Materiales Semiconductores.
Variables de postprocesado mejoradas para emisión espontánea
Se han añadido nuevas variables de postprocesado, que permiten que se pueda visualizar el espectro de emisión espontanea en función de la energía del fotón, longitud de onda y frecuencia. Además, ahora es posible acceder directamente a las variables de energía del fotón, longitud de onda, y frecuencia a través de la dimensión extra que es añadida por la funcionalidad de transiciones ópticas, cuando previamente era necesario calcular estas cantidades utilizando una expresión en términos de la frecuencia angular.
5.0
Nuevas herramientas para especificar dopajes
La funcionalidad de Modelar Dopajes de Semiconductor se ha reemplazado por dos nuevas funcionalidades: Modelado de Dopaje Analítico y Modelado de Dopaje Geométrico.
Estudio de inicialización de semiconductor
El estudio de iniciación de semiconductor posibilita refinar una malla 2D en regiones donde la concentración de dopantes varía rápidamente.
Interfaces optoelectrónicas
Dos nuevas interfaces—interfaz Semiconductor Optoelectronics, Beam Envelopes, y la interfaz Semiconductor Optoelectronics, Frequency Domain—permiten el modelado de la mayoría de semiconductores de banda prohibida directa interactuando con campos ópticos. Un nuevo modelo de Fotodiodo PIN GaAs demuestra las nuevas interfaces Optoelectrónicas.
Emisión espontánea
Para modelar materiales de banda prohibida directa, se tiene en cuenta la emisión espontánea en las nuevas interfaces optoelectrónicas.
Absorción de luz y emisión estimulada
En las nuevas interfaces optoelectrónicas, el cambio en la permitividad compleja, o el índice de refracción de un material debido a la absorción de luz puede calcularse y utilizarse para corregir la propagación de ondas electromagnéticas a través del material. Se muestra el uso de las nuevas condiciones de contorno de corrientes de túnel con un modelo de una EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory).
Corrientes túnel
Se ha añadido un nuevo modelo de dispositivo EEPROM. Dos condiciones de contorno-Interfaz aislador y Puerta flotante-posibilitan el modelado de corrientes túnel a través de las barreras de aislamiento y la acumulación de carga en las puertas flotantes.
Modelado de trampas
Se pueden modelar trampas de forma detallada mediante las nuevas funcionalidades de recombinación asistida de trampas y distribución de trampas explícita. Un nuevo modelo muestra cómo modelar trampas de superficie en una puerta alrededor del dispositivo MOSFET creado a partir de un nanohilo de silicio.
Modelos de estrechamiento de banda prohibida
El modelo de Material Semiconductor incluye dos nuevos modelos para estrechamiento de banda prohibida: El modelo Slotboom y el modelo Jain-Roulston.
4.4
Condición de contorno heterounión
Una condición de contorno heterounión se a puesto a disposición por defecto para contornos interiores. Determina las condiciones para continuidad de la componente normal del campo eléctrico y las corrientes para homouniones y heterouniones. Se han definido dos modelos de heterouniones con la nueva interfaz:
- El modelo cuasi-Fermi continuo (por defecto)
- El modelo de emisión termoiónica
El modelo cuasi-Fermi continuo asegura la continuidad de la corriente forzando ambos lados de la unión para que tengan energías cuasi-Fermi iguales. El modelo de emisión termoiónica define las corrientes termoiónicas generadas por la barrera de potencial creada por la unión de materiales diferentes.
Soporte para análisis de pequeña señal
La interfaz de semiconductor ahora soporta el tipo de estudio en el dominio de la frecuencia, de análisis de pequeña señal. Esto permite el cálculo de la respuesta AC del dispositivo de forma que se pueden calcular valores como la conductancia de salida y la transconductancia.
Ionización de impacto
En regiones donde el campo eléctrico perpendicular a la dirección del flujo de corriente es alto, los electrones y huecos son generados por ionización de impacto, que ahora es soportado por el Semiconductor Module. Esto permite el modelado de efectos de avalancha en fotodiodos y rotura de avalancha en MOSFET. Inicialmente, la relación corriente-voltaje es lineal (es la región óhmica). A medida que la tensión drenador-fuente crece, la corriente extraída empieza a saturar (es la región de saturación). A medida que la tensión drenador-fuente se incrementa todavía más, se entra en la región de ruptura donde la corriente crece exponencialmente para un pequeño incremento en la tensón aplicada. Esto es debido a la ionización de impacto.
Gráficos logarítmico y no logarítmico de la fuente de generación de ionización de impacto a una gran tensión drenador-fuente de un MOSFET. El índice de generación es muy alto, mayor que 1036 [1/(m3s)]. Esto crea nuevos pares electrón-hueco, lo que a su vez causa un incremento en la corriente que fluye desde la fuente hasta el drenador.
Terminales para las puertas
La condición de contorno de puerta de aislamiento delgada ahora se define usando terminales. Se dispone de tres opciones de terminal:
- Voltaje
- Carga
- Circuito
Especificación de valores iniciales mejorada
Ahora con la versión 4.4 de COMSOL hay varias maneras de especificar las condiciones iniciales para el potencial y concentración de electrones y huecos. Esta flexibilidad añadida facilita obtener una solución convergente. Las opciones de valores iniciales son:
- Por defecto: Automáticamente escoge un valor inicial apropiado dependiendo del método de discretización. Para el método de volúmenes finitos es equivalente a las condiciones de equilibrio, mientras que para el método de los elementos finitos es equivalente a las concentraciones intrínsecas.
- Condiciones de equilibrio: Las variables del campo para la concentración de electrones (N), concentración de huecos (P) y potencial (V) se ponen a sus valores de equilibrio calculados.
- Solamente portadores de equilibrio: Lo mismo que para condiciones de equilibrio, pero el usuario puede especificar el valor inicial del campo potencial (V).
- Concentraciones intrínsecas: Las variables del campo para la concentración de electrones (N) y concentración de huecos (P) tendrán sus valores iniciales puestos a la concentración intrínseca. El usuario será capaz de especificar el campo potencial (V).
- Definido por el usuario: Se mostrarán tres entradas de usuario para cada variable del campo: concentración de electrones (N), concentración de huecos (P) y potencial (V).
Estas opciones maximizarán la flexibilidad cuando se resuelva una variedad de diferentes modelos que requieran diferentes valores iniciales.
Acoplamiento de circuito mejorado
La opción de terminal de circuito para las condiciones de contorno de contactos de metal y puerta de aislamiento delgada ahora funciona del mismo modo que la opción de terminal de circuito del módulo AC/DC.
Modelos de movilidad dependiente del campo
Ahora están disponibles modelos de movilidad dependiente del campo. Estos modelos permiten que la movilidad de huecos y electrones decrezca de acuerdo a un modelo empírico. Existen dos modelos de movilidad dependiente del campo disponibles: Caughey-Thomas y el de superficie de Lombardi. El modelo Caughey-Thomas en general es aplicable para todos los tipos de dispositivos semiconductor. La movilidad de los electrones y huecos se reduce con el incremento del componente del campo eléctrico paralelo al flujo de corriente. Esto inhibe el flujo de corriente comparado al caso de movilidad constante. El modelo de superficie de Lombardi es aplicable para el modelado de la variación en la movilidad en la vecindad de superficies, por ejemplo bajo la puerta del MOSFET.
Velocidad de deriva del electrón utilizando la movilidad de Caughey-Thomas. Para el Silicio, la velocidad de deriva empieza a saturar alrededor de 105[V/m]
Ionización incompleta
Los ajustes de ionización dopante ahora incluyen una nueva opción para ionización incompleta. A baja temperatura en el silicio y a temperatura ambiente para semiconductores con banda prohibida grande, no todos los donadores y aceptadores deben calcularse como una función de la temperatura. La ionización dopante es una función de las energías del donador y aceptador y sus correspondientes factores de degeneración. Se dispone de una opción definida por el usuario para permitir al usuario especificar el ratio de ionización directamente como alguna función.
Formulación logarítmica basada en elementos finitos
A causa del alto grado de no linealidad inherente a las ecuaciones de deriva-difusión, las densidades de número de electrones y huecos pueden expandirse en 10 órdenes de magnitud sobre una distancia muy pequeña. Esto puede crear inestabilidades numéricas cuando se utiliza el método de los elementos finitos, como en concentraciones negativas, por ejemplo. Una manera de manejar esto desde el punto de vista numérico es resolver el logaritmo de la densidad de número de electrones y huecos. Se ha añadido esta funcionalidad a la interfaz de Semiconductor como una opción de discretización adicional.
Condición de contorno de contacto metal
La condición de contorno de contacto metal incluye las condiciones de contorno previas de contacto Shottky y contacto Óhmico. Esta funcionalidad más general es un padre para ambas contactos, el contacto Óhmico (semiconductor altamente dopado con grosor de barrera despreciable) y el contacto Schottky (emisión termoiónica para grosores de barrera grandes) que son caos ideales de contactos metal. Los nombres de las condiciones de contorno de Schottky Contact y Ohmic Contact se han cambiado a Ideal Schottky Contact e Ideal Ohmic Contact.
Mallado basado en la física para simulaciones de semiconductores
El mallado basado en la física ahora puede ser utilizado en la interfaz de Semiconductor. Automáticamente se genera una malla muy fina para el contorno del contacto Óhmico, la puerta de aislamiento delgada y Schottky. Esto elimina la necesidad de crear manualmente secuencias de mallado basados en los ajustes en el modelo. Se han ajustado cuidadosamente los valores por defecto para obtener un balance entre precisión y velocidad. El mallado basado en la física es el nuevo valor por defecto y se recomienda para todos los modelos Semiconductor.
Ajustes de continuidad para dopado y para características no lineales
Los nuevos ajustes de continuidad permiten parámetros en rampa que pueden ser utilizados para introducir gradualmente valores en el sistema de ecuaciones. Por ejemplo la concentración de dopantes o la corriente temoiónica pueden ser ajustados lentamente, lo que facilita la resolución de modelos fuertemente no lineales. Para utilizar este ajuste se debe de utilizar el ajuste de las extensiones de estudio y hacer una rampa del parámetro de continuación como parte de los pasos de estudio pretendidos. Los ajustes de continuación para introducir, por ejemplo, una corriente termoiónica al sistema proporcionan tres opciones:
- No continuación
- Utilizar el parámetro de continuación de la intarfaz
- Definido por el usuario
La opción de Utilizar el parámetro de continuación de la interfaz enlaza los ajustes de continuación de la funcionalidad con un parámetro de continuación de nivel de interfaz (Cp) definido en el nodo de la interfaz semiconductor. Esto permite utilizar simultáneamente múltiples términos de la ecuación como rampas. La opción definida por el usuario permite definir un parámetro específico para la continuación de dopado.
Nuevos materiales parala librería de materiales
La librería de materiales que viene con el módulo Semiconductor Module ahora incluye los siguientes nuevos materiales:
- Al(x)Ga(1-x)As
- GaN(Wurtzite)
- GaN(Zinc Blende)
- GaP
- GaSb
- InAs
- InP
- InSb