Software : COMSOL Semiconductor Module 5.2a

COMSOL Semiconductor Module 5.2a

Semiconductor Module permite el análisis detallado del funcionamiento de dispositivos semiconductores al nivel físico fundamental.

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Dudas sobre el producto Fabricante: COMSOL Inc.

Descripción

DESCRIPCIÓN CARACTERÍSTICAS SECTORES VERSIONES

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 interraz 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

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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 metalsemiconductor (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 5.2a 5.2 5.1 5.0 4.4 4.3b

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 La app Si Solar Cell with Ray Optics combina el módulo Ray Optics y el Semiconductor Module para ilustrar el funcionamiento de una célula solar de silicio para una fecha y localización específica. El módulo Ray Optics calcula la iluminación media para una fecha y localización escogidos por el usuario de la app. Entonces, el módulo Semiconductor Module calcula las características de salida normalizadas de la célula solar con parámetros de diseño especificados por el usuario. La interfaz de usuario de la app Célula Las caracterísicas de salida normalizadas se multiplican por la iluminación promedio calculada para solar de Si con Optica de rayos, muestra obtener las características de salida de la célula en la fecha y localización especificadas, los resultados de los cálculos y la posición considerando una sencilla relación lineal entre la salida y la iluminación. El usuario puede calcular del sol. entonces la eficiencia de la célula solar y la cantidad de generación de electricidad en el transcurso del día. El modelo subyacente consta de una unión PN de silicio 1D con generación de portadora y recombinación Shockley-Reed-Hall. El ánodo puesto a tierra se modela como un contacto óhmico delgado depositado sobre un emisor (región n). The forma similar, el cátodo se modela como un contacto óhmico ideal depositado sobre el lado de la base (región p) y conectado a un circuito externo. NOTA: Para correr esta app, se necesita disponer de los módulos Semiconductor Module y Ray Optics Module.

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

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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 an 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.

La malla sin mucho refinamiento en el contorno izquierdo, donde se aplica la condición de contorno Schottky ideal.

La malla con elementos mucho más densos en el contorno izquierdo, donde se aplica la condición de contorno Schottky ideal.

Los resultados muestran muy buena uniformidad de la densidad de corriente (nótese que los valores máximo y mínimo son los mismos para 5 dígitos), incluso con la malla no refinada.

Los resultados de la malla no refinada son prácticamente indistinguibles de los resultados utilizando una malla refinada.

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 COMSOL Multiphysics® ahora soporta estadísticas de Fermi Dirac para heterouniones con condiciones de contorno de Nivel Quasi-Fermi continuo. En la versión 5.2 y anteriores, la condición de contorno de Nivel Quasi-Fermi continuo era válida únicamente para estadísticas MaxwellBoltzmann. En la versión 5.2a, las estadísticas Fermi Dirac también están soportadas por la condición de contorno, y consecuentemente, las heterouniones cercanas a degenerar dominios se modelan con más precisión, como se muestra en el gráfico adjunto. Estadísticas Fermi Dirac para la condición de contorno Continuous Quasi-Fermi Level en heterouniones. Los niveles calculados se esperan al nivel cero.

Formulacion más precisa para electrostática de dominios de conservación de carga cercana. COMSOL Multiphysics® 5.2a ofrece una formulación electrostática mejorada para dominios de conservación de carga cercana para obtener resultados más precisos. Será de gran utilidad para modelos con diferentes tipos de material de aislamiento (dieléctrico) que sean adyacentes entre sí. El efecto de deferentes constantes dieléctricas de los dominios adyacentes, se muestran en el gráfico. En la versión 5.2a, los resultados de la interfaz de Física electrostática (izquierda) coinciden con los del Módulo Semiconductor (derecha).

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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 La visualización de ecuciones se ha diseñado completamente para dar una indicación más clara de las ecuaciones y las condiciones de contorno que se están aplicando. Las relaciones auxiliares para las condiciones de contorno se han movido a su propia sección.

Nueva visualización de las ecuaciones para la funcionalidad de aislamiento. Las definiciones auxiliares para recombinación y densidad de carga de superficie se muestran en la sección Trapping cuando when las trampas de superficie están activas.

5.1 NOVEDADES Nueva app: LED de longitud de onda sintonizable

La nueva app del LED con longitud de onda sintonizable simula las propiedades de emisión de un dispositivo diodo emisor de luz (LED) basado en GaN. El dispositivo tiene un diseño de heteroestructura doble con una capa de InGaN ópticamente activa localizada entre dos capas de GaN. La composición de indio de la capa de InGaN puede variarse para controlar la longitud de onda de emisión. La corriente, intensidad y eficiencia del dispositivo son calculadas para un único voltaje o como función del voltaje en un rango definido por el usuario. Se calcula el Pantallazo de la aplicación espectro de emisión y cuando el pico de emisión cae dentro de un rango viable, se calcula el correspondiente de LED de longitud de onda valor RGB mostrando el color de emisión. sintonizable que muestra el espectro de emisión y el color, tras una simulación exitosa. Transiciones ópticas indirectas

Las absorciones ópticas en el silicio y otros materiales de banda prohibida indirecta ahora se pueden modelar utilizando la nueva funcionalidad Indirect Optical Transition. La velocidad de fotogeneración se puede calcular automáticamente utilizando un modelo empírico – lo que lo hace rápido y conveniente para simular dispositivos fotovoltaicos de silicio. Alternativamente, para otros materiales, una opción definida por el usuario permite que la velocidad de fotogeneración sea especificada utilizando el índice de refracción o un valor del coeficiente de absorción. Esta funcionalidad de transición óptica indirecta puede utilizarse como una funcionalidad independiente dentro de la interfaz Semiconductor o acoplada con las interfaces Electromagnetic Waves, Frequency Domain o Electromagnetic Waves, Beam Envelopes (requiere el módulo Wave Optics).

(a) Ajustes principales para Indirect Optical Transitions. Existen dos opciones en la lista de modelo de Transiciones: absorción de silicio empírica (Green y Keeves) y absorción definida por el usuario. El

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modelo empírico no requiere entradas adicionales si se calcula el campo electromagnético en una interfaz Electromagnetic Waves. 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 expontánea

Se han añadido nuevas variables de postprocesado, que permiten que se pueda visualizar el espectro de emisión expontanea 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.

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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 avalanchaen fotodiodos y rotura de avalancha en MOSFET. Inicialmente, la relación corriente-voltaje es lineal (es la región ohmica). A medida que la tensión drenadorfuente crece, la corriente extraida 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 logartítmico y no logartítmico 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 paraa 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 equivalentea 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

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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 uecos 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 enre 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 correinte 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 Uilizar el parámetro de continuacíón 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 múltipes 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

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GaN(Wurtzite) GaN(Zinc Blende) GaP GaSb InAs InP InSb

4.3b La primera versión de este módulo es la 4.3b.

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