Semiconductor Module

Simulare dispositivi semiconduttori e optoelettronici

Il Semiconductor Module offre funzioni dedicate all'analisi dei dispositivi a semiconduttore a livello della fisica fondamentale. Con il Semiconductor Module è possibile simulare una serie di tipi di dispositivi comuni, tra cui transistor bipolari, transistor a effetto di campo metallo-semiconduttore (MESFET), transistor a effetto di campo metallo-ossido-semiconduttore (MOSFET), transistor bipolari a porta isolata (IGBT), diodi Schottky, giunzioni p–n, celle solari e altro ancora.

Il modulo include funzioni progettate per modellare le interazioni tra onde elettromagnetiche e materiali semiconduttori. I dispositivi tipici da modellare sono fotodiodi, LED e diodi laser. Inoltre, il modulo consente di utilizzare equazioni ed espressioni definite dall'utente nel processo di modellazione.

Il Semiconductor Module offre anche la flessibilità di poter essere combinato con qualsiasi altro prodotto aggiuntivo COMSOL Multiphysics®.

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Modello di LED che mostra il tasso di emissione nella tabella dei colori Prism.

Cosa puoi modellare con il Semiconductor Module

Analizza diversi tipi di transistor, sensori, dispositivi fotonici, sistemi quantistici e blocchi di base dei semiconduttori.

Vista in primo piano di un modello di transistor bipolare che mostra i risultati termici.

Transistor bipolari 3D

Calcolo della risposta corrente–tensione di un transistor bipolare e simulazione del funzionamento del dispositivo come amplificatore di corrente analogico.

Vista in primo piano di un modello di transistor MOS che mostra la concentrazione di elettroni.

MOSFET

Calcolo delle caratteristiche in corrente continua di un transistor a metallo-ossido-semiconduttore (MOS).

Vista in primo piano di una cella solare al silicio che mostra il tasso di fotogenerazione.

Celle solari

Calcolo dei tassi di generazione (deformata) e di ricombinazione di Shockley–Read–Hall di celle solari definiti dall'utente.

Vista in primo piano di un modello di LED che mostra il tasso di emissione.

LED

Simulazione di un LED che emette luce infrarossa.

Vista in primo piano di un modello ISFET che mostra il potenziale elettrico.

Sensore ISFET

Accoppiamento di un modello di semiconduttore e un modello di elettrolita per simulare un sensore di pH a transistor a effetto di campo sensibile agli ioni (ISFET).

Vista in primo piano di un modello di IGBT che mostra la densità di elettroni nella tabella dei colori Dipole.

IGBT 3D

Modellazione di un IGBT trench-gate, disponendo gli emettitori alternati lungo la direzione di estrusione come in un dispositivo reale.

Vista in primo piano di un modello di FET a canale p in InSb che mostra il profilo di concentrazione delle lacune.

FET a canale p

Analizzare le caratteristiche DC di un FET a canale p di InSb, utilizzando la formulazione a gradiente di densità per aggiungere il confinamento quantistico.

Sei strutture che mostrano il profilo di densità delle particelle nella tabella dei colori Prism.

Condensazione di Bose–Einstein

Soluzione dell'equazione di Gross–Pitaevskii per la formazione del reticolo di vortici in un condensato di Bose–Einstein in rotazione.

Caratteristiche e funzionalità del Semiconductor Module

Esplora nel dettaglio le caratteristiche e le funzionalità del Semiconductor Module.

Vista in primo piano delle impostazioni del Semiconductor e di un modello di resistenza nella finestra Graphics.

Equazioni di deriva–diffusione

Il caposaldo del Semiconductor Module è l'interfaccia Semiconductor, che risolve le equazioni combinate di deriva–diffusione e di Poisson. Questa interfaccia consente di modellare sia i domini isolanti che quelli semiconduttori in un dispositivo a semiconduttore. Un'applicazione della formulazione deriva–diffusione è la simulazione della fisica fondamentale di un dispositivo utilizzando le statistiche di Fermi–Dirac o Maxwell–Boltzmann.

I tipi di analisi disponibili per le equazioni di deriva–diffusione includono l'equilibrio termico, lo stato stazionario, la risposta transitoria e l'analisi ai piccoli segnali.

Vista in primo piano del Model Builder e di un modello di transistor bipolare 3D nella finestra Graphics.

Drogaggio e modelli di materiali

La definizione della distribuzione del drogaggio di un materiale è fondamentale per la modellazione dei dispositivi a semiconduttore. Il Semiconductor Module include una serie di funzioni che consentono di realizzare praticamente qualsiasi profilo di drogaggio. Le opzioni avanzate includono la ionizzazione incompleta e, per livelli di drogaggio elevati, il restringimento del band gap.

Le opzioni integrate per i profili di drogaggio includono Linear, Gaussian e Error function. I profili di drogaggio definiti dall'utente possono essere specificati digitando un'espressione matematica o utilizzando l'output di un'altra simulazione come base per il profilo di drogaggio.

Inoltre, è facile definire profili di drogaggio basati su tabelle di ricerca importate. Questa strategia è utile quando la distribuzione richiesta non può essere definita analiticamente, ad esempio se il profilo di drogaggio proviene da una simulazione esterna.

Vista in primo piano delle impostazioni del Metal Contact e di un modello ISFET nella finestra Graphics.

Contatti metallo–semiconduttore

Per la modellazione dei contatti metallo–semiconduttore è possibile utilizzare una condizione al contorno dedicata Metal Contact. Questo tipo di terminale supporta l'alimentazione in tensione, in corrente e la connessione a un circuito esterno.

È disponibile un tipo di contatto Schottky ideale per la modellazione di una semplice giunzione rettificante metallo–semiconduttore in cui le caratteristiche di corrente–tensione dipendono dalla barriera di potenziale formata sulla giunzione. Per incorporare nel modello gli effetti di ricombinazione superficiale e le densità di carica superficiale delle trappole, è possibile aggiungere le condizioni al contorno Trap-Assisted Surface Recombination alla stessa selezione di contorno della condizione di contatto metallico.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Schrödinger Equation evidenziato e un modello 3D nella finestra Graphics.

Equazione di Schrödinger

L'interfaccia Schrödinger Equation risolve l'equazione di Schrödinger per una singola particella in un potenziale esterno. Questa interfaccia è utile per i problemi generali di meccanica quantistica e per i sistemi quantistici confinati, come i pozzi quantistici, i fili e i punti (con l'approssimazione della funzione di inviluppo).

Sono implementate condizioni al contorno e tipologie di studio appropriate per consentire all'utente di impostare facilmente modelli per calcolare quantità rilevanti in varie situazioni, come le autoenergie degli stati legati, i tassi di decadimento dei quasi-stati legati, i coefficienti di trasmissione e riflessione, la condizione di tunneling risonante e il band gap effettivo di una struttura a superlattice.

Vista in primo piano delle impostazioni delle Optical Transitions e un grafico 1D nella finestra Graphics.

Transizioni ottiche

La funzione Optical Transitions è disponibile per modellare l'assorbimento ottico e l'emissione stimolata e spontanea all'interno di un semiconduttore. L'emissione o l'assorbimento stimolati si verificano quando avviene una transizione tra due stati quantici in presenza di un campo elettrico oscillante, tipicamente prodotto da un'onda elettromagnetica in propagazione. L'emissione spontanea avviene quando si verificano transizioni da uno stato quantico ad alta energia a uno a bassa energia.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Electrical Circuit evidenziato e un grafico 1D nella finestra Graphics.

Collegamento ai circuiti elettrici

L'interfaccia Electrical Circuit è utilizzata per creare sistemi a parametri concentrati per modellare correnti e tensioni nei circuiti. Questa funzionalità è utile quando si modellano le tipiche sorgenti di tensione e corrente, resistenze, condensatori, induttori e altri dispositivi a semiconduttore. I modelli di circuiti elettrici possono anche essere collegati a modelli di campo distribuiti in 2D e 3D. Inoltre, le topologie dei circuiti possono essere esportate e importate nel formato netlist SPICE. I circuiti elettrici possono essere combinati con modelli fisici di dispositivi a semiconduttore per simulare, ad esempio, carichi realistici.

Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Lombardi Surface Mobility Model evidenziato e un grafico 2D nella finestra Graphics.

Modelli di mobilità dei portatori

Modelli realistici per la mobilità dei portatori sono importanti quando si simulano dispositivi a semiconduttore con un approccio di tipo drift-diffusion. In questi casi, la mobilità è limitata dalla dispersione dei portatori all'interno del materiale. Il Semiconductor Module include diversi modelli di mobilità predefiniti e la possibilità per gli utenti di definire i propri modelli di mobilità.

I modelli di mobilità predefiniti includono opzioni per la dispersione dei fononi, delle impurità e dei portatori, velocità di saturazione ad alto campo e dispersione superficiale.

I modelli di mobilità definiti dall'utente possono essere facilmente specificati digitando le espressioni appropriate nella funzione definita dall'utente; non sono necessari script o codici. Questi modelli di mobilità definiti dall'utente possono essere combinati arbitrariamente con i modelli di mobilità predefiniti integrati nel software.

Vista in primo piano delle impostazioni del modello Trap-Assisted Recombination e un grafico 1D nella finestra Graphics.

Generazione e ricombinazione

I processi di generazione e ricombinazione, come la ricombinazione Auger, la ricombinazione diretta, la generazione per ionizzazione d'impatto e la ricombinazione assistita da trappola, possono essere inclusi nei modelli utilizzando l'interfaccia Semiconductor. Sono disponibili funzioni di ricombinazione e generazione definite dall'utente per impostare manualmente i tassi di questi processi.

Il modello Trap-Assisted Recombination è utilizzato per impostare i tassi di ricombinazione degli elettroni e delle lacune nei semiconduttori a indirect-band-gap. Per impostazione predefinita, la ricombinazione allo stato stazionario viene modellata utilizzando il modello di trappola di Shockley–Read–Hall, che considera gli stati situati in corrispondenza del midgap. È possibile utilizzare anche un modello di Explicit trap distribution per specificare le trappole discrete o la densità continua degli stati di trappola alle energie all'interno del band gap.

Vista in primo piano delle impostazioni del Thin Insulator Gate e un modello IGBT 3D nella finestra Graphics.

Contatti isolante-semiconduttore

L'interfaccia Semiconductor include una funzione per modellare un sottile materiale isolante (ossido) tra un semiconduttore e un metallo. Questa funzione supporta anche l'analisi ai piccoli segnali, utile per il calcolo delle curve I-V.

Per la modellazione di un isolante generale, è possibile aggiungere all'interfaccia Semiconductor una funzione di dominio di conservazione della carica, in modo analogo a quanto avviene per la modellazione con l'interfaccia generale di Electrostatics. Per un dominio isolante si possono modellare diverse condizioni al contorno, tra cui:

  • Interfaccia semiconduttore-isolante
  • Accumulo di carica superficiale esterna
  • Campo di spostamento elettrico
  • Potenziale fluttuante
Vista in primo piano del Model Builder con il nodo Schrödinger Equation evidenziato e un grafico 1D nella finestra Graphics.

Equazione di Schrödinger-Poisson

L'interfaccia multifisica Schrödinger-Poisson Equation combina l'interfaccia Schrödinger Equation e l'interfaccia Electrostatics per modellare i portatori di carica nei sistemi quantistici confinati. Questa interfaccia può essere utilizzata per modellare dispositivi confinati quantisticamente come pozzi quantistici, fili e punti, nonché funzioni d'onda multicomponente per modellare sistemi multibanda e particelle con spin. Inoltre, è in grado di simulare sistemi quantistici generali, come la formazione di un reticolo di vortici in un condensato di Bose-Einstein.

Quando si utilizza l'interfaccia Schrödinger-Poisson Equation, il potenziale elettrico contribuisce al termine di energia potenziale nell'equazione di Schrödinger e una somma statisticamente ponderata delle densità di probabilità degli autostati contribuisce alla densità di carica spaziale. È disponibile un tipo di studio dedicato per generare automaticamente le impostazioni del solutore necessarie per la soluzione autoconsistente del sistema accoppiato bidirezionalmente.

L'interfaccia include un'opzione per la modellazione di un contorno aperto con onde in entrata e in uscita, utilizzato per simulare condizioni di tunneling risonante. Inoltre, è disponibile una condizione al contorno Periodic per la modellazione dei superlattici.

Vista in primo piano delle impostazioni dell'accoppiamento Semiconductor-Electromagnetic Waves e un grafico 1D nella finestra Graphics.

Semiconduttori optoelettronici

Il Semiconductor Module include due interfacce multifisiche per la modellazione dell'interazione tra onde elettromagnetiche e semiconduttori. Per utilizzare questa funzionalità, è necessario il Wave Optics Module. La funzionalità si basa sulle interfacce Frequency Domain e Beam Envelopes all'interno del Wave Optics Module.

Gli accoppiamenti tra le interfacce Semiconductor e Electromagnetic Waves avvengono attraverso la funzione Optical Transitions del Semiconductor Module. Questa funzione introduce un termine di generazione di emissione stimolata sui domini all'interno dell'interfaccia Semiconductor, appropriato per i materiali direct-band-gap. Questo termine è proporzionale all'intensità ottica nella corrispondente caratteristica dell'interfaccia Electromagnetic Waves. Inoltre, la caratteristica Optical Transitions può tenere conto anche dell'emissione spontanea nei materiali direct-band-gap.

L'effetto dell'assorbimento o dell'emissione di luce è rappresentato da una corrispondente variazione della permittività complessa o dell'indice di rifrazione.

Multifisica dei dispositivi a semiconduttore

Gli effetti fisici accoppiati giocano spesso un ruolo importante nelle prestazioni dei dispositivi a semiconduttore. Combinando diverse fisiche, come l'elettrostatica, il trasferimento di calore, l'ottica delle onde, l'ottica dei raggi e il trasporto di specie chimiche, le simulazioni multifisiche possono catturare le complesse interazioni che si verificano nei dispositivi a semiconduttore. Esempi di analisi multifisica di dispositivi a semiconduttore sono:

  • Modellazione degli effetti termici all'interno di un dispositivo di potenza.
  • Illuminazione di celle solari al silicio mediante la modellazione dei raggi solari.
  • Modellazione dell'emissione stimolata e spontanea tenendo conto dell'ottica ondulatoria.
  • Accoppiamento di un modello di semiconduttore ed elettrolita utilizzando il trasporto di specie.

La combinazione del Semiconductor Module con altri prodotti della suite COMSOL consente un'analisi multifisica che fornisce una comprensione più realistica e completa del comportamento dei dispositivi a semiconduttore. Ciò può portare allo sviluppo di dispositivi a semiconduttore più efficienti e avanzati, con prestazioni e capacità migliori.

Ogni esigenza di business e di simulazione è diversa. Per valutare se il software COMSOL Multiphysics® soddisfa o meno le vostre esigenze, non dovete fare altro che contattarci. Parlando con uno dei nostri tecnici commerciali, riceverete consigli personalizzati ed esempi completamente documentati per aiutarvi a ottenere il massimo dalla vostra valutazione e guidarvi a scegliere l'opzione di licenza migliore per soddisfare le vostre esigenze.

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