半导体器件模拟ppt课件.ppt

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1、半导体器件模拟一、器件模拟技术和概念与发展简况器件模拟是根据器件的杂质分布剖面结构,利用器件模型,通过计算机模拟计算得到半导体器件终端特性。器件模拟是一项模型的技术，器件的实际特性能利用这种模型从理论上予以模拟，因此它是一种可以在器件研制出来之前予示器件性能参数的重要技术。半导体器件模拟器件模拟有两种方法：一种是器件等效电路模拟法；另一种是器件物理模拟法。(1)器件等效电路模拟法是依据半导体器件的输入、输出特性建立模型分析它们在电路中的作用，而不关心器件内部的微观机理，在电路模拟中常用这种方法。(2)器件物理模拟法则从器件内部载流子的状态及运动出发，依据器件的几何结

2、构及杂质分布，建立严格的物理模型及数学模型，运算得到器件的性能参数，这种方法能深刻理解器件内部的工作原理、能定量分析器件性能参数与设计参数之间的关系.半导体器件模拟器件物理模拟技术是70年代以后发展起来的，多年来相继出现了多种具体方法，主要有三种：①有限差分法②有限元法③MonteCarlo法前二种是离散数值模拟法，是目前模拟常规半导体器件的主要方法，其中有限差分法是最早发展起来的，方法比较简单，容易掌握，但是几何边界复杂的半导体器件，用多维有限差分法碰到较大的困难;有限元法与有限差分法相比，对区间的离散方法比较自由，容易适应复杂的器件边界。半导体器件模拟第三种Mo

3、nteCarlo法是统计模拟法，它以载流子在器件中运动时的散射过程为基础，逐个跟踪每一载流子的运动。MonteCarb法的优点是能对器件的物理过程作深入了解，同时不受器件维数的限制，是目前模拟小尺寸半导体器件的最有力工具。它的缺点是计算冗繁，需要很多机时。半径典方法:由于器件尺寸的小型化，出现了一些效应，这些效应用经典的方法处理已不可能，需要对传统的经典理论作一些修正，所以称半径典方法。量子理论模拟法:当半导体器件的尺寸进一步缩小到小于0.1μm时，需要考虑量子效应，相应的模拟方法称为量子理论模拟法。半导体器件模拟在离散数值模拟中，已经给出了一个数学模型，它可以精确

4、分析一个任意的半导体，构成这个数学模型的方程称为基本半导体方程，可以从Max-well方程组和半导体物理知识推出，它们是（3.1-1）（3.1-2）（3.1-3）（3.1-4）（3.1-5）半导体器件模拟其中（3.1-1）（3.1-2）为半导体连续性方程；（3.1-3）（3.1-4）为半导体电流传输方程；（3.1-5）为泊松方程。在一维情况上方程组可写为：（3.1-6）（3.1-7）（3.1-8）（3.1-9）（3.1-10）半导体器件模拟如果是一维模拟软件，只需解上方程组即可，如方程中不含t，即为零，则为稳态分析，含时间t的方程求解为瞬态分析。当然也能相应地求解二

5、、三维方程组。MEDICI就是二维器件模拟软件.随着器件尺寸的不断缩小，三维效应也愈来愈突出，所以三维模拟软件也应运而生。本章涉及的器件模拟定义为由工艺模拟得到或自定义的杂质浓度分布输入到器件模拟程序，从电子和空穴的输运方程、连续性方程、泊松方程出发，解出器件中的电势分布和载流子分布，从而得到器件I～V等电特性。半导体器件模拟为了设计分析功率器件，除了求解半导体基本方程组外，通常还要模拟热电现象的相互作用，因为在器件内温度及其分布的变化会显著地影响器件的电特性为此还需解热流方程。其中，ρ和c分别为材料的质量密度和比热，在考虑实际器件应用时，可假定ρ和c对温度的依赖关

6、系小到可以忽略；K（T）和H表示热导和局部产生的热，这些参量需要通过物理模型确定。如果对热的瞬态不感兴趣，可以假定温度对时间的偏微分为零。半导体器件模拟基本半导体方程组（包括连续性、泊松等方程）的理论基础是漂移扩散理论模型，这是目前器件物理的主流，已在常规器件的模拟或CAD设计中达到实用化，本模型的基本假设有：①多次碰撞假设：载流子在外电场的漂移用漂移迁移率表示，载流子运动平均行为偏离用扩散系数表示。它们都是电场E的函数。这里的含义是：无论电场变化多快，载流子都能在新的电场值上达到新的平衡态，从而具有新的平均漂移速度和扩散系数，这就只有通过载流子经受多次碰撞才能实现

7、。半导体器件模拟多次碰撞假设要求载流子在器件特征尺寸之内（如MOS栅长，PN结耗尽层宽度等）经受多次随机的碰撞。目前的超大规模IC、超高速IC和微波技术发展，已把器件的特征尺寸推到深亚微米乃至纳米级，电子渡越MOSFET栅下沟道的时间可与电子平均自由时间比拟，这时电子经多次碰撞达到动态平衡的条件就不成立。②低场条件：在漂移扩散模型中，Jn、Jp的表达式和爱因斯坦关系实际上是玻尔兹曼方程在低场假设条件下采用微扰法所得的近似解。如果器件有很强的不均匀电场、时间上快速的场强变化，就使之与低场假设不相容。半导体器件模拟③单能谷假设：在漂移扩散模型中，使用平均漂移和扩散的