【摘要】：新型半導(dǎo)體器件隨著芯片行業(yè)的巨大需求日益層出不窮,其中異質(zhì)結(jié)器件由于其獨(dú)特的物理特性得到了廣泛的應(yīng)用。如今半導(dǎo)體器件的研究已然離不開仿真軟件的幫助,因此研究半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)器件的數(shù)值計(jì)算具有重要的應(yīng)用價值。本文主要采用漂移擴(kuò)散模型作為半導(dǎo)體模擬的基本物理模型。由于異質(zhì)結(jié)構(gòu)的獨(dú)特性,本文還建立了異質(zhì)結(jié)界面的電流密度計(jì)算模型,這兩個模型奠定了異質(zhì)結(jié)器件能夠進(jìn)行數(shù)值計(jì)算的理論基礎(chǔ)。此外,本文還介紹了半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)的基本物理理論,而且還詳細(xì)介紹了異質(zhì)結(jié)器件模擬中所采用的遷移率模型以及碰撞電離模型。接下來,本文介紹了數(shù)值計(jì)算中的網(wǎng)格技術(shù)、邊界條件的處理、求解非線性方程組的收斂判據(jù)等,并以Poisson方程的離散為例,重點(diǎn)介紹了數(shù)值計(jì)算中用于方程離散的數(shù)值方法:有限體積法,其主要優(yōu)點(diǎn)是微分方程離散后依然能保持原方程的守恒性,且物理意義清晰明確、方程形式規(guī)范。隨后,還介紹了使用牛頓迭代法求解離散后的大型稀疏非線性方程組。而在實(shí)際的數(shù)值計(jì)算中,本論文采用第三方的函數(shù)庫PETSc替代了這一繁復(fù)的工作,所要做的僅僅是設(shè)置好函數(shù)接口,這使得本論文可以重點(diǎn)關(guān)注器件的物理模型,因此大大提高了開發(fā)效率。器件的物理模型成功轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)學(xué)模型后,高速發(fā)展的現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)幫助本論文處理復(fù)雜的計(jì)算問題,從而模擬得到器件的物理特性。本論文基于半導(dǎo)體器件模擬軟件SDS,并參考開源軟件Genius與商業(yè)軟件Silvaco,構(gòu)建了用于異質(zhì)結(jié)器件數(shù)值模擬的計(jì)算模塊,該模塊具有耦合性低,可復(fù)用性好的優(yōu)點(diǎn)。接下來,本論文使用SDS軟件模擬了三種由不同材料組成的異質(zhì)結(jié)二極管,得到了它們在不同摻雜濃度條件下的物理特性,其中包括平衡態(tài)內(nèi)建電勢差、正向以及反向偏壓下的電流電壓特性曲線等,并通過與Sivalco軟件的仿真結(jié)果進(jìn)行對比,檢驗(yàn)了SDS軟件中異質(zhì)結(jié)器件計(jì)算模塊的正確性。同時,通過大量的仿真對比優(yōu)化該模塊中的基本參數(shù)。最終,本論文依據(jù)大量仿真對比的結(jié)果,得出結(jié)論:本文所開發(fā)的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)計(jì)算模塊是正確的,能夠模擬異質(zhì)結(jié)器件的基本物理特性,并且能得到精確的仿真結(jié)果。
[Abstract]:With the increasing demand of semiconductor devices, heterojunction devices have been widely used because of their unique physical properties. Nowadays, the research of semiconductor devices needs the help of simulation software, so the numerical calculation of semiconductor heterojunction devices has important application value. In this paper, drift diffusion model is used as the basic physical model of semiconductor simulation. Due to the uniqueness of the heterostructure, the current density calculation model of the heterojunction interface is established in this paper, which lays the theoretical foundation for the numerical calculation of the heterojunction devices. In addition, the basic physical theory of semiconductor heterojunction is introduced, and the mobility model and collision ionization model used in the simulation of heterojunction devices are also introduced in detail. Then, this paper introduces the grid technique, the boundary condition processing, the convergence criterion for solving the nonlinear equations, and takes the discretization of the Poisson equation as an example. This paper mainly introduces the numerical method for discretization of equations: the finite volume method, whose main advantage is that the differential equation can still maintain the conservation of the original equation after discretization, and the physical meaning is clear and clear, and the formal specification of the equation is also given. Then the Newton iteration method is introduced to solve the discrete large sparse nonlinear equations. In the actual numerical calculation, the third party's function library PETSc is used to replace this complicated work. All we have to do is to set up the function interface, which makes this paper focus on the physical model of the device. Therefore, the development efficiency is greatly improved. After the successful transformation of the physical model of the device into the mathematical model, the rapid development of modern computer technology helps this paper deal with complex computing problems, thus the physical characteristics of the device are simulated. Based on the semiconductor device simulation software SDSs and referring to the open source software Genius and the commercial software Silvaco a numerical simulation module for heterojunction devices is constructed. The module has the advantages of low coupling and good reusability. Then, we use SDS software to simulate three kinds of heterojunction diodes with different materials, and obtain their physical properties under different doping concentrations, including the potential difference built in equilibrium state. The current-voltage characteristic curves under forward and reverse bias voltages are compared with the simulation results of Sivalco software to verify the correctness of the heterojunction device calculation module in SDS software. At the same time, the basic parameters of the module are optimized by a large number of simulations. Finally, based on a large number of simulation results, this paper draws the conclusion that the semiconductor heterojunction calculation module developed in this paper is correct, can simulate the basic physical characteristics of heterojunction devices, and can obtain accurate simulation results.
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號】：TN303

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本文編號：2157630