第一节半导体器件模拟技术.docx
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第一节半导体器件模拟技术
第一节半导体器件模拟技术
一、半导体器件概述
1、半导体器件定义
半导体器件（semiconductordevice）通常，这些半导体材料是硅、锗或砷化镓，可用作整流器、振荡器、发光器、放大器、测光器等器材。
为了与集成电路相区别，有时也称为分立器件。
绝大部分二端器件（即晶体二极管）的基本结构是一个PN结。
利用不同的半导体材料、采用不同的工艺和几何结构，已研制出种类繁多、功能用途各异的多种晶体二极，可用来产生、控制、接收、变换、放大信号和进行能量转换。
晶体二极管的频率覆盖范围可从低频、高频、微波、毫米波、红外直至光波。
三端器件一般是有源器件，典型代表是各种晶体管（又称晶体三极管）。
晶体管又可以分为双极型晶体管和场效应晶体管两类。
根据用途的不同，晶体管可分为功率晶体管微波晶体管和低噪声晶体管。
除了作为放大、振荡、开关用的一般晶体管外，还有一些特殊用途的晶体管，如光晶体管、磁敏晶体管，场效应传感器等。
这些器件既能把一些环境因素的信息转换为电信号，又有一般晶体管的放大作用得到较大的输出信号。
此外，还有一些特殊器件，如单结晶体管可用于产生锯齿波，可控硅可用于各种大电流的控制电路，电荷耦合器件可用作摄橡器件或信息存储器件等。
在通信和雷达等军事装备中，主要靠高灵敏度、低噪声的半导体接收器件接收微弱信号。
随着微波通信技术的迅速发展，微波半导件低噪声器件发展很快，工作频率不断提高，而噪声系数不断下降。
微波半导体器件由于性能优异、体积小、重量轻和功耗低等特性，在防空反导、电子战、C（U3）I等系统中已得到广泛的应用。
2、分类
2.1晶体二极管
晶体二极管的基本结构是由一块P型半导体和一块N型半导体结合在一起形成一个PN结。
在PN结的交界面处，由于P型半导体中的空穴和N型半导体中的电子要相互向对方扩散而形成一个具有空间电荷的偶极层。
这偶极层阻止了空穴和电子的继续扩散而使PN结达到平衡状态。
当PN结的P端（P型半导体那边）接电源的正极而另一端接负极时，空穴和电子都向偶极层流动而使偶极层变薄，
电流很快上升。
如果把电源的方向反过来接，则空穴和电子都背离偶极层流动而使偶极层变厚，同时电流被限制在一个很小的饱和值内（称反向饱和电流）。
因此，PN结具有单向导电性。
此外，PN结的偶极层还起一个电容的作用，这电容随着外加电压的变化而变化。
在偶极层内部电场很强。
当外加反向电压达到一定阈值时，偶极层内部会发生雪崩击穿而使电流突然增加几个数量级。
利用PN结的这
些特性在各种应用领域内制成的二极管有：
整流二极管、检波二极管、变频二极管、变容二极管、开关二极管、稳压二极管（曾讷二极管）、崩越二极管（碰撞雪崩渡越二极管）和俘越二极管（俘获等离子体雪崩渡越时间二极管）等。
此外，还有利用PN结特殊效应的隧道二极管，以及没有PN结的肖脱基二极管和耿氏二极管等。
2.2双极型晶体管
它是由两个PN结构成，其中一个PN结称为发射结，另一个称为集电结。
两个结之间的一薄层半导体材料称为基区。
接在发射结一端和集电结一端的两个电极分别称为发射极和集电极。
接在基区上的电极称为基极。
在应用时，发射结处于正向偏置，集电极处于反向偏置。
通过发射结的电流使大量的少数载流子注入到基区里，这些少数载流子靠扩散迁移到集电结而形成集电极电流，只有极少量的少数载流子在基区内复合而形成基极电流。
集电极电流与基极电流之比称为共发射极电流放大系数?
。
在共发射极电路中，微小的基极电流变化可以控制很大的集电极电流变化，这就是双极型晶体管的电流放大效应。
双极型晶体管可分为NPN型和PNP型两类。
2.3场效应晶体管它依靠一块薄层半导体受横向电场影响而改变其电阻（简称场效应），使具
有放大信号的功能。
这薄层半导体的两端接两个电极称为源和漏。
控制横向电场的电极称为栅。
根据栅的结构，场效应晶体管可以分为三种：
（1）结型场效应管（用PN结构成栅极）；
（2）M0场效应管（用金属-氧化物—半导体构成栅极，见金属—绝缘体—半导体系统）；
（3）MESS效应管（用金属与半导体接触构成栅极）；其中M0觀效应管使用最广泛。
尤其在大规模集成电路的发展中，M0汰规模集成电路具有特殊的优越性。
MES场效应管一般用在GaAS微波晶体管上。
在M0辭件的基础上，又发展出一种电荷耦合器件（CCD），它是以半导体表面附近存储的电荷作为信息，控制表面附近的势阱使电荷在表面附近向某一方向转移。
这种器件通常可以用作延迟线和存储器等；配上光电二极管列阵，可用作摄像管。
3、命名方法
3.1中国半导体器件型号命名方法
半导体器件型号由五部分（场效应器件、半导体特殊器件、复合管、PIN型管、激光器件的型号命名只有第三、四、五部分）组成。
五个部分意义如下：
第一部分：
用数字表示半导体器件有效电极数目。
2-二极管、3-三极管。
第二部分：
用汉语拼音字母表示半导体器件的材料和极性。
表示二极管时：
A-N型锗材料、B-P型锗材料、C-N型硅材料、D-P型硅材料。
表示三极管时：
A-PNP型锗材料、B-NPN型锗材料、C-PNP型硅材料、D-NPN型硅材料。
第三部分：
用汉语拼音字母表示半导体器件的类型。
P-普通管、V-微波管、
W稳压管、C-参量管、Z-整流管、L-整流堆、S-隧道管、N-阻尼管、U-光电器件、K-开关管、X-低频小功率管（F<3MHzPc3MHzPc<1W）D-低频大功率管（f1W）、A-高频大功率管（f>3MHzPc>1W）T-半导体晶闸管（可控整流器）、丫-体效应器件、B-雪崩管、J-阶跃恢复管、CS-场效应管、BT-半导体特殊器件、FH-复合管、PIN-PIN型管、JG-激光器件。
第四部分：
用数字表示序号。
第五部分：
用汉语拼音字母表示规格号。
例如：
3DG18表示NPN型硅材料高频三极管
3.2日本半导体分立器件型号命名方法日本生产的半导体分立器件，由五至七部分组成。
通常只用到前五个部分，
其各部分的符号意义如下：
第一部分：
用数字表示器件有效电极数目或类型。
0-光电（即光敏）二极管三极管及上述器件的组合管、1-二极管、2三极或具有两个pn结的其他器件、3-具有四个有效电极或具有三个pn结的其他器件、依此类推。
第二部分：
日本电子工业协会JEIA注册标志。
S-表示已在日本电子工业协会JEIA注册登记的半导体分立器件。
第三部分：
用字母表示器件使用材料极性和类型。
A-PNP型高频管、B-PNP型低频管、C-NPN型高频管、D-NPN型低频管、F-P控制极可控硅、G-N控制极可控硅、H-N基极单结晶体管、J-P沟道场效应管、K-N沟道场效应管、M-双向可控硅。
第四部分：
用数字表示在日本电子工业协会JEIA登记的顺序号。
两位以上的整数-从“11”开始，表示在日本电子工业协会JEIA登记的顺序号；不同公司的性能相同的器件可以使用同一顺序号；数字越大，越是产品。
第五部分：
用字母表示同一型号的改进型产品标志。
A、B、C、D、E、F表
示这一器件是原型号产品的改进产品。
3.3美国半导体分立器件型号命名方法
美国晶体管或其他半导体器件的命名法较混乱。
美国电子工业协会半导体分立器件命名方法如下：
第一部分：
用符号表示器件用途的类型。
JAN-军级、JANTX特军级、JANTXV-超特军级、JANS-宇航级、（无）-非军用品。
第二部分：
用数字表示pn结数目。
1-二极管、2=三极管、3-三个pn结器件、n-n个pn结器件。
第三部分：
美国电子工业协会（EIA）注册标志。
N-该器件已在美国电子工业协会（EIA）注册登记。
第四部分：
美国电子工业协会登记顺序号。
多位数字-该器件在美国电子工业协会登记的顺序号。
第五部分：
用字母表示器件分档。
A、B、C、D……同一型号器件的不同档别。
女口：
JAN2N3251AS示PNP硅高频小功率开关三极管，JAN-军级、2-三极管、N-EIA注册标志、3251-EIA登记顺序号、A-2N3251A档。
3.4国际电子联合会半导体器件型号命名方法德国、法国、意大利、荷兰、比利时等欧洲国家以及匈牙利、罗马尼亚、南
斯拉夫、波兰等东欧国家，大都采用国际电子联合会半导体分立器件型号命名方法。
这种命名方法由四个基本部分组成，各部分的符号及意义如下：
第一部分：
用字母表示器件使用的材料。
A-器件使用材料的禁带宽度Eg=0.6〜I.OeV如锗、B-器件使用材料的Eg=1.0〜1.3eV如硅、C-器件使用材料的Eg>1.3eV如砷化傢、D-器件使用材料的Eg<0.6eV如锑化铟、E-器件使用复合材料及光电池使用的材料
第二部分：
用字母表示器件的类型及主要特征。
A-检波开关混频二极管、B-变容二极管、C-低频小功率三极管、D-低频大功率三极管、E-隧道二极管、F-高频小功率三极管、G-复合器件及其他器件、H-磁敏二极管、K-开放磁路中的霍尔元件、L-高频大功率三极管、M-封闭磁路中的霍尔元件、P-光敏器件、Q-发光器件、R-小功率晶闸管、S-小功率开关管、T-大功率晶闸管、U-大功率开关管、X-倍增二极管、丫-整流二极管、Z-稳压二极管。
第三部分：
用数字或字母加数字表示登记号。
三位数字-代表通用半导体器件的登记序号、一个字母加二位数字-表示专用半导体器件的登记序号。
第四部分：
用字母对同一类型号器件进行分档。
ABC、DE……表示同
一型号的器件按某一参数进行分档的标志。
除四个基本部分外，有时还加后缀，以区别特性或进一步分类。
常见后缀如下：
（1）稳压二极管型号的后缀。
其后缀的第一部分是一个字母，表示稳定电压值的容许误差范围，字母A、B、C、DE分别表示容许误差为土1%±2%±5%、±10%、±15%；其后缀第二部分是数字，表示标称稳定电压的整数数值；后缀的第三部分是字母V,代表小数点，字母V之后的数字为稳压管标称稳定电压的小数值。
（2）整流二极管后缀是数字，表示器件的最大反向峰值耐压值，单位是伏特。
（3）晶闸管型号的后缀也是数字，通常标出最大反向峰值耐压值和最大反向关断电压中数值较小的那个电压值。
女口：
BDX51表示NPN硅低频大功率三极管，AF239S-表示PNP锗高频小功率三极管。
4、集成电路
把晶体二极管、三极管以及电阻电容都制作在同一块硅芯片上，称为集成电路。
一块硅芯片上集成的元件数小于100个的称为小规模集成电路，从100个元件到1000个元件的称为中规模集成电路，从1000个元件到100000个元件的称为大规模集成电路，100000个元件以上的称为超大规模集成电路。
集成电路是当前发展计算机所必需的基础电子器件。
许多工业先进国家都十分重视集成电路工业的发展。
集成电路的集成度以每年增加一倍的速度在增长。
每个芯片上集成256千位的MOSS机存储器已研制成功，正在向1兆位MOSS机存储器探索。
5、光电器件
5.1光电探测器
光电探测器的功能是把微弱的光信号转换成电信号，然后经过放大器将电信号放大，从而达到检测光信号的目的。
光敏电阻是最早发展的一种光电探测器。
它利用了半导体受光照后电阻变小的效应。
此外，光电二极管、光电池都可以用作光电探测元件。
十分微弱的光信号，可以用雪崩光电二极管来探测。
它是把一个PN结偏置在接近雪崩的偏压下，微弱光信号所激发的少量载流子通过接近雪崩的强场区，由于碰撞电离而数量倍增，因而得到一个较大的电信号。
除了光电探测器外，还有与它类似的用半导体制成的粒子探测器。
5.2半导体发光二极管
半导体发光二极管的结构是一个PN结，它正向通电流时，注入的少数载流子靠复合而发光。
它可以发出绿光、黄光、红光和红外线等。
所用的材料有GaP、GaAs、GaAs1-xPx、Ga1-xAlxAs、In1-xGaxAs1-yPy等。
5.3半导体激光器如果使高效率的半导体发光管的发光区处在一个光学谐振腔内，则可以得到
激光输出。
这种器件称为半导体激光器或注入式激光器。
最早的半导体激光器所用的PN结是同质结，以后采用双异质结结构。
双异质结激光器的优点在于它可以使注入的少数载流子被限制在很薄的一层有源区内复合发光，同时由双异质结结构组成的光导管又可以使产生的光子也被限制在这层有源区内。
因此双异质结激光器有较低的阈值电流密度，可以在室温下连续工作。
5.4光电池
当光线投射到一个PN结上时，由光激发的电子空穴对受到PN结附近的内在电场的作用而向相反方向分离，因此在PN结两端产生一个电动势，这就成为一个光电池。
把日光转换成电能的日光电池很受人们重视。
最先应用的日光电池都是用硅单晶制造的，成本太高，不能大量推广使用。
国际上都在寻找成本低的日光电池，用的材料有多晶硅和无定形硅等。
5.5其它
利用半导体的其他特性做成的器件还有热敏电阻、霍耳器件、压敏元件、气敏晶体管和表面波器件等。
6、未来发展
今年是摩尔法则（Moore'slaw）问世50周年，这一法则的诞生是半导体技术发展史上的一个里程碑。
这50年里，摩尔法则成为了信息技术发展的指路明灯。
计算机从神秘不可近的庞然大物变成多数人都不可或缺的工具，信息技术由实验室进入无数个普通家庭，因特网将全世界联系起来，多媒体视听设备丰富着每个人的生活。
这一法则决定了信息技术的变化在加速，产品的变化也越来越快。
人们已看到，技术与产品的创新大致按照它的节奏，超前者多数成为先锋，而落后者容易被淘汰。
这一切背后的动力都是半导体芯片。
如果按照旧有方式将晶体管、电阻和电容分别安装在电路板上，那么不仅个人电脑和移动通信不会出现，连基因组研究、计算机辅助设计和制造等新科技更不可能问世。
有关专家指出，摩尔法则已不仅仅是针对芯片技术的法则；不久的将来，它有可能扩展到无线技术、光学技术、传感器技术等领域，成为人们在未知领域探索和创新的指导思想。
毫无疑问，摩尔法则对整个世界意义深远。
不过，随着晶体管电路逐渐接近性能极限，这一法则将会走到尽头。
摩尔法则何时失效？
专家们对此众说纷纭。
早在1995年在芝加哥举行信息技术国际研讨会上，美国科学家和工程师杰克•基尔比表示，5纳米处理器的出现或将终结摩尔法则。
中国科学家和未来学家周海中在此次研讨会上预言，由于纳米技术的快速发展，30年后摩尔法则很可能就会失效。
2012年，日裔美籍理论物理学家加来道雄在接受智囊网站采访时称，“在10年左右的时间内，我们将看到摩尔法则崩溃。
”前不久，摩尔本人认为这一法则到2020年的时候就会黯然失色。
一些专家指出，即使摩尔法则寿终正寝，信息技术前进的步伐也不会变慢。
二、半导体器件模拟技术和概念与发展
1、半导体器件模拟技术和概念与发展简况目前，半导体器件仿真已经部分取代了耗费成本的硅片实验，这有利于降低成本，缩短开发周期和提高成品率。
也就是说仿真可以虚拟生产并指导生产。
半导体器件模拟是一项模型的技术，肖克莱于1949年在其发表的论文中描述了这种模型化技术的概念。
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显示器件性能参数的重要技术。
1964年，Gumme采用数值模拟方法代替解析法，求解一维漂移扩散方程，标志着半导体器件仿真开始走向计算机实用化。
1969年，D.P.Kennedy和R.P.O'Brien首次利用二维下的数值方法研究了JFET。
J.W.SIotboom用二维数值方法研究了晶体管的DC特性。
自上世纪的70年代开始，美国斯坦福大学已经开始了编写二维半导体器件的模拟软件PISCES的工作。
后来，SILVACO公司和Avant公司分别推出了PISCES经过商业包装后的软件MEDICI和ATLAS
我国许多的科研单位也投入到了半导体数值模拟的研究。
如北大，清华等高校，还有中科院微电子所等研究所，并在这一领域取得了不错的科研成果。
2、半导体器件模拟的近况
21世纪的人类正享受着日新月异的高科技产品和各种前所未有的物质条件，而所有这些新的文明都受益于蓬勃发展的半导体技术和半导体工业，它是现代科技的一个奇迹，同时更是现代化生产与生活的主要支柱。
65%勺全球GDP值与半
导体行业相关，在航空航天领域的半导体设备随处可见，微电子技术水平也成为衡量综合国力的重要指标。
伴随着半导体技术迅速发展，传统器件设计方法远远不能满足现代高性能半导体器件的设计需求，计算机模拟软件已经应用到半导体新型器件预研究、大规模集成电路的优化设计等诸多方面，备受广大科研人员的关注。
本文所做工作是在我校物理电子学院李建清教授、李斌教授、苟文建同学还有前两届同学的大量工作基础上，选用适当的器件模型和合理的求解方法，进行半导体器件交流模拟研究，为整个团队自主的半导体器件仿真软件开发设计进行探索。
自1949年肖克莱（ShockIey）公开发表的论文中第一次提出“半导体器件模拟”的思想，在15年后H.K.Gummel数值分析模型的思想也首次提出，并用数值分析方法彻底替代解析法，并采用自洽迭代方法进行简单双极型晶体管的研究，到目前为止2D和3D仿真技术已成功运用于超大规模集成电路。
国外较为优秀的模拟软件代表有斯坦福大学研制的PISCES和日本的CADDE等，国内这一领域也有清华、北大、西电等高校积极参与研究，并获得不菲的成就，譬如本文程序所参考的开源项目Genius，就是近十几年来国内较为优秀的开源项目之一。
近年来器件模拟的领域吸引了更多国内研究型高校的参与，湖南大学和电子科技大学近年的硕士毕业论文中也出现了很多这一领域的研究成果。
器件模拟是一种首先建立模型，然后在该模型基础上从理论上定性研究器件特性的技术。
以晶体管为例，晶体管的生产制造过程包含很多步骤,每一步都必须遵循若干预先设定的条件，比如温度、掺杂、外延层尺寸、电阻率等。
所以实际器件特性都可看做是设计参数的函数，对于任意一组设计参数值，所建立的模型必须能够给出准确的理论结果，考察一个器件模型是否合理，就需要验证其完工后的电特性，包含瞬态特性，截止频率，直流和交流特性以及开关特性等。
而本文的重点是研究器件的瞬态和交流特性。
随着电路的加速增加的复杂性，更促进了器件仿真技术的发展。
包含电流的空穴输运方程和电子输运方程是器件模型基本微分方程的主要部分，电子电流，空穴电流也分别含有扩散电流分量和漂移电流分量，漂移电流分量表示电场和载流子密度的乘积，并且输运方程是非线性的。
半导体器件的模拟，离不开物理模型和数学模型，同时也需要工艺设计和工艺仿真相辅相成，所以TCAD软件是物理学、数学以及计算机发展到一定程度的产物。
模拟器件需要满足以下三个条件：
（1）建立起器件的物理模型；
（2）建立对应器件工作条件的数学模型；（3）明确对应器件数学模型受到的约束条件。
它们可以通过计算机模拟，使用恰当的数值分析方法来离散。
通常总是从最基本的通用方程起步，根据物理模型进行各种迥然不同的近似，从而获得一些更为简化的方程，最后求解方程组即可。
因此先进的数值算法对于器件数值模拟有着很重要的作用，如稀疏矩阵存储和求解技术，自适应多重网格方法等。
3、器件的计算机模拟分类根据不同的角度可作出如下分类:
根据模拟空间维数划分成一、二、三维；按照模拟器件与时间的关系分成稳态仿真和瞬态仿真，包含瞬态仿真的交流仿真；
按照模拟设备的物理模型也可分成半经典模型、经典模型和全量子模型；其他还可按照器件类别分类等。
表4-1-1半导体器件仿真的分类
类别
MOSS件
双极型器件
GaAsMESFET
传感器件及其他
基本模型方程
泊松方程、电流
连续性方程或
玻耳兹曼方程
泊松方程、电流连续性方程
泊松方程、电流
连续性方程或
玻耳兹曼方程
麦克斯韦方程组、电流连续性方程以及其他模型方程
维数
1-3维
1-3维
1-2维
1-2维
数值处理方法
有限元法、有限差分法或蒙特卡罗法
有限元法、有
限差分法
有限元法、有限差分法或蒙特卡罗法
有限元法、有限差
分法
非线性偏微分
方程组求解方
法
耦合方法、非耦合方法或粒子模拟方法
耦合方法、非
耦合方法
耦合方法、非耦合方法或粒子模拟方法
耦合方法、非耦合
方法
物理模型
经典模型或半
经典模型
经典模型
经典模型或办
半经典模型
经典模型
近年来由于这一领域的飞速发展，上表4-1-1中这些分类的界限越发模糊起
来。
在模拟过程中涉及到的范围有：
双极型晶体管1-3维的模拟，及其经典模型和数值处理方法，同时对MOS器件也有一点的涉及。
三、半导体器件的交流模拟理论
半导体器件模拟这一领域自Gumme做出开创性工作以来，占主导地位的一直是漂移-扩散模型，简称DDM模型。
经历了半个世纪，DDM模型的研究已经非常成熟，全球范围内出现了很多优秀的器件模拟软件，模拟的范围也从简单的PN结扩展到MOSFET甚至是超大规模集成器件，并且尺寸大大减小，准确度也飞速提升。
所有这些卓越的成就当然得益于半导体物理的巨大发展和计算机计算能力的提升。
优秀的半导体模拟软件不只是能准确模拟器件结构和电势分布，更
能快速测试器件的稳态特性、瞬态特性和AC小信号特性。
同时对于AC小信号的模拟也只不限于单一频率下的响应，更能模拟一个频率段的响应，对于频率段的小信号模拟简称为DDMA模拟。
1、基本方程组
迄今为止发现的半导体材料有数十种，能做成实际成品的材料也有很多，然
而最为常用的半导体材料仍然是Si材料，目前对于Si的一些特性和相应的数值模型已经研究得比较成熟，能够有效运用到数值模拟中去，也是基于Si材料进
行模拟的。
1.1载流子浓度
首先介绍载流子在器件模拟中的浓度计算方法。
由于掺杂浓度N是由半导体
工艺唯一确定的，所以在模拟的时候可以把掺杂浓度作为一个已知量。
一般情况
下首先遇到的问题是如何处理载流子浓度，由于实际器件中的载流子浓度分布比较复杂，不像《半导体器件物理》等教科书中对载流子的计算和介绍那么理想化，处理起来十分棘手。
在此以一个普通的双极型晶体管的杂质分布为例，其杂质分
布呈非均匀状态，其范围可从1014l021.cm3，在低掺杂条件下，可以采用
Boltzmann分布来描述载流子浓度，但是在高掺杂的条件下，只能采用费米分来描述。
然而费米分布的计算会是数值模拟中的一大麻烦。
Eei
然而实际代码中对于载流子的计算式：
£n：
exp-
kT
其中为反映简并程度的“因子”，具体为:
1.2漂移扩散方程组
交流模拟中常用的基础方程包含：
Poisson方程，电流密度方程，电流连续
性方程，热流方程共4大类。
具体如下：
考虑双极型载流子的Poisson方程为：
？
qpnNDNAs
常见的电流密度方程：
Jn
qunnEn
qDnn;JpqUp
pEn
qDpp
考虑双极型载流
子情
况的电流连
续
性方程
n
LkbT
「cp
升级会员 