MEDICI程序简介及其在电离辐照效应研究中的应用

简要介绍了二维半导体器件模拟软件MEDICI的基本特点和使用方法;应用MEDICI程序对MOSFET的总剂量效应、PN结的剂量率效应进行了仿真模拟,建立了电离辐照效应的物理模型,并将模拟结果与实验数据进行了比较.     

向内发射同轴型二极管电流电压关系二维修正

 给出了对同轴型强流电子束二极管的电流电压关系进行的部分理论推导与介绍,同时利用PIC数值模拟以及实验研究得到的二维效应修正关系曲线。在研究中首先给出了对向内发射同轴型二极管在不同电压等级下的电流电压关系,然后用PIC数值模拟方法进行验证。对数值模拟的结果也给出了理论推导公式在不同状态下的二维效应修正因子与电子束流运动的特点。在研究中得到的电流电压关系理论公式基本上反映了不同条件下同轴型二极管的束流特性,所以此研究结果可以直接应用于包含同轴型二极管结构的脉冲功率器件的设计与实验结果的分析中,为实验中相关问题的解决提供设计的依据与理论分析基础。     

结终端采用JTE保护技术的4H-SiC PiN二极管模拟和研制

利用二维器件模拟软件ISE-TCAD 10.0,对结终端采用结扩展保护技术的4H-SiC PiN二极管平面器件进行反向耐压特性的模拟,并获得许多有价值的模拟数据.依据所得的模拟数据进行此种二极管器件的研制.实验测试表明,此二极管的模拟优化数据与实验测试的结果一致性较好,4H-SiC PiN二极管所测得到的反向电压达1600 V,该反向耐压数值达到理想平面结的击穿耐压90%以上.     

同轴型强流电子束二极管的一种解析近似

 从描述电子束运动的基本方程出发,引入一定条件下的近似,获得了一种实用的同轴二极管电流、电压与几何参数关系的近似解析解。给出了同轴二极管阻抗、间隙电压分布与二极管外加电压以及结构参数之间的关系式,并与1维模型精确数值解进行比较分析。采用了PIC数值模拟方法对该理论分析结果在常用参数范围内的准确性进行了验证,获得了一致的结果。与相对论条件下的实验结果数据相比,在二极管电压为300～700 kV时实验结果与该理论估算值非常接近。     

半导体器件多物理场计算中的热边界条件北大核心CSCD

基于半导体器件的物理模型,联立并求解由电磁场、半导体物理及热力学方程构成的多物理场方程组,实现半导体器件及电路的电磁效应计算。为了更加准确地仿真半导体器件的温度变化,深入研究了多物理场计算中的热边界条件。以肖特基二极管HSMS-282c为例,采用多物理场算法仿真并对比了器件在相同激励(幅值为2V的阶跃脉冲)、不同边界条件下的温度变化情况。实际测量了器件在正向偏置下的表面温度,并于多物理场计算结果进行对比。结果表明,采用热对流边界可以准确仿真半导体器件的热效应。     

C-V法测量GaN基蓝光LED的PN结特性

应用C-V法研究了GaN基蓝光LED的PN结特性.通过变温的C-V曲线、相应的C-2-V曲线和C-3-V曲线判断GaN基PN结的结类型,计算杂质浓度分布和PN结接触电势差,并分析了温度变化对PN结特性的影响.该实验不仅能加深学生对二极管PN结及C-V法应用的认识和理解,还可以让学生了解GaN新型半导体材料的相关知识.     

二极管失效和烧毁阈值与电磁波参数关系

 利用半导体PN结器件一维模拟程序mPND1D,计算了二极管在不同电磁脉冲电压源条件下的失效和烧毁时器件吸收的能量,并对结果作了初步分析。     

基于多物理场计算的二极管雪崩击穿效应分析

基于电磁场、半导体物理及热力学方程的半导体器件多物理场模型方程组共同描述了器件内部的电热特性。而半导体器件在反向电压作用下,会发生碰撞电离及雪崩击穿现象。采用多物理场计算方法仿真型号为HSMS-282C的肖特基二极管的雪崩击穿现象,仿真结果与实验测量结果吻合,表明该算法能准确表征二极管物理特性,并对效应现象给出物理机理解释。     

高功率微波作用下热载流子引起n型金属-氧化物-半导体场效应晶体管特性退化研究

高功率微波(HPM)通过使半导体器件特性退化和功能失效,从而干扰电子系统无法正常工作. 针对金属氧化物半导体(MOS)器件的HPM效应, 建立了高功率微波引起n型金属氧化物半导体场效应晶体管(nMOSFET)特性退化的物理过程与模型. 器件仿真结果中nMOSFET的输出特性曲线显示栅极注入HPM引起器件特性退化,包括阈值电压正向漂移、 饱和电流减小、跨导减小等;结合物理模型分析可知, HPM引起的高频脉冲电压使器件进入深耗尽状态, 热载流子数目增多,热载流子效应导致器件特性退化. MOS器件的HPM注入实验结果显示,器件特性曲线、器件模型参数变化趋势与仿真结果一致, 验证了HPM引起nMOSFET特性退化的物理过程与模型.     

有机场效应晶体管的非线性注入模型

有机场效应晶体管(Organic field effect transistor,OFET)的非线性特性是指其输出特性曲线在较低的漏极电压下出现类似于二极管的电压电流特性曲线,这种现象在有机场效应晶体管的实验研究中极为常见。Simonetti等通过引入随栅极电压变化的迁移率提出了模型并成功解释了这一现象,但实验中从器件转移特性得出的迁移率通常与栅极电压无关。本文通过引入常数迁移率对该模型进行改进,运用改进的模型研究了影响OFET非线性特性的主要因素,并对如何更加准确地获得器件参数进行了探究。     

One-dimensional breakdown voltage model of SOI RESURF lateral power device based on lateral linearly graded approximation

A novel one-dimensional(1D) analytical model is proposed for quantifying the breakdown voltage of a reduced surface field(RESURF) lateral power device fabricated on silicon on an insulator(SOI) substrate.We assume that the charges in the depletion region contribute to the lateral PN junctions along the diagonal of the area shared by the lateral and vertical depletion regions.Based on the assumption,the lateral PN junction behaves as a linearly graded junction,thus resulting in a reduced surface electric field and high breakdown voltage.Using the proposed model,the breakdown voltage as a function of device parameters is investigated and compared with the numerical simulation by the TCAD tools.The analytical results are shown to be in fair agreement with the numerical results.Finally,a new RESURF criterion is derived which offers a useful scheme to optimize the structure parameters.This simple 1D model provides a clear physical insight into the RESURF effect and a new explanation on the improvement in breakdown voltage in an SOI RESURF device.     

一种可扩展的三维半导体器件并行数值模拟算法

在基于漂移-扩散模型的三维半导体器件数值模拟中,通过有限体积法进行数值离散,采用完全耦合的牛顿迭代求解非线性代数方程组,并使用基于代数多重网格预条件子的GMRES方法求解牛顿迭代中的线性方程组,构造一种稳健且高度可扩展的非结构四面体网格上求解半导体方程的并行算法.基于PHG平台实现该算法的并行计算程序,并对PN结和MOS场效应晶体管等问题进行了最大网格规模达到5亿单元、最大并行规模达到1 024进程的大规模数值模拟实验,结果表明,该算法计算效率高,可扩展性好.     

A novel superjunction MOSFET with improved ruggedness under unclamped inductive switching

The ruggedness of a superjunction metal–oxide semiconductor field-effect transistor (MOSFET) under unclamped inductive switching conditions is improved by optimizing the avalanche current path. Inserting a P-island with relatively high doping concentration into the P-column, the avalanche breakdown point is localized. In addition, a trench type P+ contact is designed to shorten the current path. As a consequence, the avalanche current path is located away from the N+ source/P-body junction and the activation of the parasitic transistor can be effectively avoided. To verify the proposed structural mechanism, a two-dimensional (2D) numerical simulation is performed to describe its static and on-state avalanche behaviours, and a method of mixed-mode device and circuit simulation is used to predict its performances under realistic unclamped inductive switching. Simulation shows that the proposed structure can endure a remarkably higher avalanche energy compared with a conventional superjunction MOSFET.     

电磁脉冲作用下PIN二极管的响应

采用自主开发的二维半导体器件效应模拟软件,对电磁脉冲作用下PIN二极管的响应进行了数值模拟研究,分析了PIN管在脉冲电压上升沿时间内出现的电流过冲现象。结果表明:过冲电流与高频下PIN二极管的电容性有关,过冲电流的峰值与上升沿时间有关,上升沿时间越短,峰值越大;PIN管的掺杂也会对过冲电流产生影响,P层、N层的掺杂浓度越高,过冲电流的峰值越大,过冲电流的波形下降越快;I层掺杂浓度对过冲电流也有一定影响,但并不显著。     

Si/Ge/Si异质横向SPiN二极管固态等离子体解析模型

采用横向表面PiN(SPiN)二极管构造的硅基可重构天线具有众多优于传统天线的独特优势, 是实现天线小型化和提升雷达与微波通信系统性能的有效技术途径. 本文提出一种Si/Ge/Si异质横向SPiN二极管, 并基于双极扩散模型与Fletcher型边界条件, 在大注入条件下建立了二极管结电压、电流密度与本征区固态等离子体浓度分布解析模型, 并数值模拟分析了本征区长度、P⁺与N⁺区掺杂浓度、外加电压对所建模型的影响. 结果表明, 固态等离子体浓度随本征区长度的增加下降, 随外加电压的增加而指数上升, 随P⁺与N⁺区掺杂浓度的提高而上升, 电流密度随外加电压的增加而指数上升. 同等条件下, 异质SPiN二极管的固态等离子体浓度相比同质二极管提高近7倍以上. 本文所建模型为硅基可重构天线的设计与应用提供有效的参考.     

多级PIN限幅器高功率微波效应研究

基于PIN二极管电热自洽耦合模型,构建了两级PIN限幅器高功率微波(HPM)效应电路模型。根据模拟模型设计加工了两级限幅器实验样品,限幅器输入、输出特性注入实验数据与模拟计算结果基本一致,验证了多级限幅器模型的有效性,表明该多级PIN限幅器模型能够应用于HPM效应模拟。针对不同HPM波形参数进行了HPM效应模拟,计算结果表明:随着注入功率的增大,脉宽增宽,前级厚I层PIN二极管结温升比后级薄I层PIN二极管结温升要高,因此厚I层PIN二极管更易受到损伤;而频率和前沿参数对结温升影响较小。     

Small-signal modeling of graphene barristors

This paper presents a small-signal model for graphene barristor, a promising device for the future nanoelectronics industry. Because of the functional similarities to the conventional FET transistors, the same configuration and parameters, as those of FETs, are assumed for the model. Transconductance, output resistance, and parasitic capacitances are the main parameters of the small signal equivalent circuit modeled in this work. Recognizing the importance of physical modeling of novel semiconductor devices, we develop physical compact expressions for the device radio-frequency characteristics. Furthermore, we clarify the physics behind the variation of the characteristics as the device parameters change. We also validate our model results with available simulation results. Impact of equilibrium Schottky barrier height of the graphene–silicon junction on the radio frequency performance of barristor is investigated, too.     

器件效应数值模拟中漂移扩散模型的误差分析

为了确定数值模拟过程中的误差来源,并针对误差来源改进软件,减小计算误差,对半导体器件数值模拟中的采用的漂移扩散模型进行了研究。结合自主开发的半导体器件效应软件GSRES,分析了软件中漂移扩散模型的理论近似,对计算模型中由于温度分布、载流子复合/产生率、载流子迁移率等项采取近似而导致的误差进行了分析。根据误差分析和数值模拟算例,认为误差主要来自于器件内部温度场分布和迁移率模型的近似,给出了软件的适用范围。结合半导体器件的研究热点和发展趋势,对该模型中需要进行改进的近似项进行了分析。     

高光电探测效率CMOS单光子雪崩二极管器件

基于0.18μm CMOS工艺技术,制作了单光子雪崩二极管,可对650~950nm波段的微弱光进行有效探测.该器件采用P~+/N阱结构,P~+层深度较深,以提高对长光波的光子探测效率与响应度;采用低掺杂深N阱增大耗尽层厚度,可以提高探测灵敏度;深N阱与衬底形成的PN结可有效隔离衬底,降低衬底噪声;采用P阱保护环结构以预防过早边缘击穿现象.通过理论分析确定器件的基本结构参数及工艺参数,并对器件性能进行优化设计.实验结果表明,单光子雪崩二极管的窗口直径为10μm,器件的反向击穿电压为18.4V左右.用光强为0.001 W/cm~2的光照射,650nm处达到0.495A/W的响应度峰值;在2V的过偏压下,650~950nm波段范围内光子探测效率均高于30%,随着反向偏压的适当增大,探测效率有所提升.     

Analyses for various doping structures of SOI-based optical phase modulator using free carrier dispersion effect

This paper highlights the study on various structure of silicon-on-insulator (SOI) optical phase modulators based on free carrier dispersion effect. The proposed modulators employ the forward biased P-I-N diode structure integrated in the waveguide and will be working at 1.55 μm optical telecommunications wavelength. Three kinds of structure are compared systematically where the p+ and n+ doping positions are varied. The modeling and characterization of the SOI phase modulators was carried out by 3D numerical simulation package. Our results show that the position of doping regions have a great influences to the device performance. It was discovered that the best structure in this work demonstrated modulation efficiency of 0.015 V cm with a length of 155 μm.