Основные команды программы DESSIS

Основные параметры секций командного файла DESSIS имеют следующие назначение и структуру:

 

File{…} – в данной секции определяются входные и выходные файлы DESSIS. Входные файлы – это файл сетки *.grd и файл распределения примесей *.dat моделируемой полупроводниковой структуры. Выходные файлы: файл*_des.dat, содержащий распределения различных параметров на входной сетке; файл*_des.plt, содержащий различные зависимости, представляемые в виде графиков; файл протокола *_des.log. При использовании DESSIS в составе проекта GENESISe со стандартными именами файлов (например, n3_mdr.grd, n4_des.dat и т.д.) удобно используемые в DESSIS файлы обозначать следующим образом:

grid = " @grid@"

doping = " @doping@"

plot = " @dat@"

current = " @plot@"

output = " @log@"

 

При таком определении будут автоматически подставлены файлы моделируемой структуры и созданы выходные файлы со стандартными именами. При использовании нестандартных имен необходимо явно указать имена файлов, например:

grid = " nmos_mdr.grd"

doping = " nmos_mdr.dat"

plot = " output_des.dat"

current = " output_des.plt"

output = " output_des.log"

 

Файлы с расширением *_des.plt можно просматривать в программе INSPECT, а файл *_des.dat вместе с соответствующим ему файлом *_mdr.grd - в программе TECPLOT;

 

Electrode{…} – эта секция служит для определения электрических контактов моделируемой структуры и задания начальных параметров на них. Данные параметры служат электрическими граничными условиями при решении систем уравнений, описывающих электрофизические свойства моделируемого прибора. Названия электродов соответствуют названиям, данным в программе DIOS или MDRAW. Контакты, которые не описаны в данной секции, игнорируются DESSIS. В качестве начальных параметров на электродах могут быть заданы: напряжение (Voltage, В), ток (Current, А), заряд (Charge, Кл) и другие параметры. Можно также указать, что к электроду подключен резистор (Resistor, Ом). При задании затвора MOS транзистора необходимо указывать разность работ выхода между металлом затвора и кремнием (barrier, эВ). При использовании затвора из сильнолегированного поликремния нужно указать тип проводимости поликремния (material = " PolySi" (N)).

Например:

Electrode {

{name = " source" voltage = 0.0}

{name = " gate" voltage = -2.0 material = " PolySi" (N)}

{name = " substrate" current = 1e-3}

{name = " drain" voltage = 2.0 resistor = 100}

{name = " gate1" voltage = 5.0 Barrier=-0.55}

}

 

Termode{…} – секция для определения термических контактов. Если при расчете не учитываются термодинамические характеристики модели, то данная секция не используется. Секция по назначению и структуре аналогична секции electrode{}. В качестве начальных параметров чаще всего используются температура (temperature, K), тепловое сопротивление (SurfaceResistance, см²*К/Вт), коэффициент теплопроводности – величина, обратная тепловому сопротивлению (SurfaceConductance) и др.

Например:

Thermode {

{ Name = " substrate" Temperature = 300 }

{name = " surface" Temperature = 310 SurfaceResistance = 0.1}}

 

Physics{…} – секция для описания используемых в расчете физических моделей. Основные параметры:

AreaFactor = number – задает толщину [мкм] двумерной структуры, преобразуя ее в трехмерную, по умолчанию 1 мкм;

Temperature = number – температура [К], при которой находится виртуальная структура, по умолчанию 300 К;

EffectiveIntrinsicDensity(BandGapNarrowing(Slotboom)) – модель сужения запрещенной зоны кремния, по умолчанию учет этого эффекта включен. Наиболее часто используется модель Slotboom, которую можно задавать в виде EffectiveIntrinsicDensity(Slotboom));

Hydrodynamic – включение гидродинамической транспортной модели;

Mobility(…) – задание различных моделей, учитывающих изменение подвижности носителей под действием различных факторов. Из них наиболее часто используются следующие:

DopingDependence(Masetti) – модели, учитывающие зависимость подвижности носителей от концентрации примесей, для кремния по умолчанию используется модель Masetti;

HighFieldSaturation(GradQuasiFermi) – модели насыщения дрейфовой скорости носителей в сильном электрическом поле, по умолчанию используется модель GradQuasiFermi, также часто используется модель Eparallel, учитывающая параллельное поверхности подложки электрическое поле;

NormalElectricField или Enormal - модель, учитывающая влияние нормального к поверхности подложки электрического поля;

CarrierCarrierScattering(ConwellWeisskopf) – модели, учитывающие рассеивание носителей на других носителях; по умолчанию используется модель ConwellWeisskopf;

Recombination(…) – используемые модели генерации-рекомбинации носителей, по умолчанию все модели отключены. Наиболее часто используются следующие модели:

SRH(models) – рекомбинация Шокли-Рида-Холла, models – учет зависимости от концентрации примесей (DopingDependence), от температуры (TempDependence), учет туннельного эффекта (Tunneling) и др.;

CDL(models) – рекомбинация на парных дефектных энергетических уровнях, models – те же, что и в рекомбинации ШРХ;

Auger – рекомбинация Оже;

Band2Band – генерация носителей путем туннельного перехода зона–зона;

Avalanche(VanOverstraeten GradQuasiFermi) – лавинная генерация электронно-дырочных пар (или ударная ионизация); модель по умолчанию VanOverstraeten; модель напряженности внутреннего электрического поля GradQuasiFermi (по умолчанию) либо Eparallel;

SurfaceSRH – поверхностная рекомбинация ШРХ;

 

Thermodynamic – включение учета термодинамических характеристик моделируемой структуры, например, для учета саморазогрева;

 

Charge(Concentration = number) – концентрация зарядов в оксиде кремния, см^-3, по умолчанию 0 см^-3.

Physics(MaterialInterface=" Oxide/Silicon" ) {charge(surfconc=Nss)} – таким образом можно задать концентрацию зарядов на границе раздела оксид-кремний, см^-3. Подобным образом задаются и другие параметры и модели на границах раздела, для отдельных материалов, областей и т.д. Следует обратить внимание на то, что данные команды не включаются в основную секцию Physics{}.

Для многих задач достаточно следующих моделей физических процессов:

Physics{

AreaFactor = number

Temperature = number

EffectiveIntrinsicDensity(Slotboom)

Mobility(

DopingDependence

HighFieldSaturation

Enormal

)

Recombination(

SRH(DopingDependence)

CDL(DopingDependence)

Band2Band

Avalanche

)

Charge(Concentration = number)

}

Physics(MaterialInterface=" Oxide/Silicon" ){charge(surfconc=Nss)}

 

Math{…} – секция, в которой описываются используемые для решения уравнений математические методы. Наиболее часто используемые параметры:

Cylindrical – указывает, что для моделируемой структуры необходимо использовать цилиндрическую систему координат, это полезно при моделировании диодных и других простых двумерных структур;

Derivatives – использование аналитических производных подвижности носителей в решаемых уравнениях. По умолчанию этот параметр включен, для его выключения нужно указать Derivatives;

AvalDerivatives – использование аналитических производных в уравнениях ударной ионизации. По умолчанию этот параметр включен, для его выключения нужно указать AvalDerivatives;

NewDiscretization – использование улучшенной схемы дискретизации уравнений. По умолчанию этот параметр включен, для его выключения нужно указать NewDiscretization;

RelErrControl – включение относительного критерия остановки итерационного процесса при достижении необходимой точности (по умолчанию включен); задание RellErrControl включает абсолютный критерий, при этом необходимо задать параметр Digits=number (по умолчанию Digits = 5), означающий число знаков после запятой в критерии точности;

Iterations – задание максимального количества итераций на каждом шаге, по умолчанию Iterations=50. Если уравнения не сходятся после заданного количества итераций, то шаг уменьшается и процедура повторяется;

Extrapolate – использование экстраполяции при итерационном решении уравнений. По умолчанию параметр выключен. Рекомендуется его включать для улучшения сходимости уравнений;

Smooth – сглаживание результатов, полученных на соседних шагах, используется при плохой сходимости.

Для большинства случаев достаточно явно заданных параметров:

Math{

RelErrControl

Iterations = 20

Extrapolate

}

 

Plot{…} – определение физических величин, распределения которых будут рассчитаны и занесены в файл *_des.dat. Назначение большинства из них понятно из названия. Вычислены будут только те величины, расчет которых возможен на основе выбранных моделей физических процессов. Наиболее часто используемые величины:

AcceptorConcentration – концентрация акцепторных примесей;

AntimonyActiveConcentration-концентрация электрически активной сурьмы;

AntimonyConcentration – концентрация сурьмы;

AntimonyPlusConcentration – концентрация положительных ионов сурьмы;

ArsenicActiveConcentration – концентрация электрически активного мышьяка;

ArsenicConcentration – концентрация мышьяка;

ArsenicPlusConcentration – концентрация положительных ионов мышьяка;

AugerRecombination – скорость рекомбинации Оже;

AvalancheGeneration – скорость лавинной генерации носителей;

Band2BandGeneration – скорость генерации носителей путем туннельного перехода зона–зона;

BandGap – ширина запрещенной зоны;

BandgapNarrowing – сужение запрещенной зоны;

BoronActiveConcentration – концентрация электрически активного бора;

BoronConcentration – концентрация бора;

BoronMinusConcentration – концентрация отрицательных ионов бора;

BuiltinPotential – встроенный электрический потенциал;

CDLRecombination – скорость рекомбинации на парных уровнях дефектов;

ConductionBandEnergy – энергия на дне зоны проводимости;

DielectricConstant – диэлектрическая проницаемость;

DonorConcentration – концентрация доноров;

DopingConcentration – разность концентрации донорных и акцепторных примесей;

eCurrentDensity – плотность электронного тока;

eDensity – концентрация электронов;

eDirectTunnelCurrent – плотность туннельного электронного тока;

eDriftVelocity – дрейфовая скорость электронов;

EffectiveBandGap – эффективная ширина запрещенной зоны;

EffectiveIntrinsicDensity-эффективная собственная концентрация носителей;

eGradQuasiFermi – градиент электронного квазиуровня Ферми;

eQuasiFermiPotential – электронный квазипотенциал Ферми;

ElectricField – напряженность электрического поля;

ElectronAffinity – электронное сродство;

ElectrostaticPotential – электростатический потенциал;

eLifetime – время жизни электрнов;

eMobility – подвижность электронов;

eSaturationVelocity – скорость электронов в области насыщения;

eTemperature – температура электронов;

eVelocity – скорость электронов;

hCurrentDensity – плотность дырочного тока;

hDensity – концентрация дырок;

hDirectTunnelCurrent – плотность туннельного дырочного тока;

hDriftVelocity – дрейфовая скорость дырок;

hGradQuasiFermi – градиент дырочного квазиуровня Ферми;

hLifetime – время жизни дырок;

hMobility – подвижность дырок;

HotElectronInj – инжекция горячих электронов;

HotHoleInj – инжекция горячих дырок;

hQuasiFermiPotential – дырочный квазипотенциал Ферми;

hSaturationVelocity – скорость дырок в области насыщения;

hTemperature – температура дырок;

hVelocity – скорость дырок;

LatticeTemperature – температура;

PhosphorusActiveConcentration - концентрация электрически активного фосфора;

PhosphorusConcentration – концентрация фосфора;

PhosphorusPlusConcentration-концентрация положительных ионов фосфора;

QuasiFermiPotential – квазипотенциал Ферми;

SpaceCharge – пространственный заряд;

SRHRecombination – скорость рекомбинации Шокли–Рида–Холла;

ThermalConductivity – теплопроводность;

ThomsonHeat – скорость выделения теплоты в результате эффекта Томсона;

TotalConcentration – полная концентрация примесей;

TotalCurrentDensity – полная плотность тока;

TotalHeat – полная скорость выделения теплоты;

TotalRecombination – полная скорость рекомбинации.

Пример:

Plot{

AcceptorConcentration DonorConcentration

BoronConcentration PhosphorusConcentration TotalConcentration DopingConcentration

BandGap BandgapNarrowing BuiltinPotential

ElectrostaticPotential SpaceCharge ElectricField

SRHRecombination CDLRecombination AvalancheGeneration

Band2BandGeneration TotalRecombination

eDensity eMobility eCurrentDensity

hDensity hMobility hCurrentDensity

TotalCurrentDensity

LatticeTemperature

}

 

Solve{…} – секция для задания используемых уравнений и условий их решения. В данной секции важен порядок следования команд. Обычно используется следующая схема решения: получение начального решения, затем циклическое изменение с определенным шагом какого-либо начального параметра и расчет уравнений в режиме установившегося равновесия (квазистационарный режим). Для решения уравнений обычно используется алгоритм Ньютона. Начальное решение чаще всего формируется за один или два шага. Например, можно на первом шаге решить уравнение Пуассона с использованием начальных условий, заданных в секции Electrode{}. На втором шаге решается система уравнений, состоящая из уравнения Пуассона и уравнений непрерывностей для электронов и дырок, в которой в качестве начальных условий используются результаты, полученные на первом шаге:

Poisson

Coupled { Poisson Electron Hole }

Такой подход обычно обеспечивает хорошую сходимость. Можно на первом же шаге решать систему уравнений, тогда отдельное решение уравнения Пуассона и второй шаг не нужны. При учете термодинамических свойств моделируемого прибора рекомендуется в начальное решение не включать уравнения термодинамики для обеспечения лучшей сходимости.

После расчета начального решения обычно используется следующая процедура: с определенным шагом на заданном электроде (термоде) изменяется начальный параметр, для каждого шага рассчитывается система уравнений (coupled{Poisson Electron Hole} или coupled{Poisson Electron Hole Temperature} при учете термодинамических свойств) в квазистационарных условиях, используя новое значение параметра вместо исходного. В качестве начального используется решение, полученное на предыдущем шаге. Если система уравнений не сходится, то шаг изменения параметра уменьшается и система рассчитывается заново. После успешного решения шаг увеличивается. Процедура повторяется, пока параметр на электроде (термоде) не достигнет заданного значения. В случае систематической расходимости уравнений расчет прерывается. Параметры изменения шага: начальный InitialStep, минимальный MinStep и максимальный MaxStep шаги, а также коэффициенты увеличения Increment и уменьшения Decrement шага.

Например:

QuasiStationary (

InitialStep = 1e-3

MaxStep = 1e-2

MinStep = 1e-7

Goal { name = " gate" voltage = 5 })

{

Coupled {Hole Electron Poisson}

}

В данном примере напряжение на электроде gate изменяется от начального до 5 В, шаг изменения и пределы его вариаций заданы пара-метрами InitialStep, MaxStep и MinStep. Increment и Decrement установлены по умолчанию (оба равны 2). Параметры на остальных электродах остаются неизменными. На каждом шаге решается система, состоящая из уравнений Пуассона, непрерывности для электронов и дырок.

Примеры команды Solve{}:

а) без учета термодинамических характеристик:

Solve {

Poisson

Coupled {Poisson Electron Hole}

 

QuasiStationary (

InitialStep = 0.001

MaxStep = 0.01

MinStep = 1e-7

Goal { name = " gate" voltage = 5 })

{

Coupled {Hole Electron Poisson}

}

}

б) с учетом термодинамических характеристик (например, при учете саморазогрева):

Solve {

Coupled {Poisson Electron Hole}

 

QuasiStationary (

InitialStep = 0.01

MaxStep = 0.1

MinStep = 1e-5

Goal { name = " drain" voltage = 30 })

{

Coupled {Hole Electron Poisson Temperature}

}

}

В команде Solve{} может быть несколько команд Goal{}. После выполнения команды Solve{} на использованном в команде Goal{} электроде (термоде) остается то значение параметра, которое было последним в итерационной процедуре. В выходной файл *_des.dat записываются указанные в секции Plot{} величины, рассчитанные при этом последнем значении параметра на электроде. В файл *_des.plt записываются данные по мере изменения значения рассматриваемого параметра. Поэтому различные распределения из файла *_des.dat в TECPLOT можно просмотреть только при фиксированном режиме моделируемого прибора. Характеристики из файла *_des.plt можно просмотреть в INSPECT во всем диапазоне изменения рассматриваемого параметра – это различные вольт-амперные и другие характеристики.

 

 

Пример командного файла DESSIS

 

Ниже приведен пример командного файла DESSIS для расчета передаточной характеристики n-MOS транзистора.

 

File {

grid = " @grid@"

doping = " @doping@"

plot = " @dat@"

current = " @plot@"

output = " @log@"

}

Electrode {

{name = " source" voltage = 0.0}

{name = " gate" voltage = -1.0 material = " PolySi" (N)}

{name = " substrate" voltage = 0.0}

{name = " drain" voltage = 10.0}

}

Physics {

AreaFactor = 1e3

EffectiveIntrinsicDensity(Slotboom)

Mobility(

DopingDependence

HighFieldSaturation(GradQuasiFermi)

NormalElectricField

)

Recombination(

SRH(DopingDependence )

Band2Band

)

Temperature = 300

}

Physics(MaterialInterface=" Oxide/Silicon" ) {charge(surfconc=1e11)}

 

Math {

Extrapolate

Iterations = 7

RelerrControl

Derivatives

NewDiscretization

}

Plot {

AcceptorConcentration DonorConcentration DopingConcentration TotalConcentration

BoronActiveConcentration BoronConcentration BoronMinusConcentration

PhosphorusActiveConcentration PhosphorusConcentration PhosphorusPlusConcentration

eDensity hDensity eMobility hMobility

BuiltinPotential ElectricField ElectrostaticPotential SpaceCharge

SRHRecombination Band2BandGeneration TotalRecombination

eCurrentDensity hCurrentDensity TotalCurrentDensity

BandGap BandgapNarrowing

eDriftVelocity

}

Solve {

* Получение начального решения:

Poisson

Coupled { Poisson Electron Hole }

 

* Решение системы уравнений в квазистационарных *условиях при увеличивающемся напряжении на затворе

QuasiStationary (

InitialStep = 0.001

MaxStep = 0.01

MinStep = 1e-7

Goal { name = " gate" voltage = 5 })

{

Coupled {Hole Electron Poisson}

}

}

Рассчитанная передаточная характеристика приведена на рисунке 22.

 

 

Рис. 22. Рассчитанная с помощью DESSIS

передаточная характеристика n-MOS транзистора.

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: