器件仿真工具DESSIS的模型分析.pptx
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1、第第6章章 器件仿真器件仿真工具工具(DESSIS)的的模型分析模型分析 器件仿真主要是通过解一系列的数学物理偏微分器件仿真主要是通过解一系列的数学物理偏微分方程方程,以得到相应器件的电热特性。描述半导体器件,以得到相应器件的电热特性。描述半导体器件中电荷传输的主要方程有:泊松方程、电子连续性方中电荷传输的主要方程有:泊松方程、电子连续性方程、空穴连续性方程,分别如程、空穴连续性方程,分别如下下式式所示:所示:(6.1)(6.2)(6.3)2/392024/6/25 周二浙大微电子 所有这些偏微分方程中所涉及的物理参量必须要所有这些偏微分方程中所涉及的物理参量必须要有相应的物理模型来描述,从而
2、将器件结构特性、应有相应的物理模型来描述,从而将器件结构特性、应用偏置特性和相应的电学参数加以联系,而根据制造用偏置特性和相应的电学参数加以联系,而根据制造工艺、器件结构以及应用条件的不同,要选用的物理工艺、器件结构以及应用条件的不同,要选用的物理模型、方程边界条件、物理模型的相应参数也不同。模型、方程边界条件、物理模型的相应参数也不同。物理模型的选择主要包括物理模型的选择主要包括传输方程模型、传输方程模型、能带模型(还包括玻耳兹曼统计模型或费米统计模型的能带模型(还包括玻耳兹曼统计模型或费米统计模型的选择)选择)迁移率模型、迁移率模型、载流子产生载流子产生-复合模型。复合模型。3/39202
3、4/6/25 周二浙大微电子2024/6/25 周二浙大微电子4/39本章内容本章内容传输方程模型传输方程模型能带模型能带模型迁移率模型迁移率模型雪崩离化模型雪崩离化模型复合模型复合模型2024/6/25 周二浙大微电子5/39本章内容本章内容传输方程模型传输方程模型能带模型能带模型迁移率模型迁移率模型雪崩离化模型雪崩离化模型复合模型复合模型DESSIS中描述的传输方程主要有三种模型:中描述的传输方程主要有三种模型:漂移漂移-扩散模型扩散模型热力学模型热力学模型流体力学模型流体力学模型 6/392024/6/25 周二 漂移漂移-扩散模型只解三个半导体基本方程,其电流密度的定扩散模型只解三个半
4、导体基本方程,其电流密度的定义如下式所示,其中并没有温度项,因而只适用于等温仿真。义如下式所示,其中并没有温度项,因而只适用于等温仿真。浙大微电子 热力学模型考虑了晶格自热效应,适用于热交热力学模型考虑了晶格自热效应,适用于热交换小、功率密度大、有源区较长的器件。电流密度定换小、功率密度大、有源区较长的器件。电流密度定义如下式所示,与前页等式相比多了义如下式所示,与前页等式相比多了PnT和和 PpT 两项,其中两项,其中T表示温度变化率,表示温度变化率,Pn和和Pp是绝对热电是绝对热电功率,功率,7/392024/6/25 周二浙大微电子流体力学模型中电流密度的定义如下式所示,括号内的流体力学
5、模型中电流密度的定义如下式所示,括号内的第一项表示:第一项表示:静电势静电势电子亲和能电子亲和能禁带宽度的空间变化对电流密度的贡献禁带宽度的空间变化对电流密度的贡献 后面三项分别表示:后面三项分别表示:浓度梯度浓度梯度载流子温度梯度载流子温度梯度载流子有效质量的空间变化对电流密度的贡献载流子有效质量的空间变化对电流密度的贡献8/392024/6/25 周二浙大微电子 9/39 在在ESD仿真中,由于牵涉到高温的情况,仿真中,由于牵涉到高温的情况,漂移漂移-扩散模型不能使用,热力学模型和流体扩散模型不能使用,热力学模型和流体力学模型都可以使用,但是由于流体力学模力学模型都可以使用,但是由于流体力
6、学模型比热力学模型要慢很多,因此一般情况下,型比热力学模型要慢很多,因此一般情况下,使用热力学模型。使用热力学模型。2024/6/25 周二浙大微电子2024/6/25 周二浙大微电子10/39本章内容本章内容传输方程模型传输方程模型能带模型能带模型迁移率模型迁移率模型雪崩离化模型雪崩离化模型复合模型复合模型 半导体材料的禁带宽度以及能带边缘半导体材料的禁带宽度以及能带边缘的状态密度决定着半导体材料中的本征载流的状态密度决定着半导体材料中的本征载流子浓度,将温度和禁带变窄效应考虑在内后,子浓度,将温度和禁带变窄效应考虑在内后,有效禁带宽度可表示为:有效禁带宽度可表示为:11/392024/6/
7、25 周二浙大微电子 Eg,0和和Eg 随所选用的禁带变窄效应随所选用的禁带变窄效应模型的不同而不同。模型的不同而不同。DESSIS中共有四种:中共有四种:Bennett模型模型Slotboom模型模型OldSlotboom模型模型delAlamo模型模型 12/392024/6/25 周二0浙大微电子13/39四种能带变窄模型的函数对比图四种能带变窄模型的函数对比图2024/6/25 周二浙大微电子 四种模型在四种模型在11015cm-311021cm-3浓度范围浓度范围内的最大差距约为内的最大差距约为0.1 eV,相应的本征载流子浓度最,相应的本征载流子浓度最大差距约为大差距约为10.5%
8、。一般情况下选择一般情况下选择OldSlotboom模型。模型。14/392024/6/25 周二浙大微电子2024/6/25 周二浙大微电子15/39本章内容本章内容传输方程模型传输方程模型能带模型能带模型迁移率模型迁移率模型雪崩离化模型雪崩离化模型复合模型复合模型16/392024/6/25 周二 实际载流子的迁移率受到多种因素的影响会退实际载流子的迁移率受到多种因素的影响会退化,因而器件仿真软件中也要有相应的模型描述这些化,因而器件仿真软件中也要有相应的模型描述这些物理现象。物理现象。浙大微电子 DESSIS中描述了以下几种主要的迁移率退化:中描述了以下几种主要的迁移率退化:晶格散射引起
9、的迁移率退化(主要与温度有关)、电晶格散射引起的迁移率退化(主要与温度有关)、电离杂质散射引起的迁移率退化(主要与掺杂浓度有关)离杂质散射引起的迁移率退化(主要与掺杂浓度有关);载流子间散射引起的迁移率退化(主要与载流子浓度载流子间散射引起的迁移率退化(主要与载流子浓度有关)有关);高场饱和引起的迁移率退化(主要与电场强度有关)高场饱和引起的迁移率退化(主要与电场强度有关);表面声子及表面粗糙度引起的迁移率退化(主要与表表面声子及表面粗糙度引起的迁移率退化(主要与表面横向电场有关系)面横向电场有关系);17/392024/6/25 周二浙大微电子 DESSIS中以上各种迁移率退化模型可以任意中
10、以上各种迁移率退化模型可以任意组合,而最终的迁移率值按照下式计算得到。组合,而最终的迁移率值按照下式计算得到。(6.26)(6.27)18/39 low表示低场下把表示低场下把m种模型都考虑进去之后得出种模型都考虑进去之后得出的迁移率值,函数的迁移率值,函数f 根据仿真所选的高场饱和模型而根据仿真所选的高场饱和模型而定。定。2024/6/25 周二浙大微电子 DESSIS默认只考虑晶格散射引起的迁移率退默认只考虑晶格散射引起的迁移率退化(称为常数迁移率模型),即迁移率值只和温度化(称为常数迁移率模型),即迁移率值只和温度相关,如下式所示,相关,如下式所示,L是常温下的迁移率值,是常温下的迁移率
11、值,T0=300 K。19/392024/6/25 周二晶格散射引起的迁移率退化晶格散射引起的迁移率退化浙大微电子 电离杂质散射在电离杂质散射在DESSIS中有中有3种模型:种模型:Masetti模型(默认模型)模型(默认模型)Arora模型模型 UniBo模型模型20/392024/6/25 周二电离杂质散射引起的迁移率退化电离杂质散射引起的迁移率退化浙大微电子 下图描绘了电子和空穴迁移率在下图描绘了电子和空穴迁移率在300 K温度时随温度时随浓度的退化曲线,可以看出三种模型下迁移率随浓度浓度的退化曲线,可以看出三种模型下迁移率随浓度的退化只有在的退化只有在11019cm-3以上的掺杂浓度时
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