مقدمه‌ای برای ماژول نیمه‌هادی-کامسول

مقدمه:

مهندسان افزاره و فیزیکدانان از ماژول نیمه‌هادی برای طراحی و بهینه‌سازی افزاره‌های نیمه‌هادی استفاده می‌کنند.سالهاست که طراحی افزاره نیمه‌هادی با استفاده از ابزارهای شبیه‌سازی،به دلیل هزینه بالای نمونه‌‌سازی افزاره‌ها و فرآیندهای جدید ارتباط تنگاتنگی دارند.پیشرفت فناوری نانو و نیمه‌هادیهای آلی برای ساخت بسیاری از افزاره‌های جدید کمک کرده است. محققان در این زمینه‌ها همچنین از شبیه‌سازی برای کمک به درک اساسی و بهینه‌سازی طراحی استفاده می‌کنند.برای همه سیستم‌های ذکر شده در بالا،اثرات چند فیزیکی اغلب نقش مهمی دارند و چند فیزیکی کامسول بستر ایده‌آلی برای بررسی این اثرات است.ماژول نیمه‌هادی شامل یک رابطه نیمه‌هادی از پیش تعریف شده،که براساس فرمول‌سازی متداول رانش-انتشار ساخته شده است.پیاده‌سازی یک شیب چگالی انتخابی نیز برای ارائه یک روش مؤثر محاسباتی با افزودن اثر محدودیت کوانتومی به سیستم معادله رانش-انتشار امکانپذیر است.
علاوه‌براین،رابطه معادله شرودینگر از پیش تعریف شده و رابطه چند فیزیکی معادله پواسون-شرودینگر از پیش تعریف شده امکان مدلسازی دقیق‌تر سیستم‌های محدودیت کوانتومی مانند چاه‌کوانتومی،وایر‌ها و نقاط را میدهد.ماژول نیمه‌هادی عملکرد ایستا و پویا افزاره‌ها را قادر می‌سازد تا در یک،دو و سه بعد همراه با مدلسازی مدار مبتنی بر افزاره‌های فعال و غیرفعال مدل شوند.در دامنه فرکانس،امکان مدل افزاره‌های هدایت شده توسط ترکیبی از سیگنالهای AC و DC وجود دارد.طیف گسترده‌ای از افزاره‌های نیمه‌هادی را می‌توان مدلسازی کرد و پدیده‌هایی مانند تولید گرما،واکنش الکتروشیمیایی و اثرات الکترونیک‌نوری را می‌توان بطور مستقیم با استفاده از اتصالات از پیش تعریف شده یا دستی گنجاند. رابطه نیمه‌هادی معادلات رانش-انتشار و پواسون را با استفاده از حجم محدود یا روش اجزای محدود حل می‌کند.رابطه فیزیکی مجموعه‌ای از معادلات دیفرانسیل جزئی پیوسته را برای پتانسیل الکتریکی و غلظت الکترون و حفره حل می‌کند(یا لگاریتم آنها را در مورد فرمولسازی لگاریتم روش المان محدود یا سطوح شبه -فرمی آنها در مورد سطح شبه-فرمی و فرمولسازی شیب چگالی).شرایط اولیه و مرزی براحتی در رابطه فیزیکی مشخص می‌شوند.طرح چند فیزیکی کامسول با ارائه معادلات حل شده از طریق هر ویژگی به کاربران و دسترسی کامل به سیستم معادلات اساسی بر فیزیک تأکید دارد.راهنمای کاربران ماژول نیمه‌هادی اطلاعات کاملی در مورد تئوری اساسی روابط نیمه‌هادی ارائه می‌دهد.
همچنین انعطاف‌پذیری فوق‌العاده‌ای با افزودن معادلات و عبارات تعریف شده توسط کاربر به سیستم وجود دارد.برای مثال، مدلهای تحریک تعریف شده توسط کاربر را می‌توان به راحتی با تایپ عبارات مناسب و ویژگی تعریف شده توسط کاربر،بدون نیاز به اسکریپت نویسی یا کدگذاری مشخص کرد.این مدلهای تحریک تعریف شده توسط کاربر را می‌توان اختیاری با مدلهای تحریک پیش‌فرضی که در نرم‌افزار تعریف شده ترکیب نمود.هنگامی که معادلات چند فیزیکی کامسول را جمع‌آوری می‌کند،پیوستگی پیچیده‌ای توسط این عبارات تعریف شده توسط کاربر بطور خودکار در سیستم معادلات گنجانده شده،ایجاد می‌شود.سپس معادلات با استفاده از طیف وسیعی از حل‌های حالت پیشرفته حل می‌شوند.پس از دستیابی به راه‌حل،طیف وسیعی از ابزارهای تجزیه و تحلیل نتایج برای بررسی داده‌ها قابل دسترسی هستند و نمودارهای از پیش تعریف شده بطور خودکار برای نشان دادن پاسخ افزاره ایجاد می‌شوند.کامسول چند فیزیکی انعطاف‌پذیری برای بررسی طیف گسترده‌ای از مقادیر فیزیکی از جمله مقادیر از پیش تعریف شده مانند جریان الکترون و حفره(شامل مولفه‌های جریان از رانش،انتشار و انتشار حرارتی)،میدان الکتریکی،میزان تولید/بازترکیب و دما را ارائه داده و همه از طریق استفاده آسان منوها و همچنین عبارات دلخواه تعریف شده توسط کاربر در دسترس قرار می‌گیرند.برای مدلسازی یک افزاره نیمه‌هادی،ابتدا هندسه در نرم‌افزار تعریف می‌شود،سپس مواد مناسب انتخاب شده و رابطه نیمه‌هادی اضافه می‌شود.توزیع دوپینگ را میتوان جداگانه با استفاده از محاسبه معادله نفوذ با وارد کردن قسمت سوم نرم‌افزار یا بصورت تجربی با استفاده از ویژگی‌های دوپینگ داخلی مشخص شده محاسبه کرد.شرایط اولیه و شرایط مرزی درون رابطه فیزیکی تنظیم شده است. در ادامه مش تعریف شده و یک حل انتخاب می‌‌شود.در نهایت نتایج با استفاده از طیف گسترده‌ای از ابزارهای رسم کشیده و ارزیابی می‌شوند.همه این مراحل از طریق رابط کاربر گرافیکی بصری دسکتاپ کامسول قابل دسترسی هستند.رابطه معادله شرودینگر،معادله شرودینگر برای تابع موج یک ذره منفرد در یک پتانسیل خارجی حل می‌کند.این را می‌توان برای مشکلات کلی مکانیک کوانتومی و همچنین برای توابع موج الکترون و حفره در سیستم‌های محدود شده کوانتومی تحت تقریب پوش تابع استفاده کرد.شرایط مرزی و انواع مطالعه مناسب برای کاربر پیاده‌سازی شده است تا به راحتی مدل‌هایی را برای مقادیر مربوطه در موقعیت‌های مختلف مانند انرژی‌های ویژه در حالتهای باند،میزان تأخیر حالت‌های شبه باند،ضرایب انتقال و انعکاس،شرایط تونل‌زنی تشدید و شکاف باند مؤثر یک ساختار ابرشبکه‌ای محاسبه کند.مدل سد دوبل یک بعدی و برنامه ابزار شکاف‌باند ابرشبکه‌ای در کتابخانه کاربردی استفاده از ویژگی‌های مختلف داخلی را نشان میدهد.

افزاره‌های نیمه‌هادی:

ماژول نیمه‌هادی را می‌توان برای حل طیف وسیعی از مشکلات شبیه‌سازی افزاره استفاده کرد.رابطه نیمه‌هادی را می‌توان بطور مستقیم با سایر روابط فیزیکی مانند رابطه‌های امواج الکترومغناطیسی(با استفاده از اتصال چند فیزیک نیمه‌های الکترونیک‌نوری از پیش تعریف شده)،رابطه انتقال حرارت در جامدات و روابط مدارهای الکتریکی اتصال داد.اتصال با یک مدار بطور مستقیم با استفاده از پایه‌های دارای شرایط مرزی مناسب است.شکل1،نتایج بدست آمده از یک مدل پیوندp-n دوبعدی که در آن یک مدل افزاره از یک دیود با یک مدار الکتریکی متصل شده و منجر به یکسوساز شده را نشان میدهد.غلظت الکترون و حفره در زمان اعمال ولتاژهای مختلف به مدار در شکل‌ها نشان داده شده است.