 |
مدار دیود PN
این مدل یک شبیه‌سازی سطح دستگاه کامل را با یک مدل مدار توده‌ای برای شبیه‌سازی یکسوساز نیمه موج مقایسه می‌کند.
معرفی
دیود pn در کاربردهای الکترونیکی مدرن از اهمیت بالایی برخوردار است. اغلب به عنوان یکسو کننده برای تبدیل جریان های جایگزین (AC) به جریان مستقیم (DC) با مسدود کردن نیمه مثبت یا منفی موج AC استفاده می شود. مثال حاضر رفتار گذرا یک دیود pn را شبیه‌سازی می‌کند که به‌عنوان جزء فعال یک مدار یکسوکننده نیمه موج استفاده می‌شود – شکل 1 را ببینید.
شکل 1: مدار یکسو کننده نیمه موج پایه. یک منبع ولتاژ AC به آند یک دیود pn متصل است. مقاومت نشان دهنده بار مدار است.
در این مثال، یک شبیه‌سازی دستگاه سطح کامل با اتصال یک اتصال pn مشبک دوبعدی به یک مدار حاوی یک منبع سینوسی، یک مقاومت و یک زمین ساخته شده است (مدار یکسو کننده نیمه موج در شکل 1 نشان داده شده است ) . به منظور اعتبارسنجی نتایج، خروجی‌های شبیه‌سازی کامل دستگاه با پاسخ مدار به‌دست‌آمده با استفاده از مدل دیود سیگنال بزرگ مقایسه می‌شوند (مدار الکتریکی را ببینید).
تعریف مدل
شکل 2 سطح مقطع دستگاه مدل شده و مشخصات دوپینگ را نشان می دهد. دیود دارای عرض 10 میکرومتر و عمق 7 میکرومتر است . طول دیود روی 10 میکرومتر تنظیم شده است (بدون مشبک). یک نوترکیبی شاکلی-رید-هال نیز به مدل اضافه شده است تا نوع نوترکیبی که معمولاً در نیمه هادی های باند شکاف غیرمستقیم مانند سیلیکون مشاهده می شود، شبیه سازی شود، که ماده مورد استفاده در این مثال است. دیود مشبک با استفاده از ترمینال اهمی به مدار نیم موج متصل می شود. برای مدل دیود سیگنال بزرگ، جریان اشباع و ضریب ایده‌آل بر روی مقادیر متناسب با منحنی IV دیود مدل‌سازی شده تنظیم شده‌اند.
شکل 2: بالا: غلظت خالص دوپینگ در امتداد خط تقارن (مرکز مقطع دیود). پایین: مقطع دستگاه شبیه سازی شده. برای صرفه جویی در زمان محاسبات، فقط نیمی از دیود مشبک شده است، یعنی سمت راست با محور تقارن (خط چین قرمز) مشخص شده است.
 | اگر کل تاریخچه زمانی مورد توجه باشد، مطالعه وابسته به زمان باید از یک راه حل فیزیکی به عنوان شرط اولیه استفاده کند. معمولاً این کار با افزودن مرحله مطالعه Stationary قبل از مرحله مطالعه وابسته به زمان انجام می شود. علاوه بر این، گاهی اوقات لازم است مقداردهی اولیه Consistent را در قسمت Time Stepping پنجره تنظیمات برای گره Time-Dependent Solver در ساختار درختی Solver Configurations خاموش کنید . برای سادگی، این مدل نمونه تمام مراحل بالا را حذف کرده است. برای بحث دقیق تر در مورد تنظیم مطالعات گذرا، به پست وبلاگ مراجعه کنید https://www.comsol.com/blogs/how-to-simulate-the-carrier-dynamics-in-semiconductor-devices/ و دو مدل نمونه: بازیابی رو به جلو یک دیود پین (مسیر کتابخانه برنامه Semiconductor_Module/Device_Building_Blocks/pin_forward_recovery ) بازیابی معکوس یک دیود پین (مسیر کتابخانه برنامه Semiconductor_Module/Device_Building_Blocks/pin_reverse_recovery ) |
نتایج و بحث
شکل 3 ولتاژهای خروجی به دست آمده از هر دو مدل شبیه سازی سطح کامل و سیگنال بزرگ را نشان می دهد. همانطور که از عملکرد معکوس یک دیود pn انتظار می رود، برش در نیمه منفی موج در دیود رخ می دهد.
شکل 3: ولتاژهای خروجی به دست آمده از هر دو مدل شبیه سازی سطح کامل و سیگنال بزرگ. ولتاژها در انتهای منبع، دیود و بار نظارت شده است.
مسیر کتابخانه برنامه: Semiconductor_Module/Device_Building_Blocks/pn_diode_circuit
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard روی  2D کلیک کنید . |
2 | در درخت انتخاب فیزیک ، Semiconductor>Semiconductor (نیمه) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 | در درخت Select Physics ، AC/DC>Electrical Circuit (cir) را انتخاب کنید . |
5 | روی افزودن کلیک کنید . |
6 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
7 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Time Dependent را انتخاب کنید . |
8 |  روی Done کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 |  روی Load from File کلیک کنید . |
4 | به پوشه Application Libraries مدل بروید و روی فایل pn_diode_circuit_parameters.txt دوبار کلیک کنید . |
هندسه 1
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Sketch کلیک کنید . |
2 | در پنجره Model Builder ، روی Geometry 1 کلیک کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات هندسه ، بخش Units را پیدا کنید . |
4 | از لیست واحد طول ، میکرومتر را انتخاب کنید . |
مستطیل 1 (r1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید . |
2 | در پنجره Model Builder ، روی Rectangle 1 (r1) کلیک کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متن Width ، w_diode/2 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن ارتفاع ، d_diode را تایپ کنید . |
6 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن y ، -d_diode را تایپ کنید . |
پروفیل های دوپینگ در رابط نیمه هادی ایجاد خواهند شد. با این حال، برای داشتن یک شبکه ریزتر در مجاورت اتصالات، عاقلانه است که اجسام هندسی که مناطق دوپینگ را در مواد نیمه هادی تعریف می کنند، ایجاد کنیم.
مستطیل 2 (r2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، w_anode/2+d_p را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ارتفاع ، d_p را تایپ کنید . |
5 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن y ، -d_p را تایپ کنید . |
فیله 1 (fil1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Fillet کلیک کنید . |
2 | در شی r2 ، فقط نقطه 2 را انتخاب کنید. |
ممکن است با استفاده از پنجره Selection List انتخاب نقطه صحیح آسان تر باشد . برای باز کردن این پنجره، در نوار ابزار Home روی Windows کلیک کرده و Selection List را انتخاب کنید . (اگر از دسکتاپ کراس پلتفرم استفاده می کنید، ویندوز را در منوی اصلی پیدا می کنید.)
3 | در پنجره تنظیمات برای Fillet ، بخش Radius را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متن Radius ، d_p را تایپ کنید . |
نقطه 1 (pt1)
1 | در نوار ابزار هندسه ، روی  نقطه کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Point ، بخش Point را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن x ، w_anode/2 را تایپ کنید . |
4 |  روی Build All Objects کلیک کنید . |
خواص مواد نیمه هادی را برای سیلیکون بارگذاری کنید.
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Semiconductors>Si – Silicon را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
نیمه هادی (نیمه)
مدل تحلیلی دوپینگ 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Semiconductor (نیمه) کلیک راست کرده و Doping>Analytic Doping Model را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مدل تحلیلی دوپینگ ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه دامنه ها را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Impurity را پیدا کنید . از لیست نوع ناخالصی ، دوپینگ اهداکننده (نوع n) را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متنی N D 0 ، Nd_back را تایپ کنید . |
دوپینگ تحلیلی مدل 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Analytic Doping Model را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مدل تحلیلی دوپینگ ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه دامنه ها را انتخاب کنید . |
4 | بخش توزیع را پیدا کنید . از لیست، جعبه را انتخاب کنید . |
5 | بخش Uniform Region را پیدا کنید . بردار r 0 را به عنوان مشخص کنید |
0 [یک] | ایکس |
-d_diode | Y |
6 | در قسمت متن W ، w_diode/2 را تایپ کنید . |
7 | قسمت Impurity را پیدا کنید . از لیست نوع ناخالصی ، دوپینگ اهداکننده (نوع n) را انتخاب کنید . |
8 | در قسمت متنی N D 0 ، Nd_max را تایپ کنید . |
9 | قسمت پروفایل را پیدا کنید . از لیست N b ، غلظت اهداکننده (semi/adm1) را انتخاب کنید . |
مدل تحلیلی دوپینگ 3
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Analytic Doping Model را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مدل تحلیلی دوپینگ ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه دامنه ها را انتخاب کنید . |
4 | بخش توزیع را پیدا کنید . از لیست، جعبه را انتخاب کنید . |
5 | بخش Uniform Region را پیدا کنید . در قسمت متن W ، w_anode/2 را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن D ، d_p را تایپ کنید . |
7 | قسمت Impurity را پیدا کنید . در قسمت متنی N A 0 ، Na_max را تایپ کنید . |
8 | قسمت پروفایل را پیدا کنید . از لیست N b ، غلظت اهداکننده (semi/adm1) را انتخاب کنید . |
نوترکیبی به کمک تله 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Trap-Assisted Recombination را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Recombination با کمک تله ، قسمت انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه دامنه ها را انتخاب کنید . |
تماس فلزی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Metal Contact را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 5 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای تماس فلزی ، قسمت ترمینال را پیدا کنید . |
4 | از لیست نوع ترمینال ، مدار (جریان) را انتخاب کنید . |
کنتاکت فلزی 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Metal Contact را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 2 را انتخاب کنید. |
مدار الکتریکی (دایره)
در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Electrical Circuit (cir) کلیک کنید .
مقاومت 1 (R1)
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی  Resistor کلیک کنید . |
از یک مقاومت بار 100 کیلو اهم برای محدود کردن جریان در مدار استفاده کنید.
2 | در پنجره تنظیمات برای مقاومت ، بخش Node Connections را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 1 |
n | 0 |
4 | قسمت Device Parameters را پیدا کنید . در قسمت متن R ، 100[kohm] را تایپ کنید . |
منبع ولتاژ 1 (V1)
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی منبع  ولتاژ کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات منبع ولتاژ ، بخش اتصالات گره را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 2 |
n | 0 |
4 | قسمت Device Parameters را پیدا کنید . از لیست نوع منبع ، منبع Sine را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن v src ، Vac را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن f ، f را تایپ کنید . |
خارجی I در مقابل U 1 (IvsU1)
1 | در نوار ابزار Electrical Circuit ،  External I در مقابل U را کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای External I در مقابل U ، بخش Node Connections را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 2 |
n | 1 |
4 | بخش External Device را پیدا کنید . از لیست V ، ولتاژ ترمینال (semi/mc1) را انتخاب کنید . |
مطالعه 1
مرحله 1: وابسته به زمان
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی Step 1: Time Dependent کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
3 |  روی Range کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره‌ای Range ، tmax/50 را در قسمت متنی Step تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن توقف ، tmax را تایپ کنید . |
6 | روی Replace کلیک کنید . |
راه حل 1 (sol1)
1 | در نوار ابزار مطالعه ، روی  Show Default Solver کلیک کنید . |
2 | در پنجره Model Builder ، گره Solution 1 (sol1) را گسترش دهید ، سپس روی Time-Dependent Solver 1 کلیک کنید . |
3 | در پنجره تنظیمات برای حل وابسته به زمان ، برای گسترش بخش Time Steping کلیک کنید . |
4 | از لیست مراحل انجام شده توسط حل کننده ، دستی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متنی Time step ، tmax/100 را تایپ کنید . |
6 | در نوار ابزار مطالعه ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
غلظت الکترون (نیمه)
با اضافه کردن یک مدل مدار دیگر، می توانید مدل کوپل شده ما را با یک مدل مدار کامل (با استفاده از مدل دیود سیگنال بزرگ) مقایسه کنید.
فیزیک را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics باز شود . |
2 | به پنجره Add Physics بروید . |
3 | در درخت، AC/DC> Circuit Electrical (Cir) را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component 1 در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Physics کلیک کنید تا پنجره Add Physics بسته شود . |
مدار الکتریکی 2 (مدار2)
منبع ولتاژ 1 (V1)
1 | روی Component 1 (comp1)> Electrical Circuit 2 (cir2) کلیک راست کرده و منبع ولتاژ را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات منبع ولتاژ ، V2 را در قسمت متن نام تایپ کنید . |
3 | قسمت Node Connections را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 1 |
n | 0 |
4 | قسمت Device Parameters را پیدا کنید . از لیست نوع منبع ، منبع Sine را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن v src ، Vac را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن f ، f را تایپ کنید . |
از مدل دیود در مقیاس بزرگ با پارامترهای زیر استفاده کنید.
دیود 1 (D1)
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی  دیود کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دیود ، D2 را در قسمت متن نام تایپ کنید . |
3 | قسمت Node Connections را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 1 |
n | 2 |
4 | قسمت Model Parameters را پیدا کنید . در قسمت متن I S ، I0 را تایپ کنید . |
5 | در قسمت متن N ، eta را تایپ کنید . |
مقاومت 1 (R1)
1 | در نوار ابزار مدار الکتریکی ، روی  Resistor کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مقاومت ، R2 را در قسمت متن نام تایپ کنید . |
3 | قسمت Node Connections را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
برچسب | نام گره ها |
پ | 2 |
n | 0 |
4 | قسمت Device Parameters را پیدا کنید . در قسمت متن R ، 100[kohm] را تایپ کنید . |
اضافه کردن مطالعه
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study باز شود . |
2 | به پنجره Add Study بروید . |
3 | زیربخش مطالعات را پیدا کنید . در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Time Dependent را انتخاب کنید . |
4 | روی Add Study در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study بسته شود . |
مطالعه 2
مرحله 1: وابسته به زمان
1 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
2 |  روی Range کلیک کنید . |
3 | در کادر محاوره‌ای Range ، tmax/100 را در قسمت متنی Step تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن توقف ، tmax را تایپ کنید . |
5 | روی Replace کلیک کنید . |
6 | در پنجره تنظیمات مربوط به زمان وابسته ، قسمت تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . |
7 | از لیست Tolerance ، User controlled را انتخاب کنید . |
8 | در قسمت متنی Relative tolerance ، 0.001 را تایپ کنید . |
9 | قسمت Physics and Variables Selection را پیدا کنید . در جدول، کادرهای حل برای نیمه هادی (نیمه هادی) و مدار الکتریکی (دایره) را پاک کنید . |
10 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
پروب های ولتاژ
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، پروب های ولتاژ را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، None را انتخاب کنید . |
4 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
6 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، time (s) را تایپ کنید . |
7 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در قسمت متن مربوطه، Voltage (V) را تایپ کنید . |
8 | قسمت Legend را پیدا کنید . از لیست موقعیت ، پایین سمت راست را انتخاب کنید . |
جهانی 1
1 | روی Voltage probes کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 1/راه حل 1 (sol1) را انتخاب کنید . |
4 | روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Electrical Circuit>Devices>V1>cir.V1_v – ولتاژ در سراسر دستگاه V1 – V را انتخاب کنید . |
5 | قسمت y-Axis Data را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
cir.V1_v | V | ولتاژ دستگاه V1 |
cir.IvsU1_v | V | ولتاژ دستگاه خارجی I در مقابل. U 1 |
cir.R1_v | V | ولتاژ دستگاه R1 |
6 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . زیربخش نشانگرهای خط را پیدا کنید . از لیست نشانگر ، چرخه را انتخاب کنید . |
7 | از لیست موقعیت یابی ، Interpolated را انتخاب کنید . |
جهانی 2
1 | در پنجره Model Builder ، روی Voltage probes کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از لیست مجموعه داده ، مطالعه 2/راه حل 2 (sol2) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت y-Axis Data را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
cir2.V2_v | V | ولتاژ دستگاه V2 |
cir2.D2_v | V | ولتاژ در دستگاه D2 |
cir2.R2_v | V | ولتاژ دستگاه R2 |
5 | قسمت Coloring and Style را پیدا کنید . زیربخش نشانگرهای خط را پیدا کنید . از لیست نشانگر ، چرخه را انتخاب کنید . |
6 | از لیست موقعیت یابی ، Interpolated را انتخاب کنید . |
7 | در نوار ابزار Voltage probes ، روی  Plot کلیک کنید . |
