半导体器件原理虚拟仿真系统简介

 

    半导体器件是集成电路芯片的最核心部分，其性能高低主导着最终芯片的整体性能。然而，半导体器件通常是三维立体结构，其内部结构特征和参数信息很难通过真实实验获得，因此，需要借助虚拟仿真技术“层层”剖析半导体器件，直观、形象地展示半导体器件内部不同方向上结构和参数变化规律，这有助于增强学生对半导体器件结构、特性和原理的把握，并对后续集成电路设计具有重大意义。
 

（一）器件原理与特性测试虚拟仿真实验平台
 

A. 实验功能
 

    该实验利用ISE-TCAD等软件，基于工艺和器件结构参数，展示器件工作机理，模拟器件特性参数和工作曲线，优化器件设计。
 

B. 主要虚拟仿真实验项目与服务课程

 

序号	实验名称	相关课程
1	半导体二极管的工作原理	《场效应器件物理》、《双极器件物理》、《化合物半导体器件物理》等
2	半导体二极管的模型参数优化提取
3	半导体双极晶体管的工作原理
4	半导体双极晶体管的模型参数优化提取
5	半导体场效应体管的工作原理
6	半导体场效应体管的模型参数优化提取

C. 虚拟仿真特色和效果
 

    该实验将理论与虚拟仿真实践有机结合，通过仿真经典半导体器件结构及工作过程，借助形象的虚拟仿真结果将抽象、难懂的理论知识动态展示给学生，加深学生对器件各个参数物理意义及器件工作原理的理解和把握。同时紧密联系当今世界相关先进半导体新型器件技术的发展前沿，补充拓展了理论教学的内容和范围，通俗易懂，增强了学生的学习兴趣和热情。图1和图2分别给出了虚拟仿真实验项目(5)中MOSFET虚拟仿真器件结构和特性曲线结果，这些结果通过虚拟仿真可快速精确获得，而在真实实验中，要获得器件的二维剖面结构，花费巨大且不易实现。

 

 

 

 图1  MOSFET虚拟仿真器件结构              图2  MOSFET虚拟仿真器件特性曲线

（二）器件材料与结构设计虚拟仿真实验平台
 

A. 实验功能
 

    该实验利用Silvaco等仿真软件，模拟不同材料和不同结构的半导体器件，让学生了解材料和结构参数对半导体器件性能的影响；从材料参数和器件结构参数入手对器件参数进行优化设计，理解各参数对器件特性的综合影响因素；结合最新的应用需求，从材料和结构优化开发新型器件。

B. 主要虚拟仿真实验项目与服务课程

 

序号	实验名称	相关课程
1	Si基半导体二极管器件结构参数优化仿真实验	《半导体材料》、《场效应器件物理》、《双极器件物理》、《化合物半导体器件物理》等
2	Si基半导体三极管器件结构参数优化仿真实验
3	化合物半导体二极管器件材料优化仿真实验
4	化合物半导体三极管器件材料优化仿真实验
5	V型槽栅GaN高电子迁移率器件击穿特性仿真实验
6	化合物半导体异质结器件材料优化仿真实验

C. 虚拟仿真特色和效果
 

    该实验从半导体材料和器件结构变化入手，通过虚拟仿真实验的参数设置变化，实现了真实实验中材料参数和器件结构的综合变化过程，使学生更好地把握器件特性与各项参数的内在联系，有利于学生在将来实践中，培养创造性思维能力。在实验中引入一些最新半导体材料和器件结构作为虚拟仿真实验对象，使得教学内容始终与国际先进技术同步，进一步开阔学生视野，拓展创新思维，巩固理论学习。 
 

  

       

 图3 V型槽栅高电子迁移率晶体管电场分布     图4 异质结双极晶体管三维电势分布  

 

    图3给出了虚拟仿真实验项目(5)中V型槽栅高电子迁移率晶体管电场分布，图4给出了虚拟仿真实验项目(6)中异质结双极晶体管三维电势分布，这些结果形象给出了器件内部电场和电势分布的细节特征，而它们在真实实验中根本无法直接获得。

 

（三）器件可靠性与寿命预测虚拟仿真实验平台
 

A. 实验功能
 

    半导体器件可靠性和寿命预测虚拟实验是依托科研内容进行教学实践，其基本内容大致分为两部分：半导体器件可靠性问题分析和半导体器件寿命预测仿真。半导体器件可靠性分析实验中，通过虚拟仿真过程，实现某一类可靠性问题下器件特性的退化特点和规律，帮助学生理解可靠性退化的物理机理。器件寿命预测虚拟仿真过程，实现了将实验难度大的较长时间实验过程中观测器件参数可靠性老化问题，生动的在短时间内展示给学生，使学生更容易学习理解器件可靠性相关理论知识。
 

B. 主要虚拟仿真实验项目与服务课程

 

序号	实验名称	相关课程
1	Si基双极器件非理想效应仿真实验	《场效应器件物理》、《双极器件物理》、《微电子器件可靠性》等
2	高温下Si基MOSFET器件参数变化仿真实验
3	Si基MOSFET器件强电磁脉冲辐照引起特性参数退化虚拟仿真
4	Si基MOSFET器件强电磁脉冲辐照引起热电应力损伤虚拟仿真

C. 虚拟仿真特色和效果
 

    采用虚拟仿真技术，将影响器件可靠性的各种因素有机融合进虚拟仿真实验，让学生对半导体器件可靠性问题和器件寿命预测有全面的认识。结合科研，综合考虑温度、辐照、电场等因素对器件特性的影响，剖析器件可靠性问题的物理机制。通过器件寿命预测仿真，很好地解决了寿命预测实验时间长的问题，并可实时观测实验中器件特性和内部参数变化，加深学生对理论知识的理解。

    图5给出了虚拟仿真实验项目(2)中器件不同位置晶格温度分布情况，形象展示了器件内外三维温度变化规律，而这在真实实验中很难获得。图6给出了虚拟仿真实验项目(4)中MOSFET总剂量电离辐射效应随辐射偏置的变化关系，而在真实实验中获得该结果，成本高、危险性大。
 

      

图5 器件不同位置的晶格温度分布情况                 图6 MOSFET总剂量电离辐射效应随辐射偏置变化