Скачиваний:
73
Добавлен:
01.05.2014
Размер:
98.22 Кб
Скачать

FLEXPDE - ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА 4 от 1024.ru Определение эффективной границы: Обедненная область - канал полевого транзистора шоттки FLEXPDE лабораторная работа  - 4

Определение эффективной границы: «Обедненная область – канал полевого транзистора шоттки»

 

Цель работы: изучение возможностей математического пакета FlexPDE на примере моделирования эффективной границы обедненная область – канал ПТШ

 

Запишем диффузионно-дрейфовую модель  в виде уравнения Пуассона:   — и стационарное уравнение непрерывности: Ñj=0, — где  ().

 

В данной работе мы будем искать решение в прямоугольной области со сторонами Lx и Ly (см. рисунок  1).

 

Граничные условия: на границе определенной координатами (0,0) – (0,Ly) и на границе определенной координатами (Lx,Ly) – (Lx,0) задан потенциал 0, концентрация Nd и отрицательный потенциал Fb, концентрация равная нулю соответственно. На двух других границах  будем считать  нормальную производную потенциала и концентрации равными нулю.

 

После нормировки уравнение Пуассона имеет вид:

Нормированное уравнение непрерывности имеет вид:

 

Постановка задачи в специализированной среде FlexPDE:

 

TITLE    'Drift-diffusion model' {Диффузионно-дрейфовая модель с отрицательным потенциалом}

 

SELECT    errlim= 1e-3 

                 

VARIABLES    U                    {потенциал}

   n                    {концентрация}

 

DEFINITIONS                                                          Lx= 15               {нормированная длина канала}

   Ly= 1                {нормированная глубина канала}           

   La=0.2e-6            {нормировочная длина}

   q=1.6e-19            {заряд электрона}

   mu=0.07              {подвижность}

   k=1.38e-23           {постоянная Больцмана}

   Ta=300               {температура}

   eps=1.14e-10         {диэлектрическая проницаемость}

   Nd=1.3e+23           {уровень легирования}

   Fa=0

   Fn=q*Nd*La*La/eps    {константа для нормировки потенциала}

   Fb=-0.8/Fn           {потенциал на стоке}

   Ft=k*Ta/q            {тепловой потенциал}

   A=Fn/Ft      

 

EQUATIONS    DEL2(U)=-(1-n)    {нормированное уравнение Пуассона}

   DEL2(n)-A*(dx(U)*dx(n)+dy(U)*dy(n))-A*n*DEL2(U)=0  {нормированное уравнение непрерывности; здесь dx и dy - оператор частных производных по x и y, соответственно}

 

BOUNDARIES                 region 1

   start(0,0)        

   natural(U)= 0   natural(n)=0  line to (Lx,0)  {на участке границы от т.(0,0) до т.(Lx,0)производные потенциала и концентрации по нормали к границе равна нулю}

   value(U)=Fb  value(n)=0   line to (Lx,Ly)   {на участке границы от т.(Lx,0) до т. (Lx,Ly) значение потенциала равно Fb, значение концентрации равно 0}

   natural(U)=0  natural(n)=0   line to (0,Ly)   {на участке границы от т.(Lx,Ly) до т.(0,Ly)производные потенциала и концентрации по нормали к границе равна нулю}

   value(U)= Fa  value(n)=1   line to (0,0) {на участке границы от т.(0,Ly) до т.(0,0) значение  потенциала равно 0, значение концентрации равно 1}

 

PLOTS   surface(U)

  surface(n)

  contour (U)                     

  contour(n)

  contour(-dx(U))     

  surface(-dx(U)) 

  transfer(U)file"U.dat"    {запись результирующего значения U в файл U.dat}     

  transfer(n)file"n.dat"    {запись результирующего значения n в файл n.dat}    

                                             

END                

                                В результате численного моделирования, получаем графики распределения потенциала (рисунок 6), концентрации свободных носителей заряда (рисунок 7) и распределение напряженности (рисунок 8) в заданной области.

 

 

Рис. 6. Распределение потенциала.

 

 

Рис. 7. Распределение концентрации свободных носителей заряда.

 

 

Рис. 8. Распределение напряженности.

 

 Порядок выполнения работы:

1. Записать уравнение Пуассона, уравнение непрерывности и граничные условия к ним в размерном виде.

2. Привести задачу к безразмерному виду.

3. Переписать полученные безразмерные уравнения в виде задания программы FlexPDE.

 Получить численное решение в виде графиков распределения потенциала, распределения концентрации свободных носителей заряда и распределения напряженности.

5. Записать полученное решение в файл.

 

Дополнительное задание.

1. Изменением  напряжения на затворе добиться, чтобы обедненная область занимала большую часть полупроводниковой структуры.

2. Определить глубину обеднения.

3. Определить глубину обеднения в одномерном случае, решая уравнения Пуассона как задачу Коши в пакете MathCAD (см. рис.10).

3.1. Определить эффективную глубину обеднения из равенства зарядов

3.2. Определить эффективную глубину обеднения из равенства токов (Равенство токов используется в случае квазидвумерного моделирования твердотельных СВЧ приборов).

 Сравнить глубины обеднения, полученные в двумерном и одномерных случаях.

 

Эффективная граница "обедненная область - канал" Введение понятия эффективной границы приводит задачу моделирования ПТШ с размытой границей между областью обеднения и каналом к задаче с резкой границей. Это позволяет использовать уравнения КДМ, полученные на основе предположения о наличии резкой границы.

 

Рассмотрим распределение концентрации носителей заряда в подзатворной области ПТШ (рисунок  9).

 

Рис. 9. Распределение концентрации электронов в подзатворной области

 

Введем эффективную границу таким образом, чтобы полный ток, протекающий в канале, после введения эффективной границы остался прежним. Для соблюдения этого условия необходимо, чтобы ток в области I был равен току в области II :

      или                                            (1)

— где h и есть искомое положение эффективной границы. Получение аналитического выражения для h из данного соотношения невозможно.

Ранее, исходя из предположения о близости скоростей в областях I и II к усредненной скорости, выражение (1)  было переписано в следующем виде [5]:

                                         (2)

 

— и получено следующее выражение для эффективной границы:

                                     

                                       (3)

 

— где Nd — концентрация донорной примеси, Te — электронная температура, n(z) — усредненная по поперечному сечению структуры концентрация электронов и q — элементарный заряд.

Исключительно важной задачей является сравнение КДМ с двухмерной моделью. Сравнение позволит определить, какой порядок теории возмущений следует использовать при моделировании ПТШ, а также справедливость учета диффузии. Однако, при построении эффективной границы,  на пути сравнения КДМ с двухмерной, стоит вопрос определения эффективной границы между обедненной областью и каналом в рамках двухмерной модели.

Определение положения границы h1(z) и h2(z) из двухмерной модели позволит решить квазидвумерное уравнение и сравнить двухмерное моделирование с  квазидвумерным. Определенные таким образом границы (см. рисунок 10) позволят выяснить область применения уравнения (3).

Таким образом, для анализа КДМ требуется определить положения эффективной границы из результатов двухмерного моделирования.

Моделирование эффективной границы в пакете MathCad имеет вид:

Константы, используемые при решении:

 Решение уравнения Пуассона методом Рунге-Кута:

 

 

 

 Полескоростная характеристика:

 Концентрация:

 

Находим положение эффективной границы, исходя из равенства зарядов:

 

 

   

           --потенциал, соответствующий положению эффективной границы.

Находим координату для потенциала, соответствующего положению эффективной границы:

 

Находим положение эффективной границы, исходя из равенства токов:

 

                                               -потенциал, соответствующий положению эффективной границы

 

Находим координату для потенциала, соответствующего положению эффективной границы:

 

 

2

  4

  3

  1

 

 

Рис. 10. Графики потенциала (1); концентрации (2); положения эффективной границы, найденной из равенства зарядов (3) и положения эффективной границы, найденной из равенства токов, полученные в результате действия в программе MathCad.

 

 

 

Соседние файлы в папке Метода и лабы в одном архиве