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【案例】基于Lumerical Charge的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的仿真

發(fā)布日期:
2023-12-21

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本例描述了金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的仿真。在第一部分中,我們將進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真以計(jì)算MOSCap的靜態(tài)電容。在第二部分中,我們將進(jìn)行小信號(hào)分析,以研究MOS電容的頻率特性。


MOS電容器制備及工作原理:


MOS電容器可以通過(guò)在金屬板和半導(dǎo)體之間放置絕緣體來(lái)制造。施加在金屬上的電壓使半導(dǎo)體表面上產(chǎn)生正(空穴)或負(fù)(電子)電荷,極性相反的電荷積聚在金屬處,該結(jié)構(gòu)用作電容器。
依據(jù)半導(dǎo)體的類型(摻雜)和施加在金屬柵極上的電壓,MOS電容器有三種工作模式。在一種模式下,施加在金屬觸點(diǎn)上的電壓在半導(dǎo)體表面上積累了大部分載流子,這被稱為“累積”。在另一種情況下,施加的電壓在半導(dǎo)體表面上產(chǎn)生少數(shù)載流子,最初在表面產(chǎn)生一個(gè)耗盡區(qū)域(“耗盡”工作模式),最終半導(dǎo)體表面的大多數(shù)載流子類型被反轉(zhuǎn),則最后一種模式稱為“反轉(zhuǎn)”。
在對(duì)于累積和強(qiáng)反轉(zhuǎn)兩種情形,MOS電容器都可以由傳統(tǒng)的平行板電容器近似,并假設(shè)為恒定值。然而,在耗盡模式下,耗盡區(qū)域的寬度會(huì)影響MOSCap的電容,并且電容變得與偏置相關(guān)。在累積和強(qiáng)反轉(zhuǎn)中,MOSCap的電容可以近似為:


【案例】基于Lumerical Charge的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的仿真



【案例】基于Lumerical Charge的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的仿真為絕緣體的介電常數(shù),A是表面積,d是絕緣體的厚度。在耗盡中,MOSCap的容量取決于耗盡區(qū)域的厚度,并且在耗盡區(qū)域的最大寬度處變小。MOSCap在從耗盡切換到反轉(zhuǎn)之前的最小電容可以近似為:


【案例】基于Lumerical Charge的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的仿真


Wm是耗盡區(qū)域的最大寬度,【案例】基于Lumerical Charge的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的仿真是反轉(zhuǎn)開(kāi)始時(shí)的表面電位,【案例】基于Lumerical Charge的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的仿真是半導(dǎo)體的摻雜濃度。在靜態(tài)和低頻率操作的情況下,電容值可以用這些分析表達(dá)式來(lái)表示。對(duì)于耗盡和積累的情況,半導(dǎo)體中電荷的運(yùn)動(dòng)是由多數(shù)載流子引起的,受到半導(dǎo)體介電弛豫時(shí)間的限制,因此非???。所以,MOSCap在累積和耗盡區(qū)域的高頻電容遵循其靜態(tài)值。然而,在反向情形中,反轉(zhuǎn)層通過(guò)耗盡區(qū)域與本體半導(dǎo)體分離,并且表面電荷的運(yùn)動(dòng)受到載流子產(chǎn)生速率的限制。因此,反轉(zhuǎn)電容在高頻下變小,幾乎等于MOSCap的最小電容[1]。



構(gòu)建物理模型

【案例】基于Lumerical Charge的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的仿真

構(gòu)建穩(wěn)態(tài)仿真模型


穩(wěn)態(tài)模擬:


在這部分示例中,我們將對(duì)MOS電容器進(jìn)行穩(wěn)態(tài)仿真并計(jì)算其靜態(tài)電容。將 moscap.ldev 項(xiàng)目文件和 moscap_static_C.lsf 腳本文件下載到同一文件夾中。運(yùn)行腳本文件,它將執(zhí)行兩次電壓掃描,一次從 0 到 2.5 V,另一次從 0 到 -2.5 V,并將計(jì)算 MOSCAP 的電容。該腳本將生成以下繪圖并將電容值保存在 .mat 文件中。電容曲線的不同區(qū)域已被標(biāo)記。


【案例】基于Lumerical Charge的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的仿真

通過(guò)腳本語(yǔ)言來(lái)完成電壓掃描繪制出C-V曲線圖


【案例】基于Lumerical Charge的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的仿真


小信號(hào)仿真:


接下來(lái),我們將對(duì)同一 MOSCap 進(jìn)行小信號(hào)交流分析。為此,請(qǐng)將 ssac_moscap.ldev 項(xiàng)目文件和 moscap_ac_Cap.lsf 腳本文件下載到同一文件夾中。該腳本將加載項(xiàng)目文件并在 -2.5 V 至 2.5 V 的每個(gè)直流偏置點(diǎn)執(zhí)行小信號(hào)交流分析,并計(jì)算 MOSCap 的導(dǎo)納。導(dǎo)納的虛部將給出電容值。小信號(hào)交流分析將針對(duì) 0.001 Hz 至 1 MHz 的頻率范圍進(jìn)行。在計(jì)算不同頻率下的交流電容后,腳本將繪制 MOSFET 的低頻 (0.001 Hz) 和高頻 (1 MHz) 交流電容以及從穩(wěn)態(tài)仿真計(jì)算的靜態(tài)電容以及解析值 MOSCap 的靜態(tài)反向/累積電容和最小電容,如上式給出。


【案例】基于Lumerical Charge的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的仿真

小信號(hào)分析時(shí)需修改Small Signal AC參數(shù)


【案例】基于Lumerical Charge的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的仿真

通過(guò)腳本語(yǔ)言來(lái)完成小信號(hào)電壓掃描并繪制出C-V曲線圖


【案例】基于Lumerical Charge的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的仿真


從圖中可以看出,穩(wěn)態(tài)和小信號(hào)交流模擬的結(jié)果與 MOS 電容器的理論最大值和最小值一致。[1]


參考:[1]https://optics.ansys.com/hc/en-us/articles/360042760633

翻譯:摩爾芯創(chuàng)

【案例】基于Lumerical Charge的金屬氧化物半導(dǎo)體(MOS)電容器的仿真



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