Описание работы с программным комплексом, его возможности на примере расчета полупроводникового диода на p-n переходе, биполярного транзистора, полевого транзистора с изолированным затвором. Общая методика расчета элементов с помощью программы MicroTec.
Аннотация к работе
К примеру, большинству закон Мура наверняка известен в вариации, предложенной одним из бывших президентов Intel, Дэвидом Хаусом: производительность микропроцессоров удваивается каждые 18 месяцев. Но вне зависимости от конкретного описания, важность наблюдения Мура и его последователей для производителей чрезвычайна: каждую неделю он диктует необходимость улучшения параметров микроэлектронных продуктов на один процент (больше, плотнее, быстрее, дешевле). Это приводит к экономии большого количества человеческих и материальных ресурсов, что, в конечном счете, приводит удешевлению продукции, и как следствие, ее доступности для населения. Наряду с несомненными достоинствами, такими как более глубокое понимание физических основ работы приборов, они обладают и целым рядом недостатков - малой наглядностью, особенно при расчете структуры элементов, достаточно большой погрешностью вычислений, которая обусловлена сложностью учета целого ряда физических явлений, являющимися крайне важными для работы прибора, большими затратами времени на расчет. В то же время в промышленности расчет приборов проводят на основе САПР, основанных на решении фундаментальных уравнений физики полупроводников.В настоящей работе исследовался пакет программ расчета полупроводниковых приборов MICROTEC фирмы Siborg с целью определения возможности его применения в курсовом проектировании по дисциплине «Твердотельная электроника». В процессе работы было произведено моделирование диода, биполярного транзистора и МОП-транзистора, получены их основные характеристики. Установлено, что основными достоинствами применения пакета в процессе обучения является возможность наглядного представления результатов проектирования элементов ИС, получение студентами навыков проектирования и моделирования приборов на современном уровне. Позволяет с меньшими затратами времени получить более глубокие знания по физике работы полупроводниковых приборов. Достоинствами являются: более высокая точность расчета чем у аналитических методов; возможность достаточно точной подстройки модели прибора под его реальный аналог; малые затраты времени на составление проектов используемых для моделирования (на составление проекта и расчета прибора может потребоваться от 30 до 60 минут); большой объем получаемых данных о моделируемом элементе; возможность моделирования совершенно новых приборов, благодаря тому, что MICROTEC основана на решении фундаментальных уравнений физики полупроводников.
Введение
В 1975 г. один из основателей корпорации Intel Гордон Мур заявил, что число элементов на микрочипах с наименьшей удельной стоимостью будет удваиваться приблизительно каждые два года. До настоящего момента это «пророчество» сбывается, и это заявление получило название закон Мура. Точность здесь, понятное дело, невелика и это позволяет с успехом применять одну и ту же формулу для различных областей индустрии. К примеру, большинству закон Мура наверняка известен в вариации, предложенной одним из бывших президентов Intel, Дэвидом Хаусом: производительность микропроцессоров удваивается каждые 18 месяцев. Другие формулировки касаются вместимости жестких дисков, объема чипов оперативной памяти и т.п. Но вне зависимости от конкретного описания, важность наблюдения Мура и его последователей для производителей чрезвычайна: каждую неделю он диктует необходимость улучшения параметров микроэлектронных продуктов на один процент (больше, плотнее, быстрее, дешевле). Задержка с выводом нового продукта в два месяца (на 10% медленнее, на 10% более громоздкое, на 10% более дорогое) уже может быть фатальной. Такая элементная гонка вряд ли была бы возможна, если бы не использование разработчиками специальных программ моделирования полупроводниковых элементов, основанных на разбиении кристалла объемной сеткой и решении фундаментальных уравнений физики полупроводников. Они настолько хорошо моделируют прибор, что потом практически не требуется его экспериментальной доводки. Это приводит к экономии большого количества человеческих и материальных ресурсов, что, в конечном счете, приводит удешевлению продукции, и как следствие, ее доступности для населения.
На современном этапе во многих отечественных вузах, в том числе и в РГРТА, расчет полупроводниковых приборов при курсовом проектировании осуществляется на основе аналитических формул. Наряду с несомненными достоинствами, такими как более глубокое понимание физических основ работы приборов, они обладают и целым рядом недостатков - малой наглядностью, особенно при расчете структуры элементов, достаточно большой погрешностью вычислений, которая обусловлена сложностью учета целого ряда физических явлений, являющимися крайне важными для работы прибора, большими затратами времени на расчет. В то же время в промышленности расчет приборов проводят на основе САПР, основанных на решении фундаментальных уравнений физики полупроводников. Поэтому студенты должны обладать навыками использования таких САПР.
С целью повышения квалификации выпускников факультета электроники РГРТА был закуплен пакет программ численного моделирования полупроводниковых приборов MICROTEC фирмы Siborg. Но руководство, представленное разработчиками, не было адаптировано к освоению студентами в приемлемый для курсового проектирования срок. Целью данной работы является исследование возможности использования этого пакета в учебном процессе. Приведены результаты расчета диода на основе p-n-перехода, биполярного транзистора, полевого транзистора с изолированным затвором. Разработана адаптированная к учебному процессу методика моделирования диодов на основе p-n-перехода, биполярных транзисторов, полевых транзисторов. Показана целесообразность применения пакета в учебном процессе.
Технико-экономическое обоснование темы
MICROTEC использует динамическое распределение памяти. Поэтому не существует никакого минимального ее порога, так что возможно использование программы всего лишь с 1 Мб свободной оперативной памяти, если размер сетки не более 2.000 узлов. Среднее время для расчета одной точки вольт-амперной характеристики меньше 1 минуты для PC-486 при использовании 1.000 узлов. Для процесса моделирования на 4-х Мб при 20.000 узлов требуется от 1 до 10 минут на PC-486. Для установки программы необходимо не менее 5 Мб на жестком диске и операционныю систему Windows 95/98/ME/XP. Имеющаяся в РГРТА техническая база полностью удовлетворяет всем этим условиям и не требует никакой модернизации для установки пакета программ. Разработка понятной студентам методики работы с пакетом позволит им применять MICROTEC при курсовом проектировании без затрат неприемлемо большого промежутка времени на изучение фирменного руководства.
Затраты на покупку и установку лицензий для пакета программ составли 15 тыс. руб. за 15 копий. Лицензионное программное обеспечение было установлено в компьютерном зале ФЭ и на всех кафедрах, ведущих подготовку по твердотельным приборам.
Применение MICROTEC в учебном процессе будет способствовать более глубокому освоению студентами материала, и, как следствие, приведет профессиональному росту, что положительным образом отражится на их конкурентоспособности при устройстве на работу. Это, в свою очередь, приведет к повышению статуса академии. Несомненным свидетельством перспективности применения программ моделирования в курсе обучения является наличие в ведущих технологических вузах СНГ (например БГУИР, Таганрогская радиоакадемия, МИФИ и др.) не только самих программ, но и целых специальностей по этой тематике.
Вывод
В настоящей работе исследовался пакет программ расчета полупроводниковых приборов MICROTEC фирмы Siborg с целью определения возможности его применения в курсовом проектировании по дисциплине «Твердотельная электроника». В процессе работы было произведено моделирование диода, биполярного транзистора и МОП-транзистора, получены их основные характеристики. Исследованы возможности адаптации программы к курсовому проектированию.
Основные результаты работы заключаются в следующем: 1. Установлено, что основными достоинствами применения пакета в процессе обучения является возможность наглядного представления результатов проектирования элементов ИС, получение студентами навыков проектирования и моделирования приборов на современном уровне.
2. Пакет стимулирует изучение технологических процессов производства изделий полупроводниковой электроники. Позволяет с меньшими затратами времени получить более глубокие знания по физике работы полупроводниковых приборов.
3. Достоинствами являются: более высокая точность расчета чем у аналитических методов; возможность достаточно точной подстройки модели прибора под его реальный аналог; малые затраты времени на составление проектов используемых для моделирования (на составление проекта и расчета прибора может потребоваться от 30 до 60 минут); большой объем получаемых данных о моделируемом элементе; возможность моделирования совершенно новых приборов, благодаря тому, что MICROTEC основана на решении фундаментальных уравнений физики полупроводников.
4. Применение пакета позволяет анализировать не освещенные в методической литературе элементы теории работы полупроводниковых приборов.
5. Недостатки пакета проявляются в следующем: во-первых, программа позволяет осуществлять не более 1 диффузии, и не более 1-го процесса нанесения окисла. Во-вторых, она в основном предназначена для проектирования ИС и в ней не учитывается изменение температуры кристалла, что является серьезным недостатком при расчете мощных дискретных приборов. В-третьих, производится расчет исключительно планарных структур. В-четвертых, существует возможность создания только 2D-структур. В-пятых, возможен расчет только статических характеристик. Также существует ряд мелких недоделок в интерфейсе.
В целом, применение пакета, особенно совместно с аналитическими методами, представляется полезным, и будет способствовать повышению качества подготовки специалистов по направлению «Электроника и микроэлектроника».
Список литературы
1. Базылев В.К. Расчет биполярных транзисторов. Рязань 2004 г.
2. Вихров С.П., Кобцева Ю.Н. Физика и технология полупроводниковых приборов и интегральных схем. Рязань 1994 г.
3. Базылев В.К. Расчет полупроводниковых диодов. Рязань 1994 г.
4. Козлов В.Н. Электронные приборы. Рязань 1994 г.
5. Runge H. Distribution of implanted ions under arbitrarily shaped mask. Phys. Stat. Sol., v. 39 (a), 1977 г.
6. Dutton R.W., Antoniadis D.A. Models for computer simulation of complete IC fabrication processes. IEEE Trans. Electr. Dev., v.ED-26, 1979 г.
7. Maldonado C.D. ROMANS II - A two-dimensional process simulator. Appl. Phys., vol. A31, 1983 г.
8. Process and Device Simulation for MOS-VLSI Circuits. Ed. by Antognetti P., Dutton R.W. et al., Martinus Nijhoff Publishers, 1983 г.
9. Dutton R.W., Ho C.P. et al. VLSI process modeling - SUPREM III. IEEE Trans. Electr. Dev., v.ED-30, 1983 г.
10. Tanigushi K. et al. Two-dimensional computer simulation models for MOS-LSI fabrication processes. IEEE Trans. Electr. Dev., v.ED-28, 1981 г.
11. Deal B.E., Grove A.S., General relationship for the thermal oxidation of silicon, J. Applied Physics, vol. 36, 1965 г.
12. Slotboom J.V., H.C. De Graaf. Measurements of bandgap narrowing in silicon bipolar transistor. Solid State Electronics, vol. 19, 1976 г.
13. Chynoweth A.G. Ionization rates for electrons and holes in silicon. Phys. Rev., vol. 109, 1958 г.
14. Yamaguchi K. A mobility model for carriers in the MOS inversion layer. IEEE Trans. Electron Devices, vol. 30, 1983 г.
15. Lombardi C., Manzini S., Saporito A., Vanzi M. A physically based mobility model for numerical simulation of nonplanar devices. IEEE Trans. Computer Aided Design, vol. 7, 1988 г.
16. Obrecht M.S. A new stable method for linearization of discretized basic semiconductor equations. Solid State Electronics, vol.36, No.4, 1993 г.
17. ГОСТ 12.1.005-88 «Общие санитарно-гигиенические требования к воздуху рабочей зоны».
18. Тугов Н.М., Глебов Б.А., Чарыков Н.А. Полупроводниковые приборы. Москва, 1990 г.