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AlGaAs/GaAs HEMT Id-Vgs 和 Id-Vds 特性

2025-09-11 21:00:28

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单量子阱 AlGaAs/GaAs HEMT 器件的 Id-Vds 和 Id-Vgs 特性计算，主要包括：

  • 使用 Atlas 语法构建异质结结构
  • 材料与物理模型参数的设定
  • 仿真 Id-Vds 和 Id-Vgs 特性
  • 使用 TonyPlot 显示仿真结果

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go atlas

mesh 

x.mesh loc=0.0 spac=0.05
x.mesh loc=0.75 spac=0.05

y.mesh loc=-0.02   spac=0.01
y.mesh loc= 0.00   spac=0.01
y.mesh loc= 0.03   spac=0.001
y.mesh loc= 0.0425 spac=0.01
y.mesh loc= 0.055  spac=0.001
y.mesh loc= 0.2  spac=0.05

region num=1 material=GaAs y.min=0.03 y.max=0.055
region num=2 material=AlGaAs y.max=0.03 x.composition=0.3
region num=3 material=AlGaAs y.min=0.055 x.composition=0.3
region num=4 oxide y.min=-0.02 y.max=0.0

elec num=1 name=source x.min=0.0 x.max=0.0 y.min=0.0 y.max=0.05
elec num=2 name=gate   x.min=0.1 x.max=0.6 y.min=0.0 y.max=0.0
elec num=3 name=drain  x.min=0.75 x.max=0.75 y.min=0.0 y.max=0.05

doping uniform y.min=0 y.max=0.03 n.type conc=1.e18
doping uniform y.min=0.03 n.type conc=1.e15
doping uniform x.min=0.0 x.max=0.05 y.min=0.03 y.max=0.05 n.type conc=1.e18
doping uniform x.min=0.70 x.max=0.75 y.min=0.03 y.max=0.05 n.type conc=1.e18

interface x.min=0 x.max=0.75 y.min=-0.01 y.max=0.005 qf=-1.e12

material taun0=1.e-9 taup0=1.e-9
material material=AlGaAs mun=2000 mup= 350 affinity=3.82  nc300=5.7e17

model    fldmob srh  
model material=GaAs conmob

contact  name=gate workfun=4.73

method gummel  newton itlim=20 trap  maxtrap=6 vsatmod.inc=0.01 carriers=1 elect  
output con.band val.band 
solve vgate=0

save outf=hemtex03_0.str
tonyplot hemtex03_0.str -set hemtex03_0.set

log outf=hemtex03_1.log  master

solve vdrain=0.05 
solve vdrain=0.10 
solve vdrain=0.125 
solve vdrain=0.15 
solve vdrain=0.20 
solve vdrain=0.30
# （carriers=1）单载流子模型（只考虑电子或者空穴，而不是完整的双载流子（电子+空穴）输运模型。）
# elect 表示只解电场方程（Poisson 方程）和单载流子输运方程，用于简化计算，比如只模拟电子导电的情况，而不考虑空穴。
method  newton trap itlim=35  maxtrap=6    carriers=1 elect

solve vdrain=0.50  vstep=0.25  name=drain vfinal=3

save outf=hemtex03_1.str
tonyplot  hemtex03_1.log -set  hemtex03_1log.set
# 关闭日志文件的输出
log off

solve init
# vsatmod.inc与速度饱和模型(vsatmod)有关，inc=0.01表示逐步增加饱和速度参数的调节因子，帮助迭代收敛。一般用于高场迁移率模型（carrier velocity saturation）的数值稳定性控制
method gummel  newton trap itlim=35  maxtrap=6 vsatmod.inc=0.01 carriers=1 elect

solve vgate=-0.9  vdrain=0
solve vdrain=0.1  vstep=0.1  name=drain vfinal=0.5

log outf=hemtex03_2.log master

method  newton trap itlim=35  maxtrap=6  carriers=1 elect
solve vgate=-0.8  vstep=0.1  name=gate vfinal=0.6

save outf=hemtex03_2.str
tonyplot  hemtex03_2.log -set  hemtex03_2log.set

quit

理解输入代码

  • Silvaco Atlas 里 method 语句的设置，用于指定数值解算器的算法和控制参数。

    1
    method  newton trap itlim=35  maxtrap=6    carriers=1 elect

    1. newton

      • 指定使用 Newton-Raphson 法 作为主要的迭代求解方法。
      • Newton 法收敛速度快，但对初始解要求较高。

    2. trap

      • 启用 陷阱态处理算法（trap-assisted recombination），用于在解算时更好地处理材料中陷阱能级（如 SRH 复合中心）对载流子的影响。

    3. itlim=35

      • 设置单次偏压步进中的 最大迭代次数为 35。
      • 如果在 35 次迭代内仍未收敛，会报错或切换其他方法（取决于设置）。

    4. maxtrap=6

      • 限定 陷阱能级最多考虑 6 个。
      • 用于加快收敛，避免过多陷阱能级导致计算发散。

    5. carriers=1

      • 指定 单载流子模型。
      • 表示只考虑电子或者空穴（通常在某些近似条件下使用），而不是完整的双载流子（电子+空穴）输运模型。

    6. elect

      • 表示 只解电场方程（Poisson 方程）和单载流子输运方程。
      • 这通常用于简化计算，比如只模拟电子导电的情况，而不考虑空穴。

    🔎 总结：
    这段 method 设置告诉 Atlas：
    采用 Newton-Raphson 算法进行迭代，最多迭代 35 次，考虑最多 6 个陷阱能级，只解单载流子（carriers=1）并只考虑电子输运（elect），这样做一般是为了加快收敛和降低计算复杂度。

  • 这行 Atlas 代码是 method 指令，配置数值求解的算法和控制参数：

    1
    method gummel newton trap itlim=35 maxtrap=6 vsatmod.inc=0.01 carriers=1 elect

    1. gummel

      • 启用 Gummel 迭代法（逐方程分解法），对初始解更稳健，收敛范围广。
      • 常用来获取器件的第一个解或在偏压变化时保持稳定。

    2. newton

      • 同时启用 Newton-Raphson 法，在解已接近时切换到 Newton 法，提高收敛速度。
      • 两者结合 = “Gummel-Newton” 混合法，兼顾稳定性和效率。

    3. trap

      • 打开 陷阱态处理，考虑材料中缺陷/陷阱能级对载流子的影响（例如 SRH 复合）。

    4. itlim=35

      • 设置 最大迭代次数为 35，如果 35 步内不收敛，停止计算或报错。

    5. maxtrap=6

      • 指定最多考虑 6 个陷阱能级，防止过多陷阱导致计算难以收敛。

    6. vsatmod.inc=0.01

      • 与 速度饱和模型 (vsatmod) 有关。
      • inc=0.01 表示逐步增加饱和速度参数的调节因子，帮助迭代收敛。
      • 一般用于高场迁移率模型（carrier velocity saturation）的数值稳定性控制。

    7. carriers=1

      • 使用 单载流子模型，只解电子或空穴的一类输运方程（通常是电子）。
      • 如果是 carriers=2，则解双载流子（电子 + 空穴）。

    8. elect

      • 表示只解 Poisson 方程 + 单载流子输运方程，忽略另一类载流子。
      • 一般用于 n 型 HEMT 这类以电子为主导的器件。

    ✅ 总结：
    这行代码设置了一个 Gummel+Newton 混合迭代法，带陷阱态处理，迭代上限 35 次，考虑最多 6 个陷阱能级，通过逐步调整速度饱和模型因子改善收敛，只解单载流子（电子）和电场方程。

模拟结果Id-Vds 和 Id-Vgs

净掺杂浓度 漏极电压/电流 栅极电压/漏极电流
hemtex02 hemtex03_1 hemtex03_2
Tags: Silvaco TCAD
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