Aether在“半導(dǎo)體物理與器件”教學(xué)中的應(yīng)用

韋 一，唐 瑩

（中國計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州310018）

Aether在“半導(dǎo)體物理與器件”教學(xué)中的應(yīng)用

韋 一，唐 瑩

（中國計(jì)量學(xué)院 光學(xué)與電子科技學(xué)院，浙江 杭州310018）

為進(jìn)一步提高“半導(dǎo)體物理與器件”的教學(xué)質(zhì)量，該文探討了引入Aether軟件改進(jìn)課程的教學(xué)方法和教學(xué)手段。通過Aether軟件仿真得到半導(dǎo)體器件的特性曲線，有利于學(xué)生深入理解器件的工作原理、應(yīng)用特點(diǎn)和參數(shù)影響等內(nèi)容，在教學(xué)中取得了良好的效果。

教學(xué)改革；半導(dǎo)體物理與器件；Aether軟件

1 概 述

Aether軟件是花大九天公司為模擬集成電路設(shè)計(jì)中的穩(wěn)態(tài)分析、瞬態(tài)分析和頻域分析等電路性能模擬分析而開發(fā)的一個(gè)商業(yè)化通用電路模擬軟件。此軟件以其優(yōu)越的收斂性和精確的模型參數(shù)等特點(diǎn)，被許多公司、大學(xué)和研究開發(fā)機(jī)構(gòu)廣泛應(yīng)用。

將Aether軟件引入到“半導(dǎo)體物理與器件”的教學(xué)中，通過對(duì)不同器件和電路的仿真模擬，用更直觀的形式展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)半導(dǎo)體物理與器件工作原理、參數(shù)影響和電路特性等知識(shí)的理解和掌握，為后續(xù)的器件應(yīng)用和電路設(shè)計(jì)等課程打下基礎(chǔ)。

2 Aether分析電路性能

金屬-氧化物-半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）是“半導(dǎo)體物理與器件”課程的核心內(nèi)容之一[1]。在講解MOSFET的應(yīng)用時(shí)，利用Aether對(duì)電路進(jìn)行仿真，可以使學(xué)生直觀地認(rèn)識(shí)互補(bǔ)MOS（CMOS）技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)以及MOSFET各參數(shù)對(duì)于電路輸出的影響。

圖1顯示CMOS反相器與NMOS反相器的瞬時(shí)功耗比較，橫坐標(biāo)為輸入電壓值，縱坐標(biāo)為瞬時(shí)功耗。從圖1可知，CMOS反相器在輸入信號(hào)為低電平和高電平時(shí)，其功耗都較小；而輸入信號(hào)為中間電平，也就是電路中兩個(gè)晶體管均導(dǎo)通時(shí)，功耗較大。因此，CMOS電路的主要功耗是其動(dòng)態(tài)功耗，即電路狀態(tài)發(fā)生變化時(shí)所產(chǎn)生的功耗。而在NMOS反相器中當(dāng)輸入高電平時(shí)，整個(gè)電路維持一定的功耗，即電路具有較大的靜態(tài)功耗。

圖1 CMOS反相器與NMOS反相器功耗比較

圖2為CMOS反相器對(duì)應(yīng)不同器件寬度的仿真結(jié)果，其中圖2a為輸入輸出曲線，圖2b為相應(yīng)的瞬時(shí)功耗曲線。由圖2可知，當(dāng)Wp/Wn增大時(shí)，其輸出曲線向右移動(dòng)，但其動(dòng)態(tài)功耗也隨之增加。因此，必須選取適當(dāng)?shù)膮?shù)，以使電路性能達(dá)到最優(yōu)。通過這種方式，學(xué)生可以直觀地理解MOSFET參數(shù)對(duì)電路性能的影響。同時(shí)，可以讓學(xué)生在課堂上討論仿真結(jié)果，這樣有助于學(xué)生學(xué)習(xí)和掌握MOSFET。

圖2 不同器件寬度CMOS反相器的輸出和功耗仿真結(jié)果

3 新型器件的建模和仿真

學(xué)生理解低維半導(dǎo)體器件如共振隧穿二極管（RTD）工作原理和相應(yīng)公式較為困難，而且目前的仿真工具缺乏對(duì)此類器件的支持。在教學(xué)中，利用Aether軟件中的庫函數(shù)功能，建立RTD的電流-電壓特性模型，并在此基礎(chǔ)上分析器件的原理和特點(diǎn)，可以幫助學(xué)生理解知識(shí)點(diǎn)。

圖3為基于物理參數(shù)的RTD模型利用Aether仿真的結(jié)果。在這個(gè)模型中，RTD為電流密度[2]

圖3 基于物理參數(shù)RTD模型的Aether仿真

公式（1）中Er為勢阱中基態(tài)的發(fā)射區(qū)電子能量，V為所加偏壓，Г為諧振寬度。從圖3可知，模型較好地模擬了RTD電流-電壓特性，有助于學(xué)生理解其工作原理，也為基于RTD的電路仿真提供了基礎(chǔ)。

在模型的基礎(chǔ)上，分析RTD的簡單應(yīng)用電路，使學(xué)生能夠更廣泛地了解此類器件的電路特點(diǎn)。圖4為RTD反相器的電路結(jié)構(gòu)和仿真結(jié)果。從圖4可知，輸入輸出信號(hào)幅值均小于0.9V，RTD電路可在低電源電壓下工作。把輸出的高低電平對(duì)應(yīng)到RTD的電流-電壓特性曲線可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過器件的電流也較小，RTD可以應(yīng)用于高速低功耗電路。

圖4 RTD/HFET反相器電路和其Vclk-Vout特性

4 結(jié) 論

在“半導(dǎo)體物理與器件”課程中，使用Aether軟件輔助教學(xué)，豐富了教學(xué)手段和教學(xué)內(nèi)容，有助于學(xué)生對(duì)器件工作原理、使用方法和電路特點(diǎn)的學(xué)習(xí)和融會(huì)貫通，提高教學(xué)效果。在教學(xué)過程中，還需要進(jìn)一步挖掘Aether軟件在課程中的應(yīng)用，應(yīng)讓學(xué)生自己掌握軟件的使用，從而加深對(duì)知識(shí)的理解，為以后的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。

[1]曾樹榮.半導(dǎo)體器件物理基礎(chǔ)[M].北京：北京大學(xué)出版社, 2002.

[2]SCHUHNAN JN,SANTOS HJD,CHOW DH,Physicsbased RTD current-voltage equation[J].IEEE Electron Device Letters,1996，17（5）：220-222.

責(zé)任編輯 李 燕

G424

A

1674－5787（2016）02－0143－02

2016-01-15

本文系2013年浙江省高等教育教學(xué)改革和課堂教學(xué)改革項(xiàng)目“應(yīng)用行業(yè)軟件Aether探索半導(dǎo)體物理演示性教學(xué)”（項(xiàng)目編號(hào)：kg2013169）的研究成果，負(fù)責(zé)人：唐瑩。

韋一（1983—），男，浙江杭州人，博士，講師，研究方向：新型納米器件電路設(shè)計(jì)和研制；唐瑩（1981—），女，浙江杭州人，博士，副教授，研究方向：半導(dǎo)體器件的理論研究和樣品研制。

10.13887/j.cnki.jccee.2016（2）.39