2020年, 第41卷, 第2期　刊出日期：2020-06-15

  

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  前言

  卢本卓

  数值计算与计算机应用. 2020, 41(2): 83-84. https://doi.org/10.12288/szjs.2020.2.83

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  三维半导体器件漂移扩散模型的并行有限元方法研究

  王芹, 马召灿, 白石阳, 张林波, 卢本卓, 李鸿亮

  数值计算与计算机应用. 2020, 41(2): 85-104. https://doi.org/10.12288/szjs.2020.2.85

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  本文设计了一种新的三维自适应迎风稳定化有限元方法（SUPG-IP），并对比研究了几种半导体器件模拟的并行有限元方法.数值模拟结果表明：稳定化有限元方法适用于大偏压以及高掺杂器件模拟；而经典的Zlamal有限元方法更适用于计算半导体器件的电学响应曲线.我们基于三维并行自适应有限元平台PHG开发了半导体器件漂移扩散模型求解器DevSim，并对几种典型的半导体器件进行了模拟测试.计算结果与商业软件Sentaurus吻合较好，验证了算法的有效性.我们对PN结进行了超大规模网格并行模拟测试，网格达8亿单元并使用2048进程计算，展示了算法良好的并行可扩展性.
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  半导体器件电离辐照损伤效应模拟的数值算法及应用

  马召灿, 许竞劼, 卢本卓, 李鸿亮

  数值计算与计算机应用. 2020, 41(2): 105-120. https://doi.org/10.12288/szjs.2020.2.105

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  本文研究了半导体器件伽马辐照电离损伤效应定量物理模型系列算法，其中包括有限元空间离散、隐式时间积分以及非线性系统解耦迭代算法.算法有效地处理了电离损伤模型多组分、电-输运-反应多物理耦合以及强刚性等难点.基于三维并行有限元平台（PHG），我们完成了半导体器件电离辐照效应三维并行求解器TIDSim的研制.针对典型场效应晶体管NMOS、双极晶体管GLPNP进行了电离辐照损伤模拟，数值模拟结果与器件辐照实验数据吻合.
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  3Ddevice:半导体器件及其辐照损伤效应仿真软件系统

  黄成梓, 白石阳, 王芹, 马召灿, 张倩茹, 刘田田, 桂升, 卢本卓, 陈旻昕, 李鸿亮

  数值计算与计算机应用. 2020, 41(2): 121-142. https://doi.org/10.12288/szjs.2020.2.121

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  本文介绍我们开发的一款适用于半导体器件及其辐照损伤效应定量模拟的三维并行仿真应用软件平台3Ddevice.该软件由中国科学院数学与系统科学研究院和中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心联合开发，能直接解算半导体器件的电学响应性质及其氧化物层在电离辐照下带电缺陷与界面态缺陷累积动力学过程，计算器件损伤后的电学响应偏移.我们已经实现器件电离辐照总剂量效应以及低剂量率增强效应定量模拟，模拟结果与实验数据吻合良好.软件采用C/S架构，分为本地客户端与远程计算端两大子系统.客户端由总控模块、前处理模块、通信模块以及后处理模块组成.总控模块主要的功能是求解器挂载、数值模拟流程搭建与管理.前处理模块主要功能是器件几何建模以及网格生成与优化.通信模块主要功能是求解器参数初始化与硬件系统状态监控.后处理模块主要功能是数值模拟结果可视化与数据分析.计算端基于三维并行自适应有限元平台^[1]（PHG）开发，目前包括半导体器件模拟器（DevSim），电离辐照损伤模拟器（TIDSim）.上述求解器采用MPI通讯技术，支持大规模分布式并行，已实现十亿量级网格单元数的器件电离损伤及电学响应模拟.本文介绍的仿真软件系统是一个初级版本，将会得到持续开发更新，它的详细使用方法请参照并以软件使用说明书为准.
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  电离总剂量效应对4T CMOS图像传感器暗电流影响的数值仿真

  魏莹, 文林, 李豫东, 郭旗

  数值计算与计算机应用. 2020, 41(2): 143-150. https://doi.org/10.12288/szjs.2020.2.143

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  CMOS图像传感器是空间光学成像系统中的关键电子器件，但受到空间总剂量辐射效应影响其特性发生退化，特别是暗电流显著增大.本文利用TCAD仿真工具构建了4TCMOS图像传感器像素单元的二维仿真结构，利用总剂量效应模型计算了器件氧化层中辐射诱导氧化物陷阱电荷和界面态在不同累积剂量下的分布，并计算了器件暗电流随累积剂量的变化，以及传输栅对辐照暗电流的影响.通过分析辐照前后器件内部耗尽区的变化，以及传输栅偏置电压对器件电势分布的影响，获得了器件暗电流总剂量效应损伤机制.本文中电离总剂量效应的数值仿真方法和图像传感器暗电流损伤机制的分析可为评估器件抗辐射能力和设计加固提供技术支撑和指导.
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  空穴、H⁺在SiO₂体内输运的数值模拟研究

  李培, 贺朝会, 郭红霞, 李永宏, 张晋新

  数值计算与计算机应用. 2020, 41(2): 151-158. https://doi.org/10.12288/szjs.2020.2.151

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  半导体器件的电离辐射效应涉及到材料内部的一系列物理过程，包括空穴对的产生与复合、载流子的输运以及氧化物陷阱电荷和界面态电荷的形成与累积.空穴和H⁺的输运机制是理解电离辐射效应的关键环节，其中空穴的输运影响着氧化物陷阱正电荷的形成、退火以及H⁺的释放，从而影响界面态电荷的形成.本文建立Si/SiO₂界面的物理模型，借助TCAD数值模拟方法，分析不同剂量率辐照条件下空穴和H⁺在SiO₂体内的输运机制和浓度分布.
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  硅基三极管脉冲中子辐射效应TCAD仿真

  段丙皇, 熊涔, 陈泉佑, 赵洪超

  数值计算与计算机应用. 2020, 41(2): 159-168. https://doi.org/10.12288/szjs.2020.2.159

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  本文针对文献报道的2N2222晶体管中子辐射实验结果，开展了硅基三极管的脉冲中子辐射效应仿真研究.首先，介绍了基于连续性假设的硅基器件脉冲中子辐射效应TCAD仿真方法：通过求解中子诱发缺陷与载流子的连续性方程，可计算脉冲中子辐射过程中缺陷的动力学演化过程，以及器件电学性能的瞬态响应；给出了仿真方法使用的物理模型、缺陷种类、缺陷之间的反应类型和反应参数等，以及在TCAD软件中的实现过程.然后，以文献中2N2222晶体管为对象，进行了中子辐射损伤模型与仿真方法的验证，结果表明辐射退火完成后2N2222基极电流和集电极电流计算结果与文献报道的实验结果一致，证明了该仿真方法的正确性.