韋 一，唐 瑩

（中國計量學院 光學與電子科技學院，浙江 杭州310018）

Aether在“半導體物理與器件”教學中的應(yīng)用

韋 一，唐 瑩

（中國計量學院 光學與電子科技學院，浙江 杭州310018）

為進一步提高“半導體物理與器件”的教學質(zhì)量，該文探討了引入Aether軟件改進課程的教學方法和教學手段。通過Aether軟件仿真得到半導體器件的特性曲線，有利于學生深入理解器件的工作原理、應(yīng)用特點和參數(shù)影響等內(nèi)容，在教學中取得了良好的效果。

教學改革；半導體物理與器件；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，被許多公司、大學和研究開發(fā)機構(gòu)廣泛應(yīng)用。

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

2 Aether分析電路性能

金屬-氧化物-半導體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）是“半導體物理與器件”課程的核心內(nèi)容之一[1]。在講解MOSFET的應(yīng)用時，利用Aether對電路進行仿真，可以使學生直觀地認識互補MOS（CMOS）技術(shù)的優(yōu)點以及MOSFET各參數(shù)對于電路輸出的影響。

圖1顯示CMOS反相器與NMOS反相器的瞬時功耗比較，橫坐標為輸入電壓值，縱坐標為瞬時功耗。從圖1可知，CMOS反相器在輸入信號為低電平和高電平時，其功耗都較??；而輸入信號為中間電平，也就是電路中兩個晶體管均導通時，功耗較大。因此，CMOS電路的主要功耗是其動態(tài)功耗，即電路狀態(tài)發(fā)生變化時所產(chǎn)生的功耗。而在NMOS反相器中當輸入高電平時，整個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)的瞬時功耗曲線。由圖2可知，當Wp/Wn增大時，其輸出曲線向右移動，但其動態(tài)功耗也隨之增加。因此，必須選取適當?shù)膮?shù)，以使電路性能達到最優(yōu)。通過這種方式，學生可以直觀地理解MOSFET參數(shù)對電路性能的影響。同時，可以讓學生在課堂上討論仿真結(jié)果，這樣有助于學生學習和掌握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

學生理解低維半導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此類器件的支持。在教學中，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，可以幫助學生理解知識點。

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，使學生能夠更廣泛地了解此類器件的電路特點。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“半導體物理與器件”課程中，使用Aether軟件輔助教學，豐富了教學手段和教學內(nèi)容，有助于學生對器件工作原理、使用方法和電路特點的學習和融會貫通，提高教學效果。在教學過程中，還需要進一步挖掘Aether軟件在課程中的應(yīng)用，應(yīng)讓學生自己掌握軟件的使用，從而加深對知識的理解，為以后的學習打下基礎(chǔ)。

[1]曾樹榮.半導體器件物理基礎(chǔ)[M].北京：北京大學出版社, 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改革和課堂教學改革項目“應(yīng)用行業(yè)軟件Aether探索半導體物理演示性教學”（項目編號：kg2013169）的研究成果，負責人：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)計和研制；唐瑩（1981—），女，浙江杭州人，博士，副教授，研究方向：半導體器件的理論研究和樣品研制。

10.13887/j.cnki.jccee.2016（2）.39