JP3001917B2 - Method for analyzing operation of semiconductor device and apparatus used therefor - Google Patents

Method for analyzing operation of semiconductor device and apparatus used therefor

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JP3001917B2
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【発明の詳細な説明】 [発明の目的] (産業上の利用分野) 本発明は、半導体デバイス及び所定物理現象のモデリ
ングに関する。
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION [Object of the Invention] (Field of Industrial Application) The present invention relates to a semiconductor device and modeling of a predetermined physical phenomenon.

(従来の技術) 半導体デバイスモデリングにおいて用いられる基本方
程式は、通常次の形で表わされる。以下の式において、
τは物理時間を表わす。
(Prior Art) A basic equation used in semiconductor device modeling is usually expressed in the following form. In the following equation:
τ represents physical time.

∂p/∂τ=(−1/q)(div Jp)+G−U …(1) ∂n/∂τ=(1/q)(div Jn)+G−U …(2) Jp=−qDp(grad p)−qμpp(gradψ) …(3) Jn=qDn(grad n)−qμnn(gradψ) …(4) div(gradψ)=(−q/ε)(Nd−Na+p−n) …(5) これらの方程式は、従来法においても、本発明の方法
においても共通に用いられるものである。式(1)およ
び(2)は各々正孔、電子の連続方程式を表わす。G,U
は各々キャリアの発生、消滅を表わす。式(3),
(4)は各々正孔電流密度、電子電流密度を具体的に記
述したものであり、正孔電流密度Jpおよび電子電流密度
Jnが、それぞれキャリア密度の傾斜grad p,grad nに比
例する拡散電流成分(第1項)と、電位傾斜gardψと各
キャリア密度に比例するドリフト成分(第2項)の代数
和からなることを表わす。式(5)は、電位ψと空間電
荷密度の関係を表わすポアソン方程式である。
∂p / ∂τ = (− 1 / q) (div J p ) + GU (1) ∂n / ∂τ = (1 / q) (div J n ) + GU (2) J p = −qD p (grad p) −qμ p p (gradψ) (3) J n = qD n (grad n) −qμ n n (gradψ) (4) div (gradψ) = (− q / ε) ( N d −N a + p−n) (5) These equations are commonly used in the conventional method and the method of the present invention. Equations (1) and (2) represent the continuity equation for holes and electrons, respectively. G, U
Represents generation and disappearance of carriers, respectively. Equation (3),
(4) specifically describes the hole current density and the electron current density, respectively. The hole current density Jp and the electron current density
J n is composed of a diffusion current component (first term) proportional to the carrier density gradients grad p and grad n, and an algebraic sum of a potential gradient gardψ and a drift component (second term) proportional to each carrier density. Represents Equation (5) is a Poisson equation representing the relationship between the potential ψ and the space charge density.

以下、従来の解法について具体的に説明する。方程式
(1)〜(5)の数値解を求めるための第1のステップ
は、これらの式を連続形(微分方程式)から離散系(差
分方程式)に書き換えることである。この際、解析の対
象となるデバイス空間を長方形のメッシュに分割する必
要がある。二次元空間モデルについてのメッシュ分割を
概念的に第9図に示す。縦、横の分割点間隔hx,hyを第
9図のように定義し、かつ、各々の中間点の距離hx′,h
y′を次式で定義する。
Hereinafter, the conventional solution will be specifically described. The first step in finding the numerical solutions of equations (1)-(5) is to rewrite these equations from a continuous form (differential equation) to a discrete system (difference equation). At this time, it is necessary to divide the device space to be analyzed into rectangular meshes. FIG. 9 conceptually shows mesh division for a two-dimensional space model. The vertical and horizontal division point intervals h x , h y are defined as shown in FIG. 9, and the distances h x ′, h between the respective intermediate points are defined.
y ′ is defined by the following equation.

hx′(M)=(1/2)[hx(M′−1)+h
x(M′)] …(6−1) hy′(N)=(1/2)[hy(N′−1)+h
y(N′)] …(6−2) 式(3),(6−1),(6−2)より、離散系で
は、正孔電流の発散div Jpは次の近似式で表わせる。
h x '(M) = ( 1/2) [h x (M'-1) + h
x (M ')] (6-1) hy ' (N) = (1/2) [ hy (N'-1) + h
y (N ′)] (6-2) From equations (3), (6-1), and (6-2), in a discrete system, the divergence div J p of the hole current can be expressed by the following approximate expression. .

div Jp=∂Jpx/∂x+∂Jpy/∂y [Jpx(M′)−Jpx(M′−1)] /hx′(M) +[Jpy(N′)−Jpy(N′−1)] /hy′(N) …(7) 電子電流についても同様の書き替えが可能であるが、
自明であるので省略する。
div J p = ∂J px / ∂x + ∂J py / ∂y [J px (M ′) − J px (M′−1)] / h x ′ (M) + [J py (N ′) − J py (N′−1)] / h y ′ (N) (7) Similar rewriting is possible for the electron current.
Since it is obvious, the description is omitted.

以上により、式(1),(2)全体を書き替えた結果
は次の通りである。
From the above, the result of rewriting the entire formulas (1) and (2) is as follows.

(1/q){[Jpx(M′)−Jpx(M′−1)] /hx′(M) +[Jpy(N′)−Jpy(N′−1)] /hy′(N)}=−U(M,N) …(8−1) (1/q){[Jnx(M′)−Jnx(M′−1)] /hx′(M) +[Jny(N′)−Jny(N′−1)] /hy′(N)=U(M,N) …(8−2) ただし、(8−1),(8−2)式において、キャリア
発生項Gは通常のデバイス解析では必要とされないの
で、簡単化のため省略した。また、同じく簡単化のた
め、以下においては直流定常解の計算を行う場合を考え
るものとし、物理的時間微分項∂p/∂τおよび∂n/∂τ
はゼロとおいた。
(1 / q) {[J px (M ′) − J px (M′−1)] / h x ′ (M) + [J py (N ′) − J py (N′−1)] / h y ′ (N)} = − U (M, N) (8-1) (1 / q) {[J nx (M ′) − J nx (M′−1)] / h x ′ (M) + [ Jny (N ') -Jny (N'-1)] / hy ' (N) = U (M, N) (8-2) where (8-1), (8-2) In the expression ()), the carrier generation term G is not required for normal device analysis, and is omitted for simplification. Also, for the sake of simplicity, it is assumed below that the calculation of a DC steady-state solution is performed, and the physical time differential terms ∂p / ∂τ and ∂n / ∂τ
Is zero.

しかし、これらの物理的時間微分項がゼロでない非定
常問題の場合についても、本質的な差異を生じることな
く計算を実行できることを指摘しておく。
However, it should be pointed out that even in the case of non-stationary problems where these physical time derivative terms are non-zero, the calculations can be performed without substantial difference.

同様にしてポアソン方程式(5)は、次のように表わ
される。
Similarly, the Poisson equation (5) is expressed as follows.

[1/hx′(M)]{[ψ(M+1,N)−ψ(M,N)]/h
x(M′)−[ψ(M,N)−ψ(M−1,N)]/hx(M′−
1)} +[1/hy′(N)]{[ψ(M,N+1)−ψ(M,N)]/h
y(N′)−[ψ(M,N)−ψ(M,N−1)]/hy(N′−
1)} =−(q/ε)[Γ(M,N)+p(M,N)−n(M,N)] …(9) ただし、簡単化のため、ドナー、アクセプタ不純物濃度
の差をΓ=Nd−Naとおいた。
[1 / h x '(M)] {[ψ (M + 1, N) -ψ (M, N)] / h
x (M ')-[ψ (M, N) -ψ (M-1, N)] / h x (M'-
1)} + [1 / hy '(N)] {[ψ (M, N + 1) -ψ (M, N)] / h
y (N ')-[ψ (M, N) -ψ (M, N-1)] / hy (N'-
1)} = − (q / ε) [Γ (M, N) + p (M, N) −n (M, N)] (9) However, for simplicity, the difference between the donor and acceptor impurity concentrations is put a Γ = N d -N a.

ここで、以下の展開のために、キャリア再結合項U
(M,N)を具体的にShockley−Read−Hallの形で与え
る。即ち、 U(M,N)=[p(M,N)・n(M,N)+ni 2(M,N)]
/{τ[p(M,N)+ni(M,N)]+τ[n(M,N)
+ni(M,N)]} …(10) 次に、電流方程式(3),(4)を離散化する。この
際、従来から知られているように、数値計算上の安定性
を確保するために、Scharfetter−Gummelの近似形を採
用する。その結果、正孔、電子の電流密度のx,y成分は
各々次のように与えられる。
Now, for the following development, the carrier recombination term U
(M, N) is specifically given in the form of Shockley-Read-Hall. That, U (M, N) = [p (M, N) · n (M, N) + n i 2 (M, N)]
/ {Τ n [p (M, N) + n i (M, N)] + τ p [n (M, N)
+ N i (M, N)]} (10) Next, the current equations (3) and (4) are discretized. At this time, as is conventionally known, an approximate form of Scharfetter-Gummel is adopted in order to secure stability in numerical calculation. As a result, the x and y components of the hole and electron current densities are given as follows.

Jpx(M′)=[q/hx(M′)] ×[λpx1(M′)p(M N)+λpx2(M′)p
(M+1,N)] …(11−1) Jpy(N′)=[q/hy(N′)] ×[λpy1(N′)p(M N)+λpy2(N′)p
(M,N+1)] …(11−2) Jnx(M′)=[q/hx(M′)] ×[λnx1(M′)n(M N)+λnx2(M′)n
(M+1,N)] …(11−3) Jny(N′)=[q/hy(N′)] ×[λny1(N′)n(M N)+λny2(N′)n
(M,N+1)] …(11−4) ただし、上式のλは次式で与えられる。
J px (M ′) = [q / h x (M ′)] × [λ px1 (M ′) p (MN) + λ px2 (M ′) p
(M + 1, N)] (11-1) Jpy (N ') = [q / hy (N')] x [? Py1 (N ') p (MN) +? Py2 (N') p
(M, N + 1)] ... (11-2) J nx (M ') = [q / h x (M')] × [λ nx1 (M ') n (MN) + λ nx2 (M') n
(M + 1, N)] (11-3) J ny (N ′) = [q / hy (N ′)] × [λ ny1 (N ′) n (MN) + λ ny2 (N ′) n
(M, N + 1)] (11-4) where λ in the above equation is given by the following equation.

λpx1(M′)=[μ(M′)/θ(M′)]× [β(M′)/(1−e−β(M′))] λpx2(M′)=[μ(M′)/θ(M′)]× [β(M′)/(1−eβ(M′))] λpy1(N′)=[μ(N′)/θ(N′)]× [β(N′)/(1−e−β(N′))] λpy2(N′)=[μ(N′)/θ(N′)]× [β(N′)/(1−eβ(N′))] λnx1(M′)=[μ(M′)/μ(M′)] ×λpx2(M′) λnx2(M′)=[μ(M′)/μ(M′)] ×λpx1(M′) λny1(N′)=[μ(N′)/μ(N′)] ×λpy2(N′) λny2(N′)=[μ(N′)/μ(N′)] ×λpy1(N′) …(12) 以上により、原方程式(1)〜(5)の離散系への書
き替えが終了した。即ち、我々が解くべき方程式は、
(8−1),(8−2)式に電流の式(11−1)ないし
(11−4)、補助関係式(12)と再結合の式(10)とを
代入したものと、式(9)であり、これらは3個の未知
量p、n、ψを有する3個の方程式からなる。ところ
が、(8−1),(8−2)式を見ると、これらは未知
量につき非線形な関係式を含むから、このままでは解を
求めることが困難である。そこで、次に、これらの式を
未知量につきテイラー展開し、2次以上の項を無視する
ことにより、未知量の変化分δp,δn,δψについての線
形方程式を導出する。
λ px1 (M ′) = [μ p (M ′) / θ (M ′)] × [β (M ′) / (1-e− β (M ′) )] λ px2 (M ′) = [μ p (M ′) / θ (M ′)] × [β (M ′) / (1- ( M ′) )] λ py1 (N ′) = [μ p (N ′) / θ (N ′ )] × [β (N ′) / (1-e− β (N ′) )] λ py2 (N ′) = [μ p (N ′) / θ (N ′)] × [β (N ′) / (1− (N ′) )] λ nx1 (M ′) = [μ n (M ′) / μ p (M ′)] × λ px2 (M ′) λ nx2 (M ′) = [μ n (M ′) / μ p (M ′)] × λ px1 (M ′) λ ny1 (N ′) = [μ n (N ′) / μ p (N ′)] × λ py2 (N ′) λ by ny2 (N ') = [μ n (N') / μ p (N ')] × λ py1 (N') ... (12) or more, write to the discrete system of the original equation (1) to (5) The replacement has been completed. That is, the equation we should solve is
Equations (8-1) and (8-2) obtained by substituting equations (11-1) to (11-4) for current, auxiliary relational equation (12) and equation (10) for recombination, (9), which consist of three equations with three unknowns p, n, ψ. However, looking at the expressions (8-1) and (8-2), since these include nonlinear relational expressions for the unknown quantities, it is difficult to find a solution as it is. Therefore, next, these equations are Taylor-expanded for unknown quantities, and a second-order or higher-order term is ignored to derive a linear equation for the changes Δp, δn, δψ of the unknown quantities.

まず、各未知量を次のように、試行値(上付きのゼロ
で表わす)と、変化分の和からなるものとする。
First, it is assumed that each unknown quantity is composed of a trial value (represented by a superscript zero) and a sum of changes as follows.

p(M,N)=p0(M,N)+δp(M,N) n(M,N)=n0(M,N)+δn(M,N) ψ(M,N)=ψ(M,N)+δψ(M,N) …(13) そこで電流の式(11−1)〜(11−4)をTaylor展開
し、2次以上の項を無視すると、つぎの結果を得る。
p (M, N) = p 0 (M, N) + δp (M, N) n (M, N) = n 0 (M, N) + δn (M, N) ψ (M, N) = ψ 0 ( (M, N) + δψ (M, N) (13) If the current equations (11-1) to (11-4) are Taylor-expanded and second-order or higher terms are ignored, the following result is obtained.

Jpx(M′)Jpx 0(M′) +[∂Jpx 0(M′)/∂p(M,N)]×δp(M,
N) +[∂Jpx 0(M′)/∂p(M+1,N)]×δp
(M+1,N) +[∂Jpx 0(M′)/∂ψ(M,N)]×δψ(M,
N) +[∂Jpx 0(M′)/∂ψ(M+1,N)]×δψ
(M+1,N) …(14−1) Jpy(N′)Jpy 0(N′) +[∂Jpy 0(N′)/∂p(M,N)]×δp(M,
N) +[∂Jpy 0(N′)/∂p(M,N+1)]×δp
(M,N+1) +[∂Jpy 0(N′)/∂ψ(M,N)]×δψ(M,
N) +[∂Jpy 0(N′)/∂ψ(M,N+1)]×δψ
(M,N+1) …(14−2) Jnx(M′)Jnx 0(M′) +[∂Jnx 0(M′)/∂n(M,N)]×δn(M,
N) +[∂Jnx 0(M′)/∂n(M+1,N)]×δn
(M+1,N) +[∂Jnx 0(M′)/∂ψ(M,N)]×δψ(M,
N) +[∂Jnx 0(M′)/∂ψ(M+1,N)]×δψ
(M+1,N) …(14−3) Jny(N′)Jny 0(N′) +[∂Jny 0(N′)/∂n(M,N)]×δn(M,
N) +[∂Jny 0(N′)/∂n(M,N+1)]×δn
(M,N+1) +[∂Jny 0(N′)/∂ψ(M,N)]×δψ(M,
N) +[∂Jny 0(N′)/∂ψ(M,N+1)]×δψ
(M,N+1) …(14−4) ただし上つきゼロをもつ各量は未知量の試行値p0,n0,
ψに対応するものとする。
J px (M ') J px 0 (M') + [∂J px 0 (M ') / ∂p (M, N)] × δp (M,
N) + [∂J px 0 (M ′) / ∂p (M + 1, N)] × δp
(M + 1, N) + [∂J px 0 (M ′) / ∂ψ (M, N)] × δψ (M,
N) + [{J px 0 (M ') / {(M + 1, N)] × δ}
(M + 1, N) (14-1) J py (N ') J py 0 (N') + [∂J py 0 (N ') / ∂p (M, N)] × δp (M,
N) + [∂J py 0 (N ′) / ∂p (M, N + 1)] × δp
(M, N + 1) + [{J py 0 (N ') / {(M, N)] × δ} (M,
N) + [{J py 0 (N ') / {(M, N + 1)] × δ}
(M, N + 1)… (14-2) J nx (M ′) J nx 0 (M ′) + [∂J nx 0 (M ′) / ∂n (M, N)] × δn (M,
N) + [∂J nx 0 ( M ') / ∂n (M + 1, N)] × δn
(M + 1, N) + [{J nx 0 (M ') / {(M, N)] × δ} (M,
N) + [{J nx 0 (M ') / {(M + 1, N)] × δ}
(M + 1, N) (14-3) J ny (N ') J ny 0 (N') + [∂J ny 0 (N ') / ∂n (M, N)] × δn (M,
N) + [∂J ny 0 (N ′) / ∂n (M, N + 1)] × δn
(M, N + 1) + [{J ny 0 (N ') / {(M, N)] × δ} (M,
N) + [{J ny 0 (N ') / {(M, N + 1)] × δ}
(M, N + 1)… (14-4) where the quantities with superscript zero are unknown trial values p 0 , n 0 ,
対 応 It shall correspond to 0 .

電流のほか再結合項U(M,N)も非線形なので、これ
も同様の計算を行うと、つぎの結果を得る。
Since the recombination term U (M, N) is nonlinear in addition to the current, the same result is obtained by performing the same calculation.

U(M,N)=U0(M,N)+Up 0(M,N)× δp(M,N)+Un 0(M,N)δn(M,N) ただし Up(M,N)=∂U(M,N)/∂p(M,N) =[n(M,N)−τnU(M,N)]/{τ×[p
(M,N)+ni(M,N)]+τ[n(M,N) +ni(M,N)]} Un(M,N)=∂U(M,N)/∂p(M,N) =[p(M,N)−τpU(M,N)]/{τ×[p
(M,N)+ni(M,N)]+τ[n(M,N) +ni(M,N)]} …(15) ここで、(13),(14−1),(14−2),(14−
3),(14−4),(15)を(8−1),(8−2)お
よび(9)に代入し、項を整理すると、つぎの行列・ベ
クトル方程式が得られる。
U (M, N) = U 0 (M, N) + U p 0 (M, N) × δp (M, N) + U n 0 (M, N) δn (M, N) provided that U p (M, N ) = ∂U (M, N) / ∂p (M, N) = [n (M, N) −τ n U (M, N)] / {τ n × [p
(M, N) + n i (M, N)] + τ p [n (M, N) + n i (M, N)]} U n (M, N) = ∂U (M, N) / ∂p ( M, N) = [p (M, N) −τ p U (M, N)] / {τ n × [p
(M, N) + n i (M, N)] + τ p [n (M, N) + n i (M, N)]} (15) where (13), (14-1), (14) -2), (14-
Substituting 3), (14-4) and (15) into (8-1), (8-2) and (9), and rearranging the terms, the following matrix / vector equation is obtained.

AT(M,N)Θ(M,N−1) +BT(M,N)Θ(M,N) +CT(M,N)Θ(M,N+1) +DT(M,N)Θ(M−1,N) +ET(M,N)Θ(M+1,N) =FT(M,N), …(16) ただし なお、各行列、ベクトル要素を具体的に書き下すと、
つぎのようになる。
A T (M, N) Θ T (M, N-1) + B T (M, N) Θ T (M, N) + C T (M, N) Θ T (M, N + 1) + D T (M, N ) Θ T (M-1, N) + E T (M, N) Θ T (M + 1, N) = F T (M, N), ... (16) where In addition, when each matrix and vector element are specifically written down,
It looks like this:

a11=−[1/qhy′(N)] ×∂Jpy 0(N−1)/∂p(M,N−1) a12=0 a13=−[1/qhy′(N)] ×∂Jpy 0(N−1)/∂ψ(M,N−1) a21=0 a22=−[1/qhy′(N)] ×∂Jny 0(N−1)/∂n(M,N−1) a23=−[1/qhy′(N)] ×∂Jny 0(N−1)/∂ψ(M,N−1) a31=0 a32=0 a33=γ(M,N) =1/[hy′(N)hy(N−1)] b11=[1/hx′(M)] ×[∂Jpx 0(M)/∂p(M,N) −∂Jpx 0(M−1)/∂p(M,N)] +[1/hy′(N)] ×[∂Jpy 0(N)/∂p(M,N) −∂Jpy 0(N−1)/∂p(M,N)] +∂U0(M,N)/∂p(M,N) b12=∂U0(M,N)/∂n(M,N) b13=[1/qhx′(M)] ×[∂Jpx 0(M)/∂ψ(M,N) −∂Jpx 0(M−1)/∂ψ(M,N)] +[1/qhx′(M)] ×[∂Jpy 0(N)/∂ψ(M,N) −∂Jpy 0(N−1)/∂ψ(M,N)] b21=−∂U0(M,N)/∂p(M,N) b22=[1/qhx′(M)] ×[∂Jnx 0(M)/∂n(M,N) −∂Jnx 0(M−1)/∂n(M,N)] +[1/qhy′(N)] ×[∂Jny 0(M)/∂n(M,N) −∂Jny 0(N−1)/∂n(M,N)] −∂U0(M,N)/∂n(M,N) b23=[1/qhx′(M)] ×[∂Jny 0(N)/∂ψ(M,N) −∂Jnx 0(M−1)/∂ψ(M,N)] +[1/qhy′(N)] ×[∂Jny 0(N)/∂ψ(M,N) −∂Jny 0(N−1)/∂ψ(M,N)] b31=q/ε,b32=−q/ε b33=−[1/hx′(M)][1/hx(M)+ 1/hx(M−1)] −[1/hy′(N)+1/hy(N−1)] c11=[1/qhy′(N)] ×[∂Jpy 0(N)/∂p(M,N+1)] c12=0 c13=[1/qhy′(N)] ×[∂Jpy 0(N)/∂ψ(M,N+1)] c21=0 c22=[1/qhy′(N)] ×[∂Jny 0(N)/∂n(M,N+1)] c23=[1/qhy′(N)] ×[∂Jny 0(N)/∂ψ(M,N+1)] c31=0,c32=0 c33=1/hy′(N)hy(N) d11=−[1/qhx′(M)] ×[∂Jpx 0(M−1)/∂p(M−1,N)] d12=0 d13=−[1/qhx′(M)] ×[∂Jpx 0(M−1)/∂ψ(M−1,N) d21=0 d22=−[1/qhx′(M)] ×[∂Jnx 0(M−1)/∂n(M−1,N) d23=−[1/qhx′(M)] ×[∂Jnx 0(M−1)/∂ψ(M−1,N) d31=0,d32=0 d33=[1/hx′(M)hx(M−1) e11−[1/qhx′(M)] ×[∂Jpx 0(M)/∂p(M+1,N)] e12=0 e13=[1/qhx′(M)] ×[∂Jpx 0(M)/∂ψ(M+1,N)] e21=0 e22=[1/qhx′(M)] ×[∂Jnx 0(M)/∂n(M+1,N)] e23=[1/qhx′(M)] ×[∂Jnx 0(M)/∂ψ(M+1,N)] e31=0,e32=0 e33=1/hx′(M)hx(M) f1=−U0(M,N)+Up 0(M,N)p0(M,N) +Un 0(M,N)n0(M,N) −[1/qhx′(M)] ×[∂Jp 0(M−1)/∂ψ(M−1,N)] ×[ψ(M−1,N)−ψ(M,N)] +[1/qhx′(M)] ×[∂Jp 0(M)/∂ψ(M,N)] ×[ψ(M,N)−ψ(M+1,N)] −[1/qhy′(N)] ×[∂Jp 0(N−1)/∂ψ(M,N−1)] ×[ψ(M,N−1)−ψ(M,N)] +[1/qhy′(N)] ×[∂Jp 0(N)/∂ψ(M,N)] ×[ψ(M,N)−ψ(M,N+1)] f2=−U0(M,N)−Up 0(M,N)p0(M,N) −Un 0(M,N)n0(M,N) −[1/qhx′(M)] ×[∂Jn 0(M−1)/∂ψ(M−1,N)] ×[ψ(M−1,N)−ψ(M,N)] +[1/qhx′(M)] ×[∂Jn 0(M)/∂ψ(M,N)] ×[ψ(M,N)−ψ(M+1,N)] −[1/qhy′(N)] ×[∂Jn 0(N−1)/∂ψ(M,N−1) ×[ψ(M,N−1)−ψ(M,N)] +[1/qhy′(N)] ×[∂Jn 0(N)/∂ψ(M,N)] ×[ψ(M,N)−ψ(M,N+1)] f3=−(q/ε)Γ(M,N) …(18) 以上により、離散化した非線形方程式(8−1),
(8−2),(9)を線形化した結果、行列・ベクトル
方程式(16)が導かれることがわかった。
a 11 = − [1 / qh y ′ (N)] × J py 0 (N−1) / Mp (M, N−1) a 12 = 0 a 13 = − [1 / qh y ′ (N )] × ∂J py 0 (N -1) / ∂ψ (M, N-1) a 21 = 0 a 22 = - [1 / qh y '(N)] × ∂J ny 0 (N-1) / ∂n (M, N-1 ) a 23 = - [1 / qh y '(N)] × ∂J ny 0 (N-1) / ∂ψ (M, N-1) a 31 = 0 a 32 = 0 a 33 = γ 1 ( M, N) = 1 / [h y '(N) h y (N-1)] b 11 = [1 / h x' (M)] × [∂J px 0 ( M) / ∂p (M, N) −∂J px 0 (M−1) / ∂p (M, N)] + [1 / hy ′ (N)] × [∂J py 0 (N) / ∂p (M, N) -∂J py 0 (N-1) / ∂p (M, N)] + ∂U 0 (M, N) / ∂p (M, N) b 12 = ∂U 0 ( M, N) / ∂n (M, N) b 13 = [1 / qh x '(M)] × [∂J px 0 (M) / ∂ψ (M, N) −∂J px 0 (M− 1) / ∂ψ (M, N )] + [1 / qh x '(M)] × [∂J py 0 (N) / ∂ψ (M, N) ∂J py 0 (N-1) / ∂ψ (M, N)] b 21 = -∂U 0 (M, N) / ∂p (M, N) b 22 = [1 / qh x '(M) ] × [∂J nx 0 (M ) / ∂n (M, N) -∂J nx 0 (M-1) / ∂n (M, N)] + [1 / qh y '(N)] × [ ∂J ny 0 (M) / ∂n (M, N) −∂J ny 0 (N−1) / ∂n (M, N)] −∂U 0 (M, N) / ∂n (M, N ) B 23 = [1 / qh x '(M)] × [∂J ny 0 (N) / ∂ψ (M, N) −∂J nx 0 (M−1) / ∂ψ (M, N)] + [1 / qh y '( N)] × [∂J ny 0 (N) / ∂ψ (M, N) -∂J ny 0 (N-1) / ∂ψ (M, N)] b 31 = q / ε, b 32 = −q / ε b 33 = − [1 / h x ′ (M)] [1 / h x (M) + 1 / h x (M−1)] − [1 / hy '(N) + 1 / h y (N-1)] c 11 = [1 / qh y' (N)] × [∂J py 0 (N) / ∂p (M, N + 1)] c 12 = 0 c 13 = [1 / qh y '(N)] x [∂J py 0 (N) / ∂ψ (M, N + 1)] c 21 = 0 c 22 = [1 / qh y '(N)] × [∂J ny 0 (N) / ∂n (M, N + 1)] c 23 = [1 / qh y' (N)] × [∂J ny 0 (N) / ∂ψ (M , N + 1)] c 31 = 0, c 32 = 0 c 33 = 1 / hy ′ (N) hy (N) d 11 = − [1 / qh x ′ (M)] × [∂J px 0 ( M-1) / ∂p (M -1, N)] d 12 = 0 d 13 = - [1 / qh x '(M)] × [∂J px 0 (M-1) / ∂ψ (M- 1, N) d 21 = 0 d 22 = − [1 / qh x ′ (M)] × [∂J nx 0 (M−1) / ∂n (M−1, N) d 23 = − [1 / qh x ′ (M)] × [∂J nx 0 (M−1) / ∂ψ (M−1, N) d 31 = 0, d 32 = 0 d 33 = [1 / h x ′ (M) h x (M-1) e 11 - [1 / qh x '(M)] × [∂J px 0 (M) / ∂p (M + 1, N)] e 12 = 0 e 13 = [1 / qh x' (M)] × [∂J px 0 (M) / ∂ψ (M + 1, N)] e 21 = 0 e 22 = [1 / qh x ′ (M)] × [∂J nx 0 (M) / ∂ n (M + 1, N)] e 23 = [1 / qh x '(M)] × [ ∂J nx 0 (M) / ∂ψ (M + 1, N)] e 31 = 0, e 32 = 0 e 33 = 1 / h x ′ (M) h x (M) f 1 = −U 0 (M, n) + U p 0 (M , n) p 0 (M, n) + U n 0 (M, n) n 0 (M, n) - [1 / qh x '(M)] × [∂J p 0 ( M−1) / ∂ψ (M−1, N)] × [ψ 0 (M−1, N) −ψ 0 (M, N)] + [1 / qh x ′ (M)] × [∂J p 0 (M) / ∂ψ ( M, N)] × [ψ 0 (M, N) -ψ 0 (M + 1, N)] - [1 / qh y '(N)] × [∂J p 0 ( N-1) / ∂ψ (M , N-1)] × [ψ 0 (M, N-1) -ψ 0 (M, N)] + [1 / qh y '(N)] × [∂J p 0 (N) / ∂ψ ( M, N)] × [ψ 0 (M, N) -ψ 0 (M, N + 1)] f 2 = -U 0 (M, N) -U p 0 (M, N) p 0 (M, N) −U n 0 (M, N) n 0 (M, N) − [1 / qh x ′ (M)] × [∂J n 0 (M−1) / ∂ψ (M−1, N)] × [ψ 0 (M−1, N) −ψ 0 (M, N)] + [1 / qh x ′ (M)] × [∂J n 0 (M) / ∂ ψ (M, N ] × [ψ 0 (M, N) -ψ 0 (M + 1, N)] - [1 / qh y '(N)] × [∂J n 0 (N-1) / ∂ψ (M, N-1 ) × [ψ 0 (M, n-1) -ψ 0 (M, n)] + [1 / qh y '(n)] × [∂J n 0 (n) / ∂ψ (M, n)] × [ψ 0 (M, N) −ψ 0 (M, N + 1)] f 3 = − (q / ε) Γ (M, N) (18) The nonlinear equation (8-1) discretized as described above ,
As a result of linearizing (8-2) and (9), it was found that a matrix / vector equation (16) was derived.

式(16)は、2次元配列された多数の分割点の1個分
に相当するものであるから、デバイス平面全体について
解を得るためには式(16)を全分割点につき連立したも
のを解かねばならない。いま仮にデバイス全体に対応す
る分割点番号が、1≦M≦K,1≦N≦Lの範囲にあるも
のとすれば、式(16)を全体につき書き下した結果は第
10図に示すようになる。但しここで簡単のため、AT(M,
N)をAMN(M,N)をΘMN,FT(M,N)をFMNなどと書
きかえた。
Since equation (16) is equivalent to one of a large number of division points arranged two-dimensionally, in order to obtain a solution for the entire device plane, a combination of equation (16) for all division points is used. I have to solve it. Assuming that the division point numbers corresponding to the entire device are in the range of 1 ≦ M ≦ K, 1 ≦ N ≦ L, the result of rewriting equation (16) as a whole is
As shown in Figure 10. However, for simplicity, A T (M,
N) was rewritten as A MN , T T (M, N) as Θ MN , and F T (M, N) as F MN .

第10図において、B11など個々の行列は(3×3)の
ディメンションをもつから、全体の行列のディメンショ
ンは(3KL)×(3KL)となる。いま標準的なデバイスモ
デルとしてK=30,L=40を与えるものとすれば、全体の
行列のディメンションは3,600×3,600=12,960,000=1.
296×107の大きさとなる。
In Figure 10, each of the matrix such as B 11 is because having a dimension of (3 × 3), the dimensions of the whole of the matrix becomes (3KL) × (3KL). Assuming that K = 30, L = 40 is given as a standard device model, the dimension of the entire matrix is 3,600 × 3,600 = 12.960,000 = 1.
The size is 296 × 10 7 .

第10図の行列・ベクトル方程式を実際に解く方法は色
々あり、最も普通に用いられる方法はGaussの消去法で
ある。今日計算機の発達により大容量メモリの高速計算
が可能となったため、上記の数値例の程度の大きさの問
題は消去法を用いて解くことができる。別な方法として
は各種の反復法があり、これは行列サイズが非常に大き
い場合、有効な手段となる。
There are various methods for actually solving the matrix / vector equation in FIG. 10, and the most commonly used method is Gaussian elimination. Today, with the development of computers, high-speed calculation of large-capacity memories has become possible. Therefore, the problem of the magnitude of the above numerical example can be solved by using an erasure method. Other methods include various iterative methods, which are effective when the matrix size is very large.

行列解法はデバイスモデリングに限らず、他の物理
的、工学的問題に広く応用されており、既によく知られ
た計算プロセスであるので、以下その解は所定の計算時
間をもって求まったものとする。すなわち式(16)の解
が、与えられたデバイスの空間全体につき求まったもの
とする。このことは、非線形方程式(8−1),(8−
2)および(9)を線形近似したものの解が求まったこ
とに他ならないわけであるが、この解を非線形方程式に
代入してみると、非線形効果があるため、一般にその両
辺は等しくない。そこで既に求まった[p(M,N),n
(M,N),ψ(M,N),1≦M≦K,1≦N≦L]を改めて[p
0(M,N),n0(M,N),ψ(M,N),1≦M≦K,1≦N≦
L]と置き換え、再度上述したのと同一の計算プロセス
を実行する。以下同様にして、必要回数だけ反復計算を
実行すれば、遂には非線形方程式(8−1),(8−
2),(9)を完全に満足する解が求まる。
The matrix solution method is widely applied not only to device modeling but also to other physical and engineering problems, and is a well-known calculation process. Therefore, it is assumed that the solution is obtained with a predetermined calculation time. That is, it is assumed that the solution of equation (16) is obtained for the entire space of the given device. This means that the nonlinear equations (8-1), (8-
It is inevitable that a solution was obtained by linearly approximating 2) and (9). However, when this solution is substituted into a nonlinear equation, both sides are generally not equal due to a nonlinear effect. Then, [p (M, N), n
(M, N), ψ (M, N), 1 ≦ M ≦ K, 1 ≦ N ≦ L]
0 (M, N), n 0 (M, N), ψ 0 (M, N), 1 ≦ M ≦ K, 1 ≦ N ≦
L] and execute the same calculation process as described above again. In the same manner, if the iterative calculation is performed the required number of times, the nonlinear equations (8-1) and (8-
A solution that completely satisfies 2) and (9) is obtained.

(発明が解決しようとする課題) 上述した行列解法は、今日の計算機の性能向上によ
り、メモリの大容量化と高速計算が可能となったため、
かなり大規模な問題に対してもこれを適用することがで
きる。しかし計算機の性能向上に伴って対象となる問題
がさらに大形化するため、行列解法の高速化はモデリン
グの実行上、依然として最大問題のひとつである。
(Problems to be Solved by the Invention) In the matrix solution described above, since the performance of today's computers has been improved, it has become possible to increase the memory capacity and perform high-speed calculations.
This can be applied to fairly large problems. However, the problem to be solved becomes larger with the improvement of the performance of the computer. Therefore, speeding up the matrix solution is still one of the biggest problems in performing the modeling.

この問題の解法のため、本発明は、従来法から離れ
て、行列解法を適用することなしに所定の方程式の解を
求め、半導体デバイスの動作解析、所定の物理現象の解
析を行う方法及び装置を提供するものである。
In order to solve this problem, the present invention provides a method and an apparatus for solving a predetermined equation without applying a matrix solution, analyzing the operation of a semiconductor device, and analyzing a predetermined physical phenomenon, without applying a matrix solution. Is provided.

[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明の第1の半導体デバイスの動作解析法は、半導
体デバイスモデリングにおける、電子、正孔の輸送方程
式およびポアソン方程式からなる連立方程式系をコンピ
ュータを用いて解析する方法において、前記連立方程式
系fp=0,fn=0,fψ=0を、人工的時間微分項dp/dt,dn/
dt,dψ/dtと感度係数λpnψとを含む下記(a
1),(b1),(c1)式に置き換え、 dp/dt=−λpfp …(a1) dn/dt=λnfn …(b1) dψ/dt=λψψ …(c1) 半導体デバイスの分割点配置(M,N)を決定すると共
に、感度係数λpnψにも前記半導体デバイスの物
理的特性に合致した適正な空間位置依存性を与えて、上
記(a1),(b1),(c1)式を下記の(d),(e),
(f)式に変換し、 dp(M,N)/dt=−λ(M,N)fp(M,N) …(d) dn(M,N)/dt=λ(M,N)fn(M,N) …(e) dψ(M,N)/dt=λψ(M,N)fψ(M,N) …(f) ただし各式の右辺のfp,fn,fψは次式のとおり定義
し、 fp(M,N)=(1/q){[Jpx(M) −Jpx(M−1)]/hx′(M)} +(1/q){[Jpy(N) −Jpy(N−1)]/hy′(M)} +U(M,N) …(22−1) fn(M,N)=(1/q){[Jnx(M) −Jnx(M−1)]/hx′(M) +(1/q){[Jny(N) −Jny(N−1)]/hy′(M)} +U(M,N) …(22−2) fψ(M,N)=[1/hx′(M)] ×{[ψ(M+1,N)−ψ(M,N)]/hx(M) −[ψ(M,N)−ψ(M−1,N)]/hx(M−1)} +[1/hy′(N)] ×{[ψ(M,N+1)−ψ(M,N)]/hy(N) −[ψ(M,N)−ψ(M,N−1)]/hy(N−1)} +(q/ε)[Γ(M,N)+p(M,N) −n(M,N)] …(22−3) 上記(d),(e),(f)式を時間積分することによ
り、前記連立方程式系の解を求めることを特徴とする。
[Constitution of the Invention] (Means for Solving the Problems) The first method for analyzing the operation of a semiconductor device according to the present invention is a method for analyzing a system of simultaneous equations composed of electron and hole transport equations and Poisson equation in semiconductor device modeling. In the method of analyzing using the system, the system of simultaneous equations f p = 0, f n = 0, f ψ = 0 is converted into an artificial time differential term dp / dt, dn /
dt, d [phi] / dt and sensitivity coefficients λ p, λ n, below which includes a lambda [psi (a
1), (b1), ( c1) replacing the formula, dp / dt = -λ p f p ... (a1) dn / dt = λ n f n ... (b1) dψ / dt = λ ψ f ψ ... (c1 The splitting point arrangement (M, N) of the semiconductor device is determined, and the sensitivity coefficients λ p , λ n , λ are also given appropriate spatial position dependency that matches the physical characteristics of the semiconductor device. Equations (a1), (b1), and (c1) are replaced by the following equations (d), (e),
(F), dp (M, N) / dt = −λ p (M, N) f p (M, N) (d) dn (M, N) / dt = λ n (M, N) f n (M, N)… (e) dM (M, N) / dt = λ ψ (M, N) f ψ (M, N)… (f) where f p , f on the right side of each equation is n, f [psi defined as follows, f p (M, n) = (1 / q) {[J px (M) -J px (M-1)] / h x '(M)} + (1 / q) {[J py (n) -J py (n-1)] / h y '(M)} + U (M, n) ... (22-1) f n (M, n) = ( 1 / q) {[J nx (M) −J nx (M−1)] / h x ′ (M) + (1 / q) {[J ny (N) −J ny (N−1)] / h y ′ (M)} + U (M, N) (22-2) f ψ (M, N) = [1 / h x ′ (M)] × {[ψ (M + 1, N) −ψ (M , N)] / h x (M) − [{(M, N) −ψ (M−1, N)] / h x (M−1)} + [1 / hy ′ (N)] × { [Ψ (M, N + 1) −ψ (M, N)] / hy (N) − [ψ (M, N) −ψ (M, N−1)] / hy ( N−1)} + (q / ε) [Γ (M, N) + p (M, N) −n (M, N)] (22-3) The above (d), (e), (f) A solution of the system of simultaneous equations is obtained by time-integrating the equation.

ただし、上記の説明においては、簡単のため、原関数
fp,fnが物理的時間τに関する微分を含まない直流定常
問題を取り上げたが、これらを含む場合については、式
(8−1),(8−2)において、∂p/∂τおよび∂n/
∂τを夫々差分式 [p(M,N)−p0(M,N)]/∂τ [n(M,N)−n0(M,N)]/∂τ の形に置き換えたものから出発すれば、本計算法の原理
に本質的な差異を生じることなく、前記連立方程式系の
解を求めることができることを指摘しておく。
However, in the above description, for simplicity, the original function
The DC steady-state problem in which f p and f n do not include the derivative with respect to the physical time τ is taken up. In the case where these problems are included, in equations (8-1) and (8-2), ∂p / ∂τ and ∂n /
The respective differential equation ∂τ [p (M, N) -p 0 (M, N)] / ∂τ [n (M, N) -n 0 (M, N)] are replaced in the form of / ∂τ It should be pointed out that the solution of the system of simultaneous equations can be obtained without departing from the principle of the present calculation method.

本発明の第2の半導体デバイスの動作解析法は、半導
体デバイスモデリングにおける、電位と空間電荷の関係
を表わすポアソン方程式をコンピュータにより解析する
方法において、前記ポアソン方程式を時間微分項∂ψ/
∂tと感度係数λを含む下記(a2)式に置き換え、 ∂ψ/∂t=λfψ …(a2) 半導体デバイスの分割点配置(M,N)を決定すると共
に、感度係数λにも前記半導体デバイスの物理的特性に
合致した適正な空間位置依存性を与えて、上記(a2)式
を下記の(b2)式に変換し、 ∂ψ(M,N)/∂t=λ(M,N)fψ(M,N) …(b2) 上記(b2)式を時間積分することにより、前記ポアソン
方程式の解を求めることを特徴とする。
A second operation analysis method of a semiconductor device according to the present invention is a method of analyzing a Poisson equation representing a relationship between an electric potential and a space charge in a semiconductor device modeling by a computer.
Replaced by the following (a2) expression containing ∂t and sensitivity coefficient λ, ∂ψ / ∂t = λf ψ ... (a2) dividing point arrangement of semiconductor devices (M, N) and determines, said in sensitivity coefficient lambda Given the appropriate spatial position dependency that matches the physical characteristics of the semiconductor device, the above equation (a2) is converted into the following equation (b2), and 、 (M, N) / ∂t = λ (M, N) (M, N) (b2) The solution of the Poisson equation is obtained by time-integrating the above equation (b2).

本発明の第3の半導体デバイスの動作解析法は、最小
自乗法に基く半導体デバイスの等価回路定数決定問題を
コンピュータにより解析する方法において、前記等価回
路定数決定問題を時間微分項dq/dtと感度係数λとを含
む下記(a3)式に置き換え、 dq/dt=−λ(Aq−b) …(a3) 感度係数λに個々の等価回路定数の有する物理的特性に
適した値を与えて、前記(a3)式を時間積分することに
より、前記等価回路定数決定問題の解を求めることを特
徴とする。
A third method for analyzing the operation of a semiconductor device according to the present invention is a method for analyzing an equivalent circuit constant determination problem of a semiconductor device based on a least squares method by a computer, wherein the equivalent circuit constant determination problem includes a time differential term dq / dt and a sensitivity. The following equation (a3) including the coefficient λ is substituted, and dq / dt = −λ (Aq−b) (a3) By giving a value suitable for the physical characteristic of each equivalent circuit constant to the sensitivity coefficient λ, The solution of the problem of determining the equivalent circuit constant is obtained by time-integrating the equation (a3).

本発明の第1の解析装置は、半導体デバイスモデリン
グにおける、電子、正孔の輸送方程式およびポアソン方
程式からなる連立方程式系を時間微分項と感度係数とを
含む微分方程式dp/dt=−λpfp,dn/dt=λnfn,dψ/dt=
λψψに置き換えて解析する装置において、前記装置
は、単数または複数のm個の論理セルと、前記各論理セ
ルに結合し調整可能な増幅利得λを有するm個のアン
プまたはこれと等価な乗算器と、前記各論理セルに対し
てネットワーク状に設けられ前記装置内の過度現象が定
常状態になったことを検知する検出手段とからなること
を特徴とする。
First analysis device of the present invention, in a semiconductor device modeling, electron, hole transport equation and the system of simultaneous equations consisting of the Poisson equation time derivative term and differential equations and a sensitivity coefficient dp / dt = -λ p f p , dn / dt = λ n f n , dψ / dt =
An apparatus for analyzing replaced with lambda [psi f [psi, the device includes a single or plurality of m logic cells, the m amplifiers the bound to each logic cell having an adjustable amplification gain lambda i or therewith It is characterized by comprising an equivalent multiplier and detecting means provided in a network for each of the logic cells and detecting that the transient phenomenon in the device has reached a steady state.

本発明の第2の解析装置は、半導体デバイスモデリン
グにおける電位と空間電荷の関係を表わすポアソン方程
式を微分方程式dψ/dt=λfψに置き換えて解析する
装置において、前記装置は、単数または複数のm個の論
理セルと、前記各論理セルに結合し調整可能な増幅利得
λを有するm個のアンプまたはこれと等価な乗算器
と、前記各論理セルに対してネットワーク状に設けられ
前記装置内の過度現象が定常状態になったことを検知す
る検出手段とからなることを特徴とする。
Second analyzing device of the present invention, there is provided an apparatus for analyzing by replacing the differential equation / dt = λf ψ Poisson equation representing the relationship between the potential and space charge in the semiconductor device modeling, the apparatus comprising one or more m Logic cells, m amplifiers or multipliers equivalent to the amplifiers having an adjustable amplification gain λ i coupled to each of the logic cells, and provided in a network for each of the logic cells, And detecting means for detecting that the transient phenomenon has become a steady state.

本発明の第3の解析装置は、最小自乗法に基く半導体
デバイスの等価回路定数決定問題を微分方程式dq/dt=
−λ(Aq−b)に置き換えて解析する装置において、前
記装置は、単数または複数のm個の論理セルと、前記各
論理セルに結合し調整可能な増幅利得λを有するm個
のアンプまたはこれと等価な乗算器と、前記各論理セル
に対してネットワーク状に設けられ前記装置内の過度現
象が定常状態になったことを検知する検出手段とからな
ることを特徴とする。
The third analysis apparatus of the present invention solves the problem of determining the equivalent circuit constant of a semiconductor device based on the least squares method using a differential equation dq / dt =
An apparatus for analyzing replaced with -λ (Aq-b), the apparatus, the m amplifiers having one or a plurality of m logic cells, the bound adjustable amplification gain lambda i to each logic cell Alternatively, it is characterized by comprising a multiplier equivalent to this, and detecting means provided in a network form for each of the logic cells and detecting that the transient phenomenon in the device has become a steady state.

(作 用) 本発明の方法では、半導体デバイスモデリングにおけ
る電子、正孔の輸送方程式およびポアソン方程式からな
る連立方程式系の解法、半導体デバイスモデリングにお
ける電位と空間電荷の関係を表わすポアソン方程式の解
法、最小自乗法に基く半導体デバイスの等価回路定数決
定問題の解法等において、上記各式を、時間微分項と感
度係数λとを有する微分方程式に置き換え、感度係数λ
の値を解くべき式の物理的特性に合わせて設定するの
で、対象となる方程式がさらに大形化しても、行列解法
を高速に実行できる。
(Operation) In the method of the present invention, a method of solving a system of simultaneous equations composed of electron and hole transport equations and Poisson equation in semiconductor device modeling, a method of solving Poisson equation representing a relationship between potential and space charge in semiconductor device modeling, In solving the equivalent circuit constant determination problem of a semiconductor device based on the square method, each of the above equations is replaced with a differential equation having a time differential term and a sensitivity coefficient λ, and the sensitivity coefficient λ
Is set in accordance with the physical characteristics of the equation to be solved, so that the matrix solution can be executed at high speed even if the target equation is further enlarged.

本発明の装置は、下記式 dx/dt=λf(x) …(a4) の独立変数tを時間とみなし、未知量xは式(a4)を満
足する電気回路網の所定端子の電圧で表わされるものと
する。この回路網の過渡現象が時間と共に進行して定常
状態が実現すれば、それがすなわち式(a4)の解を与え
るように装置全体が構成される。
The device of the present invention regards the independent variable t of the following equation dx / dt = λf (x) (a4) as time, and the unknown quantity x is represented by the voltage of a predetermined terminal of the electric network satisfying the equation (a4). Shall be If the transient state of the network progresses with time and a steady state is realized, the entire apparatus is configured so as to give the solution of equation (a4).

一般に、従来法に基づくディジタル計算では、行列方
程式Ax=bの解の計算において、消去法を実行する際
は、形式上x=A-1bと書かれる、所謂逆行列計算ないし
は実質上これと等価な計算が含まれ、これを実行するた
めに多大の計算時間が消費される。
In general, in the digital calculation based on the conventional method, in the calculation of the solution of the matrix equation Ax = b, when the elimination method is executed, the so-called inverse matrix calculation or practically written as x = A −1 b is used. Equivalent calculations are involved, and performing this requires a great deal of calculation time.

これに対し、本発明に用いられる方程式(a4)では、
逆行列の計算が含まれない。単にある現時刻の関数値xo
を用いて、行列Aとこれとのかけ算Axo、およびこれか
ら定数ベクトルbをさし引くための引き算、更にこの結
果得られたAxo−bに対して、左から時間きざみの長さ
δtと係数行列λをかけたものが、回路網の接続により
きまる時間微分量の大きさと等しくおかれる。この計算
過程はいわば順方向の計算だけから成り立っている。
In contrast, in equation (a4) used in the present invention,
Does not include calculation of the inverse matrix. Simply the function value x o at some current time
Using the matrix A, the multiplication Ax o of the matrix A and the subtraction for subtracting the constant vector b from the matrix A, and further, for the obtained Ax o −b, the time step length δt from the left The value obtained by multiplying the coefficient matrix λ is equal to the magnitude of the time differential determined by the connection of the network. This calculation process, as it were, consists only of calculations in the forward direction.

順方向の計算が有利なことは、特に行列Aが多数のゼ
ロ要素を含む場合において著るしい。この場合かけ算Ax
oの実行に際してAの非ゼロ要素のみを考慮すればよい
からである。本計算法が行列方程式Ax=bの真の解を与
えるためには、ひとつの条件がある。それは、微分方程
式(a4)の、時間軸上の積分計算が十分長く実行された
場合、未知量xが定常値に到達することである。これを
式で書けば、 となる。この条件が満たされるものとすれば、十分な時
間が経過したあとは、微分方程式(a4)の左辺はゼロと
なる。従って右辺もゼロでなければならないことから、
求まったxはAx=bを満足する。
The advantage of forward computation is especially pronounced when matrix A contains a large number of zero elements. In this case, multiply Ax
This is because only the non-zero elements of A need to be considered when executing o . There is one condition for the present calculation method to give a true solution of the matrix equation Ax = b. That is, when the integral calculation on the time axis of the differential equation (a4) is executed for a sufficiently long time, the unknown quantity x reaches a steady value. If you write this in the formula, Becomes Assuming that this condition is satisfied, the left side of the differential equation (a4) becomes zero after a sufficient time has elapsed. Therefore, since the right side must be zero,
The obtained x satisfies Ax = b.

上記の計算実行過程において、xが定常値に到達でき
るか否かをきめるのは、感度係数としての対角係数行例
λの選定の適否である。一般にλが小さ過ぎると、時間
微分量dx/dtが小さすぎるため、初期試行値x=xoから
の変化が殆ど起らず、従って定常解が得られるまでに多
大の時間がかかってしまう。これに対して、λが大きす
ぎると、時間微分量が大きすぎるため微分方程式(a4)
で表わされる方程式系(あるいは回路網)全体の挙動が
不安定になる虞がある。実際にディジタルシミュレーシ
ョンにより数値計算を行なった例をみると、λが過大な
場合、確かに未知量xの変化が過大となり、微小時間が
経過した後、これを修正するため先と逆向きの変化がお
こる。
In the above-described calculation execution process, whether or not x can reach a steady value is determined by the suitability of selecting the diagonal coefficient row example λ as the sensitivity coefficient. In general, λ is too small, since the time differential quantity dx / dt too small, the change from the initial trial value x = x o is not Okoshira little, therefore stationary solution it takes a lot of time to obtain. On the other hand, if λ is too large, the amount of time differentiation is too large and the differential equation (a4)
The behavior of the entire system of equations (or network) represented by Looking at an example of actual numerical calculation by digital simulation, if λ is too large, the change of unknown quantity x will be too large, and after a short period of time, the change in the opposite direction to correct it will be corrected. Happens.

時間の進行と共に、このことが繰り返されると、結局
は時間軸上の振動現象が起って、未知量xはいつまでも
定常値に達し得ないことが分る。未知量変化が更に大き
いと、振動の振幅が無限に大きくなるとか、または未知
量値が一方向(正または負のいずれか)に向って無限に
大きくなるなどの発散現象を生じることも知られてい
る。
If this is repeated with the progress of time, it turns out that a vibration phenomenon on the time axis eventually occurs, and the unknown quantity x cannot reach a steady value forever. It is also known that if the unknown quantity change is further large, a divergence phenomenon such as the amplitude of the vibration becoming infinitely large or the unknown quantity value becoming infinitely large in one direction (either positive or negative) is caused. ing.

以上を要約すれば、本発明の計算法により本発明の装
置を適性に稼働させるためには、対角係数行列λの大き
さを適正値に決めることにより、ほどよい大きさの未知
量変化を生じさせることが重要である。
To summarize the above, in order to properly operate the apparatus of the present invention by the calculation method of the present invention, the magnitude of the diagonal coefficient matrix λ is determined to an appropriate value so that the change of the unknown quantity of a moderate magnitude is obtained. It is important to make it happen.

更に具体的な議論をすれば、λは対角係数行列である
から、ベクトルxの成分であるn個の要素(x1,x2,…
xn)に対して個々にn個の係数(λ12,…λ)が対
応することに注意を要する。このため、本発明の計算法
及び装置には、n個の未知量要素に対して個別にn個の
係数を調節し、各々を最適値にきめ得るという自由度が
存在する。この点において従来行列解法として知られた
反復法(この方法では所謂緩和係数が導入されるが、そ
の個数は通常、行列方程式全体に対して1個である)と
比べて遥かに効率よく、未知量を定常値に至らせること
ができる。
More specifically, since λ is a diagonal coefficient matrix, n elements (x 1 , x 2 ,.
Note that n coefficients (λ 1 , λ 2 ,... λ n ) correspond to x n ). For this reason, the calculation method and apparatus of the present invention have a degree of freedom in which n coefficients can be individually adjusted for n unknown quantity elements, and each of them can be determined to an optimum value. In this regard, it is much more efficient than the iterative method conventionally known as a matrix solution (in which a so-called relaxation coefficient is introduced, but the number is usually one for the whole matrix equation), The amount can be brought to a steady-state value.

次にλの適正化法を論じる。λは前述したとおり対角
行列であり、n個の要素λ12,……λをもつ。すな
わち λ=diag(λ12,…λ) …(19) である。ここで式(2)において、未知量xi,i=1,2,
…,nの各々につき、装置系全体が安定動作し得るような
最大の時間微分量絶対値|dxi/dt|maxが存在するはずで
あるから、λの成分λは、るこれからきまる限界値を
超えてはならない。これを式で表わせば、 となる。式(20)の右辺の大きさがどの程度になるか
は、問題の性質により異なるので、一般論の範囲ではこ
れ以上具体的に論じることは困難と思われる。行列代数
学によればこの種の判定条件は行列の固有値と関連づけ
られるのが常であるが、実際問題を解くことと行列の固
有値を求めることとはほぼ同質かつ同程度の困難さをも
つ問題であるため、実用上有効な判定条件を与えること
は希である。そこで、実際に本発明の装置を組立てるに
際しては、後述のようにn個の論理セルの各々に付随し
たアンプを設け、その各々が増幅利得λをもつよう構
成する。各アンプは個々の実際問題に十分対応可能な程
度の十分大きな増幅利得をもつように設計し、利得調整
用のつまみまたはコントローラを具えるものとする。
Next, the optimization method of λ will be discussed. λ is a diagonal matrix as described above, and has n elements λ 1 , λ 2 ,... λ n . That is, λ = diag (λ 1 , λ 2 ,... Λ n ) (19). Here, in equation (2), the unknowns x i , i = 1,2,
.., N, there must be a maximum absolute value of the time differential amount | dx i / dt | max so that the entire device system can operate stably. Therefore, the component λ i of λ is The value must not be exceeded. If this is expressed by the formula, Becomes Since the magnitude of the right side of equation (20) depends on the nature of the problem, it seems difficult to discuss it more specifically within the scope of general theory. According to matrix algebra, this kind of decision condition is usually associated with the eigenvalues of the matrix, but solving a real problem and finding the eigenvalues of the matrix are problems that are almost the same and almost as difficult. Therefore, it is rare that practically effective determination conditions are given. Therefore, when actually assembled device of the present invention, the amplifier associated with each of the n logic cells, as will be described later is provided, each of which configured to have an amplification gain lambda i. Each amplifier shall be designed to have a sufficiently large amplification gain to sufficiently address the individual practical problem, and shall include a knob or controller for gain adjustment.

(実施例) 以下、図面を参照して本発明を説明する。Hereinafter, the present invention will be described with reference to the drawings.

第1図は、本発明の第1実施例に係る半導体デバイスの
動作解析法を説明するためのフローチャートである。
FIG. 1 is a flowchart for explaining an operation analysis method of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

本発明では、方程式(8−1),(8−2),(9)
の解を求めるにあたり、これらを時間微分項を含む、つ
ぎの形におきかえる。
In the present invention, equations (8-1), (8-2), (9)
To find the solution of, replace them with the following form, including the time derivative term.

dp(M,N)/dt=−λ(M,N)fp(M,N)…(21−1) dn(M,N)/dt=λ(M,N)fn(M,N) …(21−2) dψ(M,N)/dt=λψ(M,N)fψ(M,N) …(21−3) ただし各式の右辺のfp,fn,fψは次式のとおり定義す
るものとする。
dp (M, N) / dt = −λ p (M, N) f p (M, N) (21-1) dn (M, N) / dt = λ n (M, N) f n (M , N)… (21-2) dψ (M, N) / dt = λ ψ (M, N) f ψ (M, N) (21-3) where f p , f n , f ψ is defined as follows.

fp(M,N)=(1/q){[Jpx(M) −Jpx(M−1)]/hx′(M)} +(1/q){[Jpy(N) −Jpy(N−1)]/hy′(M)} +U(M,N) …(22−1) fn(M,N)=(1/q){[Jnx(M) −Jnx(M−1)]/hx′(M) +(1/q){[Jny(N) −Jny(N−1)]/hy′(M)} −U(M,N) …(22−2) fψ(M,N)=[1/hx′(M)] ×{[ψ(M+1,N)−ψ(M,N)]/hx(M) −[ψ(M,N)−ψ(M−1,N)]/hx(M−1)} +[1/hy′(N)] ×{[ψ(M,N+1)−ψ(M,N)]/hy(N) −[ψ(M,N)−ψ(M,N−1)]/hy(N−1)} +(q/ε)[Γ(M,N)+p(M,N) −n(M,N)] …(22−3) 再び(21−1)〜(21−3)にもどり、各式の左辺の
時間微分項を差分近似する。この際、時間軸上に有限個
の分割点を設け、旧時刻の値は上つきの数字0、新時刻
の値は上つきの数字1で表わすことにする。その結果つ
ぎの各式が得られる。
f p (M, N) = (1 / q) {[J px (M) −J px (M−1)] / h x ′ (M)} + (1 / q) {[J py (N) −J py (N−1)] / h y ′ (M)} + U (M, N) (22-1) f n (M, N) = (1 / q) {[J nx (M) − J nx (M-1)] / h x '(M) + (1 / q) {[J ny (N) -J ny (N-1)] / h y' (M)} -U (M, N) ... (22-2) f ψ (M, N) = [1 / h x '(M)] × {[ψ (M + 1, N) -ψ (M, N)] / h x (M) - [Ψ (M, N) −ψ (M−1, N)] / h x (M−1)} + [1 / hy ′ (N)] × {[ψ (M, N + 1) −ψ (M , N)] / hy (N)-[{(M, N)-{(M, N-1)] / hy (N-1)} + (q / [epsilon]) [{(M, N) + P (M, N) -n (M, N)] (22-3) Returning to (21-1) to (21-3) again, the time differential term on the left side of each equation is approximated by difference. At this time, a finite number of division points are provided on the time axis, and the value of the old time is represented by a superscript numeral 0 and the value of the new time is represented by a superscript numeral 1. As a result, the following equations are obtained.

p1(M,N)=p0(M,N) −δtλ(M,N)fp 0(M,N) …(23−1) n1(M,N)=n0(M,N) +δtλn(M,N)fn 0(M,N) …(23−2) ψ(M,N)=ψ(M,N) +δtλψ(M,N)fψ (M,N) …(23−3) ただし、1≦M≦K、1≦N≦Lとする。p 1 (M, N) = p 0 (M, N) −δtλ p (M, N) f p 0 (M, N) (23-1) n 1 (M, N) = n 0 (M, N n) + δtλn (M, n ) f n 0 (M, n) ... (23-2) ψ 1 (M, n) = ψ 0 (M, n) + δtλ ψ (M, n) f ψ 0 (M, N) (23-3) where 1 ≦ M ≦ K and 1 ≦ N ≦ L.

以下、第1図のフローチャートを参照して説明する。
本方法においては、まず計算をスタートするにあたっ
て、ステップa1において、半導体デバイスの構造、不純
物データのコンピュータのメモリに入力する。次にステ
ップb1において、半導体デバイスの分割点配置を決定す
ると共に、ステップc1でバイアス電圧Vを入力する。次
に基本変量p(M,N),n(M,N),ψ(M,N)の初期試行
値p0(M,N),n0(M,N),ψ(M,N)をステップd1で与
え、ステップe1において時間積分開始のための初期時間
t1を定める。
Hereinafter, description will be made with reference to the flowchart of FIG.
In this method, when starting the calculation, in step a1, the structure and impurity data of the semiconductor device are input to the memory of the computer in step a1. Next, in step b1, the arrangement of the dividing points of the semiconductor device is determined, and the bias voltage V is input in step c1. Then the basic variables p (M, N), n (M, N), ψ (M, N) initial trial value p 0 of (M, N), n 0 (M, N), ψ 0 (M, N ) Is given in step d1, and the initial time for starting time integration in step e1
defining the t 1.

次にステップf1において、式(23−1)〜(23−3)
に従って各式の右辺の値をすべての点1≦M≦K、1≦
N≦Lについて求め、これらをp1(M,N),n1(M,N),
ψ(M,N);1≦M≦K,1≦N≦Lに等しいとおく。これ
によって時間軸上の積分が1ステップ進行したことにな
る。
Next, in step f1, equations (23-1) to (23-3)
The values on the right side of each expression are calculated for all points 1 ≦ M ≦ K, 1 ≦
For N ≦ L, these are calculated as p 1 (M, N), n 1 (M, N),
ψ 1 (M, N); 1 ≦ M ≦ K, 1 ≦ N ≦ L. This means that the integration on the time axis has advanced by one step.

次にステップg1において、各変量の変化分の絶対値|p
1(M,N)−p0(M,N)|,|n1(M,N)−n0(M,N)|,|ψ
(M,N)−ψ(M,N)|を全点について求め、これらの
全てが所定の誤差限界により小さいか否かをチェックす
る。
Next, in step g1, the absolute value of the variation of each variable | p
1 (M, N) −p 0 (M, N) |, | n 1 (M, N) −n 0 (M, N) |, | ψ 1
Find (M, N) −0 0 (M, N) | for all points and check if all of them are less than a predetermined error limit.

もしデバイス空間の中に1点でも誤差限界より大きな
変化を生じた点があれば、ステップh1において、先に求
めた修正値p1(M,N),n1(M,N),ψ(M,N)を新たな
試行値とみなし、これらをp0(M,N),n0(M,N),ψ
(M,N)に等しいとおき、更に時刻t1をt0として、前述
と同じ要領で更に時間軸上の積分計算を行う。
If at least one point in the device space has a change larger than the error limit, in step h1, the correction values p 1 (M, N), n 1 (M, N), ψ 1 obtained earlier. (M, N) are regarded as new trial values, and these are p 0 (M, N), n 0 (M, N), 0 0
(M, N) placed equal to, further time t 1 as t 0, performing integration calculation on further time axis in the same manner as described above.

もしすべての点で各変量変化の絶対値が誤差限界を下
まわったならば、定常解が得られたものとみなして計算
を終了する。その結果得られた解は、(21−1)〜(21
−3)において、各式の左辺の時間微分項がゼロになる
ようなものであるから、fp(M,N)=0,fn(M,N)=0,f
ψ(M,N)=0;1≦M≦K、1≦N≦Lが成り立つ。この
ことは即ち、方程式(8−1),(8−2)および
(9)の解が求まったことに他ならない。
If the absolute value of each variable change falls below the error limit at all points, the calculation is terminated assuming that a steady solution has been obtained. The resulting solution is (21-1)-(21
In -3), since the time differential term on the left side of each equation becomes zero, f p (M, N) = 0, f n (M, N) = 0, f
ψ (M, N) = 0; 1 ≦ M ≦ K, 1 ≦ N ≦ L holds. This means that the equations (8-1), (8-2) and (9) have been solved.

以上が本実施例の概略である。従来法とくらべた場合
の特徴は、本実施例には非線形方程式の線形化プロセ
スが含まれないこと、従来法の説明の項で示した式
(16)及びこれから派生した第10図のような大形サイズ
の行列・ベクトル方程式の解の計算を必要とせず、従っ
て大形メモリ容量を用いた複雑な計算を実行することが
なく、単に式(23−1)〜(23−3)により各式の右辺
の値を求めて、基本変量の修正値を決めるだけでよいこ
と、調整因子としての係数λ(M,N),λ(M,N)
およびλψ(M,N)−−以下これらを単に感度係数と呼
ぶ−−が、デバイス空間の各点につき異なった値をとり
得るため、これらに物理的特性に合致した適正値を与え
ることにより、解の収束が効率よく実現できること、
本実施例の式(21−1)〜(21−3)の解を計算するプ
ロセスは時間軸上の数値積分計算に他ならない。この計
算を通常の如く大形計算機を用いたディジタル計算によ
り実行することは勿論可能であるが、他に、電子回路を
応用することにより、その回路の時間応答(過渡現象)
が定常状態に達したならば、その状態がすなわち所定の
方程式の解に対応するような装置を構築することが可能
である。この点については以下に本発明の装置として説
明する。
The above is the outline of the present embodiment. The features in comparison with the conventional method are that the present embodiment does not include the process of linearizing the nonlinear equation, and the equation (16) shown in the description of the conventional method and FIG. There is no need to calculate the solution of the large-sized matrix / vector equations, and therefore, without performing complicated calculations using a large memory capacity, simply by using equations (23-1) to (23-3). It is only necessary to determine the correction value of the basic variate by finding the value on the right side of the equation, and the coefficients λ p (M, N) and λ n (M, N) as adjustment factors
And λ ψ (M, N) -hereinafter simply referred to as sensitivity coefficients--can take different values for each point in the device space, so by giving them appropriate values that match the physical properties That the convergence of the solution can be achieved efficiently,
The process of calculating the solutions of the equations (21-1) to (21-3) in this embodiment is nothing but a numerical integration calculation on the time axis. It is of course possible to perform this calculation by digital calculation using a large-sized computer as usual, but in addition, by applying an electronic circuit, the time response (transient phenomenon) of the circuit can be obtained.
Once has reached a steady state, it is possible to construct a device whose state corresponds to the solution of a given equation. This point will be described below as an apparatus of the present invention.

以上、第1実施例の方法は、行列解法に基づく従来法
とは全く異なり、デバイスモデリングに新たな分野を開
拓する可能性をもつものである。
As described above, the method of the first embodiment is completely different from the conventional method based on the matrix solution, and has a possibility of opening up a new field in device modeling.

次に第2図を参照して、本発明の第2実施例に係る半
導体デバイスの動作解析法を説明する。
Next, an operation analysis method of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.

デバイスモデリングにおいて、たとえばpnダイオード
のp側をゼロ電位、n型を正電位Vに保つ場合、pn接合
の界面近傍に空乏層が形成される。この際、電位Vがダ
イオードの耐圧以下であれば、ダイオードに流れる電流
はほとんど無視できる程度に小さい。このような場合、
基本方程式(1)〜(5)のうちポアリン方程式(5)
だけを解けばデバイス全体の電位ψの分布が正確に求ま
ることが知られている(例えば、Kurata,“Numerical A
nalysis for Semiconductor Devices,Heath,1982,第8
章、又は、倉田、「バイポーラトランジスタの動作理
論」、近代科学社、昭和55年3.2節および5.1節参照)。
この際正孔密度および電子密度p,nは各々次式で与えら
れる。
In device modeling, for example, when the p-side of the pn diode is kept at zero potential and the n-type is kept at positive potential V, a depletion layer is formed near the interface of the pn junction. At this time, if the potential V is equal to or lower than the breakdown voltage of the diode, the current flowing through the diode is small enough to be ignored. In such a case,
Porin equation (5) among the basic equations (1) to (5)
It is known that the distribution of the potential ψ of the entire device can be accurately obtained by solving only the above (for example, Kurata, “Numerical A
nalysis for Semiconductor Devices, Heath, 1982, No.8
Chapters or Kurata, "Behavior Theory of Bipolar Transistors", Kindai Kagaku-sha, Sections 3.2 and 5.1, 1980).
At this time, the hole density and the electron density p, n are respectively given by the following equations.

p=nie−θψ (24−1) n=nieθ(ψ−V) (24−2) これらを式(5)に代入すれば、2次元空間の場合次
の方程式が得られる。
Substituting p = n i e -θψ (24-1 ) n = n i e θ (ψ-V) (24-2) them in equation (5), the following equation when a two-dimensional space is obtained .

(∂ψ/∂x2)+(∂ψ/∂y2) =−(q/ε)[Γ(x,y)+nie−θψ −nieθ(ψ−V)] …(25) この方程式を離数系に変換することは、先と同じ要領
で行われる。その具体的な形は、式(9)の右辺に(24
−1),(24−2)を代入したものに他ならない。すな
わち、 [1/hx′(M)] ×{[ψ(M+1,N)−ψ(M,N)]/hx(M) −[ψ(M,N)−ψ(M−1,N)]/hx(M−1)} +[1/hy′(N)] ×{[ψ(M,N+1)−ψ(M,N)]/hy(N) −[ψ(M,N)−ψ(M,N−1)]/hy(N−1)} =−ρ(M,N)/ε …(26) ただし ρ(M,N)=q[Γ(M,N)+nie−θψ(M,N)−nieθ(ψ(M,N)−V)] …(27) である。従来法によりこの方程式の解を求めることは、
前に詳述したものと同じ要領に従い、行列ベクトル方程
式の解の計算と反復計算の実行に帰着する。
(∂ 2 ψ / ∂x 2) + (∂ 2 ψ / ∂y 2) = - (q / ε) [Γ (x, y) + n i e -θψ -n i e θ (ψ-V)] ... (25) Converting this equation to a degenerate system is performed in the same manner as above. The specific shape is (24) on the right side of equation (9).
-1) and (24-2). That is, [1 / h x '(M)] × {[ψ (M + 1, N) −ψ (M, N)] / h x (M) − [ψ (M, N) −ψ (M−1, N)] / h x (M−1)} + [1 / hy ′ (N)] × {[ψ (M, N + 1) −ψ (M, N)] / h y (N) − [ψ ( M, N) − {(M, N−1)] / hy (N−1)} = − ρ (M, N) / ε (26) where ρ (M, N) = q [Γ (M , n) is + n i e -θψ (M, n) -n i e θ (ψ (M, n) -V)] ... (27). Solving this equation by conventional methods is
Following the same procedure as detailed above, it results in calculating the solution of the matrix vector equation and performing iterative calculations.

これに対し本発明の方法では、時間微分項と感度係数
λを含むつぎの形の方程式から出発する。
In contrast, the method of the present invention starts with the following equation including the time derivative term and the sensitivity coefficient λ.

∂ψ(M,N)/∂t=λ(M,N) ×《[1/hx′(M)] ×{[ψ(M+1,N)−ψ(M,N)]/hx(M′) −[ψ(M,N)−ψ(M−1,N)]/hx(M′−1)} +[1/hy′(N)] ×{[ψ(M,N+1)−ψ(M,N)]/hy(N′) −[ψ(M,N)−ψ(M,N−1)]/hy(M′−1)} +ρ(M,N)/ε》 …(28) この方程式を時間軸上に沿って積分する手順は、すで
に第1実施例の説明で述べたのと同一要領で実行され
る。そのためのフローチャートを第2図に示す。即ち、
本方法においては、まず計算をスタートするにあたっ
て、ステップa2において、半導体デバイスの構造、不純
物データをコンピュータのメモリに入力する。次にステ
ップb2において、半導体デバイスの分割点配置を決定す
ると共に、ステップc2でバイアス電圧Vを入力する。次
に電位の初期試行値ψをステップd2で与え、ステップ
e2において時間積分開始のための初期時間t1を定める。
∂ψ (M, N) / ∂t = λ (M, N) × << [1 / h x ′ (M)] × {[ψ (M + 1, N) −ψ (M, N)] / h x ( M ′) − [ψ (M, N) −ψ (M−1, N)] / h x (M′−1)} + [1 / hy ′ (N)] × {[ψ (M, N + 1 ) − {(M, N)] / hy (N ′) − [{(M, N) − {(M, N−1)] / hy (M′−1)} + ρ (M, N) / Ε >> (28) The procedure for integrating this equation along the time axis is executed in the same manner as already described in the description of the first embodiment. FIG. 2 shows a flowchart for this purpose. That is,
In this method, when starting the calculation, in step a2, the structure and impurity data of the semiconductor device are input to the memory of the computer. Next, in step b2, the division point arrangement of the semiconductor device is determined, and the bias voltage V is input in step c2. Next, an initial trial value of the potential ψ 0 is given in step d2, and
defining the initial time t 1 for the time integration start in e2.

次にステップf2において、ψを計算する。ψは次
式で与えられる。
In step f2, to calculate the [psi 1. [psi 1 is given by the following equation.

ψ(M,N)=ψ(M N) +δt・λ(M,N) ×《[1/hx′(M)] ×{[ψ(M+1,N)−ψ(M,N)]/hx(M′) −[ψ(M,N)−ψ(M−1,N)]/hx(M−
1)} +[1/hy′(N)] ×{[ψ(M,N+1)−ψ(M,N)]/hy(N′) −[ψ(M,N)−ψ(M,N−1)]/hy(M′−
1)} +ρ(M,N)/ε》 …(29) 式(29)に従って右辺の値をすべての点1≦M≦K、1
≦N≦Lについて求め、これらをψ(M,N);1≦M≦
K,1≦N≦Lに等しいとおく。これによって時間軸上の
積分が1ステップ進行したことになる。
ψ 1 (M, N) = ψ 0 (MN) + δt · λ (M, N) × << [1 / h x ′ (M)] × {[ψ 0 (M + 1, N) −ψ 0 (M, N )] / H x (M ′) − [ψ 0 (M, N) −ψ 0 (M−1, N)] / h x (M−
1)} + [1 / hy ′ (N)] × {[ψ 0 (M, N + 1)-0 0 (M, N)] / hy (N ')-[ψ 0 (M, N)- 0 0 (M, N−1)] / h y (M′−
1)} + ρ (M, N) / ε >> (29) According to equation (29), the value on the right side is changed to all points 1 ≦ M ≦ K,
≦ N ≦ L, and these are calculated as 1 1 (M, N); 1 ≦ M ≦
Let K, 1 ≦ N ≦ L. This means that the integration on the time axis has advanced by one step.

次にステップg2において、変量の変化分の絶対値|ψ
(M,N)−ψ(M,N)|を全点について求め、これら
の全てが所定の誤差限界より小さいか否かをチェックす
る。
Next, in step g2, the absolute value of the change of the variable | ψ
1 (M, N) -ψ 0 (M, N) | look for all points, all of which checks whether less than a predetermined error limit.

もしデバイス空間の中に1点でも誤差限界より大きな
変化を生じた点があれば、ステップh2において、先に求
めた修正値ψ(M,N)を新な試行値とみなし、これら
をψ(M,N)に等しいとおき、更に時刻t1をt0とし
て、前述と同じ要領で更に時間軸上の積分計算を行う。
If at least one point in the device space has a change larger than the error limit, in step h2, the previously determined correction value 1 1 (M, N) is regarded as a new trial value, and these are set to ψ. 0 (M, N) placed equal to, further time t 1 as t 0, performing integration calculation on further time axis in the same manner as described above.

もしすべての点で変量変化の絶対値が誤差限界を下ま
わったならば、定常解が得られたものとみなして計算を
終了する。その結果得られた解は、(21−3)におい
て、式の左辺の時間微分項がゼロになるようなものであ
るから、fψ(M,N)=0;1≦M≦K、1≦N≦Lが成り
立つ。このことは即ち、方程式(9)或いは方程式(2
6)の解が求まったことに他ならない。
If the absolute value of the variate change at all points falls below the error limit, the calculation is terminated assuming that a steady-state solution has been obtained. The resulting solution is such that in (21-3), the time derivative term on the left side of the equation becomes zero, so that (M, N) = 0; 1 ≦ M ≦ K, ≦ N ≦ L holds. This means that equation (9) or equation (2
It is nothing but the solution of 6).

なお、上記において時間軸上の積分を実行する際に、
未知変量ψ(M,N)の変化の絶対値|ψ(M,N)−ψ
(M,N)|が小さすぎると、計算過程の安定性はよいも
のの、時間tが経過してもψ(M,N)はなかなか真の解
に到達できない。この反面、もし上記の変化の絶対値が
大きすぎると、計算過程が不安定となり、時間tの経過
に伴ってψ(M,N)の振動または発散を生じるから、真
の解が求まらない。
Note that when performing integration on the time axis in the above,
Absolute value of change of unknown variate ψ (M, N) | ψ 1 (M, N) −ψ 0
If (M, N) | is too small, the stability of the calculation process is good, but 時間 (M, N) cannot easily reach the true solution even after the lapse of time t. On the other hand, if the absolute value of the above change is too large, the calculation process becomes unstable, and oscillation or divergence of ψ (M, N) occurs with the passage of time t, so that a true solution cannot be obtained. Absent.

感度係数λ(M,N)は、このような変量変化を適度に
生じさせるための調整因子である。特に、本例のように
半導体デバイスのポアッソン方程式で、かつ式(29)に
示した2次元空間モデルの場合、上記の条件を満たすよ
うなλ(M,N)として、次の式を用いればよいことが知
られている。即ち、まず式(29)に関連して、次の諸量
を定義する。
The sensitivity coefficient λ (M, N) is an adjustment factor for appropriately causing such a change in the variable. In particular, in the case of the Poisson equation of a semiconductor device as in this example and the two-dimensional space model shown in equation (29), the following equation is used as λ (M, N) satisfying the above condition. It is known to be good. That is, first, the following quantities are defined in relation to equation (29).

H=1/[hx(M′−1)hx′(M)] +1/[hx(M′)hx′(M)] +1/[hy(N′−1)hy′(N)] +1/[hy(N′)hy′(N)] …(30−1) α=(qθni/ε)× [exp{−θψ(M,N)} +exp{θ(ψ(M,N)−V)}] …(30−2) 以上により λ(M,N)・δt≦2/(2H+α) …(30−3) とする。 H = 1 / [h x ( M'-1) h x '(M)] + 1 / [h x (M') h x '(M)] + 1 / [h y (N'-1) h y' (N)] + 1 / [ h y (N ') h y' (N)] ... (30-1) α = (qθn i / ε) × [exp {-θψ 0 (M, N)} + exp {θ ({ 0 (M, N) -V)}] (30-2) λ (M, N) · δt ≦ 2 / (2H + α) (30-3)

以下、式(30−3)の意味を定性的に説明する。一般
に半導体デバイスの内部で不純物濃度が大きい領域では
電子、正孔密度n,pのいずれか一方が不純物濃度とほぼ
相等しく、空間電荷中性条件が保たれている。この場合
αは、Hおよび分子の2に比べて非常に大きいので、λ
(M,N)・δtは非常に小さい。その結果、変量変化|
ψ(M,N)−ψ(M,N)|もまた非常に小さい。これ
に対して、不純物濃度が比較的小さく、空乏層が形成さ
れやすい領域では、αはHと同程度か、またはHに比べ
て無視できる程度に小さい。その結果λ(M,N)・δt
は比較的大きく、従って、変量変化も比較的大きい。
Hereinafter, the meaning of Expression (30-3) will be qualitatively described. In general, in a region having a high impurity concentration inside a semiconductor device, one of the electron and hole densities n and p is substantially equal to the impurity concentration, and the space charge neutral condition is maintained. In this case α is very large compared to H and 2 of the molecule, so λ
(M, N) · δt is very small. As a result, the variate change |
ψ 1 (M, N) −ψ 0 (M, N) | is also very small. On the other hand, in a region where the impurity concentration is relatively low and a depletion layer is easily formed, α is equal to H or negligibly smaller than H. As a result, λ (M, N) · δt
Is relatively large and therefore the variate change is also relatively large.

以上の理由により、計算開始のための初期条件とし
て、変量ψ(M,N)に対し、デバイス中の至る所で空間
電荷中性条件を満足するような値を与えれば、時間tの
経過と共に低濃度領域では大きな変量変化が生じて、空
乏層の形成が促進され、変量ψ(M,N)は真の解に向か
って収束することになる。
For the above reasons, if a value that satisfies the space charge neutral condition everywhere in the device is given to the variable ψ (M, N) as an initial condition for starting the calculation, In the low-concentration region, a large variable change occurs, which promotes the formation of a depletion layer, and the variable ψ (M, N) converges toward a true solution.

次に第3図を参照して、第2実施例の方法を実行する
装置について説明する。このような装置を組み立てるに
は、NT個の論理セルの各々に付随したアンプが増幅利得
λを有するように構成する。ここでNTは、連続系に属
する原方程式をコンピュータを用いて解くために、差分
法、有限要素法などの近似解法に基づき、原方程式を離
散系に置き換えた場合のメッシュの分割点の総数であ
る。各アンプは個々の実際問題に十分対応可能な程度の
大きな増幅利得を有するように設計し、利得調整用のつ
まみ又はコントローラを備えるものとする。ただし、問
題により増幅利得は1より小さいこともあり得るので、
この際には、アンプは実際上減衰器となるが、このよう
な場合も包括されるものとする。或いはまた、アンプと
等価な装置として、入力量と増幅利得の積を求めるため
の乗算器を用いてもよく、この場合も包括されるものと
する。
Next, an apparatus for executing the method of the second embodiment will be described with reference to FIG. To assemble such a device, an amplifier associated with each of the N T logic cells is configured to have an amplification gain λ i . Here, NT is the total number of mesh division points when the original equation is replaced with a discrete system based on an approximate solution method such as the difference method or the finite element method in order to solve the original equation belonging to the continuous system using a computer. It is. Each amplifier is designed to have a large amplification gain enough to cope with individual practical problems, and includes a knob or controller for gain adjustment. However, the amplification gain may be smaller than 1 due to a problem.
In this case, the amplifier is actually an attenuator, but such a case is also included. Alternatively, as an apparatus equivalent to an amplifier, a multiplier for obtaining a product of an input amount and an amplification gain may be used, and this case is also included.

参照符号1〜12は論理セルであり、非線形な入出力応
答を有する。この実施例の場合には、NTは12である。各
セルの入力端子にはアンプa1,a2,…a12がそれぞれ設け
られている。また、各アンプと各セルとのノードには、
抵抗と容量とからなる共振回路b1,b2,…b12が設けられ
ている。各アンプはλに相当する可変利得を有する。入
力電流源c1,c2,…c12からは電流が各セルに対して入力
され、この入力電流が、本発明の装置内において定常状
態になったことが、各セルに対してネトワーク状に設け
られた電流検出手段11,21,…1212により検出される。こ
の検出結果はアドレスユニット100によりアドレス指定
され、D/Aコンバータ101でディジタル信号に変換されて
回路103に送られる。回路103内には微分器、乗算器、加
算器が内蔵されていて、所定の演算を実行し、測定デー
タを回路104に出力する。
Reference numerals 1 to 12 are logic cells, which have a non-linear input / output response. In this embodiment, NT is 12. Amplifiers a1, a2,... A12 are provided at the input terminals of each cell. Also, the node between each amplifier and each cell is
There are provided resonance circuits b1, b2,... B12 each including a resistor and a capacitor. Each amplifier has a variable gain corresponding to λ. A current is input from each of the input current sources c1, c2,... C12 to each cell, and the fact that this input current has reached a steady state in the apparatus of the present invention is provided in a network manner for each cell. , 1212. The detection result is addressed by the address unit 100, converted into a digital signal by the D / A converter 101, and sent to the circuit 103. The circuit 103 includes a differentiator, a multiplier, and an adder, executes a predetermined operation, and outputs measurement data to the circuit 104.

以上の実施例では、メッシュ分割点の総数NTに等しい
NT個のセルを用いた例を示したが、スイーパを使用する
と、NT以下のm個のセルを用いて本発明の解析装置を構
成でき、上記実施例と同様な動作をさせることができ
る。
In the above embodiment, the total number of mesh division points is equal to NT .
Although an example using NT cells has been shown, if a sweeper is used, the analyzer of the present invention can be configured using m cells equal to or smaller than NT , and the same operation as in the above embodiment can be performed. it can.

次に第4A、4B、5図を参照して、本発明の第3実施例
に係る半導体デバイスの等価回路定数の最小自乗法によ
る決定問題を説明する。いま、4個のyパラメータ(こ
れらは全て複素アドミッタンスである)y11,y12,y21,y
22が、N個の周波数fk(k=1,2,…,N)において測定さ
れており、これをM個の等価回路定数q1,q2,…,qMを含
む等価回路(第4A、4B図参照)によりfittingを試みる
場合、つぎの行列方程式が導かれる。
Next, with reference to FIGS. 4A, 4B, and 5, the problem of determining the equivalent circuit constant of the semiconductor device by the least square method according to the third embodiment of the present invention will be described. Now, four y parameters (all of which are complex admittances) y 11 , y 12 , y 21 , y
22 are measured at N frequencies f k (k = 1, 2,..., N), and this is measured by an equivalent circuit (the first circuit) including M equivalent circuit constants q 1 , q 2 ,. If fitting is attempted using (see Figures 4A and 4B), the following matrix equation is derived.

Aq=b,A(aij),b=(bi) …(31−1) ただし上記において、 αmki=∂ymk/∂qi …(32−1) ここで、*印は共役複素数を表わし、,mは1,2のいず
れかの値を取るものとする。
Aq = b, A (a ij ), b = (b i ) (31-1) However, in the above, α mki = ∂y mk / ∂q i (32-1) Here, an asterisk (*) represents a conjugate complex number, and m takes a value of 1 or 2.

上記行列方程式を、本発明の解法に基づきdq/dt=−
λ(Aq−b)のように置き換える。この方程式は第5図
のフローチャートに基づき解かれる。ステップa3におい
て、yパラメータの測定データ:η11k12k21k
22k;k=1,2,…Nを読取る。次にステップb3において未
知量の初期試行値q1 0,q2 0,…,qM 0を与える。ステップc3
において初期時間と時間間隔を与え時間積分を開始す
る。ステップd3において、yパラメータの理論値ymk
とyパラメータの測定値ηmkとを用いてαmki,β
mkを求め、ステップe3でaij,biを求める。
The above matrix equation is calculated based on the solution of the present invention by dq / dt = −
Replace as λ (Aq-b). This equation is solved based on the flowchart of FIG. In step a3, measured data of the y parameter: η 11k , η 12k , η 21k , η
22k ; read k = 1,2, ... N. Then the initial trial value q 1 0 unknown quantity at step b3, q 2 0, ..., give q M 0. Step c3
, An initial time and a time interval are given, and time integration is started. In step d3, the theoretical value y mk of the y parameter
Mki , β using the measured value of the y parameter and η mk
seeking mk, seeking a ij, b i in step e3.

次にステップf3において、qi 1をi=1,2,…,Mに対し
て計算する。qi 1は次式で与えられる。
Next, in step f3, q i 1 is calculated for i = 1, 2,..., M. q i 1 is given by the following equation.

qi 1=qi 0−δt・λ(Aq0−b) …(33) これによって時間軸上の積分が1ステップ進行したこと
になる。
q i 1 = q i 0 −δt · λ i (Aq 0 −b) (33) This means that the integration on the time axis has advanced by one step.

次にステップg3において、変量の変化分の絶対値|qi 1
−qi 0|をi=1,2,…,Mについて求め、これらの全てが所
定の誤差限界より小さいか否かをチェックする。
Next, in step g3, the absolute value | q i 1 of the variation of the variable
-Q i 0 | is determined for i = 1, 2,..., M, and it is checked whether all of them are smaller than a predetermined error limit.

もし絶対値|qi 1−qi 0|が1つでも誤差限界より大きい
ときには、ステップh3において、先に求めた修正値qi 1
を新な試行値とみなし、これらをqi 0に等しいとおき、
更に時刻t1をt0として、前述と同じ要領で更に時間軸上
の積分計算を行う。
If any absolute value | q i 1 −q i 0 | is larger than the error limit, in step h3, the correction value q i 1
As new trial values, let them be equal to q i 0 ,
Furthermore the time t 1 as t 0, performing integration calculation on further time axis in the same manner as described above.

もしすべてのiで変化量の絶対値が誤差限界を下まわ
ったならば、M個の等価回路定数q1,q2,…,qMが得られ
たものとみなして計算を終了する。その結果得られた解
は、dq/dt=−λ(Aq−b)において、式の左辺の時間
微分項がゼロになるようなものであるから、方程式Aq=
bの解が求まったことに他ならない。
If the absolute value of the amount of change falls below the error limit at all i, the calculation is terminated assuming that M equivalent circuit constants q 1 , q 2 ,..., Q M have been obtained. The resulting solution is such that at dq / dt = −λ (Aq−b), the time derivative term on the left side of the equation is zero, so the equation Aq =
It is nothing but the solution of b.

次に、トランジスタの等価回路定数決定問題につき、
具体的に実施した数値計算の結果を説明する。まず図4A
に示したバイポーラトランジスタのエミッタ接地等価回
路を、同図4Bのごとく3個の4端子網の合成とみなせ
ば、yパラメータの計算を容易に行うことができる。途
中経過を省略して第4A図、第4B図の真性部分1000のyパ
ラメータyiの計算結果を示せば、つぎのようになる。
Next, regarding the problem of determining the equivalent circuit constant of a transistor,
The results of numerical calculations that have been specifically performed will be described. First, FIG. 4A
If the equivalent-emitter equivalent circuit of the bipolar transistor shown in (1) is regarded as a combination of three four-terminal networks as shown in FIG. 4B, the calculation of the y parameter can be easily performed. If the calculation results of the y-parameter y i of the intrinsic part 1000 in FIGS. 4A and 4B are shown omitting the progress, the following is obtained.

y11i={gb[gegee(1−α) −ω2cecci] +jωgb(cegee+ccige+ccigee)}/Δyi … (34−1) y12i=−[jωccigb ×ge+gee+jωce)]/Δyi …(34−2) y21i=[gb(αgegee+ω2cecci) −jωccigb(ge+gee)]/Δyi …(34−3) y22i=[−ω2cecci(ge+gee) +jωcci(gbge+gegee+geegb)]/Δyi …(34−4) Δyi=gbge+gbgee +gegee(1−α)−ω2cecci +jω[ce(gee+gb) +cci(ge+gee)] …(34−5) 続いて4端子網の合成則により、真性部分1000と外部
コレクタ容量1001を合成したもののyパラメータy
次式で与えられる。
y 11i = {g b [g e g ee (1-α) -ω 2 c e c ci] + jωg b (c e g ee + c ci g e + c ci g ee)} / Δy i ... (34-1) y 12i = - [jωc ci g b × g e + g ee + jωc e)] / Δy i ... (34-2) y 21i = [g b (αg e g ee + ω 2 c e c ci) -jωc ci g b (g e + g ee)] / Δy i ... (34-3) y 22i = [- ω 2 c e c ci (g e + g ee) + jωc ci (g b g e + g e g ee + g ee g b)] / Δy i (34-4) Δy i = g b g e + g b g ee + g e g ee (1-α) −ω 2 c e c ci + jω [c e (g ee + g b ) + c ci (g e + g ee )] (34-5) Subsequently, the y parameter y * of the combination of the intrinsic part 1000 and the external collector capacitance 1001 is given by the following equation according to the composition rule of the four-terminal network.

y11 =y11i+jωcco …(35−1) y12 =y12i−jωcco …(35−2) y21 =y21i−jωcco …(35−3) y22 =y22i+jωcco …(35−4) 更に合成則を用いてコレクタコンダクタンスgcを含む
全体すなわち1000&1001&1002のyパラメータを計算す
る。途中を省略して結果だけ示せば、次のようになる。
y 11 * = y 11i + jωc co ... (35-1) y 12 * = y 12i -jωc co ... (35-2) y 21 * = y 21i -jωc co ... (35-3) y 22 * = y 22i + Jωc co (35-4) Further, the whole including the collector conductance g c, that is, the y parameter of 1000 & 1001 & 1002 is calculated using the composition rule. If you omit the middle and show only the result, it will be as follows.

y11=(gcy11 +Δy) /(gc+y22 ) …(36−1) y12=(gcy12 )/(gc+y22 ) …(36−2) y21=(gcy21 )/(gc+y22 ) …(36−3) y22=(gcy22 )/(gc+y22 ) …(36−4) Δy=y11 y22 −y12 y21 …(36−5) 第4A図、第4B図において決定すべき回路定数は、ge,g
ee,gb,gc,α,ce,cci,ccoの8個である。fittingの指標
となる目的関数は、 で与えられる。これはyパラメータの理論値ymkと測
定値ηmkのfittingの相対誤差を表わす。なお,mは
1,2のいずれかをとり、kは測定周波数の番号k=1,2,
…,Nを表わす。
y 11 = (g c y 11 * + Δy *) / (g c + y 22 *) ... (36-1) y 12 = (g c y 12 *) / (g c + y 22 *) ... (36-2) y 21 = (g c y 21 *) / (g c + y 22 *) ... (36-3) y 22 = (g c y 22 *) / (g c + y 22 *) ... (36-4) Δy * = y 11 * y 22 * -y 12 * y 21 * ... (36-5) FIG. 4A, the circuit constants to be determined in the Figure 4B is, g e, g
ee , g b , g c , α, c e , c ci , and c co . The objective function that is an indicator of fitting is Given by This represents a relative error in fitting between the theoretical value y mk of the y parameter and the measured value η mk . Where m is
1 or 2, where k is the measurement frequency number k = 1, 2,
…, N

次に計算実行上の便利のため、8個の未知量p1〜p8
よび各々の規格化単位r1〜r8を下記のとおり定義する。
なお規格化の定義により、qi=ripi,i=1,2,…8なるこ
とに注意する。
Next, for convenience in calculation execution, eight unknowns p 1 to p 8 and respective normalization units r 1 to r 8 are defined as follows.
Note the definition of standardized, q i = r i p i , i = 1,2, note that made ... 8.

p1=ge(1−α), r1=1 p2=αge, r2=1 p3=gee, r3=1 p4=gb, r4=1 p5=gc, r5=1 p6=ce, r6=10-12 p7=cci, r7=10-12 p8=cco, r8=10-12 yパラメータのfittingを行うには、その目標となる
測定データが必要である。本来は実際のデバイスの生デ
ータを用いて計算を行うべきであるが、性質のよく分っ
たデータを用いたいという要求から、回路定数p1〜p8
対し適当な値(以下これを真値と呼ぶ)を与えて生成し
たyパラメータをもって、人工的な「測定データ」とし
た。以下の検討に用いた回路定数の真値はつぎの通りで
ある。
p 1 = g e (1- α), r 1 = 1 p 2 = αg e, r 2 = 1 p 3 = g ee, r 3 = 1 p 4 = g b, r 4 = 1 p 5 = g c , r 5 = 1 p 6 = c e , r 6 = 10 -12 p 7 = c ci , r 7 = 10 -12 p 8 = c co , r 8 = 10 -12 The target measurement data is needed. Originally it should perform calculations using the raw data of the actual device, the demand using well known data properties, this appropriate value (hereinafter to circuit constants p 1 ~p 8 True The value is referred to as “value” and the y parameter is used as artificial “measurement data”. The true values of the circuit constants used in the following study are as follows.

ge=0.6siemens p1=ge(1−α) =0.012siemens α=0.98 =p2=geα =0.588siemens gee=0.08siemens=p3 gb =0.04siemens=p4 gc =0.15siemens=p5 ce =200fF =p6 cci=3fF =p7 cco=50fF =p8 「測定」周波数は、0.1GHzを起点として0.5GHz毎に40点
を与える。その結果、最終値は19.6GHzとなる。
g e = 0.6 siemens p 1 = g e (1-α) = 0.012 siemens α = 0.98 = p 2 = g e α = 0.588 siemens g ee = 0.08 siemens = p 3 g b = 0.04 siemens = p 4 g c = 0.15siemens = p 5 c e = 200fF = p 6 c ci = 3fF = p 7 c co = 50fF = p 8 "measurement" frequency gives 40 points for each 0.5GHz starting the 0.1 GHz. As a result, the final value is 19.6 GHz.

計算をスタートするため、回路定数の初期試行値とし
て、つぎの数値を与える。
To start the calculation, the following numerical values are given as initial trial values of circuit constants.

ge=0.7siemens p1=0.014siemens α=0.98 p2=0.686siemens gee=0.1siemens=p3 gb =0.2siemens=p4 gc =0.2siemens=p5 ce =300fF =p6 cci=5fF =p7 cco=30fF =p8 以上に与えた真値と試行値に対応する4個のyパラメ
ータを複素平面上にプロットして示すと、第6A図〜第6D
図のようになる。測定データは、前述の通り人工的に生
成したものだから、生データに特有のノイジーなばらつ
きを含まないものの、一見して分かるように同一周波数
での真値と試行値のずれはかなり大きい。ずれの程度を
定量化するため、目的関数(37)の平方根をとれば、y
パラメータ全体の相対誤差ベクトルの大きさが分かる。
g e = 0.7 siemens p 1 = 0.014 siemens α = 0.98 p 2 = 0.686 siemens g ee = 0.1 siemens = p 3 g b = 0.2 siemens = p 4 g c = 0.2 siemens = p 5 c e = 300 fF = p 6 c ci = 5fF = p 7 c co = 30fF = p true value given to 8 more and when indicating the four y parameters corresponding to the trial value plotted in the complex plane, FIGS. 6A, second 6D
It looks like the figure. Since the measurement data is artificially generated as described above, it does not include the noisy variation peculiar to the raw data, but as can be seen at a glance, the difference between the true value and the trial value at the same frequency is quite large. Taking the square root of the objective function (37) to quantify the degree of the deviation, y
The magnitude of the relative error vector of the entire parameter is known.

すなわち とする。第6A図〜第6D図の例は、R.E.=3.19すなわち31
9%である。望ましいfittingの条件を、大まかに誤差1
%以下とすれば、上記の初期誤差は非常に大きい。
Ie And 6A to 6D show that RE = 3.19 or 31
9%. Desired fitting conditions are roughly 1 error
%, The above initial error is very large.

時間軸上の積分を行うための時間きざみは、一律に10
-9s=1nsとする。
The time step for integrating on the time axis is 10
-9 s = 1 ns.

実際に行なった、計算機による5回のテストランをま
とめて第7図に示す。最初のジョブ“S"は、一番左の欄
に示したλ〜λを用いて時間ステップ数=500回の
計算を行った結果、相対誤差(R.E.)=4.12%となる。
これは初期誤差319%にくらべれば大幅な改善である
が、まだ十分よいfittingとはいい難い。そこで“S"の
途中経過を参考にしながら、p6(=ce)の変化を大き
く、p7の変化を小さくした“W"を実行すると、R.E.=2.
47%と改善する。つぎの“I"では、“W"の最終結果を初
期条件として同一のλで500ステップ進行すると、さら
に改善してR.E.=1.07%となる。以下同様にして“Q"で
は、“W"と同じ初期条件からλ=5.E3(旧値=5.E2)
でランすると、R.E.=0.210%というすぐれた結果が得
られる。このように一般的傾向として、まず第一回のラ
ンで誤差1桁%程度のほどよい結果を得たあと、その最
終結果からスタートして、前回と同じか、または大きめ
のλを用いて第二回目のランを実行すると、さらによい
結果が得られる。
FIG. 7 shows five test runs actually performed by a computer. For the first job “S”, the relative error (RE) = 4.12% as a result of performing the calculation for 500 time steps using λ 1 to λ 8 shown in the leftmost column.
This is a significant improvement over the initial error of 319%, but it is still not a good fit. Then, referring to the progress of “S”, executing “W” in which the change in p 6 (= c e ) is large and the change in p 7 is small, RE = 2.
47% improvement. In the next "I", if the final result of "W" is used as an initial condition and proceeds with 500 steps at the same λ, RE is further improved to 1.07%. In the same manner, for “Q”, λ 7 = 5.E3 (old value = 5.E2) from the same initial condition as “W”.
Running with gives an excellent result of RE = 0.210%. As described above, as a general tendency, a good result with an error of about one digit% is obtained in the first run, and then, starting from the final result, using the same or larger λ as in the previous run, Performing a second run gives better results.

最後の“U"は“Q"の最終値からスタートしたもので、
時間ステップ192回で最小誤差0.1%に到達する。これが
一連の計算で得た最善の結果であり、得られたyパラメ
ータを第6A図〜第6D図にプロットしてみると、少くとも
グラフ上はp1〜p8に真値を得た結果と、完全に一致して
みえる。従ってこのfittingは十分にすぐれたものであ
る。
The last “U” starts from the last value of “Q”,
A minimum error of 0.1% is reached in 192 time steps. This is the best result obtained by a series of calculations, and when the obtained y parameters are plotted in FIGS. 6A to 6D, at least on the graph, the results obtained true values for p 1 to p 8 It seems to match perfectly. So this fitting is good enough.

次に、トランジスタ等価回路定数決定問題のための本
装置の構成例を第8図に示す。以下これについて概要を
説明する。大きな正方形1〜8で表わしたのが、8個の
回路定数p1〜p8に対応する論理セルであり、一般に非線
形な入出力応答V=g(v)をもつものとする。各論理
セルの入力端子には、それぞれアンプA1,A2,…A8と抵抗
R1,R2,…R3、容量C1,C2,…C8が接続され、アンプA1,A2,
…A8はλ12,…λに相当する可変利得をもつ。既に
述べた通り、このλを調節し適正化することが、本装置
の計算を成功させる重要ポイントである。
Next, FIG. 8 shows a configuration example of the present apparatus for the problem of determining the transistor equivalent circuit constant. The outline of this will be described below. Logic cells corresponding to eight circuit constants p 1 to p 8 are represented by large squares 1 to 8, and generally have a nonlinear input / output response V = g (v). The input terminals of each logic cell have amplifiers A1, A2, ... A8 and resistors, respectively.
R1, R2, ... R3 and capacitors C1, C2, ... C8 are connected, and amplifiers A1, A2,
... A8 has a variable gain corresponding to λ 1, λ 2, ... λ 8. As mentioned above, adjusting and optimizing λ is an important point for the calculation of the present apparatus to be successful.

容量C1,C2,…C8は、時間微分項に対応する電流C(dv
/dt)を与える。抵抗は緩和時定数τ=CRを与える。ア
ンプA1,A2,…A8の入力端子に接続する電流源S1,S2,…S8
は、後述のごとく、式(31−3)の定数項biに対応す
る。
The capacitors C1, C2,... C8 are connected to a current C (dv
/ dt). The resistance gives a relaxation time constant τ = CR. Current sources S1, S2, ... S8 connected to the input terminals of amplifiers A1, A2, ... A8
Is, as described later, corresponds to the constant term b i in equation (31-3).

各論理セルの出力に接続する8個のボックス11,21,…
81;……18,28,…88はTijVjなる電流源を表わし、第jパ
ラメータpjを規格化単位rjで規格化した量qjを、第jセ
ルの出力電圧Vjと対応させる。以上の回路構成により、
第8図の回路網の過渡応答をきめる式はつぎのように書
ける。
Eight boxes 11, 21, ... connected to the output of each logic cell
81; ... 18, 28,... 88 represent a current source of T ij V j , and the quantity q j obtained by normalizing the j-th parameter p j with the normalization unit r j is defined as the output voltage V j of the j-th cell. Make it correspond. With the above circuit configuration,
The equation that determines the transient response of the network of FIG. 8 can be written as:

Vi=g(vi) …(40) ただしiは論理セルの番号、vi,Viは各々i番目のセ
ルの入、出力電圧を表わす。Ri,Ci,Iiは各々抵抗、容
量、電流源を表わす。Tijは第iセルの入力と第jセル
の出力の間の結合強度を表わし、関数gは各セルの入出
力応答関数である。式(39),(40)において、つぎの
条件を与えると、 dq/dt=−λ(Aq−b) 式に帰着することが分る。
V i = g (v i) ... (40) where i is the number of the logic cell, v i, input of V i are each i-th cell, representing the output voltage. R i , C i , and I i represent a resistance, a capacitance, and a current source, respectively. T ij represents the coupling strength between the input of the i-th cell and the output of the j-th cell, and the function g is the input / output response function of each cell. In equations (39) and (40), if the following conditions are given, it can be seen that dq / dt = −λ (Aq−b).

(1)セル間結合強度Tijを容量Ciで割った値をaijと対
応させる。
(1) the value obtained by dividing the inter-cell binding strength T ij in capacitance C i to correspond with a ij.

(2)電流Iiを容量Ciで割った値を定数biと対応させ
る。
(2) A value obtained by dividing the current I i by the capacitance C i is made to correspond to a constant b i .

(3)入出力応答関数gを、単に線形関数Vi=viで置き
換える。
(3) The input / output response function g is simply replaced with the linear function V i = v i .

(4)時定数CiRiは、式 dq/dt=−λ(Aq−b)では不要なので、Ri=∞とす
る。
(4) The time constant C i R i is unnecessary in the equation dq / dt = −λ (Aq−b), so R i = ∞.

すなわち、以上(1)〜(4)の対応づけにより、第
8図の回路網を用いて式dq/dt=−λ(Aq−b)の計算
が自動的に行われる訳である。
That is, according to the above associations (1) to (4), the calculation of the expression dq / dt = −λ (Aq−b) is automatically performed using the circuit network of FIG.

但し、上記以外に、実際には電圧依存性をもつ電流源
TijVjおよびIiをアナログ的に実現するため、第8図の
右端に示すような制御装置が必要である。この装置は、
まずfittingのための参照データとして、yパラメータ
の測定装置により提供される測定データ104を必要とす
る。次にこの測定データと、各論理セルの出力電圧とを
用いて、式(31−1)、(31−2)、(31−3)に従
い、微分演算、かけ算、たし算を行う演算装置103が必
要である。これらの計算はデジタル、アナログいずれの
方式で行なってもよいが、計算精度を考慮すればデジタ
ル方式が好ましいと考えられる。
However, in addition to the above, a current source that actually has voltage dependency
In order to realize T ij V j and I i in an analog manner, a control device as shown at the right end of FIG. 8 is required. This device is
First, measurement data 104 provided by a y-parameter measuring device is required as reference data for fitting. Next, using this measurement data and the output voltage of each logic cell, an arithmetic unit that performs differential operation, multiplication, and addition according to the equations (31-1), (31-2), and (31-3) 103 is required. These calculations may be performed by either a digital or analog method, but a digital method is considered preferable in consideration of calculation accuracy.

以上により作成された式(31−1)、(31−2)、
(31−3)の諸データがデジタル量である場合は、これ
をD−A変換装置101を通してアナログ信号に変換し、
さらにアドレスユニット100を用いて所定の番地(i,j)
………i,jとも1から8まで変化する………にこれを伝
達する。
Equations (31-1), (31-2),
When the data of (31-3) is a digital quantity, it is converted into an analog signal through the DA converter 101,
Further, using the address unit 100, a predetermined address (i, j)
This is transmitted to both i and j that vary from 1 to 8.

以上がトランジスタ等価回路定数決定問題を解くため
の、本発明の主旨にもとづく装置の一例である。
The above is an example of an apparatus for solving the transistor equivalent circuit constant determination problem based on the gist of the present invention.

[発明の効果] 以上述べたように本発明の方法によれば、行列方程式
Ax=bの解を求める際、感度係数λを導入して、これを
微分方程式dx/dt=−λ(Ax−b)の積分問題に置き換
えることにより、逆行列計算x=A-1bを行うことなく、
その目的を達することができる。このことは、行列Aが
大形サイズで、かつゼロ要素が多い場合、とくに有効な
解法となる。
[Effect of the Invention] As described above, according to the method of the present invention, the matrix equation
When finding the solution of Ax = b, by introducing a sensitivity coefficient λ and replacing it with the integration problem of the differential equation dx / dt = −λ (Ax−b), the inverse matrix calculation x = A −1 b Without doing
You can reach its purpose. This is a particularly effective solution when the matrix A is large and has many zero elements.

実際の物理系の挙動を記述する微分方程式から派生す
る行列方程式の大多数は、このような大形かつゼロ要素
が多いという特徴を備えているから、本解法がこれらに
対して有効に適用されることは、いうまでもない。
Most of the matrix equations derived from the differential equations that describe the behavior of the actual physical system have such features of large size and many zero elements, so this method is effectively applied to them. Needless to say,

本発明の装置によれば、行列方程式Ax=bの解の計算
が、微分方程式dx/dt=−λ(Ax−b)の積分問題にお
きかえられ、電気回路で模倣した装置により実行され
る。これによって回路が定常状態に至れば自然かつ速や
かに解が求められる。本装置は、特に、行列Aのサイズ
が大きくかつゼロ要素が多い場合(実際の物理系の挙動
を既述する微分方程式から派生する行列は大多数この種
のものである)に特に有効な解法を与える。
According to the device of the present invention, the calculation of the solution of the matrix equation Ax = b is replaced by the integration problem of the differential equation dx / dt = −λ (Ax−b), and is executed by a device imitated by an electric circuit. As a result, when the circuit reaches a steady state, a solution can be obtained naturally and promptly. The present apparatus is particularly effective when the size of the matrix A is large and the number of zero elements is large (the majority of matrices derived from the differential equations that describe the actual behavior of the physical system are of this kind). give.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

第1図は本発明の第1実施例に係る半導体デバイスの動
作解析法を示すフローチャート、第2図は本発明の第2
実施例に係る半導体デバイスの動作解析法を示すフロー
チャート、第3図は本発明の第1実施例に係る半導体デ
バイスの動作解析装置を示す回路図、第4A図は半導体デ
バイスの等価回路定数決定問題のための回路図、第4B図
は第4A図の等価回路図、第5図は本発明の第3実施例に
係る半導体デバイスの等価回路定数決定問題の解析法を
示すフローチャート、第6A図ないし第6D図は真値と試行
値に対応する4個のyパラメータを複素平面上にプロッ
トしたグラフ、第7図は本発明の第3実施例に係る半導
体デバイスの等価回路定数決定問題の解析法を実行した
データを示す図、第8図は本発明の第2実施例に係る半
導体デバイスの等価回路定数決定問題の解析装置を示す
回路図、第9図は半導体デバイス空間のメッシュ分割を
示す図、第10図は電子、正孔の輸送方程式及びポアッソ
ン方程式からなる連立方程式系の行列・ベクトル方程式
を示す図である。 1,2,…12……論理セル、11,12,…1212……電流検出手
段、100……アドレスユニット、101……D/Aコンバー
タ、103,104……回路。
FIG. 1 is a flowchart showing a method for analyzing the operation of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and FIG.
FIG. 3 is a flow chart showing a method for analyzing the operation of a semiconductor device according to an embodiment, FIG. 3 is a circuit diagram showing a device for analyzing the operation of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention, and FIG. FIG. 4B is an equivalent circuit diagram of FIG. 4A, FIG. 5 is a flowchart showing a method for analyzing a problem of determining an equivalent circuit constant of a semiconductor device according to the third embodiment of the present invention, and FIGS. FIG. 6D is a graph in which four y parameters corresponding to a true value and a trial value are plotted on a complex plane, and FIG. 7 is a method for analyzing a problem of determining an equivalent circuit constant of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention. FIG. 8 is a circuit diagram showing an apparatus for analyzing a problem of determining an equivalent circuit constant of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention, and FIG. 9 is a diagram showing mesh division of a semiconductor device space. Fig. 10 is electronic It is a diagram showing a hole transport equation and matrix-vector equation of the simultaneous equations consisting of Poisson's equation. 1, 2, 12: Logic cell, 11, 12, 1212: Current detecting means, 100: Address unit, 101: D / A converter, 103, 104: Circuit.

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/66 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/66

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】半導体デバイスモデリングにおける、電
子、正孔の輸送方程式およびポアソン方程式からなる連
立方程式系をコンピュータにより解析する方法におい
て、前記連立方程式系を、時間微分項dp/dt,dn/dt,dψ/
dtと感度係数λpnψとを含む下記(a),
(b),(c)式に置き換え、 dp/dt=−λpfp …(a) dn/dt=λnfn …(b) dφ/dt=λφψ …(c) 半導体デバイスの分割点配置(M,N)を決定すると共
に、感度係数λpnψにも前記半導体デバイスの物
理的特性に合致した適正な空間位置依存性を与えて、上
記(a),(b),(c)式を下記の(d),(e),
(f)式に変換し、 dp(M,N)/dt=−λ(M,N)×fp(M,N) …(d) dn(M,N)/dt=λ(M,N)×fn(M,N) …(e) dψ(M,N)/dt=λψ(M,N)×fψ(M,N) …(f) 上記(d),(e),(f)式を時間積分することによ
り、前記連立方程式系の解を求めることを特徴とする半
導体デバイスの動作解析法。
1. A method for analyzing a system of simultaneous equations comprising electron and hole transport equations and Poisson equation in a semiconductor device modeling by a computer, wherein the system of simultaneous equations is converted into a time differential term dp / dt, dn / dt, dψ /
(a), including dt and sensitivity coefficients λ p , λ n , λ 下 記
(B), substituting the expression (c), dp / dt = -λ p f p ... (a) dn / dt = λ n f n ... (b) dφ / dt = λ φ f ψ ... (c) semiconductor devices arrangement of the dividing points (M, n) and determines the sensitivity coefficient lambda p, lambda n, to lambda [psi giving proper spatial position dependency which matches the physical characteristics of the semiconductor device, the (a) , (B), and (c) are replaced by the following (d), (e),
(F), dp (M, N) / dt = −λ p (M, N) × f p (M, N) (d) dn (M, N) / dt = λ n (M , N) × f n (M, N) (e) dψ (M, N) / dt = λ ψ (M, N) × f ψ (M, N) (f) The above (d), (e) A method for analyzing the operation of a semiconductor device, wherein a solution of the system of simultaneous equations is obtained by time-integrating the equations (f) and (f).
【請求項2】半導体デバイスモデリングにおける、電位
と空間電荷の関係を表わすポアソン方程式をコンピュー
タにより解析する方法において、前記ポアソン方程式を
時間微分項∂ψ/∂tと感度係数λを含む下記(a)式
に置き換え、 ∂ψ/∂t=λψψ …(a) 半導体デバイスの分割点配置(M、N)を決定すると共
に、感度係数λにも前記半導体デバイスの物理的特性に
合致した適正な空間位置依存性を与えて、上記(a)式
を下記の(b)式に変換し、 ∂ψ(M,N)/∂t=λ(M,N)×fψ(M,N) …(b) 上記(b)式を時間積分することにより、前記ポアソン
方程式の解を求めることを特徴とする半導体デバイスの
動作解析法。
2. A method for analyzing a Poisson equation representing a relationship between a potential and a space charge in a semiconductor device modeling by a computer, wherein the Poisson equation includes a time differential term ∂ψ / ∂t and a sensitivity coefficient λ. substituting the equation, ∂ψ / ∂t = λ ψ f ψ ... (a) dividing point arrangement of semiconductor devices (M, N) and determines the even sensitivity coefficient lambda proper which matches the physical characteristics of the semiconductor device giving a spatial position dependency, the converted formula (a) to (b) the following equation, ∂ψ (M, N) / ∂t = λ (M, N) × f ψ (M, N) (B) An operation analysis method of a semiconductor device, wherein a solution of the Poisson equation is obtained by time-integrating the above equation (b).
【請求項3】最小自乗法に基く半導体デバイスの等価回
路定数決定問題をコンピュータにより解析する方法にお
いて、前記等価回路定数決定問題を時間微分項dq/dtと
感度係数λとを含む下記(a)式に置き換え、 dq/dt=−λ(Aq−b) …(a) 感度係数λに個々の等価回路定数の有する物理的特性に
適した値を与えて、前記(a)式を時間積分することに
より、前記等価回路定数決定問題の解を求めることを特
徴とする半導体デバイスの動作解析法。
3. A method of analyzing the equivalent circuit constant determination problem of a semiconductor device based on the least square method by a computer, wherein the equivalent circuit constant determination problem includes a time differential term dq / dt and a sensitivity coefficient λ. Dq / dt = −λ (Aq−b) (a) The sensitivity coefficient λ is given a value suitable for the physical characteristics of each equivalent circuit constant, and the above equation (a) is integrated over time. A method for analyzing the operation of a semiconductor device, wherein the solution of the problem of determining an equivalent circuit constant is obtained.
【請求項4】半導体デバイスモデリングにおける、電
子、正孔の輸送方程式およびポアソン方程式からなる連
立方程式系を時間微分項と感度係数とを含む下記微分方
程式 dp/dt=−λpfp dn/dt=λnfn dψ/dt=λψ,fψ に置き換えて解析する装置において、前記装置は、単数
または複数のm個の論理セルと、前記各論理セルに結合
し調整可能な増幅利得λを有するm個のアンプまたは
これと等価な乗算器と、前記各論理セルに対してネット
ワーク状に設けられ前記装置内の過度現象が定常状態に
なったことを検知する検出手段とからなることを特徴と
する解析装置。
In 4. A semiconductor device modeling, electronic, following differential equation dp / dt = -λ and a hole transport equations and system of simultaneous equations consisting of the Poisson equation time differential terms and sensitivity coefficients p f p dn / dt = λ n f n dψ / dt = λ ψ, the device for analyzing replaced with f [psi, the device includes a single or plurality of m logic cells, the bound adjustable amplification gain for each logic cell lambda m amplifiers having i or multipliers equivalent thereto, and detection means provided in a network for each of the logic cells and detecting that a transient phenomenon in the device has entered a steady state. An analyzer characterized by the above-mentioned.
【請求項5】半導体デバイスモデリングにおける、電位
と空間電荷の関係を表わすポアソン方程式を時間微分項
と感度係数を含む微分方程式∂ψ/∂t=λψψに置
き換えて解析する装置において、前記装置は、単数また
は複数のm個の論理セルと、前記各論理セルに結合し調
整可能な増幅利得λを有するm個のアンプまたはこれ
と等価な乗算器と、前記各論理セルに対してネットワー
ク状に設けられ前記装置内の過度現象が定常状態になっ
たことを検知する検出手段とからなることを特徴とする
解析装置。
In 5. The semiconductor device modeling, an apparatus for differential equation ∂ψ / ∂t = replaced with lambda [psi f [psi analysis including a time differential terms and sensitivity coefficients a Poisson equation representing the relationship between the potential and space charge, wherein The apparatus comprises one or more m logic cells, m amplifiers or equivalent multipliers coupled to each logic cell and having an adjustable amplification gain λ i , and An analyzing apparatus, comprising: detecting means provided in a network form for detecting that a transient phenomenon in the apparatus has entered a steady state.
【請求項6】最小自乗法に基く半導体デバイスの等価回
路定数決定問題を微分方程式dq/dt=−λ×(Aq−b)
に置き換えて解析する装置において、前記装置は、単数
または複数のm個の論理セルと、前記各論理セルに結合
し調整可能な増幅利得λを有するm個のアンプまたは
これと等価な乗算器と、前記各論理セルに対してネット
ワーク状に設けられ前記装置内の電流状態が定常状態に
なったことを検知する電流検出手段とからなることを特
徴とする解析装置。
6. A problem of determining an equivalent circuit constant of a semiconductor device based on a least square method is represented by a differential equation dq / dt = −λ × (Aq−b)
The apparatus comprises: m or more m logic cells and m amplifiers coupled to each of the logic cells and having an adjustable amplification gain λ i or a multiplier equivalent thereto And a current detecting means provided in a network for each of the logic cells and detecting that a current state in the device has reached a steady state.
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