JPH03105679A - 半導体素子のシミュレーション方法 - Google Patents

半導体素子のシミュレーション方法

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JPH03105679A
JPH03105679A JP1244608A JP24460889A JPH03105679A JP H03105679 A JPH03105679 A JP H03105679A JP 1244608 A JP1244608 A JP 1244608A JP 24460889 A JP24460889 A JP 24460889A JP H03105679 A JPH03105679 A JP H03105679A
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JP
Japan
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external circuit
equation
voltage
time
solution
Prior art date
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Pending
Application number
JP1244608A
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English (en)
Inventor
Akio Nakagawa
明夫 中川
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Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
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Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
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Publication of JPH03105679A publication Critical patent/JPH03105679A/ja
Pending legal-status Critical Current

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Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 [Jn明の目的】 (産業上の利用分野) 本発明は、コンビュータを用いた半導体素子のシミュレ
ーション方法に係り、特に外部回路と一体になった素子
の過渡特性を数値解1析により求める方法に関する。
(従来の技術) 外部回路と一体になった半導体素子の過渡特性をコンピ
ュータを用いた数値解析により求める方法として、素子
の基本方程式(電流の式、キャリア連続の式およびボア
ソンの方程式)と外部回路の方程式を別々に分けて解く
方法がある。まず、ある時刻tの解が分かっているとき
、時間dtだけ進めて試行値を設定して、例えばニュー
トン法を利用したデバイス・シミュレー夕により半導体
素子の電圧電流特性を求める。その結果を用いて、半導
体素子の電圧,電流の変化δl/δVを計算して外部囲
路の方程式を解くことで素子電圧の修正分δVを求める
。δV/Vが所定の値より大きければ改めて素子電圧を
修正した試行値を設定し直して再度素子の電圧電流特性
を解く、という手順を繰り返す。
ところがこの様な従来法では、最初に半導体素子の基本
方程式を解いて電圧電流特性を求めてから、外部回路の
方程式を解くため、外部回路の方程式の解が条件を満た
さない場合には、再度半導体素子の基本方程式を解かな
ければならず、非常に計算時間が掛かる。一般に外部回
路の方程式を解くに必要な計算時間に比べて、半導体素
子の基本方程式を解くに必要な時間の方が長いからであ
る。つまり、長い時間を掛けて半導体素子の基本方程式
を解いても、それが外部回路条件を満たさない場合には
その計算時間が全く無駄になってしまう。
(発明が解決しようとする課題) 以上のように従来の外部回路と一体にな7た半導体素子
の過渡特性を解析する数値シミュレーションにおいては
、最初に素子の基本方程式を解いていたために、時間が
かかるという問題があった。
本発明は、外部回路と一体になった素子の過渡解析を高
速に行うことを可能とした半導体素子のシミュレーショ
ン方法を提供することを目的とする。
[発明の構成] (課題を解決するための手段) 本発明は、外部回路に接続された半導体素子の過渡特性
を数値シミュレーションによる解析する際に、最初に外
部回路の方程式を解いて解を求め、次にその解を元に試
行値を設定して素子の電圧電流特性を求め、再度外部回
路の方程式を解いて索子電江の修正を行う、という手順
を繰り返すことを特徴とする。
(作用) 外部回路の方程式の解法は、素子の基本方程式の解法に
比べて遥かに簡単である。したがって本発明のように、
最初に外部回路の方程式を解いてから素子の基本方程式
を解くようにすれば、従来のように素子の基本方程式を
先に解いた場合の時間の無駄が省け、高速に素子の過渡
特性を解析することができる。
(実施例) 以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
第1図は、一実施例の素子の過渡特性解析の処理の流れ
である。外部回路の方程式を解くセクションS3と、素
子の電圧電流を求めるシミュレーション・セクションS
4とが処理の要部である。
まず、ある時刻tの素子の電圧電流特性が分かっている
として、時間dtだけ進めて時刻t+dtでの外部回路
方程式を、外部回路解法セクションS2で解く。すなわ
ちここで素子の電圧電流の変化分δI/δVを計算して
、素子の電圧修正分δVを求める。最初は素子シミュレ
ーション・セクションS4の解はないが、これは外部回
路解法に一定の仮定を与えればよい。具体的に説朋する
と、いま解くべき外部回路の方程式を、f (V”+δ
V”  I−十δI−  dt)−0とする。ここで記
号mは、m回目の素子シミュレーションの計算結果を意
味する。この方程式を解くとき、 δVII/δI″′ − (V’ −V”−1 )/ (I’−1”−’ )
の関係を用いれば、素子の電圧修正分δV′を求めるこ
とができる。dtの峙間を進めたばかりのときは、素子
シミュレーションの解はなく、m−0である。しかしな
がら、δV”/δI’の値が時間を進める前と変わって
いないと仮定すれば、素子シミュレーションの解がなく
ても外部回路方程式を解くことができる。外部回路方程
式の解決のための具体的な定義の仕方については、後述
する。
ここで、外部回路方程式の解が収束しない場合には、進
める時間刻みを例えば1/2に設定し直して(321,
  322) 、再度外部回路方程式を解く、という処
理を繰り返す。
そして外部回路方程式が解けて、素子の電圧修正分δV
が求まったら、これと共に不純物濃度分布,電極電位等
の値を試行値設定部S3で設定し、素子シミュレーショ
ン・セクションS4で素子の電圧電流特性を求める。こ
こでは例えばニュートン法によって素子の電圧電流を計
算する。この場合、素子のある断面の座標変換された二
次元空間のデータを離散化するメッシュが用いられるが
、最初のニュートン・サイクルに関して、全ての格子点
での電子濃度n1+δntおよび正孔濃度p.+δp,
が正であるか否かが判断され( S 41)  もし負
のデータがある場合には、進める特開刻みを例えば1/
2に設定し直す( S 42, 8 43)  そして
各格子点の電子濃度の補正値δn + / n +  
電子濃度の補正値δp+ /p+および電位の補正値δ
φ./φ.の最大値が例えば10〜4以下になったか否
かが判断され(S5 ) 、これが10−4以下になる
までニュートン●サイクルが繰り返される。素子シミュ
レーションの具体的な入力データ設定の方法1こついて
は後述する。
ニュートン・サイクルが収束すると、求まった素子の電
圧電流から、補正値δV/Vが例えば10−2以下にな
っているか否か、および各格子点の電子濃度の補正値δ
n r / n + 、電子濃度の補正値δp l/ 
p +および電位の補正値δψ,/ψ畳の最大値が例え
ば10−4以下になっているか否かが判断される(S6
)。Noであれば、外部回路解法セクションS2に戻っ
て回路条件を設定し直して再度外部回路方程式を解く、
というサイクルを繰り返す。YESであれば、あらかじ
め定められた過渡特性を求める時間範囲が終了している
か否かが判断され(S7 ) 、Noであれば、進める
時間を例えば2倍にして再度ステップSlに戻り、以下
同様の処理を繰り返す。
次に素子シミュレーションにおける入力データの設定法
について具体的に説明する。入力データについては、3
つの優先順位の異なる階層を持つ空間を設定することが
有効である。一つは、各格子点で定義されるもの(IB
空間と称する)、二つ目は4つの格子点で囲まれた四角
形の内部で定義されるもの(IBH空間と称する)、三
つ目は4つの格子点で囲まれた四角形の4つ辺で定義さ
れるもの(ICHMOB空間と称する)である。
!Bは電極を定義するために用い、例えば1のときアー
スされた主電極、2のとき電圧が印加された主電極、1
0以上はベースまたはゲート電極となり、IBMとの関
係で自動的に区別される。
IBHは物質を定義するために用い、例えば0がSi,
lがSi02、2が空気を表わす。SLをOとするのは
大きい利点があり、これによりある格子点がSiと接し
ているか否かは周辺のIBHを掛け合わせて容易に判定
することができる。
ICHMOBは、チャネル◆モビリティ●モデルを使う
領域を定義するための用いる。
IBHおよびICHMOBのディメンジョンはIBより
1だけ大きい。これは第4図に示すように、丈際の格子
点の外側にIBM空間を設けるためであり、、ここに1
0を設定することにより、対称の境界条件が自動的に考
慮されるようにならでいる。
ICHMOB,IBH,IBはこの順で優先順位が高く
なり、下位空間の定義より上位空間の定義が優先される
。最終的にどの様な定義が成されるかは、IB,IBM
,ICHMOBの合成で示される。例えば周辺で電極を
定義すれば、先に定義されていた対称の境界条件は解消
される。電極は任意の形状で定義することができ、例え
ばサイリスタのように浮いた電位の層がある場合にその
電位を固定するために1点の仮想的な電極を設定するこ
ともできる。
第5図〜第7図に具体的な入力データパターン例を示す
。第5図は、IB空間でソース電極S,ドレイン電極D
,およびゲート電極Gを定義したものであり、第6図は
IBM空間で物質(図の場合XがS i 02 )を定
義したものであり、第7図はこれらをICHMOB空間
(1がチャネル領域)と合成したものである。
次に外部回路の定義の仕方を説明する。説明のため、第
2図の具体回路を用いる。ここでは、過渡特性を求める
べき素子がMOS}ランジスタSであり、そのソース電
極とドレイン電極の間に、抵抗R.インダクタL.ダイ
オードD.および電源Eからなる外部回路が図のように
接続される。
その接続の定義は例えば、 ARROW  2  1 ’L’  1.OEl  0
.84555は、“接点1と2の間にインダクタLがつ
ながり、その値はI.OE3 11であり、1−0では
0.84555^の電流が流れていた”という意味であ
る。
INrT  1  3.0 は、t−0で接点1の電位は3.Ovであることを意味
する。この様に外部回路を定義するときにまず、ある定
常状態での解が求まっているのがほとんどであるから、
外部回路はこの定常解が外部回路を満たすように、外部
回路に繋がっている素子の値をW@Lて定常状態での解
が旨く外部回路を満たすように外部回路を少し変更する
。こうして過渡特性の計算を始めるときの各接点の電位
と接点間を流れる電流の初期値を与える。初期値は6桁
の精度で合うようにそれぞれの値を設定する。
この様な方法によって第2図の外部回路は、次のように
定義される。
ARROIII  999  3  ゜E゜ARROW
   3  2  ゜R゜ ARPOW   2  1  ’L’ ARROW   l  3  ”D’ ARROW   l 999  ゜S゛INIT   
l  3.O INI7   2  3.O INI7   3  200 0.[i4555 0.84555 0.64555 1 . OE−8 0.84555 200 305.1644 1.OE3 1 . OB−8 1.0 ここで、E,R,L,D,Sはそれぞれ、電源,抵抗,
インダクタンス,ダイオード.素子シミュレータで扱っ
ている素子(図の場合Mosトランジスタ)を表わす。
これらの素子名の直後の数値はそれぞれ、1−0での電
源の値,抵抗の値,インダクタンスの値,ダイオードの
飽和電流値,扱っている素子の面積を表わす。素子のゲ
ート電圧および電源Eの電圧は、データ文でその時間変
化を与えることができる。その後は、各時間ステップの
上限を与えることにより、上述のように各時間ステップ
毎に自動的に過渡特性の計算が実行される。
第3図は、この実施例による素子シミュレーションにお
けるニュートン法の収束特性の例を示している。横軸が
ニュートン・サイクルであり、縦軸が第1図のステップ
S5で収束判定に用いられる補正値である。図に矢印で
示したのが、外部回路をMいている部分である。既に述
べたように素子の電圧電流特性を解く前にまず外部回路
の方程式をを解いている点が、従来と異なっている。
[発明の効果] 以上のように本発明によれば、外部回路と一体になった
素子の過渡特性を数値シミュレーションにより解析する
場合に、まず外部回路方程式を先に解くことによって、
高速の数値解析が可能になる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の一実施例の数値解析シミュレーション
の流れ図、 第2図は実施例における外部回路の定義法を説明するた
めの図、 第3図は実施例におけるニュートン法の収束特性を示す
図、 第4図は実施例における素子の入力データの設定法を説
明するための図、 第5図〜第7図は具体的な素子の入力データパターン例
を階層別に示す図である。 n L 第2図

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 外部回路に接続された半導体素子の過渡特性について、
    ある時刻tでの解が分かっていて、時間dt後の解を数
    値シミュレーションにより求める方法であって、最初に
    外部回路の方程式を解いてdt後の解を求め、次にその
    解を元に試行値を設定して素子の電圧電流特性を求め、
    再度外部回路の方程式を解いて素子電圧の修正を行う、
    という手順を繰り返すことを特徴とする半導体素子のシ
    ミュレーション方法。
JP1244608A 1989-09-20 1989-09-20 半導体素子のシミュレーション方法 Pending JPH03105679A (ja)

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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2006330327A (ja) * 2005-05-26 2006-12-07 Matsushita Electric Ind Co Ltd 投影型三次元画像表示装置
US8055063B2 (en) 2003-09-30 2011-11-08 Sharp Laboratories Of America, Inc. Methods and systems for improving robustness of color balance correction

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