器件建模光小目位調制器

件建模的目的就是在一定的限定條件下，通過(guò)模擬優(yōu)化，使器件性能滿(mǎn)足我們的要求。因為器件的特性不可能全部得到優(yōu)化，它們之間存在相互制約的關(guān)系，所以在進(jìn)行建模之前，我們首先要根據實(shí)際需要，確定設計目標，比如說(shuō)我們是想要更快的速度還是要更小的功耗，等等。對于利用等離子色散效應的調制器來(lái)說(shuō)，建模是一個(gè)比較復雜的問(wèn)題。因為它不僅是電學(xué)或光學(xué)的模型，而是一個(gè)光電混合的模型。對于這類(lèi)器件，沒(méi)有現成的軟件包，需要利用電學(xué)或光學(xué)的軟件來(lái)分別模擬其電特性和光特性，然后對其進(jìn)行一些分析計算，得出自己想要的結果。

對于電特性的模擬來(lái)說(shuō)，一般常用的軟件有TMA公司的MEDICI軟件和SILVACO公司的Silvaco軟件。兩個(gè)模擬器利用的物理方程和數值方法等相近，一般給出的結果也基本相同。下面就以Silvaco為例來(lái)介紹一下電特性模擬的基本要點(diǎn)。

Silvaco是一個(gè)功能十分強大的軟件。它具有豐富的模型庫。對于工藝模擬我們不詳述，因為這涉及到很多材料不同條件下的具體參數設定，以及工藝設備的參數設置等內容。我們這里主要介紹一下進(jìn)行器件模擬的軟件ATLAS。

ATLAS是SILVACO公司開(kāi)發(fā)的一種用來(lái)對半導體器件的各種電學(xué)特性和光學(xué)特性進(jìn)行定量分析的數值模擬軟件。ATLAS中的數值計算基于一系列由麥克斯韋定律推導出的用來(lái)描述半導體中各物理量之間的相互關(guān)系的偏微分方程，通過(guò)這些方程，可以把材料中的靜電勢和載流子密度等變量聯(lián)系起來(lái)。這些方程包括：

(1)洎松方程

洎松方程表示的是材料中靜電勢和空間電荷密度之間的關(guān)系。式中，Ψ為靜電勢;ε為局域介電常數;p為局域空間電荷密度，是所有固定和自由電荷的總和，包括電子、空穴和離子化的雜質(zhì)。電場(chǎng)可由電勢的梯度求得：

(2)載流子連續性方程

電子和空穴的連續性方程由下式定義：

式中，n和p分別是電子和空穴的濃度;jn和jp分別為電子和空穴的電流密度;Gn和GP分別為電子和空穴的產(chǎn)生率：凡和，Rp分別為電子和空穴的復合率;日是電子電量。它描述載流子傳輸機制、產(chǎn)生機制、復合機制和電子、空穴密度的關(guān)系。

(3)載流子傳輸方程

方程(4-108)至方程(4-111)已經(jīng)給出了器件模擬的基本框架。而對于具體物理模型Jn、Jp、Gp、Rn、Rp等的確定則需要二階方程。電流密度方程或者電荷傳輸模型通常是對玻耳茲曼方程的近似和簡(jiǎn)化求得的。而這些假設就可以產(chǎn)生很多具體的模型。如漂移-擴散模型、能量平衡模型和流體動(dòng)力學(xué)模型等。電荷傳輸模型的選擇對于產(chǎn)生復合模型的選擇有很大的影響。

最簡(jiǎn)單的電荷傳輸模型就是漂移¨擴散模型。這個(gè)模型只引進(jìn)三個(gè)獨立的變量Ψ、n和p。漂移-擴散模型對于大多數器件來(lái)說(shuō)都是適用的。然而對于小尺寸的器件，如深亞微米器件來(lái)說(shuō)，能量平衡模型和流體動(dòng)力學(xué)模型具有更好的近似效果。