Aether在“半导体物理与器件”教学中的应用

2016-04-26韦一，唐莹

重庆电子工程职业学院学报 2016年2期

关键词：功耗半导体器件

韦一，唐莹

（中国计量学院光学与电子科技学院，浙江杭州310018）

Aether在“半导体物理与器件”教学中的应用

韦一，唐莹

（中国计量学院光学与电子科技学院，浙江杭州310018）

为进一步提高“半导体物理与器件”的教学质量，该文探讨了引入Aether软件改进课程的教学方法和教学手段。通过Aether软件仿真得到半导体器件的特性曲线，有利于学生深入理解器件的工作原理、应用特点和参数影响等内容，在教学中取得了良好的效果。

教学改革；半导体物理与器件；Aether软件

1 概述

Aether软件是花大九天公司为模拟集成电路设计中的稳态分析、瞬态分析和频域分析等电路性能模拟分析而开发的一个商业化通用电路模拟软件。此软件以其优越的收敛性和精确的模型参数等特点，被许多公司、大学和研究开发机构广泛应用。

将Aether软件引入到“半导体物理与器件”的教学中，通过对不同器件和电路的仿真模拟，用更直观的形式展现教学内容，增强学生对半导体物理与器件工作原理、参数影响和电路特性等知识的理解和掌握，为后续的器件应用和电路设计等课程打下基础。

2 Aether分析电路性能

金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）是“半导体物理与器件”课程的核心内容之一[1]。在讲解MOSFET的应用时，利用Aether对电路进行仿真，可以使学生直观地认识互补MOS（CMOS）技术的优点以及MOSFET各参数对于电路输出的影响。

图1显示CMOS反相器与NMOS反相器的瞬时功耗比较，横坐标为输入电压值，纵坐标为瞬时功耗。从图1可知，CMOS反相器在输入信号为低电平和高电平时，其功耗都较小；而输入信号为中间电平，也就是电路中两个晶体管均导通时，功耗较大。因此，CMOS电路的主要功耗是其动态功耗，即电路状态发生变化时所产生的功耗。而在NMOS反相器中当输入高电平时，整个电路维持一定的功耗，即电路具有较大的静态功耗。

图1 CMOS反相器与NMOS反相器功耗比较

图2为CMOS反相器对应不同器件宽度的仿真结果，其中图2a为输入输出曲线，图2b为相应的瞬时功耗曲线。由图2可知，当Wp/Wn增大时，其输出曲线向右移动，但其动态功耗也随之增加。因此，必须选取适当的参数，以使电路性能达到最优。通过这种方式，学生可以直观地理解MOSFET参数对电路性能的影响。同时，可以让学生在课堂上讨论仿真结果，这样有助于学生学习和掌握MOSFET。

图2 不同器件宽度CMOS反相器的输出和功耗仿真结果

3 新型器件的建模和仿真

学生理解低维半导体器件如共振隧穿二极管（RTD）工作原理和相应公式较为困难，而且目前的仿真工具缺乏对此类器件的支持。在教学中，利用Aether软件中的库函数功能，建立RTD的电流-电压特性模型，并在此基础上分析器件的原理和特点，可以帮助学生理解知识点。

图3为基于物理参数的RTD模型利用Aether仿真的结果。在这个模型中，RTD为电流密度[2]

图3 基于物理参数RTD模型的Aether仿真

公式（1）中Er为势阱中基态的发射区电子能量，V为所加偏压，Г为谐振宽度。从图3可知，模型较好地模拟了RTD电流-电压特性，有助于学生理解其工作原理，也为基于RTD的电路仿真提供了基础。

在模型的基础上，分析RTD的简单应用电路，使学生能够更广泛地了解此类器件的电路特点。图4为RTD反相器的电路结构和仿真结果。从图4可知，输入输出信号幅值均小于0.9V，RTD电路可在低电源电压下工作。把输出的高低电平对应到RTD的电流-电压特性曲线可以发现，经过器件的电流也较小，RTD可以应用于高速低功耗电路。