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4.3 Der Algorithmus

Zunächst muß der Bauelementsimulator das Eingabe-PIF-File verarbeiten und gemäß der vorgegebenen Struktur, der Materialeigenschaften und der Gitterinformation die Matrizen des Gleichungssystems vorinitialisieren. MINIMOS NT ist so konzipiert, daß die implementierten Gleichungen und Modelle automatisch in ein lineares Gleichungssystem der Form Ax = b transformiert werden. Damit wird der Einbau beliebiger Modelle und Gleichungen ermöglicht, ohne daß in die vorhandene Programmstruktur eingegriffen werden muß. Neue Modelle werden in externen Files aufgebaut und durch einen Funktionsaufruf an den bestehenden Algorithmus gekoppelt. Die Einordnung der neuen Modellgleichungen in das lineare Gleichungssystem und die Lösung erfolgt dann automatisch.

Vor der Lösung des Gleichungssystems muß nun eine geeignete Anfangslösung gesucht werden. Die Anfangslösung kann bereits über die Konvergenz entscheiden, beeinflußt aber zumindest das Verhalten des Gleichungslösers bei den ersten Iterationen. Die Anfangsbedingungen, nach denen MINIMOS NT die Anfangslösung generiert, basieren auf drei Annahmen für Metall- und Halbleitersegmente:

  • a) Alle Boxen sind ladungsneutral.
  • b) Alle Ladungsträger befinden sich im Gleichgewicht.
  • c) Alle Ladungsträger besitzen Gittertemperatur.
  • Die mit diesen Bedingungen erzeugte Anfangslösung gewährleistet im allgemeinen die Konvergenz des Iterationsverfahrens.

    Das Iterationsschema besteht im wesentlichen aus drei Abschnitten, die nacheinander zur Konvergenz geführt werden. D.h. es dient jeweils ein anderer Satz von Kontrollfunktionen als Referenzfunktionen und deren Residuum als Konvergenzkriterium.

  • 1. Im ersten Schritt wird das Drift-Diffusionsgleichungssystem gelöst. Zum Drift-Diffusionssystem gehören die POISSON- und die Kontinuitätsgleichungen, wobei in allen verwendeten Modellen die Ladungsträger- und Gittertemperatur identisch sind und konstant gehalten werden. Als Referenzfunktionen dienen die Kontrollfunktionen von POISSON-Gleichung und Ladungsträgererhaltungsgleichungen.
  • 2. Ist das Konvergenzkriterium von 1. erfüllt, so werden die Energiebilanzgleichungen gelöst. Hierbei werden das zuvor berechnete Potential und die Ladungsträgerkonzentrationen konstant gehalten. Als Referenzfunktion dient die Kontrollfunktion der Energiestromgleichung.
  • 1. und 2. werden solange nacheinander gelöst, bis beide Kontrollfunktionen die entsprechende Norm unterschritten haben.
  • 3. Im letzten Schritt wird das gesamte hydrodynamische Gleichungssystem iterativ gelöst. Als Referenzfunktion dienen die Kontrollfunktionen der POISSON-Gleichung und der Energiestromgleichung.
  • Die Zahl der Iterationsschritte, die im dritten Schritt zur Konvergenz führen, ist aufgrund der vielen Einflußmöglichkeiten unbestimmt. Die Komplexität der zu simulierenden Struktur hat entscheidenden Einfluß auf die Zahl der Iterationsschritte und kann im Extremfall sogar die Konvergenz von vornherein verhindern. Im Einzelfall kann es notwendig sein, die Zahl der zu berücksichtigenden Modelle und Gleichungen zu reduzieren, um eine schnellere Konvergenz zu erhalten.

    Großen Einfluß hat auch die Dämpfung, die die Variation der Simulationsvariablen von Iteration zu Iteration steuert. In MINIMOS NT wurden verschiedene Dämpfungen implementiert und getestet [47]. Eine grundsätzlich "beste" Dämpfung konnte jedoch nicht ermittelt werden. Daher werden in den verschiedenen Lösungsschritten auch verschiedene Dämpfungen verwendet.