软件功能集
低频电磁和机电元器件的仿真工具
作为 COMSOL Multiphysics® 仿真平台的附加专业模块,“AC/DC 模块”是一款分析静态、低频电磁问题的强大而灵活的工具,提供了丰富的建模功能和数值方法,帮助用户通过求解麦克斯韦方程来深入研究电磁场和 EMI/EMC 问题。
借助于 COMSOL® 软件的多物理场耦合功能,用户还可以进一步研究电磁场与其他如热、结构、声等物理效应之间的相互影响,获得更加准确、贴近实际场景的仿真结果。
电流
通过模拟直流、瞬态或交流等各种形式的电流,用户可以有效地分析电阻和导电器件。在静态和低频条件下,如果可以忽略磁场,基于欧姆定律来计算器件的电流和电势将非常高效,并足以提供准确的结果。基于电势结果,可以进一步计算如电阻、电导率、电场、电流密度和功率损耗等物理量。
“AC/DC 模块”支持稳态、频域、时域和小信号分析;时域和频域分析支持电容效应的计算。
静电
对于不涉及电流流动,电场由电势和电荷分布决定的介电结构,可以通过静电计算来分析电容器件和电绝缘。“AC/DC 模块”提供了有限元(FEM)和边界元(BEM)方法来求解电势,也支持组合使用两种方法(有限元-边界元混合方法)来满足不同问题的需求。基于电势场结果,可以进一步计算如电容矩阵、电场、电荷密度和静电能等物理量,帮助您深入理解和优化系统的静电特性。
静磁场计算
静磁场仿真可以分析静磁场、寄生电感以及线圈、导体和磁体上的磁力。“AC/DC 模块”提供了丰富的材料数据库,包含各种非线性磁性材料,也支持自定义添加材料。用户需根据所研究问题是否存在电流、是否包含磁性材料等因素,来选择不同的分析方法。
在没有电流的情况下,推荐使用有限元法和边界元法求解静磁问题,或结合使用这两种方法,采用混合有限元-边界元法以提高计算效率。
对于最常见的、同时存在电流和磁性材料的情况,需要通过矢量场公式来定义电势和输入电流,并计算电流密度分布、磁场、磁力、功耗和互感。
“AC/DC 模块”支持对线圈进行详细的三维建模,精确计算每根导线内的电流分布;也支持通过近似等效的方式简化建模,通过计算线圈电流分布来分析形状复杂的线圈,这对于多匝线圈尤其有效。
电磁场
“AC/DC 模块”可以模拟电缆、导线、线圈、螺线管和其他感应设备中由导电材料中流动的电流产生的磁场。一般来说,对于具有显著感应效应的时变场,电场与磁场之间双向耦合。在这类情况下,集肤深度往往与设备尺寸相当,但远小于波长,因此需要使用矢量场公式以确保计算的准确性。
“AC/DC 模块”支持在二维和三维中进行频域、小信号分析和时域建模。对于具有强非线性 E-J 特性的材料,例如超导体,还提供了专门的公式用于时域磁建模。
旋转机械
“AC/DC 模块”中内置了旋转机械分析功能,可用于分析电动机和发电机。用户可以通过计算磁体内产生的涡流损耗等,研究感应电机或永磁电机的特性。在所有模拟电磁运动的模型中,均支持磁力和扭矩、感应电流以及机械载荷等物理量的计算。
通用的动网格功能还支持研究线性运动,这对于分析含柱塞的部件(例如磁力开关、螺线管和通用执行器)起着重要的作用。
电路
“AC/DC 模块”自带集总电路分析功能,支持对包含各种元器件(如电压和电流源、电阻、电容、电感和半导体器件)的电路进行电流和电压分析。电路模型还可以连接到详细的二维和三维电磁场分析模型,以实现更加精细的电路仿真。此外,电路拓扑结构还支持以 SPICE 网表格式导出和导入,方便与其他工具进行数据交换。
AC/DC 模块的主要功能
“AC/DC 模块”提供了一系列专用工具来实现静态、低频电磁场仿真
内置用户界面
“AC/DC 模块”为上述各个电磁领域都提供了预置的用户接口,让用户能够快速创建复杂的模型。用户可以使用这些接口设置域方程、边界条件、初始条件、预定义的网格、带有稳态和瞬态分析求解器设置的预定义研究,以及预定义的绘图和派生值等。
模块中还提供一系列用于连接不同接口的耦合功能,特别适用于电感器、线圈和电机等应用领域。
非线性材料
“AC/DC 模块”预置了一个包含铁磁材料、亚铁磁材料、B-H 曲线和 H-B 曲线数据的大型材料数据库。材料属性可以随空间或时间而变化,也可以呈各向异性、有损耗、为复值以及不连续等特性。您只需进行少量的额外工作,就能轻松扩展仿真的应用范围,使用数学表达式、查找表或两者的组合来定义自己的材料。软件支持使用 Jiles-Atherton 材料模型进行准静态参数化建模和全瞬态分析,并支持全各向异性滞回仿真。在此基础上,用户甚至还可以用 C 代码编译自己的材料模型,并将其作为外部材料进行链接。
线圈
模块中内置了专门的线圈建模功能,支持将电流和电压等集总物理量转换成电流密度和电场等分布物理量,方便用户轻松建模。无论是单导线还是均匀多匝线圈,都可以在全三维、二维或二维轴对称模型中定义。零件库中还提供完全参数化的线圈和磁芯形状,让您在分析变压器、电感器、电机和执行器等设备时更快地建立模型。
电机和变压器的损耗建模
叠片铁芯和磁轭的损耗是影响电机和变压器效率的重要因素,电机和变压器的分析需要准确预测这些损耗。
特别是对于层压铁(电工钢),宏观焦耳热或感应加热并不能完全描述引起损耗的效应,使得经验性的电磁损耗模型成为了必不可少的工具。但是,由于单独对层合板进行建模往往不切实际,因此需要一种高效的建模方法。
“AC/DC 模块”包含多个著名的经验损耗计算模型,与高保真模型相比,前者只需少量计算即可给出非常准确的损耗估计,其中不仅考虑了滞回和涡流的影响,还包含造成损耗的其他现象。
无边界或大空间问题
对于无边界或大空间的电场和磁场问题,用户可以使用无限域进行分析。对于静电和静磁分析,软件还提供边界元法作为替代方法。除此以外,也可以将边界元和有限元方法结合使用。
寄生电感和参数提取
“AC/DC 模块”提供了计算 PCB 中的寄生电感的专用工具,可用于提取三维模型的电感矩阵。用户可以使用磁场,仅电流 接口计算开放导体产生的磁场的部分贡献,以降低建模的复杂性。
在假设所有区域均为非磁性的情况下,使用磁矢势作为因变量来计算电流产生的磁场。也就是说,这些区域具有统一的相对磁导率“1”。该接口可与稳态源扫描 特征一起使用,以便在一次仿真中扫描多个终端。
薄结构和多层材料
壳公式可以用来模拟非常薄的结构,支持直流、静电、静磁和感应仿真。软件还提供了专门的工具,用于计算多层壳中的电流。壳公式支持使用带有材料属性的表面几何元素来代替 CAD 模型中带有厚度的薄实体域,使此类计算更加高效。
低频电磁和多物理场
电磁元器件工作时会涉及多种物理效应,在 COMSOL Multiphysics® 中可以轻松分析这些多物理场效应。
焦耳热和电阻热1
固体、流体、壳和多层壳中的焦耳热(也称为电阻热)。
感应加热
感应加热用于模拟管线感应加热器和金属加工。
电磁力和扭矩
基于有限元和边界元的电磁应力、力和扭矩计算。
洛伦兹力
使用电流感应的洛伦兹力作为体结构载荷来模拟电声换能器等装置。
电接触电阻
在相互接触的金属片之间流动的电流。结合热接触2 和机械接触3 进行分析。
铁电
铁电功能用于模拟可能表现出磁滞特性的时变极化。
磁致伸缩4
磁性材料在磁场作用下发生的形状变化,这对声呐和变压器噪声来说非常重要。
电感耦合等离子体5
半导体加工中使用的电感耦合等离子体。
带电粒子追踪6
由电磁力引起的带电粒子或磁粒子的运动。
介电泳6
由电场梯度引起的中性颗粒的运动。
注意:
1.不 需要“AC/DC 模块”
2.还需要“传热模块”
3.还需要“MEMS 模块”或“结构力学模块”
4.还需要“声学模块”、“MEMS 模块”或“结构力学模块”
5.还需要“等离子体模块”
6.还需要“粒子追踪模块”
将第三方软件与 COMSOL Multiphysics® 结合使用
MATLAB® 软件用户可以使用 MATLAB® 脚本和函数轻松运行 COMSOL Multiphysics® 仿真。借助 LiveLink™ for MATLAB® 接口产品,用户可以直接在 MATLAB® 环境中访问 COMSOL® 操作,并与现有的 MATLAB® 代码结合使用。
COMSOL 提供了 ECAD 导入模块、CAD 导入模块、设计模块以及用于衔接主流 CAD 系统的 LiveLink™ 产品,帮助用户更便捷地处理 CAD 模型和电子布局,更轻松地进行建模分析。
除此之外,通过使用 LiveLink™ for Excel® 接口产品,您还可以将 Microsoft Excel® 电子表格数据与 COMSOL Multiphysics® 环境中定义的参数进行同步,大幅提高工作效率。
低频电磁和机电元器件的仿真工具
作为 COMSOL Multiphysics® 仿真平台的附加专业模块,“AC/DC 模块”是一款分析静态、低频电磁问题的强大而灵活的工具,提供了丰富的建模功能和数值方法,帮助用户通过求解麦克斯韦方程来深入研究电磁场和 EMI/EMC 问题。
借助于 COMSOL® 软件的多物理场耦合功能,用户还可以进一步研究电磁场与其他如热、结构、声等物理效应之间的相互影响,获得更加准确、全面的仿真结果。
电流
通过模拟直流、瞬态或交流等各种形式的电流,用户可以有效地分析电阻和导电器件。在静态和低频条件下,如果可以忽略磁场,基于欧姆定律来计算器件的电流和电势将非常高效,并足以提供准确的结果。基于电势结果,可以进一步计算如电阻、电导率、电场、电流密度和功率损耗等物理量。
“AC/DC 模块”支持稳态、频域、时域和小信号分析;时域和频域分析支持电容效应的计算。
静电
对于不涉及电流流动,电场由电势和电荷分布决定的介电结构,可以通过静电计算来分析电容器件和电绝缘。“AC/DC 模块”提供了有限元(FEM)和边界元(BEM)方法来求解电势,也支持组合使用两种方法(有限元-边界元混合方法)来满足不同问题的需求。基于电势场结果,可以进一步计算如电容矩阵、电场、电荷密度和静电能等物理量,帮助您深入理解和优化系统的静电特性。
静磁场计算
静磁场仿真可以分析静磁场、寄生电感以及线圈、导体和磁体上的磁力。“AC/DC 模块”提供了丰富的材料数据库,包含各种非线性磁性材料,也支持自定义添加材料。用户需根据所研究问题是否存在电流、是否包含磁性材料等因素,来选择不同的分析方法。
在没有电流的情况下,推荐使用有限元法和边界元法求解静磁问题,或结合使用这两种方法,采用混合有限元-边界元法以提高计算效率。
对于最常见的、同时存在电流和磁性材料的情况,需要通过矢量场公式来定义电势和输入电流,并计算电流密度分布、磁场、磁力、功耗和互感。
“AC/DC 模块”支持对线圈进行详细的三维建模,精确计算每根导线内的电流分布;也支持通过近似等效的方式简化建模,通过计算线圈电流分布来分析形状复杂的线圈,这对于多匝线圈尤其有效。
电磁场
“AC/DC 模块”可以模拟电缆、导线、线圈、螺线管和其他感应设备中由导电材料中流动的电流产生的磁场。一般来说,对于具有显著感应效应的时变场,电场与磁场之间双向耦合。在这类情况下,集肤深度往往与设备尺寸相当,但远小于波长,因此需要使用矢量场公式以确保计算的准确性。
“AC/DC 模块”支持在二维和三维中进行频域、小信号分析和时域建模。对于具有强非线性 E-J 特性的材料,例如超导体,还提供了专门的公式用于时域磁建模。
旋转机械
“AC/DC 模块”中内置了旋转机械分析功能,可用于分析电动机和发电机。用户可以通过计算磁体内产生的涡流损耗等,研究感应电机或永磁电机的特性。在所有模拟电磁运动的模型中,均支持磁力和扭矩、感应电流以及机械载荷等物理量的计算。
通用的动网格功能还支持研究线性运动,这对于分析含柱塞的部件(例如磁力开关、螺线管和通用执行器)起着重要的作用。
电路
“AC/DC 模块”自带集总电路分析功能,支持对包含各种元器件(如电压和电流源、电阻、电容、电感和半导体器件)的电路进行电流和电压分析。电路模型还可以连接到详细的二维和三维电磁场分析模型,以实现更加精细的电路仿真。此外,电路拓扑结构还支持以 SPICE 网表格式导出和导入,方便与其他工具进行数据交换。
AC/DC 模块的主要功能
“AC/DC 模块”提供了一系列专用工具来实现静态、低频电磁场仿真
内置用户界面
“AC/DC 模块”为上述各个电磁领域都提供了预置的用户接口,让用户能够快速创建复杂的模型。用户可以使用这些接口设置域方程、边界条件、初始条件、预定义的网格、带有稳态和瞬态分析求解器设置的预定义研究,以及预定义的绘图和派生值等。
模块中还提供一系列用于连接不同接口的耦合功能,特别适用于电感器、线圈和电机等应用领域。
线圈
模块中内置了专门的线圈建模功能,支持将电流和电压等集总物理量转换成电流密度和电场等分布物理量,方便用户轻松建模。无论是单导线还是均匀多匝线圈,都可以在全三维、二维或二维轴对称模型中定义。零件库中还提供完全参数化的线圈和磁芯形状,让您在分析变压器、电感器、电机和执行器等设备时更快地建立模型。
无边界或大空间问题
对于无边界或大空间的电场和磁场问题,用户可以使用无限域进行分析。对于静电和静磁分析,软件还提供边界元法作为替代方法。除此以外,也可以将边界元和有限元方法结合使用。
薄结构和多层材料
壳公式可以用来模拟非常薄的结构,支持直流、静电、静磁和感应仿真。软件还提供了专门的工具,用于计算多层壳中的电流。壳公式支持使用带有材料属性的表面几何元素,来代替 CAD 模型中带有厚度的薄实体域,使此类计算更加高效。
非线性材料
AC/DC 模块预置了一个包含铁磁材料、亚铁磁材料、B-H 曲线和 H-B 曲线数据的大型材料数据库。材料属性可以随空间或时间而变化,也可以呈各向异性、有损耗、为复值以及不连续等特性。您只需进行少量的额外工作,就能轻松扩展仿真的应用范围,使用数学表达式、查找表或两者的组合来定义自己的材料。软件支持使用 Jiles-Atherton 材料模型进行准静态参数化建模和全瞬态分析,并支持全各向异性滞回仿真。在此基础上,用户甚至还可以用 C 代码编译自己的材料模型,并将其作为外部材料进行链接。
电机和变压器的损耗建模
叠片铁芯和磁轭的损耗是影响电机和变压器效率的重要因素,电机和变压器的分析需要准确预测这些损耗。
特别是对于层压铁(电工钢),宏观焦耳热或感应加热并不能完全描述引起损耗的效应,使得经验性的电磁损耗模型成为了必不可少的工具。但是,由于单独对层合板进行建模往往不切实际,因此需要一种高效的建模方法。
“AC/DC 模块”包含多个著名的经验损耗计算模型,与高保真模型相比,前者只需少量计算即可给出非常准确的损耗估计,其中不仅考虑了滞回和涡流的影响,还包括造成损耗的其他现象。
寄生电感和参数提取
“AC/DC 模块”提供了计算 PCB 中的寄生电感的专用工具,可用于提取三维模型的电感矩阵。用户可以使用磁场,仅电流 接口计算开放导体产生的磁场的部分贡献,以降低建模的复杂性。
在假设所有区域均为非磁性的情况下,使用磁矢势作为因变量来计算电流产生的磁场。也就是说,这些区域具有统一的相对磁导率“1”。该接口可与稳态源扫描 特征一起使用,以便在一次仿真中扫描多个终端。
低频电磁和多物理场
电磁元器件工作时会涉及多种物理效应,在 COMSOL Multiphysics® 中可以轻松分析这些多物理场效应。
焦耳热和电阻热1
固体、流体、壳和多层壳中的焦耳热(也称为电阻热)。
感应加热
使用电流感应的洛伦兹力作为体结构载荷来模拟电声换能器等装置。
电接触电阻
在相互接触的金属片之间流动的电流。结合热接触2和机械接触3进行分析。
铁电
磁性材料在磁场作用下发生的形状变化,这对声呐和变压器噪声来说非常重要。
电感耦合等离子体5
注意
1:不需要“AC/DC 模块”
2:还需要“传热模块”
3:还需要“MEMS 模块”或“结构力学模块”
4:还需要“声学模块”、“MEMS 模块”或“结构力学模块”
5:还需要“等离子体模块”
6:还需要“粒子追踪模块”
将第三方软件与 COMSOL Multiphysics® 结合使用
MATLAB® 软件用户可以使用 MATLAB® 脚本和函数轻松运行 COMSOL Multiphysics® 仿真。借助 LiveLink™ for MATLAB® 接口产品,用户可以直接在 MATLAB® 环境中访问 COMSOL® 操作,并与现有的 MATLAB® 代码结合使用。
COMSOL 提供了 ECAD 导入模块、CAD 导入模块、设计模块 以及用于衔接主流 CAD 系统的 LiveLink™ 产品,帮助用户更便捷地处理 CAD 模型和电子布局,更轻松地进行建模分析。
除此之外,通过使用 LiveLink™ for Excel® 接口产品,您还可以将 Microsoft Excel® 电子表格数据与 COMSOL Multiphysics® 环境中定义的参数进行同步,大幅提高工作效率。
仿真优化微波和毫米波器件
“RF 模块”通过研究高频电磁应用中的电磁波传播和谐振效应等,帮助用户理解、优化在射频、微波和毫米波领域中所用器件的性能。
射频和微波器件的设计人员需要确保其产品的可靠性和稳定性,传统的电磁仿真仅能研究电磁效应,但在实际工程中,这些器件往往是在非理想工作条件下运行的。为了研究其他物理效应对器件的影响,需要扩展传统的电磁分析模型,考虑温升和结构变形等多种效应的影响,实现更全面、精准的分析。
借助 COMSOL Multiphysics® 仿真平台的附加产品“RF 模块”,用户可以在同一个仿真界面内,考虑包括微波和射频加热在内的各种多物理场效应,分析和优化射频器件的设计。
RF 模块:使设计满足当前和未来发展
在无线传输设备行业中,电磁波仿真分析常常用来辅助包括天线和射频前端,如滤波器、耦合器、功分器和阻抗匹配电路等产品的设计和开发,以适应 5G MIMO 网络、物联网(IoT)和卫星通信(SatCom)等领域快速发展的产品迭代和技术进步。
此外,对于可穿戴设备、自动驾驶汽车以及先进微波和射频产品等各类应用,评估无线通信的射频干扰和电磁兼容(EMC/EMI)也非常重要。
高频电磁分析方法
“RF 模块”主要基于有限元法(FEM)进行常规的高频电磁分析,也针对特定问题提供替代方法和求解器,以满足不同类型分析的需求。“RF 模块”内置的默认求解器提供准确的求解,为您的设计提供仿真支持。
有限元法(FEM)用于频域和瞬态分析,根据 CAD 曲面的曲率,采用 1、2 或 3 阶矢量/边元素。软件提供四面体、六面体、棱柱形和金字塔形网格单元,以及自动和自适应网格划分。对于频域分析,通过频率扫描可以计算共振频率、S 参数、近/远场、Q 系数、传播常数和天线特性。模型降阶(MOR)技术,即使用模型方法和基于渐近波形估计(AWE)方法的自适应频率扫描,可以提高计算效率。对于瞬态分析,可以对非线性材料、信号传播和返回时间、超宽频带特性以及时域反射法(TDR)进行建模。
此外,软件还提供了多种不同的方法,包括分析传输线方程、显式时域、使用网表的电路建模、渐近散射和边界元法(BEM)等,来满足不同的建模需求。
RF 模块支持的建模对象
使用 COMSOL® 软件分析各种射频问题
天线和天线阵列
分析微带线、共面波导(CPW)和基片集成波导(SIW)。
耦合器和功分器
计算 S 参数,用于分析耦合器和功分器的匹配、隔离和耦合性能。
EMI/EMC
分析电磁干扰(EMI)和电磁兼容性(EMC),包括串扰和隔离。
铁磁材料
微波器件仿真分析中考虑铁磁材料的影响,例如铁氧体谐振器和环行器。
滤波器
分析微带、CPW 和腔体滤波器的性能,考虑热、结构和其他物理效应的影响。
微波炉
模拟微波治疗以及 MRI 与植入装置的相互作用。
散射和雷达散射截面
使用全波和渐近方法计算雷达散射截面(RCS)和一般散射场。
频率选择表面
模拟频率选择表面和一般周期性结构的透射、反射和衍射现象。
ESD 和雷电
研究随时间变化的高压源及其对电路和飞机的影响。
射频和微波加热
微波加热不仅在食品加工、医疗技术等多个领域扮演着重要的角色,在移动设备中也备受关注。随着 5G 技术的推广,高功率的 RF 组件会产生比以往更多的热量,使得热管理变得前所未有的重要。“RF 模块”具有完全集成的电磁热和传热分析功能,能够处理热传导和热对流,以及与温度相关的材料数据。与结构力学模块或 MEMS 模块结合使用时,还能计算热变形和应力,提供全面的热管理解决方案。通过添加传热模块,还可以进一步考虑热辐射的影响,以获得更准确的分析结果。
天线和辐射
通过远场分析,可以在辐射元件(如天线或天线阵列)近场解的基础上计算出辐射方向图,方便用户通过辐射方向图的方向性和增益来表征这些元件的性能。此外,在天线馈源上使用端口条件(用于计算 S 参数),可以轻松获得与天线输入匹配的属性。
如果辐射装置具有轴对称性,二维轴对称分析选项可以使计算速度提高多个数量级。
在分析天线阵列时,如果进行完整阵列的三维建模,通常对计算资源要求很高。用户可以使用天线阵列因子功能简化模型,快速进行天线阵列性能的可行性研究,以节省计算时间。
软件提供了专门的散射场公式,可将入射波指定为背景场,包括高斯波束、线偏振平面波和用户定义的场,来进行散射分析。
使用完美匹配层(PML)能够在广泛的频率和入射角范围内吸收出射辐射,以提高仿真精度。
RF 模块的主要功能
阅读以下内容,详细了解“RF 模块”的功能
内置物理场接口
“RF 模块”提供了内置的物理场接口,可为上述所有分析类型提供支持。您可以通过这些接口轻松地设置域方程、边界条件、初始条件、预置的网格、带求解器设置的预置研究,以及相应的绘图和派生值。所有这些步骤都可以在 COMSOL Multiphysics® 环境中执行,建模过程直观、高效。
软件提供的边界条件与建模的微波元件相对应,“零件库”可以帮助用户轻松创建器件的几何形状,使建模过程更加简单快捷。软件还提供了自动的网格划分功能和求解器设置,并提供手动编辑选项。
CAD 导入和零件库
通过添加 CAD 导入模块,您可以导入各种行业标准格式的 CAD 文件,用于射频分析。导入选项包含修复功能,使您可以轻松去除几何特征,使几何模型更适用于后续的网格划分和计算。设计模块不仅包含以上功能,还支持更多的三维 CAD 操作,包括放样、倒圆角、倒斜角、抽取中面和加厚等。
用户在 COMSOL Multiphysics® 中创建几何模型时,可使用“RF 模块”内置的“零件库”,其中包含射频仿真中常用的各种复杂形状:连接器、表面贴装器件和波导等。这些零件可以用作参数化几何模型,许多射频零件都包含传导边界选择,方便您在设置分析时应用 PEC 边界条件。
频域和时域转换分析(TDR)
尽管瞬态分析对于采用 TDR 处理信号完整性(SI)问题非常有用,但在许多射频和微波应用中,也可以通过生成 S 参数的频域仿真来进行分析。通过在常规的频域研究之后执行频域到时域快速傅里叶变换(FFT),可以进行 TDR 分析,有助于通过研究时域中的信号波动来确定传输线上的物理不连续性和阻抗失配。
执行小频率步长的宽带频率扫描可能是一项耗时且繁琐的任务,用户可以通过执行瞬态仿真和时频快速傅里叶变换(FFT)来进行宽带天线研究,例如 S 参数和/或远场辐射方向图分析。通过这种方法,可以在较短的时间内获得更广泛的频率响应信息。
多物理场分析
为了准确模拟真实场景中的物理现象,COMSOL Multiphysics®、“RF 模块”和其他附加产品支持各种多物理场仿真分析。在滤波器设计中,热分析和应力变形是至关重要的考虑因素。例如,腔体滤波器通常由电介质材料和金属材料制成,金属的电导率会随温度的变化而改变,从而影响器件的损耗和散热。这种热损耗会引起温度升高,而温度的变化又会导致材料膨胀或收缩。因此,当腔体滤波器承受高功率载荷或极端热环境时,可能会发生带通漂移。多物理场分析可以帮助您在器件优化过程中考虑这些影响,做出更好的决策。
边界条件
为了进行准确的高频电磁分析,“RF模块”提供了大量的边界条件选项来描述金属边界等各种情况,包括:
理想电导体和磁导体(PEC 和 PMC)
阻抗(有限电导率)
过渡(有损薄金属板和多层)
周期(Floquet)
吸收边界
电容、电感和电阻集总元件
端口矩形和圆形波导
同轴电缆
数值(与任意形状匹配的模式)
横电磁(TEM)
集总
带有 Touchstone 文件的二端口和三端口网络系统
材料属性
“RF 模块”提供了一个材料属性库,用于准确分析射频、微波和毫米波电路板以及非线性磁性材料,包含以下公司产品的材料属性数据:
罗杰斯公司
Isola Group
普立万公司
除此之外,用户还可以通过自定义非均匀、各向异性、非线性和色散材料的属性来定制材料,这些属性都可以在空间上变化且不连续;用户也可以定义相对介电常数和磁导率。对于有损材料,则可以使用复值属性、电导率或损耗角正切来定义其材料参数。对于表现出色散的材料,软件预置了两种常用模型:Drude-Lorentz 和德拜模型。对于磁性材料,用户可以指定非线性磁性特性。
数据可视化和提取
运行计算得到分析结果后,用户可以轻松地将仿真结果可视化并导出。软件提供了预定义的电场和磁场、S 参数、功率流、耗散、远场辐射方向图和史密斯图等绘图选项,可以将 S 参数导出为 Touchstone 文件格式,也可以将结果显示为自由定义的物理量表达式,或者以表格形式显示通过仿真得到的派生值。
周期性结构
周期性结构是许多工程电磁结构的基础,在新型 5G 硬件、亚波长成像和先进雷达技术等领域得到广泛的应用。“RF 模块”提供了 Floquet 周期条件和不同的衍射级,用于对这些结构(包括它们的高阶衍射模式)进行建模,从而精确地设计反射和透射阵天线以及全息表面的元件。
深入分析微纳光学器件
“波动光学模块”是 COMSOL Multiphysics® 的附加产品,主要用于帮助工程师和科研人员深入理解、预测和研究电磁波在光学应用中的传播和谐振效应。通过分析电磁场分布、透射和反射系数以及功率损耗等参数,为产品设计和优化提供更加精准、高效的方案。
对真实工作场景中的光子器件、集成光路、光波导、耦合器、光纤的分析和优化经常需要考虑多个物理效应的影响。COMSOL Multiphysics® 软件可以轻松分析如应力-光、电-光、声-光效应以及电磁热等多物理场效应。
使用波束包络法分析大型光学问题
除了传统的数值方法以外,“波动光学模块”还提供专用的波束包络方法,用于模拟大型光学器件。相比传统方法,波束包络法可以大幅节省计算资源,广泛应用于定向耦合器、光纤布拉格光栅、透镜系统、波导、外部光学系统、光纤耦合、激光二极管堆,以及激光束传输系统等。
波束包络法是一种先进的数值方法,能够在不依赖近似方法的情况下,分析大型光学问题仿真中缓慢变化的电场包络。与传统方法相比,这种方法在求解各个波的传播时所需的网格单元数要少得多。
波动光学模块支持的建模对象
使用 COMSOL® 软件分析各种光学系统
光纤
光栅、超材料和一般周期性结构的透射、反射和衍射。
应力-光学效应1
注意:
1:需要“结构力学模块”或“MEMS 模块”
2:需要“半导体模块”
波动光学模块的主要功能
阅读以下内容,了解“波动光学模块”的功能
全波电磁分析
“波动光学模块”可以帮助用户轻松地在二维、二维轴对称和三维几何空间中快速建立模型,仿真工作流程简单明了,一般包括:创建或导入几何、选择材料、选择合适的波动光学 接口、定义边界条件和初始条件、定义网格、选择求解器以及将结果可视化,所有这些步骤都可以在 COMSOL Multiphysics® 环境中执行。软件预置了相应的网格划分和求解器设置,并支持手动修改这些设置。
“波动光学模块”基于麦克斯韦方程和光在不同介质中传播的材料定律,来计算电磁场和波的传播,分析光学器件中的光传播。
“波动光学模块”支持频域和时域建模,包括特征频率和模式分析。
光学材料
“波动光学模块”提供了内置的光学材料库,方便用户选择,也支持用户自定义光学材料:可以指定相对介电常数或折射率,也可以包含更高级的材料属性,如 Debye、Drude-Lorentz 和 Sellmeier 色散等;还支持各向异性材料和功能梯度材料的设定。借助于这些功能,用户可以轻松创建各种自定义材料,包括带有工程属性的超材料、旋磁和旋波材料等。
通过直接在软件中修改材料、控制麦克斯韦方程组或边界条件,用户可以实现对仿真分析的全面掌控。
数据可视化和提取
用户既可以通过各种绘图来直观地呈现电场和磁场、反射率、透光率、衍射效率、S 参数、功率流和耗散等计算结果,也可以对自定义的物理量进行可视化,以便更深入和全面地理解仿真结果。
非线性光学
“波动光学模块”提供非线性光学问题的时域和频域仿真功能,支持对材料属性随温度或其他物理场变化的材料进行如自聚焦等非线性光学分析;支持耦合多个频域分析,来模拟不同频率下的两个或多个波之间的混合,如和频、差频产生过程。通过引入非线性偏振项,可以分析涉及连续波(CW)激光或其他准稳态现象的非线性光学仿真。时域分析的功能也非常灵活,用户可以修改偏振或残余电位移项,分析更复杂的建模场景,如皮秒、飞秒等超快激光现象。
边界条件
在电磁波建模中,准确的边界条件对于仿真结果的精度至关重要。“波动光学模块”提供专业的边界条件,可以处理光学仿真中的各种场景:支持无界域模拟;对于超材料等周期性结构,周期性端口可以处理任意入射角和衍射级;对于波导和光纤问题,模块提供模式匹配端口以确保正确地将入射光馈送入波导。
“波动光学模块”提供以下重要的边界条件:
理想电导体(PEC)
阻抗(有限电导率)
过渡(有损导电薄板)
具有任意衍射级的周期性端口
Floquet 或 Bloch 周期边界
散射(吸收)边界
端口解析形状
数值(模式匹配)
光学器件的多物理场效应
“波动光学模块”可与其他模块结合使用,以模拟光学器件中的多物理场现象,所有附加模块都与 COMSOL Multiphysics® 软件平台无缝集成。这意味着,不论研究哪种工程领域或物理现象,都可以遵循相同的仿真工作流程。
借助“波动光学模块”,用户可以研究机械变形对光学器件性能的影响,如应力-光效应,也可以研究热、热应力和热耗散对器件性能的影响;还可以分析如声光、电光和磁光效应等多种物理效应,并将结果用于光学调制。
与质量传递分析相耦合时,用户可以计算具有各向异性扩散系数的真实折射率曲线,并将结果用于电磁学分析,以便更好地了解光学器件的行为,优化器件的设计和性能。
周期性结构
周期性结构是众多工程电磁结构的基础,广泛应用于偏振和亚波长成像以及衍射光学等领域。“波动光学模块”的 Floquet 周期条件和不同的衍射级可以用于分析这些结构(包括其高阶衍射模式),快速、准确地设计超表面和其他平面光学元件。
散射
散射场公式可以用于轻松建立金纳米粒子等物体的精确散射模型:用户可以设置平面波、高斯光束(考虑或不考虑近轴近似)或自定义激励,对由激励引起的散射场进行求解;完美匹配层(PML)的出射辐射吸收功能,可以吸收各种频率和入射角范围内的辐射,用来近似无限大空间;近远场变换功能支持对散射体的远场辐射进行详细分析,从而更深入地了解散射现象。
模拟大型光学系统中的光线轨迹
“射线光学模块”是 COMSOL Multiphysics® 软件的一个附加模块,主要使用光线追迹法,通过研究光线的反射、折射或吸收来分析电磁波的传播。这种电磁辐射处理方式采用近似方法,特别适用于几何结构远大于波长的情况。
将“射线光学模块”与 COMSOL 产品库中的其他模块结合使用,可以同时考虑光线穿过的几何结构中的温度梯度和变形,实现精确的结构-热-光学性能(STOP)分析。
STOP 分析
在高空、太空、水下环境、激光和核设施等复杂环境中运行的光学系统,可能受到结构载荷和极端温度的影响,对周围环境的变化非常敏感。在这种场景下,需要通过 STOP 分析来精确分析环境因素对光路的影响。COMSOL Multiphysics® 软件支持在同一个模型中对结构、热和光学效应进行耦合分析,在热应力引起的变形几何中追踪光线。此外,内置的材料模型还可以考虑折射率随温度的变化。
将“射线光学模块”与其他附加产品耦合使用,还可以进一步考虑热辐射、共轭传热、超弹性材料,以及压电效应等因素,更深入地理解光学系统在复杂环境下的行为。射线光学模块的主要分析对象
透镜
使用内置的 Stokes-Mueller 形式来操控光的偏振。
望远镜
射线光学模块的主要功能
“射线光学模块”采用光线追迹法分析光路
几何光学
基于“几何光学”分析电磁波在大型光学结构中的传播。几何光学 接口包含射线强度和偏振的内置处理功能,采用 Stokes-Mueller 演算的形式进行强度计算,可以方便地跟踪完全偏振、非偏振和部分偏振的射线。
该物理场接口提供了灵活的射线追踪算法,可以追踪射线在均匀折射率和渐变折射率(GRIN)介质中的传播;可以通过指定波长分布或输入离散值来定义单色或多色射线。
透镜和反射镜几何库
“射线光学模块”提供了几何零件库,包含反射镜、透镜、棱镜和孔径光阑等全参数化的几何模型,许多零件还包含一系列具有不同输入参数组合的选项,方便用户修改参数,以满足光学设计需求。
例如,您可以在几何序列中加入球面镜或锥面镜,指定凹凸面,并输入曲率半径;然后指定平面镜(如果有)的孔径、外径和直径。这些参数可以在几何建模时手动调整,也可以在后续运行参数化扫描 研究时调整。不仅如此,您还可以使用内置工作平面,根据已有零件定位新导入的零件;软件可以为零件自动创建命名的选择,以方便您在后续操作中设定对应的边界条件。
直观易用的功能
射线可以在不指定射线-边界相互作用顺序的情况下自动检测其路径中的几何边界。当一束射线到达物体表面时,可以被漫反射、镜面反射、折射或吸收。用户可以根据特定条件设定边界间的相互作用,或根据给定概率在两个不同相互作用之间随机选择。
在电介质之间的边界上,软件会将每一束入射线明确地分成反射线和折射线,还会自动检测全内反射,并且在求解射线强度时,会根据菲涅尔方程自动更新反射线和折射线的强度。用户可以在材料不连续处定义薄介电层,用来表示滤波器、抗反射涂层或介质反射镜。这些功能可以在节省时间的同时提高仿真精度。
射线释放机制
用户可以选择通过直接输入射线坐标,从文本文件导入坐标,或者从选定的几何实体释放射线。几何结构中的任何域、边界、边或点选择中均可释放射线。不仅如此,“射线光学模块”还提供专门的功能,用于在地球表面的指定位置产生太阳辐射,或者从被照射的边界释放反射线或折射线。
考虑射线强度时,支持通过使用表达式或加载光度数据文件( IES 文件)来描述光学初始强度;还提供了用于模拟黑体辐射和高斯光束传播的光线释放功能。
在每个释放位置,用户均可以指定其发射方向,除单一方向外,也可以根据球形、半球形、锥形或朗伯分布中的采样来确定多个发射方向。
射线加热
射线加热 接口用于模拟电磁波在大型光学系统中的传播,可以考虑光线与温度场直接的相互影响。吸收介质中的射线衰减而造成的能量损失,可以在温度计算中作为热源考虑。
光学和热光色散模型
用户既可以直接指定每种介质的折射率,也可以基于光学色散关系推导得出。色散系数(如 Sellmeier 系数)可以从材料数据库加载,也可以在用户定义的材料中直接输入。折射率可以是复值,其中实部确定介质中的光速,虚部则引起光线在介质中的衰减或增益。
除此之外,热光色散系数还可用于根据温度调整折射率。本模块还提供温度相关的 Sellmeier 色散模型,将温度和波长的依赖关系组合成一组 Sellmeier 系数,这种方法尤其适用于低温材料的研究。
光学材料库
光学材料库包含来自肖特科技、成都光明光电股份有限公司、株式会社小原公司和康宁公司的玻璃数据,以及各种气体、金属和聚合物数据。对于其中大多数光学玻璃来说,折射率是通过一组光色散系数作为波长的函数提供。
除折射率以外,光学材料库中的许多光学玻璃还提供一系列有关材料的结构和热属性,比如密度、杨氏模量、泊松比、线性热膨胀系数、导热系数和比热容。通过考虑这些结构和热属性,用户可以更准确地预测材料的行为,进行 STOP 耦合分析。玻璃的内部透光率也以波长函数的形式在表格中列出,帮助用户预测光在介质中的衰减情况。
光学性能可视化
COMSOL Multiphysics® 的后处理工具可用于创建信息丰富、美观的仿真结果图。在二维或三维空间中,射线可以绘制成线、管、点和矢量,并通过任意表达式进行着色。这些表达式可以在不同的射线之间变化,甚至可以沿每条射线的路径变化。当同时考虑射线强度时,还可以沿射线绘制偏振椭圆,以更好地理解光学效应。
除此之外,COMSOL Multiphysics® 软件还提供足够的灵活性,不仅可以显示射线路径,还可以生成其他专用绘图以查看干涉条纹,还能将光程差分解为单独的单色像差项。此外,还可以绘制射线与平面、球体、半球或更特殊表面的交点,以便更深入地了解射线的传播和反射行为。
模拟低温等离子体放电
等离子体系统的行为受流体力学、化学反应、物理动力学、传热、质量传递和电磁等多个物理效应的共同影响。“等离子体模块”是 COMSOL Multiphysics® 的附加产品,用于模拟各种工程领域中的非平衡和平衡放电现象。软件提供了预定义的设置,可以模拟直流(DC)放电、电感耦合等离子体(ICP)、微波等离子体、电容耦合等离子体(CCP)和电晕放电等现象。
等离子体模块的主要应用
模拟多种电磁激励产生的等离子体
电感耦合等离子体
研究功率如何与 ICP 反应器中的等离子体进行耦合。1
电容耦合等离子体
使用直接求解时间周期稳态问题的专用接口对 CCP 反应器进行建模。
电子回旋共振(ECR)等离子体源
将等离子体模型与磁场和电磁波相耦合,为 ECR 等离子体源进行建模。1,2
微波激发的等离子体
研究 ICP 炬在大气压下的电气和热特性。1
等离子体全局模型
通过用于快速参数化和复杂化学反应的全局模型(包含玻尔兹曼方程)模拟等离子体反应器。
电子能量分布函数(EEDF)
计算 EEDF 并得到用于流体等离子体模型的电子传递参数和源项。
等离子体均匀性的优化
优化 ICP 反应器的线圈设计和定位以获得等离子体均匀性。4
计算表面的离子能量分布函数。3
注意:
1:需要“AC/DC 模块”:
2:需要“RF 模块”
3:需要“粒子追踪模块”
4:需要“优化模块”
等离子体模块的主要功能
“等离子体模块”提供专门的工具,用于模拟低温等离子体和热等离子体
非平衡等离子体
“等离子体模块”提供内置的用户接口来模拟由稳态或时变电场维持的低温等离子体反应器。这些接口预置了相应的域方程组、边界条件、初始条件、预定义网格、带有稳态和瞬态分析求解器设置的预定义研究,还提供了预定义的绘图和派生值,以帮助用户更好地了解仿真结果。各个接口使用泊松方程自洽地求解所有物质(电子、离子和中性物质)的输运方程;同时,也可以通过模拟电子如何从电场获得能量并在与背景气体的碰撞中损失能量来求解电子的平均能量方程。
等离子体化学反应
等离子体的化学性质对于获得真实的仿真结果极为重要。为此,“等离子体模块”提供了丰富的功能,用于定义电子碰撞反应、重物质之间的反应和表面反应。
电子在与背景气体的碰撞中如何失去或获得能量,取决于等离子体的化学性质。“等离子体模块”提供了专门的功能,用于模拟可能导致电离、激发和附着的电子碰撞反应。用户可以基于横截面数据来定义电子碰撞反应,还可以通过对电子能量分布函数进行适当的积分来获得源项。
用于 ICP 反应器建模的多物理场接口
电感耦合等离子体 多物理场接口1 用于研究由感应电流维持的放电,其中将等离子体电导率从等离子体 接口连接到磁场 接口,并将感应电流产生的电子加热耦合回等离子体 接口。通过在频域中求解磁场,并在时域中求解等离子体,可以精确描述 ICP 反应器的多个物理场。
用于平衡放电建模的多物理场接口
“等离子体模块”中的接口可用于模拟热力学平衡状态下的等离子体,在这种状态下,电子和重物质具有相同的温度,等离子体可以用单一温度来表征。为了模拟这种条件下的等离子体,本模块提供了多个基于电激励类型的平衡放电 接口:平衡直流放电、平衡电感耦合等离子体 1 和感应/直流耦合放电 1。这些接口使用磁流体力学方法,将等离子体描述为具有一个温度的单一流体。平衡放电 接口可以将流体流动、传热、磁场和电流接口进行耦合。软件采用多物理场耦合特征来引入等离子体物理场,通过等离子体属性(例如电导率、热容、辐射传热等)将特定的热源纳入流体中,从而更加高效地计算处于平衡状态的等离子体模型。
用于描述等离子体-表面相互作用的边界条件
“等离子体模块”内置的用户接口提供了多种边界条件来描述等离子体与表面的相互作用。例如,用户可以通过应用壁 特征来轻松定义表面的电子密度和能流,将传输损耗引入电子输运方程。此外,还可以在表面上包含其他通量源,例如二次电子发射和一般电子通量等。
该模块在电极处自动计算带电粒子的通量,并支持添加带电粒子通量以模拟外部电路。如果电介质与等离子体接触,则可以根据表面带电物质的通量来计算表面电荷累积。
背景气体的流动和传热分析
等离子体 接口可以与流动和传热接口相结合,分析背景气体的流动和传热。同时,用户还可以模拟等离子体周围材料之间的热量交换。在等离子体中,电子从场中获得能量,然后在与背景气体的碰撞中失去能量。当压力足够高时,这种机制会导致显著的气体和表面加热。等离子体 接口会自动计算等离子体反应产生的热源,并将其提供给“传热”接口。此外,黏度和密度等流体属性也在等离子体 接口中进行计算,并可在“流体流动”接口中使用。
用于 CCP 反应器建模的物理场接口
“等离子体模块”包含了专门的数值方法,用于对 CCP 进行建模。相较于传统方法,该方法具有更高的计算效率,能够极大地缩短计算时间。周期稳态解不是在时域中求解,而是通过在基础数学方程中添加一个额外维度进行计算。这个额外维度方程表示一个射频周期,并强制执行周期性边界条件,可以避免必须求解数万或数十万个射频周期的情况(这通常需要很长时间才能使等离子体达到周期稳态解)。这种方法不仅能够保持模型的所有非线性,还可以明显减少计算时间。
微波等离子体 多物理场接口2 用于研究由电磁波维持的放电(也称为波加热放电)。当您选择此接口时,软件会自动生成等离子体 和电磁波 接口以及多物理场耦合。等离子体电导耦合 功能可以将等离子体电导率耦合到电磁波 接口,而电子热源 接口可以将产生的电子热耦合回等离子体 接口。在此接口中,电磁波在频域中求解,而等离子体在时域中求解,以确保得到精确的仿真结果。
注意:
1、需要“AC/DC 模块”
2、需要“RF 模块”
模拟半导体和光电子器件
“半导体模块”提供了专用的功能,用于在基础原理层面上分析半导体器件的运行过程,包括一系列常见的器件类型,如双极晶体管、金属-半导体场效应晶体管(MESFET)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、绝缘栅双极晶体管(IGBT)、肖特基二极管、p-n 结以及太阳能电池等。
该模块提供了模拟电磁波与半导体材料之间相互作用的功能,其典型应用包括光电二极管、LED 和激光二极管。此外,还支持用户在建模过程中引入自定义的方程和表达式,以满足特定的仿真需求。
更为便捷的是,“半导体模块”还可以灵活地与任何其他 COMSOL Multiphysics® 附加产品耦合使用,为用户提供更加全面的建模仿真解决方案。
半导体模块的主要应用
分析各种晶体管、传感器、光子器件、量子系统和半导体基本元件
双极晶体管三维模型
计算双极晶体管的电流-电压响应,并模拟该器件作为模拟电流放大器的工作情况。
MOSFET
计算金属氧化物半导体(MOS)晶体管的直流特性。
太阳能电池
计算用户定义的太阳能电池中的产生和 Shockey-Read-Hall 复合速率。
LED
将半导体模型与电解质模型进行耦合以模拟离子敏场效应晶体管(ISFET)pH 传感器。
IGBT 三维模型
模拟沟槽栅 IGBT,按照真实器件的设计沿拉伸方向排布交替的发射极。
p 沟道场效应晶体管
分析 InSb p 沟道场效应晶体管的直流特性,其中使用密度梯度公式来添加量子限制。
玻色-爱因斯坦凝聚
求解旋转玻色-爱因斯坦凝聚体中涡格形成的 Gross-Pitaevskii 方程。
半导体模块的主要功能
下面更详细地探讨了“半导体模块”的主要功能
漂流-扩散方程
半导体 接口用于求解漂移-扩散方程与泊松方程的组合方程,支持对半导体器件中的绝缘域和半导体域进行精确建模,是“半导体模块”的基石。其重要应用之一是使用费米-狄拉克或麦克斯韦-玻尔兹曼统计来模拟器件的基本原理。
漂移-扩散方程支持多种分析类型,包括热平衡、稳态、瞬态响应和小信号分析。
掺杂和材料模型
在半导体器件建模中,准确描述材料的掺杂分布至关重要。“半导体模块”包含的一系列功能可以实现几乎所有的掺杂分布,并提供包括不完全电离,以及用于高掺杂水平带隙变窄在内的高级选项。
掺杂分布的内置选项包括线性、高斯 和误差函数,您可以通过键入数学表达式或使用另一个仿真的输出结果作为掺杂分布的基础,来描述掺杂分布。
此外,还可以直接根据导入的查找表来定义掺杂分布。这种策略在无法通过分析来定义所需的分布时(例如,当掺杂分布来自外部仿真输出时)非常有用。
金属-半导体接触
您可以使用专门的金属接触 边界特征对金属-半导体接触进行建模,这种终端类型支持电压、电流、功率,并可与外部电路连接。
理想的肖特基接触类型可用于模拟简单的整流金属-半导体结,其中电流-电压特性取决于结上形成的势垒。如需在模型中同时包含表面复合效应和来自表面陷阱的表面电荷密度,可以将陷阱辅助表面复合 边界条件添加到与金属接触条件相同的边界选择中,从而更全面地模拟金属-半导体接触的行为。
薛定谔方程
薛定谔方程 接口用于求解外部电势中单个粒子的薛定谔方程,对于求解一般的量子力学问题和量子限制系统非常有用,例如针对量子阱、线和点(具有包络函数近似)的情况。
接口中预置了适当的边界条件和研究类型,以便用户轻松建立模型以计算各种情况下的相关量,例如束缚态的特征能量、准束缚态的衰减率、透射和反射系数、共振隧穿条件,以及超晶格结构的有效带隙等。通过使用该接口,您可以快速模拟和分析各种量子力学系统。
光跃迁
光跃迁 特征可用于模拟半导体内的光吸收,以及受激发射和自发发射现象。在具有振荡电场(通常由传播的电磁波产生)的情况下,当两个量子态之间发生跃迁时,就会发生受激发射或吸收。同时,当从高能量子态跃迁到低能量子态时,就会发生自发发射。
连接到电路
电路 接口用于创建集总系统以模拟电路中的电流和电压行为,非常适用于模拟典型的电压和电流源、电阻器、电容器、电感器以及其他半导体器件。同时,电路模型还可以连接到二维和三维的分布式场模型。并且,电路拓扑结构还能以 SPICE 网表格式进行导出和导入,例如,您可以将电路模型与半导体器件的物理场模型相结合,用于模拟实际负载情况。
载流子迁移率模型
在使用漂移-扩散方法模拟半导体器件时,载流子迁移率的真实模型非常重要,这些模型能够准确描述材料内部载流子的迁移率受到散射的限制。“半导体模块”提供了多个预定义的迁移率模型,用户也可以任意定义自己的迁移率模型,以满足不同的需求。
预定义的迁移率模型包含声子、杂质和载流子-载流子散射、高场速度饱和以及表面散射的选项。
通过在用户定义的特征中键入适当的表达式,无需编写脚本或进行编码,即可轻松指定用户定义的迁移率模型。这些模型可以与软件内置的预定义迁移率模型任意组合使用,以提供更大的精度和灵活性。
产生与复合
使用半导体 接口的模型可以包含俄歇复合、直接复合、碰撞电离产生和陷阱辅助复合等产生与复合过程,其中还提供用户定义的复合与产生特征,让您能够手动设置这些过程的速率。
陷阱辅助复合 模型用于设置间接带隙半导体的电子和空穴复合率。默认情况下,可以使用 Shockley-Read-Hall 陷阱模型对稳态复合进行建模,其中考虑禁带中央的状态。同时,还提供了显式陷阱分布 模型,用于指定带隙内能量处的离散陷阱或连续陷阱态密度。
绝缘体-半导体接触
半导体 接口包含的特征可用于模拟半导体与金属之间的薄绝缘材料(氧化物),并支持小信号分析,这对于计算 I-V 曲线非常有用。
如果需要模拟一般的绝缘体,您可以在半导体 接口中添加电荷守恒域特征,其添加方式与使用静电 的通用接口建模时添加特征的方式类似。您可以使用多种边界条件来模拟绝缘域,包括:
半导体-绝缘体界面(默认设置)
外表面电荷累积
电位移场
悬浮电位
薛定谔-泊松方程
薛定谔-泊松方程 多物理场接口将薛定谔方程 与静电 接口相结合,对量子限制系统中的载流子进行建模,适用于模拟量子阱、线和点等各种量子限制器件,并提供多分量波函数来模拟多带系统和自旋粒子。此外,该接口还可以模拟一般的量子系统,例如玻色-爱因斯坦凝聚体中涡格的形成。
使用薛定谔-泊松方程 接口时,电势会影响薛定谔方程中的势能项,而特征态中概率密度的统计加权和则会影响空间电荷密度。其中提供专用的研究类型,可以自动生成双向耦合系统的自洽解所需的求解器设置。
接口中包含的选项可以对具有入射波和出射波的开放边界进行建模,以模拟共振隧穿条件。此外,您还可以使用周期性 边界条件对超晶格进行建模。
半导体光电子学
“半导体模块”包含两个多物理场接口,用于模拟电磁波与半导体的相互作用。此功能基于“波动光学模块”中的频域 和波束包络 接口,因此需要耦合波动光学模块。
半导体 与电磁波 接口之间的耦合通过“半导体模块”中的光跃迁 特征实现,其中在半导体 接口中的域上引入了适用于直接带隙材料的受激发射产生项,与电磁波 接口中相应特征的光强成正比。此外,光跃迁 特征还可用于分析直接带隙材料的自发发射现象。
本模块通过复介电常数或折射率的相应变化来说明光吸收或发射的影响。
半导体器件的多物理场
在半导体器件中,耦合物理效应常常对性能起着重要的作用。通过采用多物理场仿真对不同的物理场(例如静电、传热、波动光学、射线光学和化学物质传递)进行耦合分析,可以捕获半导体器件内发生的复杂相互作用。半导体器件的多物理场分析示例包括:
模拟功率器件中的热效应
通过模拟太阳光线分析硅太阳能电池受到的照射
通过计算波动光学来模拟受激发射和自发发射
使用物质传递对半导体和电解质模型进行耦合
通过将“半导体模块”与 COMSOL 的其他产品结合使用,可以进行多物理场分析,以便对半导体器件的特性有一个更真实全面的了解,这有助于大幅提升半导体器件的性能和功能,开发出更高效、更先进的半导体器件。