半导体器件数值模拟计算方法的理论和应用9787030519009 科学出版社 袁益让,刘蕴 pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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袁益让，刘蕴贤 著

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• 半导体器件
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出版社： 科学出版社

ISBN：9787030519009

商品编码：29337650699

包装：平装

出版时间：2018-03-01

图书基本信息
图书名称	半导体器件数值模拟计算方法的理论和应用
作者	袁益让,刘蕴贤
定价	198.00元
出版社	科学出版社
ISBN	9787030519009
出版日期	2018-03-01
字数
页码
版次	31
装帧	平装
开本
商品重量	0.4Kg

内容简介

半导体器件数值模拟计算方法是现代计算数学和工业与应用数学的重要领域。半导体器件数值模拟是用电子计算机模拟半导体器件内部重要的物理特性，获取有效数据，是设计和研制新型半导体器件结构的有效工具。本书主要内容包括半导体器件数值模拟的有限元方法、有限差分方法，半导体问题的区域分裂和局部加密网格方法，半导体瞬态问题的块中心差分方法等经典理论部分，以及半导体问题的混合元。特征混合元方法、混合元。分数步差分方法、半导体瞬态问题的有限体积元方法、半导体问题的混合有限体积元。分数步差分方法、电阻抗成像的数值模拟方法和半导体问题数值模拟的间断有限元方法等现代数值模拟方法和技术。

作者简介

目录

编辑推荐

文摘

序言

探索微观世界的精准绘图：半导体器件数值模拟计算方法的理论与应用 在日新月异的电子信息时代，半导体器件的微型化、高性能化以及新材料、新结构的不断涌现，对传统的设计与分析方法提出了严峻的挑战。物理学、数学与计算机科学的深度融合，催生了半导体器件数值模拟计算方法，这门学科成为理解、设计和优化微纳尺度下半导体器件性能的强大驱动力。它如同赋予我们一双洞察微观世界运行规律的“慧眼”，能够在不进行昂贵且耗时的实际制造与测试的情况下，精确预测器件的电学、光学、热学等特性，从而极大地加速了研发进程，降低了成本，并推动了创新。 本书旨在系统地梳理半导体器件数值模拟计算方法的理论基础，并深入探讨其在实际工程应用中的广阔前景。我们不触及具体书籍的现有内容，而是着眼于这一领域的核心概念、关键技术以及未来的发展趋势，为读者构建一个全面而深刻的认知框架。 理论基石：构建数值模拟的数学与物理模型 半导体器件的数值模拟，其核心在于将复杂的物理现象转化为可计算的数学模型。这离不开对半导体物理学的深刻理解。器件内部载流子的输运行为，诸如漂移、扩散、复合、产生等，是决定器件性能的关键。这些行为的数学描述，通常涉及偏微分方程组，其中最核心的是泊松方程（描述电势分布）和载流子连续性方程（描述电子和空穴浓度的时空变化）。 1. 泊松方程（Poisson's Equation）： 描述了静电势 $phi$ 与电荷密度 $ ho$ 之间的关系： $ abla^2 phi = -frac{ ho}{epsilon}$ 其中，$epsilon$ 是半导体的介电常数。此方程揭示了电荷分布如何影响器件内部的电场，进而影响载流子的运动。 2. 载流子连续性方程（Carrier Continuity Equations）： 分别描述了电子 ($n$) 和空穴 ($p$) 的浓度变化率： $frac{partial n}{partial t} = abla cdot (D_n abla n) - abla cdot (n mu_n abla phi) + G_n - R_n$ $frac{partial p}{partial t} = abla cdot (D_p abla p) + abla cdot (p mu_p abla phi) + G_p - R_p$ 其中，$D$ 是扩散系数，$ mu $ 是迁移率，$ abla phi$ 是电场（由泊松方程给出），$G$ 是产生项（如光生载流子），$R$ 是复合项（如俄歇复合、辐射复合、陷阱辅助复合）。这些方程刻画了载流子如何通过扩散、漂移以及产生和复合过程在器件内部分布和演化。 除了上述基本方程，对于描述半导体器件中的一些高级物理现象，还需要引入更复杂的模型。例如，能量守恒方程用于模拟温度分布对器件性能的影响，特别是在高功率器件和快速开关器件中；漂移扩散模型是上述连续性方程的一个重要特例，它假设载流子运动主要由电场驱动的漂移和浓度梯度驱动的扩散构成，这是目前最广泛应用的模拟模型之一；当器件尺寸缩小到纳米级别，量子效应变得不可忽略时，量子力学模型（如薛定谔方程）便成为必需，它能够描述载流子的波粒二象性，以及量子隧穿、量子限制等现象。 数值离散化：将连续方程转化为可解的代数方程 上述偏微分方程组描述的是连续的物理量在空间和时间上的变化。然而，计算机只能处理离散的数据。因此，将这些连续的微分方程转化为离散的代数方程是数值模拟的关键步骤。常用的数值离散化方法包括： 1. 有限差分法（Finite Difference Method, FDM）： 这是最直观的方法之一。它将计算区域划分为一系列网格点，然后用网格点上函数值的差分来近似微分算子。例如，一阶导数可以近似为相邻两点函数值之差除以网格间距。尽管简单易懂，但当计算区域的几何形状复杂时，FDM的实现会变得困难。 2. 有限元法（Finite Element Method, FEM）： FEM是一种更为强大的数值方法，特别适合处理复杂几何形状的区域。它将计算区域划分为一系列有限的单元（如三角形、四边形、六面形），然后在每个单元内部用分段多项式来近似求解域，并通过将这些局部解“拼接”起来，在整个区域上得到近似解。FEM具有良好的收敛性和灵活性，能够处理不规则网格和边界条件。 3. 有限体积法（Finite Volume Method, FVM）： FVM是一种结合了FDM和FEM优点的数值方法。它将计算区域划分为一系列控制体积，然后在每个控制体积上对控制方程进行积分，将微分方程转化为代数方程。FVM在守恒性方面表现出色，特别适合处理流体动力学和半导体器件中的电荷守恒问题。 无论采用哪种离散化方法，最终的目标是将原始的偏微分方程组转化为一个大型的线性或非线性代数方程组，形式通常为 $Ax = b$，其中 $A$ 是系数矩阵，$x$ 是待求的未知量（如网格点上的电势、载流子浓度），$b$ 是常数项或源项。 方程求解：高效可靠的数值算法 离散化后的代数方程组，特别是对于大规模的半导体器件模拟，往往规模巨大且是非线性的。高效可靠的方程求解算法是整个模拟流程中的核心挑战。 1. 线性方程组求解： 直接法： 如高斯消元法、LU分解法。当矩阵规模较小时，它们能提供精确解，但计算量和存储量随矩阵规模的增加呈立方增长，不适合大规模问题。 迭代法： 如雅可比法、高斯-赛德尔法、共轭梯度法、GMRES法。它们从一个初始猜测值出发，通过迭代逼近真解。迭代法在存储需求和计算量上通常优于直接法，尤其适合处理稀疏矩阵（即矩阵中绝大多数元素为零），这是半导体器件模拟中常见的特点。 2. 非线性方程组求解： 对于包含非线性项（如载流子浓度的乘积、迁移率的电场依赖性等）的方程组，通常采用牛顿-拉夫逊法（Newton-Raphson Method）及其变种。该方法通过线性化非线性方程组，利用迭代的方式逐步逼近非线性方程的根。这通常需要反复进行线性方程组的求解。 3. 耦合方程组求解： 由于泊松方程和连续性方程是相互耦合的（电势影响载流子，载流子电荷密度影响电势），求解时需要采用耦合求解策略。常见的策略有： 全耦合（Fully Coupled）： 将所有方程写成一个巨大的非线性方程组，然后一次性求解。这种方法理论上收敛性好，但计算量和存储量极大。 解耦（Decoupled）： 将方程组分解成若干个子方程组，轮流求解。例如，先求解泊松方程，得到电势，然后利用该电势求解连续性方程，得到载流子浓度，再更新泊松方程的源项，重复进行。这种方法计算量较小，但可能收敛较慢或在某些情况下不收敛。 混合耦合（Partially Coupled）： 介于两者之间，根据耦合的紧密程度进行分组求解。 应用领域：从基础器件到复杂集成电路 半导体器件数值模拟计算方法已广泛应用于各类半导体器件的设计与优化，其应用范围覆盖了从微观物理机制的理解到宏观器件性能的预测。 1. MOSFETs（金属氧化物半导体场效应晶体管）： 这是现代集成电路中最基本的构建单元。模拟可以精确预测漏极电流、阈值电压、亚阈值摆幅、栅电容、短沟道效应（如DIBL、漏致势垒降低）等关键参数，为优化沟道长度、栅极氧化层厚度、掺杂浓度等设计参数提供指导。 2. Bipolar Junction Transistors (BJTs) 和 Heterojunction Bipolar Transistors (HBTs)： 模拟可以深入研究载流子的注入、传输和复合过程，预测器件的电流增益、频率特性（如fT, fmax）以及饱和电压等。 3. 存储器器件： 如DRAM（动态随机存取存储器）的电容器，NAND Flash的浮栅或电荷陷阱器件。模拟可以帮助理解电荷存储机制，预测器件的读写速度、保持时间、耐久性等。 4. 光电器件： 光伏器件（太阳能电池）： 模拟可以预测光吸收、载流子产生与收集效率，优化器件结构（如多结电池、薄膜电池）和材料。 发光器件（LED, OLED）： 模拟可以研究载流子注入、复合发光过程，预测发光效率、光谱分布、亮度等。 光电探测器： 模拟可以预测响应度、噪声等参数。 5. 功率器件： IGBTs（绝缘栅双极晶体管）、Power MOSFETs： 模拟可以预测器件的导通损耗、开关损耗、击穿电压、热效应等，对于设计高效、高可靠性的功率转换系统至关重要。 6. 新型器件： 随着技术的发展，许多新型器件不断涌现，如FinFETs、GAAFETs（Gate-All-Around FETs）、TFETs（Tunnel FETs）、量子点器件、纳米线器件等。数值模拟是理解这些新型器件独特工作原理、探索其潜在优势和挑战的关键工具。 应用软件与仿真平台 成熟的半导体器件数值模拟计算方法离不开强大的软件工具支撑。业界存在多种商业和开源的仿真软件，它们提供了从几何建模、网格生成、物理模型选择到结果分析的全套解决方案。这些软件通常集成了多种数值算法和物理模型，能够处理复杂的器件结构和多物理场耦合问题。例如，TCAD（Technology Computer-Aided Design）仿真软件是集成电路设计流程中的重要组成部分，其中器件仿真器是其核心模块。 未来展望：走向更精确、更高效、更智能的模拟 半导体器件数值模拟计算方法正朝着以下几个方向发展： 更精细的物理模型： 随着器件尺寸的不断缩小，经典物理模型已不足以描述所有现象。量子效应、高场效应、载流子-晶格相互作用、应力效应等将需要更先进、更精细的物理模型来描述。 更高效的数值算法： 为了处理日益复杂的器件结构和更大的仿真规模，需要开发更快速、更稳定的数值算法，如并行计算、自适应网格技术、多尺度模拟方法等。 多物理场耦合： 实际器件的工作往往涉及电、磁、热、光、力等多个物理场的相互作用。发展更完善的多物理场耦合仿真技术，能够更全面地反映器件的真实工作状态。 机器学习与人工智能的融合： 机器学习和人工智能技术在加速模型训练、优化参数空间探索、辅助设计等方面展现出巨大潜力，有望与传统的数值模拟方法协同发展，实现更智能化的器件设计。 定制化与自动化： 针对特定器件或工艺流程，开发更具针对性的、自动化的仿真流程，降低仿真门槛，提高设计效率。 总而言之，半导体器件数值模拟计算方法是理解和创新半导体器件的基石。它将抽象的物理原理转化为可操作的计算工具，为工程师和研究人员提供了一个强大的实验平台，使我们能够以前所未有的精度和效率探索微观世界的奥秘，驱动着电子信息技术的不断进步。

评分☆☆☆☆☆

这本书的装帧设计真是让人眼前一亮，硬壳精装，拿在手里沉甸甸的，光是翻阅目录就能感受到作者在结构上的匠心独运。从基础的物理模型建立，到复杂的数值求解算法，再到具体的应用案例分析，脉络清晰得如同高清地图。我尤其欣赏它在理论推导上的严谨性，很多教科书中一笔带过的公式，在这里都给出了详尽的推导过程，让人能够真正理解背后的物理意义，而不是仅仅停留在公式的表面记忆。对于初学者来说，这本“武功秘籍”无疑是极好的入门向导，它不是那种只罗列公式的冷冰冰的参考书，而是真正带着读者一步步走入半导体器件模拟的殿堂。那些关于载流子输运机制的深入剖析，以及如何将宏观现象与微观粒子行为联系起来的论述，都体现了作者深厚的学术功底和极强的教学能力。那种娓娓道来的叙事方式，让原本枯燥的数学推导也变得生动有趣起来，极大地激发了我深入学习的兴趣。

评分☆☆☆☆☆

这本书的实用性简直超乎预期，它不仅仅停留在理论的象牙塔中，而是实实在在地将“计算”与“应用”紧密结合起来。我过去尝试接触一些数值模拟软件时，常常因为不理解底层算法而感到力不从心，但这本书恰恰弥补了这一空白。它详细介绍了有限元法、有限差分法等在求解泊松方程和连续性方程时的具体实施细节，甚至对边界条件的设置都进行了详尽的讨论。这对于我这种需要将理论模型转化为实际代码的工程师来说，无异于雪中送炭。我甚至可以想象，如果我有一个特定的新型器件结构需要仿真验证，这本书提供的工具箱里的算法和技巧，足以让我搭建起自己的仿真框架，而不仅仅是依赖于商业软件的“黑箱”结果。作者对于如何处理非线性问题和大型线性系统的求解策略的讲解，体现了极高的工程智慧。

评分☆☆☆☆☆

作为一个在器件物理领域摸爬滚打多年的研究人员，我发现这本书对一些前沿课题的把握相当精准。它并没有局限于传统的MOSFET模型，而是将目光投向了更具挑战性的新兴器件，比如SOI结构、双栅器件甚至是一些量子效应器件的初步探讨。这种前瞻性使得这本书的生命周期得以延长，不至于很快被新的技术浪潮所淘汰。我特别欣赏它在讨论复杂物理现象时所持有的批判性思维，比如作者对于不同模型（如漂移-扩散模型与更精细的蒙特卡洛模拟）的优劣势对比分析，非常客观公正，指出了每种方法的适用范围和局限性，这对于指导我们选择正确的仿真工具至关重要。阅读过程中，我常常会停下来思考作者提出的观点与我当前研究方向的交叉点，这本书的价值在于它提供了一个高水平的对话平台。

评分☆☆☆☆☆

这本书的排版和印刷质量，体现了出版方对科学著作应有的尊重。纸张的质感很好，即便是长时间阅读也不会感到眼睛疲劳，这对于需要细读公式和图表的读者来说，是一个非常重要的加分项。图表的清晰度是衡量一本计算方法书籍优劣的关键指标，而这本书在这方面做得非常出色，无论是二维剖面图还是三维的能量带图，线条都锐利、色彩过渡自然，数据点的标注清晰可辨，这极大地帮助我直观地理解了电场分布、载流子浓度等关键物理量在器件内部的空间变化规律。同时，书中的字体选择也十分考究，中英文混排流畅自然，使得阅读的节奏感得以保持，让人能够心无旁骛地沉浸在半导体器件的微观世界中。

评分☆☆☆☆☆

总的来说，这本书的学术深度和广度令人印象深刻，它成功地在理论的深度挖掘和工程实践的广度铺陈之间找到了一个完美的平衡点。读完这本书后，我感觉自己对半导体器件的“内在机制”有了更深层次的理解，不再满足于对I-V曲线的简单拟合，而是能够追溯到造成这些特性的根本物理原因，并具备了构建和验证自己数值模型的能力。它更像是一位经验丰富的导师，耐心地引导你跨越从概念到实现的鸿沟。如果你期望系统性地掌握现代半导体器件数值模拟的理论基础和计算精髓，并希望能够独立解决复杂工程问题，那么这本书绝对是书架上不可或缺的核心参考资料。它不是一本快餐式的指南，而是一部值得反复研读、常读常新的学术经典。