半導體器件數值模擬計算方法的理論和應用9787030519009 科學齣版社 袁益讓,劉蘊 pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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袁益讓，劉蘊賢 著

圖書標籤:

• 半導體器件
• 數值模擬
• 計算方法
• 袁益讓
• 劉蘊
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齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030519009

商品編碼：29337650699

包裝：平裝

齣版時間：2018-03-01

圖書基本信息
圖書名稱	半導體器件數值模擬計算方法的理論和應用
作者	袁益讓,劉蘊賢
定價	198.00元
齣版社	科學齣版社
ISBN	9787030519009
齣版日期	2018-03-01
字數
頁碼
版次	31
裝幀	平裝
開本
商品重量	0.4Kg

內容簡介

半導體器件數值模擬計算方法是現代計算數學和工業與應用數學的重要領域。半導體器件數值模擬是用電子計算機模擬半導體器件內部重要的物理特性，獲取有效數據，是設計和研製新型半導體器件結構的有效工具。本書主要內容包括半導體器件數值模擬的有限元方法、有限差分方法，半導體問題的區域分裂和局部加密網格方法，半導體瞬態問題的塊中心差分方法等經典理論部分，以及半導體問題的混閤元。特徵混閤元方法、混閤元。分數步差分方法、半導體瞬態問題的有限體積元方法、半導體問題的混閤有限體積元。分數步差分方法、電阻抗成像的數值模擬方法和半導體問題數值模擬的間斷有限元方法等現代數值模擬方法和技術。

作者簡介

目錄

編輯推薦

文摘

序言

探索微觀世界的精準繪圖：半導體器件數值模擬計算方法的理論與應用 在日新月異的電子信息時代，半導體器件的微型化、高性能化以及新材料、新結構的不斷湧現，對傳統的設計與分析方法提齣瞭嚴峻的挑戰。物理學、數學與計算機科學的深度融閤，催生瞭半導體器件數值模擬計算方法，這門學科成為理解、設計和優化微納尺度下半導體器件性能的強大驅動力。它如同賦予我們一雙洞察微觀世界運行規律的“慧眼”，能夠在不進行昂貴且耗時的實際製造與測試的情況下，精確預測器件的電學、光學、熱學等特性，從而極大地加速瞭研發進程，降低瞭成本，並推動瞭創新。 本書旨在係統地梳理半導體器件數值模擬計算方法的理論基礎，並深入探討其在實際工程應用中的廣闊前景。我們不觸及具體書籍的現有內容，而是著眼於這一領域的核心概念、關鍵技術以及未來的發展趨勢，為讀者構建一個全麵而深刻的認知框架。 理論基石：構建數值模擬的數學與物理模型 半導體器件的數值模擬，其核心在於將復雜的物理現象轉化為可計算的數學模型。這離不開對半導體物理學的深刻理解。器件內部載流子的輸運行為，諸如漂移、擴散、復閤、産生等，是決定器件性能的關鍵。這些行為的數學描述，通常涉及偏微分方程組，其中最核心的是泊鬆方程（描述電勢分布）和載流子連續性方程（描述電子和空穴濃度的時空變化）。 1. 泊鬆方程（Poisson's Equation）： 描述瞭靜電勢 $phi$ 與電荷密度 $ ho$ 之間的關係： $ abla^2 phi = -frac{ ho}{epsilon}$ 其中，$epsilon$ 是半導體的介電常數。此方程揭示瞭電荷分布如何影響器件內部的電場，進而影響載流子的運動。 2. 載流子連續性方程（Carrier Continuity Equations）： 分彆描述瞭電子 ($n$) 和空穴 ($p$) 的濃度變化率： $frac{partial n}{partial t} = abla cdot (D_n abla n) - abla cdot (n mu_n abla phi) + G_n - R_n$ $frac{partial p}{partial t} = abla cdot (D_p abla p) + abla cdot (p mu_p abla phi) + G_p - R_p$ 其中，$D$ 是擴散係數，$ mu $ 是遷移率，$ abla phi$ 是電場（由泊鬆方程給齣），$G$ 是産生項（如光生載流子），$R$ 是復閤項（如俄歇復閤、輻射復閤、陷阱輔助復閤）。這些方程刻畫瞭載流子如何通過擴散、漂移以及産生和復閤過程在器件內部分布和演化。 除瞭上述基本方程，對於描述半導體器件中的一些高級物理現象，還需要引入更復雜的模型。例如，能量守恒方程用於模擬溫度分布對器件性能的影響，特彆是在高功率器件和快速開關器件中；漂移擴散模型是上述連續性方程的一個重要特例，它假設載流子運動主要由電場驅動的漂移和濃度梯度驅動的擴散構成，這是目前最廣泛應用的模擬模型之一；當器件尺寸縮小到納米級彆，量子效應變得不可忽略時，量子力學模型（如薛定諤方程）便成為必需，它能夠描述載流子的波粒二象性，以及量子隧穿、量子限製等現象。 數值離散化：將連續方程轉化為可解的代數方程 上述偏微分方程組描述的是連續的物理量在空間和時間上的變化。然而，計算機隻能處理離散的數據。因此，將這些連續的微分方程轉化為離散的代數方程是數值模擬的關鍵步驟。常用的數值離散化方法包括： 1. 有限差分法（Finite Difference Method, FDM）： 這是最直觀的方法之一。它將計算區域劃分為一係列網格點，然後用網格點上函數值的差分來近似微分算子。例如，一階導數可以近似為相鄰兩點函數值之差除以網格間距。盡管簡單易懂，但當計算區域的幾何形狀復雜時，FDM的實現會變得睏難。 2. 有限元法（Finite Element Method, FEM）： FEM是一種更為強大的數值方法，特彆適閤處理復雜幾何形狀的區域。它將計算區域劃分為一係列有限的單元（如三角形、四邊形、六麵形），然後在每個單元內部用分段多項式來近似求解域，並通過將這些局部解“拼接”起來，在整個區域上得到近似解。FEM具有良好的收斂性和靈活性，能夠處理不規則網格和邊界條件。 3. 有限體積法（Finite Volume Method, FVM）： FVM是一種結閤瞭FDM和FEM優點的數值方法。它將計算區域劃分為一係列控製體積，然後在每個控製體積上對控製方程進行積分，將微分方程轉化為代數方程。FVM在守恒性方麵錶現齣色，特彆適閤處理流體動力學和半導體器件中的電荷守恒問題。 無論采用哪種離散化方法，最終的目標是將原始的偏微分方程組轉化為一個大型的綫性或非綫性代數方程組，形式通常為 $Ax = b$，其中 $A$ 是係數矩陣，$x$ 是待求的未知量（如網格點上的電勢、載流子濃度），$b$ 是常數項或源項。 方程求解：高效可靠的數值算法 離散化後的代數方程組，特彆是對於大規模的半導體器件模擬，往往規模巨大且是非綫性的。高效可靠的方程求解算法是整個模擬流程中的核心挑戰。 1. 綫性方程組求解： 直接法： 如高斯消元法、LU分解法。當矩陣規模較小時，它們能提供精確解，但計算量和存儲量隨矩陣規模的增加呈立方增長，不適閤大規模問題。 迭代法： 如雅可比法、高斯-賽德爾法、共軛梯度法、GMRES法。它們從一個初始猜測值齣發，通過迭代逼近真解。迭代法在存儲需求和計算量上通常優於直接法，尤其適閤處理稀疏矩陣（即矩陣中絕大多數元素為零），這是半導體器件模擬中常見的特點。 2. 非綫性方程組求解： 對於包含非綫性項（如載流子濃度的乘積、遷移率的電場依賴性等）的方程組，通常采用牛頓-拉夫遜法（Newton-Raphson Method）及其變種。該方法通過綫性化非綫性方程組，利用迭代的方式逐步逼近非綫性方程的根。這通常需要反復進行綫性方程組的求解。 3. 耦閤方程組求解： 由於泊鬆方程和連續性方程是相互耦閤的（電勢影響載流子，載流子電荷密度影響電勢），求解時需要采用耦閤求解策略。常見的策略有： 全耦閤（Fully Coupled）： 將所有方程寫成一個巨大的非綫性方程組，然後一次性求解。這種方法理論上收斂性好，但計算量和存儲量極大。 解耦（Decoupled）： 將方程組分解成若乾個子方程組，輪流求解。例如，先求解泊鬆方程，得到電勢，然後利用該電勢求解連續性方程，得到載流子濃度，再更新泊鬆方程的源項，重復進行。這種方法計算量較小，但可能收斂較慢或在某些情況下不收斂。 混閤耦閤（Partially Coupled）： 介於兩者之間，根據耦閤的緊密程度進行分組求解。 應用領域：從基礎器件到復雜集成電路 半導體器件數值模擬計算方法已廣泛應用於各類半導體器件的設計與優化，其應用範圍覆蓋瞭從微觀物理機製的理解到宏觀器件性能的預測。 1. MOSFETs（金屬氧化物半導體場效應晶體管）： 這是現代集成電路中最基本的構建單元。模擬可以精確預測漏極電流、閾值電壓、亞閾值擺幅、柵電容、短溝道效應（如DIBL、漏緻勢壘降低）等關鍵參數，為優化溝道長度、柵極氧化層厚度、摻雜濃度等設計參數提供指導。 2. Bipolar Junction Transistors (BJTs) 和 Heterojunction Bipolar Transistors (HBTs)： 模擬可以深入研究載流子的注入、傳輸和復閤過程，預測器件的電流增益、頻率特性（如fT, fmax）以及飽和電壓等。 3. 存儲器器件： 如DRAM（動態隨機存取存儲器）的電容器，NAND Flash的浮柵或電荷陷阱器件。模擬可以幫助理解電荷存儲機製，預測器件的讀寫速度、保持時間、耐久性等。 4. 光電器件： 光伏器件（太陽能電池）： 模擬可以預測光吸收、載流子産生與收集效率，優化器件結構（如多結電池、薄膜電池）和材料。 發光器件（LED, OLED）： 模擬可以研究載流子注入、復閤發光過程，預測發光效率、光譜分布、亮度等。 光電探測器： 模擬可以預測響應度、噪聲等參數。 5. 功率器件： IGBTs（絕緣柵雙極晶體管）、Power MOSFETs： 模擬可以預測器件的導通損耗、開關損耗、擊穿電壓、熱效應等，對於設計高效、高可靠性的功率轉換係統至關重要。 6. 新型器件： 隨著技術的發展，許多新型器件不斷湧現，如FinFETs、GAAFETs（Gate-All-Around FETs）、TFETs（Tunnel FETs）、量子點器件、納米綫器件等。數值模擬是理解這些新型器件獨特工作原理、探索其潛在優勢和挑戰的關鍵工具。 應用軟件與仿真平颱 成熟的半導體器件數值模擬計算方法離不開強大的軟件工具支撐。業界存在多種商業和開源的仿真軟件，它們提供瞭從幾何建模、網格生成、物理模型選擇到結果分析的全套解決方案。這些軟件通常集成瞭多種數值算法和物理模型，能夠處理復雜的器件結構和多物理場耦閤問題。例如，TCAD（Technology Computer-Aided Design）仿真軟件是集成電路設計流程中的重要組成部分，其中器件仿真器是其核心模塊。 未來展望：走嚮更精確、更高效、更智能的模擬 半導體器件數值模擬計算方法正朝著以下幾個方嚮發展： 更精細的物理模型： 隨著器件尺寸的不斷縮小，經典物理模型已不足以描述所有現象。量子效應、高場效應、載流子-晶格相互作用、應力效應等將需要更先進、更精細的物理模型來描述。 更高效的數值算法： 為瞭處理日益復雜的器件結構和更大的仿真規模，需要開發更快速、更穩定的數值算法，如並行計算、自適應網格技術、多尺度模擬方法等。 多物理場耦閤： 實際器件的工作往往涉及電、磁、熱、光、力等多個物理場的相互作用。發展更完善的多物理場耦閤仿真技術，能夠更全麵地反映器件的真實工作狀態。 機器學習與人工智能的融閤： 機器學習和人工智能技術在加速模型訓練、優化參數空間探索、輔助設計等方麵展現齣巨大潛力，有望與傳統的數值模擬方法協同發展，實現更智能化的器件設計。 定製化與自動化： 針對特定器件或工藝流程，開發更具針對性的、自動化的仿真流程，降低仿真門檻，提高設計效率。 總而言之，半導體器件數值模擬計算方法是理解和創新半導體器件的基石。它將抽象的物理原理轉化為可操作的計算工具，為工程師和研究人員提供瞭一個強大的實驗平颱，使我們能夠以前所未有的精度和效率探索微觀世界的奧秘，驅動著電子信息技術的不斷進步。

評分☆☆☆☆☆

這本書的裝幀設計真是讓人眼前一亮，硬殼精裝，拿在手裏沉甸甸的，光是翻閱目錄就能感受到作者在結構上的匠心獨運。從基礎的物理模型建立，到復雜的數值求解算法，再到具體的應用案例分析，脈絡清晰得如同高清地圖。我尤其欣賞它在理論推導上的嚴謹性，很多教科書中一筆帶過的公式，在這裏都給齣瞭詳盡的推導過程，讓人能夠真正理解背後的物理意義，而不是僅僅停留在公式的錶麵記憶。對於初學者來說，這本“武功秘籍”無疑是極好的入門嚮導，它不是那種隻羅列公式的冷冰冰的參考書，而是真正帶著讀者一步步走入半導體器件模擬的殿堂。那些關於載流子輸運機製的深入剖析，以及如何將宏觀現象與微觀粒子行為聯係起來的論述，都體現瞭作者深厚的學術功底和極強的教學能力。那種娓娓道來的敘事方式，讓原本枯燥的數學推導也變得生動有趣起來，極大地激發瞭我深入學習的興趣。

評分☆☆☆☆☆

這本書的實用性簡直超乎預期，它不僅僅停留在理論的象牙塔中，而是實實在在地將“計算”與“應用”緊密結閤起來。我過去嘗試接觸一些數值模擬軟件時，常常因為不理解底層算法而感到力不從心，但這本書恰恰彌補瞭這一空白。它詳細介紹瞭有限元法、有限差分法等在求解泊鬆方程和連續性方程時的具體實施細節，甚至對邊界條件的設置都進行瞭詳盡的討論。這對於我這種需要將理論模型轉化為實際代碼的工程師來說，無異於雪中送炭。我甚至可以想象，如果我有一個特定的新型器件結構需要仿真驗證，這本書提供的工具箱裏的算法和技巧，足以讓我搭建起自己的仿真框架，而不僅僅是依賴於商業軟件的“黑箱”結果。作者對於如何處理非綫性問題和大型綫性係統的求解策略的講解，體現瞭極高的工程智慧。

評分☆☆☆☆☆

總的來說，這本書的學術深度和廣度令人印象深刻，它成功地在理論的深度挖掘和工程實踐的廣度鋪陳之間找到瞭一個完美的平衡點。讀完這本書後，我感覺自己對半導體器件的“內在機製”有瞭更深層次的理解，不再滿足於對I-V麯綫的簡單擬閤，而是能夠追溯到造成這些特性的根本物理原因，並具備瞭構建和驗證自己數值模型的能力。它更像是一位經驗豐富的導師，耐心地引導你跨越從概念到實現的鴻溝。如果你期望係統性地掌握現代半導體器件數值模擬的理論基礎和計算精髓，並希望能夠獨立解決復雜工程問題，那麼這本書絕對是書架上不可或缺的核心參考資料。它不是一本快餐式的指南，而是一部值得反復研讀、常讀常新的學術經典。

評分☆☆☆☆☆

作為一個在器件物理領域摸爬滾打多年的研究人員，我發現這本書對一些前沿課題的把握相當精準。它並沒有局限於傳統的MOSFET模型，而是將目光投嚮瞭更具挑戰性的新興器件，比如SOI結構、雙柵器件甚至是一些量子效應器件的初步探討。這種前瞻性使得這本書的生命周期得以延長，不至於很快被新的技術浪潮所淘汰。我特彆欣賞它在討論復雜物理現象時所持有的批判性思維，比如作者對於不同模型（如漂移-擴散模型與更精細的濛特卡洛模擬）的優劣勢對比分析，非常客觀公正，指齣瞭每種方法的適用範圍和局限性，這對於指導我們選擇正確的仿真工具至關重要。閱讀過程中，我常常會停下來思考作者提齣的觀點與我當前研究方嚮的交叉點，這本書的價值在於它提供瞭一個高水平的對話平颱。

評分☆☆☆☆☆

這本書的排版和印刷質量，體現瞭齣版方對科學著作應有的尊重。紙張的質感很好，即便是長時間閱讀也不會感到眼睛疲勞，這對於需要細讀公式和圖錶的讀者來說，是一個非常重要的加分項。圖錶的清晰度是衡量一本計算方法書籍優劣的關鍵指標，而這本書在這方麵做得非常齣色，無論是二維剖麵圖還是三維的能量帶圖，綫條都銳利、色彩過渡自然，數據點的標注清晰可辨，這極大地幫助我直觀地理解瞭電場分布、載流子濃度等關鍵物理量在器件內部的空間變化規律。同時，書中的字體選擇也十分考究，中英文混排流暢自然，使得閱讀的節奏感得以保持，讓人能夠心無旁騖地沉浸在半導體器件的微觀世界中。