具体描述
基本信息
书名:半导体器件数值模拟计算方法的理论和应用
定价：198.00元
售价：156.4元,便宜41.6元,折扣78
作者:袁益让,刘蕴贤
出版社：科学出版社
出版日期：2018-03-01
ISBN：9787030519009
字数：
页码：
版次：31
装帧：平装
开本：
商品重量：0.4kg
编辑推荐
内容提要
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。
目录
作者介绍
文摘
序言
《半导体器件数值模拟：方法、模型与前沿应用》 概述 本书深入探讨了半导体器件数值模拟的理论基础、核心计算方法及其在现代半导体产业中的广泛应用。从基础的半导体物理原理出发，逐步构建器件模型，进而介绍支撑这些模型转化为可执行计算的数值算法。全书内容严谨，逻辑清晰，旨在为读者提供一个全面而深入的半导体器件数值模拟知识体系。本书不仅适用于半导体器件的设计、开发与研究人员，也是电子工程、材料科学、物理学等相关领域的研究生和高年级本科生的理想参考书。 第一部分：半导体器件物理与模型构建 本部分致力于奠定坚实的理论基础，使读者能够深刻理解半导体器件的工作机理，并掌握构建准确器件模型的方法。 第一章：半导体基础理论回顾 能带理论与载流子统计： 回顾晶体管、二极管等半导体器件的能带结构，包括价带、导带、禁带宽度及其对材料特性的影响。深入讲解费米-狄拉克统计和玻尔兹曼统计在不同掺杂浓度和温度下的适用性，阐述本征半导体、n型半导体和p型半导体的载流子浓度计算。 PN结与双极晶体管原理： 详细分析PN结的形成、势垒、耗尽区以及其在正偏、反偏和零偏下的电学特性。介绍双极结型晶体管（BJT）的工作原理，包括载流子注入、传输、复合过程，以及电流放大机制，区分共发射、共基、共集三种组态的电流电压关系。 场效应晶体管（FET）原理： 阐述MOSFET（金属-氧化物-半导体场效应晶体管）和JFET（结型场效应晶体管）的工作原理。重点讲解MOSFET的沟道形成、阈值电压、亚阈值区和强反型区行为，以及不同偏置下的漏极电流方程。分析JFET的栅控漏极电流机制。 载流子输运机制： 区分漂移（Drift）和扩散（Diffusion）两种主要的载流子输运机制，阐述它们的物理根源和数学描述。解释迁移率（Mobility）及其与电场、温度、掺杂浓度、散射机制（声子散射、杂质散射、表面散射）的关系。 第二章：半导体器件的数学模型 泊松方程（Poisson's Equation）： 介绍泊松方程在描述半导体器件中电势分布中的核心作用，其形式为 $
abla^2 phi = -frac{
ho}{epsilon}$，其中 $phi$ 是电势，$
ho$ 是空间电荷密度，$epsilon$ 是介电常数。详细解释电荷密度 $
ho$ 如何由自由载流子（电子和空穴）以及施主和受主杂质的电荷构成。 载流子输运方程（Drift-Diffusion Equations）： 建立描述电子和空穴浓度及其流动的漂移-扩散方程组。电子电流密度 $J_n$ 和空穴电流密度 $J_p$ 的表达式为： $J_n = q mu_n n E + q D_n
abla n$ $J_p = q mu_p p E - q D_p
abla p$ 其中，$q$ 是基本电荷，$mu_n, mu_p$ 分别是电子和空穴的迁移率，$n, p$ 是电子和空穴浓度，$D_n, D_p$ 分别是电子和空穴的扩散系数，$E$ 是电场。 连续性方程（Continuity Equations）： 引入连续性方程来描述载流子浓度的时空变化，它们反映了载流子产生、复合和输运过程的守恒性： $frac{partial n}{partial t} = frac{1}{q}
abla cdot J_n - R_n$ $frac{partial p}{partial t} = -frac{1}{q}
abla cdot J_p - R_p$ 其中，$R_n$ 和 $R_p$ 分别代表电子和空穴的总复合速率。 德拜长度与肖特基-克罗宁近似： 解释德拜长度（Debye Length）的概念，它表征了电荷的屏蔽效应，对于理解耗尽区宽度和界面行为至关重要。介绍在特定条件下（如弱反型区）简化的肖特基-克罗宁（Schottky-Crotoni）近似模型，用于简化计算。 能量平衡方程与蒙特卡罗方法（简介）： 简要介绍更高级的模型，如能量平衡方程（Energy Balance Equation），用于描述载流子能量分布，在高场效应下更为精确。初步介绍蒙特卡罗（Monte Carlo）方法作为一种直接模拟载流子运动的强大工具，尽管其计算复杂度较高。 第二部分：数值计算方法与离散化技术 本部分专注于将连续的半导体器件数学模型转化为可由计算机求解的离散形式，并介绍实现这些转化的关键数值技术。 第三章：数值求解方法导论 有限差分法（Finite Difference Method, FDM）： 介绍FDM的基本原理，即用离散点上的函数值及其差商来近似导数。详细讲解如何将泊松方程、漂移-扩散方程和连续性方程在规则网格上进行离散化。讨论不同阶数的差分格式（如中心差分、向前差分、向后差分）的精度与稳定性。 有限元法（Finite Element Method, FEM）： 阐述FEM的基本思想，即用分片多项式逼近未知函数，并将微分方程转化为积分形式（弱形式），再求解由基函数构成的代数方程组。解释如何构建网格、选择基函数、进行单元积分和组装全局方程。强调FEM在处理复杂几何形状器件时的优势。 有限体积法（Finite Volume Method, FVM）： 介绍FVM，它在守恒性方程（如连续性方程）的离散化上具有天然的优势。FVM将计算域划分为控制体，并在每个控制体内对守恒律进行积分，得到一组代数方程。重点讲解通量计算和界面条件的处理。 数值稳定性与收敛性： 讨论数值方法的稳定性（误差不会随时间或迭代次数指数增长）和收敛性（数值解趋近于真实解）。介绍CFL条件（Courant-Friedrichs-Lewy condition）等概念在时间离散化中的重要性。 第四章：离散化方程的求解 线性方程组的求解： 介绍求解大规模稀疏线性方程组的方法。 直接法： 如高斯消元法（Gauss Elimination）、LU分解（LU Decomposition）、Cholesky分解（Cholesky Decomposition）及其在稀疏矩阵上的优化（如带状存储、稀疏矩阵存储格式）。 迭代法： 如雅可比迭代（Jacobi Iteration）、高斯-赛德尔迭代（Gauss-Seidel Iteration）、共轭梯度法（Conjugate Gradient Method, CG）、广义最小残差法（Generalized Minimal Residual Method, GMRES）。重点分析迭代法的收敛速度和预条件（Preconditioning）技术。 非线性方程组的求解： 介绍求解由漂移-扩散方程产生的非线性方程组的方法。 牛顿-拉夫逊法（Newton-Raphson Method）： 详细讲解如何通过构建雅可比矩阵来迭代求解非线性方程组。 不动点迭代（Fixed-Point Iteration）： 介绍一种简化的迭代求解方法。 耦合求解策略： 探讨全耦合（Fully Coupled）和解耦（Decoupled）的求解策略，分析其优缺点。例如，泊松方程和载流子方程的耦合程度如何影响求解效率和稳定性。 时间离散化方法： 介绍常用于时间相关模拟的显式（Explicit）和隐式（Implicit）时间积分方法。 欧拉法（Euler Methods）： 前向欧拉（Explicit Euler）和后向欧拉（Implicit Euler）。 Runge-Kutta方法： 介绍高阶Runge-Kutta方法，如RK4。 Crank-Nicolson方法： 一种二阶精度、条件稳定的隐式方法。 网格生成与自适应网格（Adaptive Mesh Refinement, AMR）： 介绍在计算域上生成高质量网格的重要性，以及如何处理复杂几何形状。深入探讨AMR技术，它允许在关键区域（如PN结、沟道附近、高电场区域）自动加密网格，提高计算精度和效率，避免全局网格过密。 第三部分：高级模型与前沿应用 本部分将深入探讨更复杂的半导体器件模型，并展示数值模拟在解决当前和未来半导体技术挑战中的关键作用。 第五章：高级半导体器件模型 漂移-扩散模型的局限性与扩展： 分析标准漂移-扩散模型在高电场、短沟道效应、量子效应下的失效。 高场效应模型： 介绍如何修正迁移率模型以考虑高电场下的饱和效应、热载流子效应。 能量输运模型（Energy Transport Models）： 深入探讨能量输运方程，它引入了载流子平均能量的演化方程，能够更准确地描述热载流子效应和击穿现象。 半导体-绝缘体界面模型： 重点讲解界面陷阱、表面态对器件特性的影响，如何在模型中纳入这些因素。 量子效应模型： 德布罗意波长与量子限制： 介绍当器件尺寸接近德布罗意波长时，量子效应变得显著。 薛定谔-泊松方程（Schrödinger-Poisson Equations）： 介绍如何耦合薛定谔方程（描述量子态）和泊松方程来处理量子阱、量子线、量子点器件的能级结构和载流子分布。 切比雪夫多项式法（Chebyshev Polynomial Method）与傅里叶方法（Fourier Method）： 介绍用于求解薛定谔方程的数值方法。 热效应模型： 建立热扩散方程（Heat Diffusion Equation）与电学方程的耦合，描述器件在工作过程中产生的焦耳热以及温度分布对载流子特性的反馈效应。 第六章：半导体器件数值模拟的工程应用 MOSFET设计与优化： 亚阈值摆幅（Subthreshold Swing, SS）与漏电流（Off-state Leakage Current）： 模拟如何优化器件结构（如功函数金属、栅介质厚度、掺杂轮廓）以减小SS，降低漏电流，满足低功耗需求。 短沟道效应（Short Channel Effects, SCE）： 分析DIBL（Drain-Induced Barrier Lowering）、阈值电压滚降（Threshold Voltage Roll-off）等现象，通过几何结构和掺杂工程来抑制。 高迁移率器件（High Mobility Transistors, HMT）： 模拟应变Si、III-V族材料（如InGaAs）在FET中的应用，分析其对载流子迁移率和器件速度的影响。 异质结器件（Heterojunction Devices）： HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）与HEMT（High Electron Mobility Transistor）： 模拟不同禁带宽度材料界面上的能带错配（Band Offset）、势垒（Barrier）和限制（Confinement）效应，分析其对电流增益、截止频率的影响。 新兴器件研究： FinFET与GAAFET（Gate-All-Around FET）： 模拟三维（3D）全包围栅结构，分析其电场控制能力增强、亚阈值特性改善的优势。 隧道场效应晶体管（Tunnel FET, TFET）： 模拟基于量子隧穿机制的器件，分析其亚阈值陡峭度的潜力。 忆阻器（Memristor）与新型存储器： 模拟忆阻器的电荷-磁通量关系、电导变化机制，以及在存储器和神经网络中的应用。 可靠性与故障分析： 模拟器件在高温、高场下的热载流子注入（Hot Carrier Injection, HCI）、氧化层击穿（Dielectric Breakdown）、应力迁移（Stress-Induced Migration, SIM）等可靠性问题，预测器件寿命。 光电器件模拟： 简要介绍如何在光电探测器、太阳能电池、LED等器件中耦合光生成/复合方程，分析光生载流子行为和光电转换效率。 第七章：数值模拟的软件工具与实践 商业仿真软件介绍： 简要介绍行业内主流的半导体器件仿真软件（如TCAD工具中的Sentaurus, Silvaco Atlas, COMSOL Multiphysics等），分析它们的功能特点和适用范围。 开源仿真平台与框架： 介绍一些可用的开源仿真工具或框架（如nextnano, gts, OOMMF等），鼓励读者进行二次开发和定制。 仿真流程与验证： 强调规范的仿真流程，包括模型参数提取、网格划分、求解器选择、边界条件设置。重点讨论仿真结果与实验数据的比对验证的重要性，以及误差分析。 案例研究： 通过具体的器件仿真案例，演示如何运用前述的理论和方法解决实际问题，例如：对一个特定结构的NMOSFET进行参数扫描，优化其阈值电压；模拟一个FinFET器件，分析其栅控能力；评估一种新型栅介质材料的漏电流特性。 总结 本书力求在理论深度和应用广度之间取得平衡，为读者提供一个既扎实又实用的半导体器件数值模拟知识体系。通过系统学习本书内容，读者将能够独立地构建、求解并分析各种半导体器件的数学模型，掌握利用数值模拟工具解决实际工程问题和探索前沿科学问题的能力。这对于推动半导体技术的不断进步，实现更高效、更小巧、更可靠的电子器件至关重要。
![超大规模集成电路布线技术(新视野电子电气科技丛书) [美] Venky,Ramachand pdf epub mobi 电子书 下载](https://pic.tinynews.org/29326664032/5b239f3fNdbf194fd.jpg)
