具體描述
基本信息
書名:半導體器件數值模擬計算方法的理論和應用
定價：198.00元
售價：156.4元,便宜41.6元,摺扣78
作者:袁益讓,劉蘊賢
齣版社：科學齣版社
齣版日期：2018-03-01
ISBN：9787030519009
字數：
頁碼：
版次：31
裝幀：平裝
開本：
商品重量：0.4kg
編輯推薦
內容提要
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。
目錄
作者介紹
文摘
序言
《半導體器件數值模擬：方法、模型與前沿應用》 概述 本書深入探討瞭半導體器件數值模擬的理論基礎、核心計算方法及其在現代半導體産業中的廣泛應用。從基礎的半導體物理原理齣發，逐步構建器件模型，進而介紹支撐這些模型轉化為可執行計算的數值算法。全書內容嚴謹，邏輯清晰，旨在為讀者提供一個全麵而深入的半導體器件數值模擬知識體係。本書不僅適用於半導體器件的設計、開發與研究人員，也是電子工程、材料科學、物理學等相關領域的研究生和高年級本科生的理想參考書。 第一部分：半導體器件物理與模型構建 本部分緻力於奠定堅實的理論基礎，使讀者能夠深刻理解半導體器件的工作機理，並掌握構建準確器件模型的方法。 第一章：半導體基礎理論迴顧 能帶理論與載流子統計： 迴顧晶體管、二極管等半導體器件的能帶結構，包括價帶、導帶、禁帶寬度及其對材料特性的影響。深入講解費米-狄拉剋統計和玻爾茲曼統計在不同摻雜濃度和溫度下的適用性，闡述本徵半導體、n型半導體和p型半導體的載流子濃度計算。 PN結與雙極晶體管原理： 詳細分析PN結的形成、勢壘、耗盡區以及其在正偏、反偏和零偏下的電學特性。介紹雙極結型晶體管（BJT）的工作原理，包括載流子注入、傳輸、復閤過程，以及電流放大機製，區分共發射、共基、共集三種組態的電流電壓關係。 場效應晶體管（FET）原理： 闡述MOSFET（金屬-氧化物-半導體場效應晶體管）和JFET（結型場效應晶體管）的工作原理。重點講解MOSFET的溝道形成、閾值電壓、亞閾值區和強反型區行為，以及不同偏置下的漏極電流方程。分析JFET的柵控漏極電流機製。 載流子輸運機製： 區分漂移（Drift）和擴散（Diffusion）兩種主要的載流子輸運機製，闡述它們的物理根源和數學描述。解釋遷移率（Mobility）及其與電場、溫度、摻雜濃度、散射機製（聲子散射、雜質散射、錶麵散射）的關係。 第二章：半導體器件的數學模型 泊鬆方程（Poisson's Equation）： 介紹泊鬆方程在描述半導體器件中電勢分布中的核心作用，其形式為 $
abla^2 phi = -frac{
ho}{epsilon}$，其中 $phi$ 是電勢，$
ho$ 是空間電荷密度，$epsilon$ 是介電常數。詳細解釋電荷密度 $
ho$ 如何由自由載流子（電子和空穴）以及施主和受主雜質的電荷構成。 載流子輸運方程（Drift-Diffusion Equations）： 建立描述電子和空穴濃度及其流動的漂移-擴散方程組。電子電流密度 $J_n$ 和空穴電流密度 $J_p$ 的錶達式為： $J_n = q mu_n n E + q D_n
abla n$ $J_p = q mu_p p E - q D_p
abla p$ 其中，$q$ 是基本電荷，$mu_n, mu_p$ 分彆是電子和空穴的遷移率，$n, p$ 是電子和空穴濃度，$D_n, D_p$ 分彆是電子和空穴的擴散係數，$E$ 是電場。 連續性方程（Continuity Equations）： 引入連續性方程來描述載流子濃度的時空變化，它們反映瞭載流子産生、復閤和輸運過程的守恒性： $frac{partial n}{partial t} = frac{1}{q}
abla cdot J_n - R_n$ $frac{partial p}{partial t} = -frac{1}{q}
abla cdot J_p - R_p$ 其中，$R_n$ 和 $R_p$ 分彆代錶電子和空穴的總復閤速率。 德拜長度與肖特基-剋羅寜近似： 解釋德拜長度（Debye Length）的概念，它錶徵瞭電荷的屏蔽效應，對於理解耗盡區寬度和界麵行為至關重要。介紹在特定條件下（如弱反型區）簡化的肖特基-剋羅寜（Schottky-Crotoni）近似模型，用於簡化計算。 能量平衡方程與濛特卡羅方法（簡介）： 簡要介紹更高級的模型，如能量平衡方程（Energy Balance Equation），用於描述載流子能量分布，在高場效應下更為精確。初步介紹濛特卡羅（Monte Carlo）方法作為一種直接模擬載流子運動的強大工具，盡管其計算復雜度較高。 第二部分：數值計算方法與離散化技術 本部分專注於將連續的半導體器件數學模型轉化為可由計算機求解的離散形式，並介紹實現這些轉化的關鍵數值技術。 第三章：數值求解方法導論 有限差分法（Finite Difference Method, FDM）： 介紹FDM的基本原理，即用離散點上的函數值及其差商來近似導數。詳細講解如何將泊鬆方程、漂移-擴散方程和連續性方程在規則網格上進行離散化。討論不同階數的差分格式（如中心差分、嚮前差分、嚮後差分）的精度與穩定性。 有限元法（Finite Element Method, FEM）： 闡述FEM的基本思想，即用分片多項式逼近未知函數，並將微分方程轉化為積分形式（弱形式），再求解由基函數構成的代數方程組。解釋如何構建網格、選擇基函數、進行單元積分和組裝全局方程。強調FEM在處理復雜幾何形狀器件時的優勢。 有限體積法（Finite Volume Method, FVM）： 介紹FVM，它在守恒性方程（如連續性方程）的離散化上具有天然的優勢。FVM將計算域劃分為控製體，並在每個控製體內對守恒律進行積分，得到一組代數方程。重點講解通量計算和界麵條件的處理。 數值穩定性與收斂性： 討論數值方法的穩定性（誤差不會隨時間或迭代次數指數增長）和收斂性（數值解趨近於真實解）。介紹CFL條件（Courant-Friedrichs-Lewy condition）等概念在時間離散化中的重要性。 第四章：離散化方程的求解 綫性方程組的求解： 介紹求解大規模稀疏綫性方程組的方法。 直接法： 如高斯消元法（Gauss Elimination）、LU分解（LU Decomposition）、Cholesky分解（Cholesky Decomposition）及其在稀疏矩陣上的優化（如帶狀存儲、稀疏矩陣存儲格式）。 迭代法： 如雅可比迭代（Jacobi Iteration）、高斯-賽德爾迭代（Gauss-Seidel Iteration）、共軛梯度法（Conjugate Gradient Method, CG）、廣義最小殘差法（Generalized Minimal Residual Method, GMRES）。重點分析迭代法的收斂速度和預條件（Preconditioning）技術。 非綫性方程組的求解： 介紹求解由漂移-擴散方程産生的非綫性方程組的方法。 牛頓-拉夫遜法（Newton-Raphson Method）： 詳細講解如何通過構建雅可比矩陣來迭代求解非綫性方程組。 不動點迭代（Fixed-Point Iteration）： 介紹一種簡化的迭代求解方法。 耦閤求解策略： 探討全耦閤（Fully Coupled）和解耦（Decoupled）的求解策略，分析其優缺點。例如，泊鬆方程和載流子方程的耦閤程度如何影響求解效率和穩定性。 時間離散化方法： 介紹常用於時間相關模擬的顯式（Explicit）和隱式（Implicit）時間積分方法。 歐拉法（Euler Methods）： 前嚮歐拉（Explicit Euler）和後嚮歐拉（Implicit Euler）。 Runge-Kutta方法： 介紹高階Runge-Kutta方法，如RK4。 Crank-Nicolson方法： 一種二階精度、條件穩定的隱式方法。 網格生成與自適應網格（Adaptive Mesh Refinement, AMR）： 介紹在計算域上生成高質量網格的重要性，以及如何處理復雜幾何形狀。深入探討AMR技術，它允許在關鍵區域（如PN結、溝道附近、高電場區域）自動加密網格，提高計算精度和效率，避免全局網格過密。 第三部分：高級模型與前沿應用 本部分將深入探討更復雜的半導體器件模型，並展示數值模擬在解決當前和未來半導體技術挑戰中的關鍵作用。 第五章：高級半導體器件模型 漂移-擴散模型的局限性與擴展： 分析標準漂移-擴散模型在高電場、短溝道效應、量子效應下的失效。 高場效應模型： 介紹如何修正遷移率模型以考慮高電場下的飽和效應、熱載流子效應。 能量輸運模型（Energy Transport Models）： 深入探討能量輸運方程，它引入瞭載流子平均能量的演化方程，能夠更準確地描述熱載流子效應和擊穿現象。 半導體-絕緣體界麵模型： 重點講解界麵陷阱、錶麵態對器件特性的影響，如何在模型中納入這些因素。 量子效應模型： 德布羅意波長與量子限製： 介紹當器件尺寸接近德布羅意波長時，量子效應變得顯著。 薛定諤-泊鬆方程（Schrödinger-Poisson Equations）： 介紹如何耦閤薛定諤方程（描述量子態）和泊鬆方程來處理量子阱、量子綫、量子點器件的能級結構和載流子分布。 切比雪夫多項式法（Chebyshev Polynomial Method）與傅裏葉方法（Fourier Method）： 介紹用於求解薛定諤方程的數值方法。 熱效應模型： 建立熱擴散方程（Heat Diffusion Equation）與電學方程的耦閤，描述器件在工作過程中産生的焦耳熱以及溫度分布對載流子特性的反饋效應。 第六章：半導體器件數值模擬的工程應用 MOSFET設計與優化： 亞閾值擺幅（Subthreshold Swing, SS）與漏電流（Off-state Leakage Current）： 模擬如何優化器件結構（如功函數金屬、柵介質厚度、摻雜輪廓）以減小SS，降低漏電流，滿足低功耗需求。 短溝道效應（Short Channel Effects, SCE）： 分析DIBL（Drain-Induced Barrier Lowering）、閾值電壓滾降（Threshold Voltage Roll-off）等現象，通過幾何結構和摻雜工程來抑製。 高遷移率器件（High Mobility Transistors, HMT）： 模擬應變Si、III-V族材料（如InGaAs）在FET中的應用，分析其對載流子遷移率和器件速度的影響。 異質結器件（Heterojunction Devices）： HBT（Heterojunction Bipolar Transistor）與HEMT（High Electron Mobility Transistor）： 模擬不同禁帶寬度材料界麵上的能帶錯配（Band Offset）、勢壘（Barrier）和限製（Confinement）效應，分析其對電流增益、截止頻率的影響。 新興器件研究： FinFET與GAAFET（Gate-All-Around FET）： 模擬三維（3D）全包圍柵結構，分析其電場控製能力增強、亞閾值特性改善的優勢。 隧道場效應晶體管（Tunnel FET, TFET）： 模擬基於量子隧穿機製的器件，分析其亞閾值陡峭度的潛力。 憶阻器（Memristor）與新型存儲器： 模擬憶阻器的電荷-磁通量關係、電導變化機製，以及在存儲器和神經網絡中的應用。 可靠性與故障分析： 模擬器件在高溫、高場下的熱載流子注入（Hot Carrier Injection, HCI）、氧化層擊穿（Dielectric Breakdown）、應力遷移（Stress-Induced Migration, SIM）等可靠性問題，預測器件壽命。 光電器件模擬： 簡要介紹如何在光電探測器、太陽能電池、LED等器件中耦閤光生成/復閤方程，分析光生載流子行為和光電轉換效率。 第七章：數值模擬的軟件工具與實踐 商業仿真軟件介紹： 簡要介紹行業內主流的半導體器件仿真軟件（如TCAD工具中的Sentaurus, Silvaco Atlas, COMSOL Multiphysics等），分析它們的功能特點和適用範圍。 開源仿真平颱與框架： 介紹一些可用的開源仿真工具或框架（如nextnano, gts, OOMMF等），鼓勵讀者進行二次開發和定製。 仿真流程與驗證： 強調規範的仿真流程，包括模型參數提取、網格劃分、求解器選擇、邊界條件設置。重點討論仿真結果與實驗數據的比對驗證的重要性，以及誤差分析。 案例研究： 通過具體的器件仿真案例，演示如何運用前述的理論和方法解決實際問題，例如：對一個特定結構的NMOSFET進行參數掃描，優化其閾值電壓；模擬一個FinFET器件，分析其柵控能力；評估一種新型柵介質材料的漏電流特性。 總結 本書力求在理論深度和應用廣度之間取得平衡，為讀者提供一個既紮實又實用的半導體器件數值模擬知識體係。通過係統學習本書內容，讀者將能夠獨立地構建、求解並分析各種半導體器件的數學模型，掌握利用數值模擬工具解決實際工程問題和探索前沿科學問題的能力。這對於推動半導體技術的不斷進步，實現更高效、更小巧、更可靠的電子器件至關重要。
![超大規模集成電路布綫技術(新視野電子電氣科技叢書) [美] Venky,Ramachand pdf epub mobi 電子書 下載](https://pic.tinynews.org/29326664032/5b239f3fNdbf194fd.jpg)
