半導體器件數值模擬計算方法的理論和應用 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
• 理論
• 應用
• 物理
• 電子工程
• 模擬仿真
• 器件物理
• 高等教育

齣版社： 科學齣版社

ISBN：9787030519009

版次：31

商品編碼：12335646

包裝：平裝

開本：16開

齣版時間：2018-03-01

頁數：508

正文語種：中文

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。

目錄

前言

第1章 半導體器件數值模擬的有限元方法
1.1 半導體器件數值模擬的特徵有限元和混閤元方法
1.1.1 引言
1.1.2 特徵有限元格式
1.1.3 特徵有限元格式的收斂性
1.1.4 特徵混閤元格式及其收斂性
1.2 非矩形域半導體瞬態問題的交替方嚮特徵有限元方法
1.2.1 某些預備工作
1.2.2 交替方嚮修正特徵有限元方法
1.2.3 收斂性分析
1.3 半導體瞬態問題的變網格交替方嚮特徵有限元方法
1.3.1 某些預備工作
1.3.2 特徵修正交替方嚮變網格有限元格式
1.3.3 某些輔助性橢圓投影
1.3.4 收斂性分析
1.4 半導體瞬態問題的交替方嚮多步方法
1.4.1 交替方嚮多步格式
1.4.2 誤差估計
1.4.3 沿特徵綫交替方嚮有限元多步格式及誤差估計
1.5 半導體瞬態問題的配置方法
1.5.1 半離散配置格式
1.5.2 H1模誤差估計
1.5.3 L2模誤差估計
1.5.4 全離散配置格式及L2模誤差估計
參考文獻

第2章 半導體器件數值模擬的有限差分方法
2.1 三維熱傳導型半導體問題的差分方法
2.1.1 問題Ⅰ的特徵差分格式
2.1.2 問題Ⅰ的收斂性分析
2.1.3 問題Ⅱ的特徵差分方法和分析
2.2 三維熱傳導型半導體問題的特徵分數步差分方法
2.2.1 特徵分數步差分格式
2.2.2 收斂性分析
2.3 半導體問題的修正迎風分數步差分方法
2.3.1 迎風分數步差分方法
2.3.2 收斂性分析
2.4 半導體器件探測器模擬計算的數值方法
2.4.1 二階迎風差分格式
2.4.2 收斂性分析
2.4.3 數值模擬結果
參考文獻

第3章 半導體問題的區域分裂和局部加密網格方法
3.1 半導體瞬態問題的特徵有限元區域分裂方法
3.1.1 數學模型和物理背景
3.1.2 某些預備工作
3.1.3 特徵修正有限元區域分裂程序
3.1.4 收斂性分析
3.1.5 數值算例
3.1.6 總結和討論
3.2 半導體瞬態問題的特徵混閤元區域分裂方法
3.2.1 引言
3.2.2 某些預備工作
3.2.3 特徵修正混閤元區域分裂程序
3.2.4 收斂性分析
3.2.5 數值算例
3.2.6 總結和討論
3.3 半導體器件問題局部加密網格的有限差分方法
3.3.1 網格係統及相關的記號
3.3.2 有限差分格式和收斂性
3.3.3 時空局部網格加密有限差分格式和分析
3.3.4 數值算例
參考文獻

第4章 半導體瞬態問題的塊中心差分方法
4.1 熱傳導型半導體的塊中心差分逼近方法
4.1.1 引言
4.1.2 記號和引理
4.1.3 塊中心差分半離散格式
4.1.4 某些輔助性投影
4.1.5 塊中心差分半離散格式的收斂性分析
4.1.6 塊中心差分全離散格式
4.1.7 誤差估計
4.1.8 總結和討論
4.2 半導體器件探測器數值模擬的塊中心差分方法
4.2.1 引言
4.2.2 引理和記號
4.2.3 塊中心差分格式
4.2.4 某些輔助性橢圓投影
4.2.5 收斂性分析
4.2.6 總結和討論
參考文獻

第5章 半導體問題的混閤元一特徵混閤元方法
5.1 二相滲流混閤元-特徵混閤元方法
5.1.1 數學模型
5.1.2 特徵混閤元方法和分析
5.1.3 混閤元-特徵混閤元方法和分析
5.2 三維半導體問題的混閤元一特徵混閤元方法
5.2.1 引言
5.2.2 格式的建立
5.2.3 有限元空間和投影的性質
5.2.4 收斂性分析
5.2.5 數值算例
5.3 熱傳導型半導體問題的混閤元-特徵混閤元數值方法
5.3.1 引言
5.3.2 格式的建立
5.3.3 有限元空間和投影的性質
5.3.4 收斂性分析
5.3.5 數值算例
參考文獻

第6章 半導體問題的混閤元-分數步差分方法
6.1 半導體問題的混閤元-修正特徵分數步差分方法
6.1.1 引言
6.1.2 混閤元-修正特徵分數步差分方法程序
6.1.3 收斂性分析
6.1.4 總結和討論
6.2 半導體問題的混閤元一修正迎風分數步差分方法
6.2.1 引言
6.2.2 混閤元一修正迎風分數步差分方法程序
6.2.3 收斂性分析
6.2.4 總結和討論
參考文獻

第7章 半導體瞬態問題的有限體積元方法
7.1 熱傳導型半導體問題的迎風有限體積元方法
7.1.1 引言
7.1.2 預備知識
7.1.3 全離散迎風有限體積元格式
7.1.4 收斂性分析
7.1.5 數值例子
7.1.6 修正迎風有限體積元格式
7.2 熱傳導型半導體問題的特徵有限體積元方法
7.2.1 引言
7.2.2 預備知識
7.2.3 特徵有限體積格式的建立
7.2.4 誤差分析
7.2.5 高次特徵有限體積方法及分析
7.3 三維半導體問題的迎風有限體積元方法
7.3.1 引言
7.3.2 格式的建立
7.3.3 幾個引理
7.3.4 格式的誤差估計
參考文獻

第8章 半導體問題的混閤有限體積元一分數步差分方法
8.1 半導體問題的混閤有限體積元一修正特徵分數步差分方法
8.1.1 引言
8.1.2 記號和引理
8.1.3 混閤有限體積元-修正特徵分數步差分方法程序
8.1.4 收斂性分析
8.1.5 總結和討論
8.2 半導體問題的有限體積元一修正迎風分數步差分方法
8.2.1 引言
8.2.2 有限體積元一修正迎風分數步差分方法程序
8.3 半導體問題的混閤有限體積元一修正迎風分數步差分方法
8.3.1 引言
8.3.2 網格和記號
8.3.3 混閤有限體積元一修正迎風分數步差分方法程序
8.3.4 收斂性分析
8.3.5 數值算例
8.3.6 總結和討論
參考文獻

第9章 電阻抗成像的數值模擬方法
9.1 三維電阻抗成像的有限元數值模擬和分析
9.1.1 引言
9.1.2 反問題的有限元數值方法和數值模擬
9.1.3 有限元方法在電阻抗成像問題中的應用
9.2 電阻抗成像的塊中心有限體積元方法的數值模擬和分析
9.2.1 引言
9.2.2 三維問題的塊中心有限體積元方法和反問題的迭代算法
9.2.3 反問題的數值模擬和圖像重建
9.2.4 二維問題的塊中心有限體積元方法和反問題的迭代算法
9.2.5 二維反問題的數值模擬和圖像重建
參考文獻

第10章 半導體問題數值模擬的間斷有限元方法
10.1 某些簡單模型問題的間斷有限元方法
10.1.1 一維守恒律問題
10.1.2 對流一擴散問題的間斷混閤元方法
10.2 半導體器件模型問題的間斷有限元方法
10.2.1 某些預備工作
10.2.2 模型問題Ⅰ(DD模型)
10.2.3 模型問題Ⅰ的變分形式和局部間斷有限元格式
10.2.4 模型問題Ⅰ的數值分析
10.2.5 模型問題Ⅱ(HF模型)
10.2.6 模型問題Ⅱ的變分形式和局部間斷有限元格式
10.2.7 模型問題Ⅱ的數值分析
10.2.8 模型問題Ⅰ和II的數值試驗
參考文獻
索引

《半導體器件數值模擬：從理論基礎到前沿應用》 圖書簡介 本書緻力於深入剖析半導體器件數值模擬的科學原理與計算方法，並係統闡述其在現代半導體産業中的廣泛應用。全書以嚴謹的學術態度，結閤豐富的實例，為讀者構建一個全麵而深刻的理解框架，旨在培養讀者獨立運用數值模擬工具解決實際問題的能力。 第一部分：理論基礎與核心方法 本部分將為讀者打下堅實的理論基礎，深入講解半導體器件物理的建模基礎以及與之緊密相關的數值計算方法。 第一章：半導體器件物理導論 半導體材料基本特性： 深入介紹矽、鍺、III-V族化閤物半導體（如GaAs、InP）以及 II-VI族化閤物半導體（如CdTe、ZnSe）等關鍵材料的晶體結構、能帶理論、載流子輸運機理（如漂移、擴散）、摻雜效應、復閤過程（輻射復閤、俄歇復閤、錶麵復閤）等。重點闡述有效質量、介電常數、遷移率、壽命等重要參數的物理意義及其對器件性能的影響。 PN結理論： 詳細推導和分析PN結的形成、內建電場、勢壘電容、擴散電容、電荷注入與輸運、以及在外加電壓下的行為（正偏、反偏）。討論PN結在二極管、晶體管等基本器件中的作用。 少數載流子動力學： 深入探討少數載流子在半導體中的行為，包括其産生、復閤、漂移和擴散過程。分析Minority Carrier Injection（少數載流子注入）的原理及其在PN結和BJT中的重要性。 錶麵與界麵效應： 講解半導體錶麵和界麵（如絕緣體/半導體界麵、金屬/半導體界麵）的物理特性，包括錶麵態、界麵態的形成機理、能級分布以及它們對載流子輸運和器件性能的嚴重影響。分析MIS（金屬-絕緣體-半導體）結構的工作原理。 熱力學與電輸運關係： 闡述熱力學平衡和非平衡狀態下半導體中的電輸運現象，包括電導率、霍爾效應、塞貝剋效應等。 第二章：半導體器件數值模擬的數學模型 漂移-擴散模型（Drift-Diffusion Model）： 這是最基礎也是應用最廣泛的半導體器件模擬模型。我們將詳細推導並分析其核心方程組，包括： 泊鬆方程（Poisson Equation）： 描述電勢與電荷分布之間的關係，是建立電場的基礎。 連續性方程（Continuity Equations）： 分彆描述電子和空穴濃度的時空演化，考慮瞭産生、復閤、漂移和擴散等過程。 電流密度方程（Current Density Equations）： 描述電子和空穴的總電流密度，包含漂移和擴散項。 高斯定律（Gauss's Law） 的應用。 能量模型（Energy Transport Model）： 針對高場強、短溝道效應顯著的器件，傳統的漂移-擴散模型可能失效。本章將介紹能量模型，它在漂移-擴散模型的基礎上增加瞭能量守恒方程，考慮瞭電子溫度、熱漂移等效應，能夠更精確地描述載流子在強電場下的行為。 濛特卡洛方法（Monte Carlo Method）： 講解一種基於概率統計的模擬方法，它直接模擬載流子在晶格中的運動過程，考慮瞭各種散射機製，能夠獲得非常精確的輸運特性，尤其適用於理解微觀物理機理和非平衡輸運現象。 Boltzmann傳輸方程（Boltzmann Transport Equation, BTE）： 介紹BTE作為描述載流子分布函數演化的更普適的方程。雖然直接求解BTE非常睏難，但它是許多高級模型（如濛特卡洛方法）的理論基礎，同時也用於推導漂移-擴散模型和能量模型。 其他模型簡介： 簡要介紹量子輸運模型（如Landauer-Büttiker公式）、等離子體模型等，為理解未來更復雜的模擬需求鋪墊。 第三章：數值計算方法基礎 有限差分法（Finite Difference Method, FDM）： 詳細闡述FDM的基本原理，如何將偏微分方程離散化為代數方程。講解節點劃分、差分格式（嚮前差分、嚮後差分、中心差分）的選擇及其精度分析。重點在於如何處理連續性方程中的對流項（如迎風格式）。 有限元法（Finite Element Method, FEM）： 介紹FEM的優勢，尤其是在處理復雜幾何形狀和非均勻網格方麵的能力。講解基函數、單元劃分、形函數、單元剛度矩陣的構建以及整體方程組的組裝。 有限體積法（Finite Volume Method, FVM）： 詳細講解FVM，這是目前半導體器件數值模擬中最常用和最有效的方法之一。重點在於如何對連續性方程中的守恒律進行積分，以及如何在控製體界麵上進行通量計算（如Godunov方法、Rusano​​v方法）。 方程求解技術： 綫性方程組求解： 介紹直接法（如高斯消元法）和迭代法（如Jacobi法、Gauss-Seidel法、共軛梯度法、GMRES法）。重點分析迭代法的收斂性和效率。 非綫性方程組求解： 講解Newton-Raphson方法及其變種，如何處理耦閤的非綫性方程組。 時間推進方法： 介紹顯式和隱式時間積分方法，分析其穩定性和精度。 網格生成技術： 討論結構網格和非結構網格的優缺點，以及如何生成適應器件結構的網格，特彆是邊界層和高場區附近的網格細化策略。 收斂性與穩定性分析： 深入探討數值算法的收斂性（離散誤差趨於零）和穩定性（數值誤差不隨時間纍積而增長）的重要性，以及如何進行判斷和改進。 第二部分：前沿應用與進階主題 本部分將聚焦於將前麵介紹的理論和方法應用於實際半導體器件的設計與分析，並探討更高級的模擬技術。 第四章：經典半導體器件的數值模擬 MOSFET（金屬氧化物半導體場效應晶體管）： NMOS/PMOS器件建模： 詳細模擬MOSFET的開關特性、跨導、輸齣電阻、閾值電壓、亞閾值擺幅等參數。分析短溝道效應（如DIBL, Drain-Induced Barrier Lowering）、量子效應（如錶麵量子化）、熱電子效應等對器件性能的影響。 DC特性模擬： 仿真漏極電流-柵極電壓（Id-Vg）和漏極電流-漏極電壓（Id-Vd）麯綫，分析不同偏置條件下的工作模式。 AC特性模擬： 仿真器件的頻率響應，計算跨導、輸齣電阻、輸入電容、輸齣電容等小信號參數，分析寄生效應。 瞬態特性模擬： 仿真器件的開關速度，分析延遲時間和功耗。 BJT（雙極結型晶體管）： NPN/PNP器件建模： 模擬BJT的直流特性（Ib-Vbe, Ic-Vce），分析共發射極、共集電極、共基極等三種基本工作狀態。 增益特性模擬： 分析直流電流增益（β）和過渡頻率（fT）等關鍵參數。 高頻特性模擬： 仿真BJT的S參數，分析其在高頻下的性能限製。 PN結二極管： 仿真正反偏特性，分析正嚮導通壓降、反嚮漏電流、擊穿電壓等。 肖特基二極管： 模擬其低正嚮壓降和快速開關特性的成因。 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）： 仿真其高耐壓和高電流密度特性。 光電器件（太陽能電池、LED、光電探測器）： 模擬光生載流子的産生、收集過程，分析其光電轉換效率、發光效率等。 第五章：高級器件的數值模擬 FinFET（鰭式場效應晶體管）： 模擬其三維結構帶來的柵控效應增強、短溝道效應抑製等優勢。 GAAFET（柵極 all-around 場效應晶體管）： 模擬全包圍柵極的更優控製能力。 多晶矽薄膜晶體管（Poly-Si TFT）： 模擬其在顯示驅動等領域的應用。 高壓器件（如Power MOSFET, Power BJT）： 模擬其耐壓能力、導通電阻、功率損耗等。 MEMS（微機電係統）器件： 介紹結閤瞭電學、力學、流體學等耦閤仿真的必要性，例如靜電驅動的微鏡、微泵等。 存儲器器件： 仿真SRAM、DRAM、Flash等存儲單元的讀寫過程和穩定性。 第六章：多物理場耦閤仿真 熱-電耦閤仿真： 講解器件工作時産生的熱量如何影響其電學性能，以及電學行為如何産生熱量。例如，高功率器件的自加熱效應，分析熱擊穿的可能性。 應力-電耦閤仿真： 介紹材料在機械應力作用下電學性質的變化，例如壓阻效應，以及應力如何影響器件的可靠性。 光-電耦閤仿真： 針對光電器件，分析光照如何影響載流子分布和電學特性，反之亦然。 流體-電耦閤仿真： 對於某些特殊應用，如微流控芯片上的傳感器，需要考慮流體動力學對器件性能的影響。 第七章：麵嚮設計的仿真流程與優化 工藝-器件-電路協同仿真： 介紹如何將器件的工藝參數（如摻雜濃度、厚度、形貌）的變化映射到器件性能的改變，並進一步影響電路的性能。 參數提取與模型建立： 介紹如何通過測量數據反嚮提取半導體模型參數，用於電路設計。 靈敏度分析與優化： 講解如何通過改變設計參數（如溝道長度、柵氧厚度）來優化器件性能，以滿足特定的設計指標。 先進的優化算法： 簡要介紹遺傳算法、粒子群優化等全局優化技術在器件設計中的應用。 TCAD（Technology Computer-Aided Design）工具介紹： 結閤實際應用，簡要介紹市麵上主流的TCAD軟件（如Sentaurus, Silvaco, COMSOL等）的功能和使用流程，但不做具體軟件操作教程。 第八章：新興領域與未來展望 量子點與納米材料器件模擬： 介紹量子點、碳納米管、二維材料（如石墨烯、MoS2）等新型材料的電子結構和輸運特性模擬。 自鏇電子學器件模擬： 講解如何模擬自鏇相關的載流子行為，以及巨磁電阻（GMR）、隧道磁電阻（TMR）等器件的工作原理。 神經形態計算器件模擬： 探索新型計算範式，如憶阻器、存內計算等器件的模擬。 人工智能在器件模擬中的應用： 展望AI技術（如深度學習）如何加速模擬過程、預測器件性能、輔助設計優化。 麵嚮未來的挑戰： 討論在後摩爾時代，如何通過更精細的物理模型和更高效的算法來應對器件尺寸不斷縮小帶來的挑戰。 本書特色： 體係完整： 從基礎理論到前沿應用，涵蓋瞭半導體器件數值模擬的各個方麵。 內容詳實： 對每一個概念和方法都進行瞭深入的講解和推導，力求清晰易懂。 理論與實踐結閤： 強調理論在解決實際問題中的指導作用，通過大量器件實例說明模擬方法的應用。 前瞻性強： 關注行業最新發展趨勢，介紹瞭新興材料和新型器件的模擬技術。 適閤讀者： 本書適閤高等院校電子工程、微電子、物理學等相關專業的本科生、研究生，以及從事半導體器件研發、工藝工程師、模擬工程師等專業技術人員閱讀。 通過本書的學習，讀者將能夠掌握半導體器件數值模擬的核心技術，理解不同物理模型和數值方法的原理與適用範圍，並能獨立運用模擬工具解決實際的器件設計與分析問題，為在快速發展的半導體領域中取得成功奠定堅實的基礎。

評分☆☆☆☆☆

對於從事半導體器件研發的工程師而言，這本書無疑是一本不可多得的案頭寶典。它不僅僅是一本教材，更像是一位經驗豐富的導師，在你遇到瓶頸時，為你指點迷津。書中對各種先進模擬方法的介紹，如有限元法、有限差分法等，都進行瞭深入淺齣的剖析。作者在講解這些復雜算法時，注重結閤物理背景，使得讀者能夠理解算法背後的邏輯，而不是死記硬背。我尤其欣賞書中對這些方法在處理復雜器件結構和材料特性時所麵臨的挑戰的討論，以及作者提齣的創新性解決方案。書中關於並行計算和高性能計算在半導體數值模擬中的應用，也讓我看到瞭未來發展的方嚮，為我提供瞭新的思路。我曾遇到一個棘手的工藝變異問題，書中關於統計模擬和不確定性量化的章節，為我解決這個問題提供瞭關鍵性的方法和啓示。

評分☆☆☆☆☆

讀這本書，就如同穿越迴我剛開始接觸半導體模擬的日子，那種迷茫和探索的感覺又迴來瞭，但這次，我有瞭更堅實的指引。作者在書中對數值求解方法的介紹，簡直是我的福音。那些曾經讓我頭疼不已的方程組，在作者的筆下變得清晰明朗。它不僅僅是羅列公式，更重要的是解釋瞭每種方法的優缺點、適用範圍以及在實際計算中的注意事項。我尤其對書中關於網格生成和優化算法的講解印象深刻，這直接關係到模擬的精度和效率，而作者在這方麵提供的建議和技巧，無疑是寶貴的經驗之談。書中還涉及到瞭對模型參數的提取和校準，這對於確保模擬結果的準確性至關重要，作者給齣的方法論和實踐步驟，讓我受益匪淺。我嘗試著跟著書中的例子進行瞭一些簡單的計算，發現自己對整個仿真流程有瞭更深刻的理解，也找到瞭自己之前在實踐中可能存在的誤區。

評分☆☆☆☆☆

這本書的章節組織非常閤理，從基礎的半導體物理原理，到數值計算方法的選擇與實現，再到實際器件的模擬應用，每一步都銜接得非常自然。我特彆喜歡書中對各種模擬軟件中常用算法的分析，這讓我能夠更好地理解和使用這些工具。作者在書中還深入探討瞭模型精度與計算效率之間的權衡，以及如何在實際應用中找到最佳的平衡點，這對於縮短研發周期、降低成本具有重要的指導意義。書中關於新材料、新器件的模擬展望，也讓我對未來的研究方嚮有瞭更清晰的認識。我曾經在學習某些新型器件時，對其仿真模型感到睏惑，而這本書中的相關章節，提供瞭一個很好的框架，讓我能夠理解這些新型器件的模擬挑戰和方法。

評分☆☆☆☆☆

這本書的封麵設計就充滿瞭科技感，深邃的藍色背景搭配著簡潔而有力的書名，一眼就能感受到它所涵蓋內容的深度與廣度。當我翻開第一頁，撲麵而來的是嚴謹的學術氣息，我被書中清晰的邏輯結構和層層遞進的講解所吸引。作者並沒有一開始就拋齣復雜的數學公式，而是從半導體器件的基本原理入手，循序漸進地引導讀者理解模擬計算的必要性和重要性。書中對不同器件（如MOSFET、BJT等）的物理模型進行瞭詳盡的闡述，結閤瞭經典的半導體理論，讓人能夠清晰地認識到每個模型背後的物理意義。尤其是當書中開始介紹離散化方法時，作者巧妙地運用瞭圖示和通俗的比喻，將原本枯燥的數學概念變得易於理解。我特彆欣賞的是，書中並沒有止步於理論講解，而是通過大量實例，展示瞭如何將這些理論應用於實際的器件設計和分析中。每一個案例都經過精心挑選，覆蓋瞭從基礎到進階的各種應用場景，讓我對接下來的學習充滿瞭期待。

評分☆☆☆☆☆

這本書的語言風格嚴謹而不失可讀性，作者在專業術語的使用上恰到好處，既保證瞭學術的嚴謹性，又避免瞭不必要的晦澀。當我閱讀到書中關於模型驗證和誤差分析的部分時，我感受到瞭作者對細節的極緻追求。書中不僅提供瞭理論上的方法，還給齣瞭實際操作上的建議，幫助讀者如何有效地評估模擬結果的可靠性。我尤其對書中關於如何處理邊界條件和初始條件對模擬結果影響的討論印象深刻，這在實際的工程應用中是至關重要的。書中對模型參數的敏感性分析，也讓我能夠更好地理解哪些因素對器件性能影響最大，從而進行有針對性的優化。這本書為我提供瞭一個堅實的理論基礎和實用的技術指導，讓我能夠更自信地進行半導體器件的數值模擬工作。