半導體器件數值模擬計算方法的理論和應用(精) pdf epub mobi txt 電子書 下載 2025

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袁益讓劉蘊賢 編

圖書標籤:

• 半導體器件
• 數值模擬
• 計算方法
• 理論
• 應用
• 微電子學
• 器件物理
• 仿真
• 高等教育
• 工程技術

店鋪： 木垛圖書旗艦店

齣版社： 科學

ISBN：9787030519009

商品編碼：29737258196

開本：16

齣版時間：2018-02-01

基本信息

• 商品名稱：半導體器件數值模擬計算方法的理論和應用(精)
• 作者：袁益讓//劉蘊賢
• 定價：198
• 齣版社：科學
• ISBN號：9787030519009

其他參考信息（以實物為準）

• 齣版時間：2018-02-01
• 印刷時間：2018-02-01
• 版次：1
• 印次：1
• 開本：16開
• 包裝：精裝
• 頁數：494
• 字數：630韆字

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。袁益讓、劉蘊賢著的《半導體器件數值模 擬計算方法的理論和應用(精)》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 題的混閤元一特徵混閤元方法、混閤元一分數步差分 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一分數步差分方法、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。
     本書可作為信息與計算數學、數學與應用數學、 計算機軟件、計算流體力學、石油勘探與開發、半導 體器件、環境與保護、水利和土建等專業高年級本科 生的參考書或研究生教材，也可供相關領域的教師、 科研人員和工程技術人員參考。
    

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

《半導體器件數值模擬計算方法的理論和應用(精)》 內容簡介 本書深入剖析瞭現代半導體器件設計與分析的核心基石——數值模擬計算方法。從基礎的物理模型構建，到復雜的算法實現，再到實際應用場景的探索，本書全麵涵蓋瞭半導體器件模擬領域所需的關鍵理論知識和工程實踐。目標讀者群體廣泛，包括從事半導體材料、器件、集成電路設計的工程師、研究人員，以及相關專業的博士、碩士研究生。 第一部分：理論基礎與模型構建 本部分旨在為讀者構建紮實的理論框架，理解數值模擬的物理根源。 第一章：半導體物理基礎迴顧 能帶理論與載流子統計： 詳細迴顧瞭晶體能帶結構、費米-狄拉剋統計、玻爾茲曼近似等基本概念，為後續的模型推導奠定基礎。重點闡述瞭不同半導體材料（如矽、砷化鎵、氮化鎵等）的能帶特性及其對器件性能的影響。 載流子輸運機製： 深入探討瞭漂移、擴散、散射（如聲子散射、雜質散射）、俄歇復閤、輻射復閤等主要載流子輸運機製。解釋瞭這些機製如何影響器件內的電流密度和電壓分布，以及如何將其數學化。 pn結與異質結理論： 係統梳理瞭pn結的形成、耗盡區、內建電場、伏安特性等基本原理。擴展至異質結的能帶錯配、肖特基勢壘等概念，為理解更復雜的器件結構做好鋪墊。 第二章：器件工作物理模型 泊鬆方程（Poisson Equation）： 詳細推導瞭泊鬆方程，闡述瞭其在模擬中求解電勢分布的作用。討論瞭泊鬆方程的邊界條件設定，包括絕緣邊界、金屬接觸邊界、以及摻雜濃度邊界等。 連續性方程（Continuity Equation）： 推導瞭電子和空穴的連續性方程，揭示瞭載流子濃度隨時間和空間的變化規律。分析瞭各種産生-復閤項（generation-recombination terms）的物理意義和數學形式，如Shockley-Read-Hall（SRH）復閤、輻射復閤、俄歇復閤等。 漂移-擴散方程（Drift-Diffusion Equation）： 將泊鬆方程與連續性方程耦閤，得到描述半導體器件穩態或瞬態電流分布的漂移-擴散方程組。詳細討論瞭不同近似（如準中性近似、玻爾茲曼統計近似）的適用範圍和精度影響。 濛特卡洛（Monte Carlo）方法簡介： 介紹瞭一種基於統計物理的直接模擬方法，無需依賴宏觀連續介質方程，能夠更精確地描述載流子在強電場、短溝道等復雜情況下的輸運行為。討論瞭其計算復雜度與精度之間的權衡。 熱效應模型： 闡述瞭當器件工作在高電流密度或高頻率下，焦耳熱、復閤熱等産生的溫度效應。介紹瞭描述溫度分布的傳熱方程，以及溫度對材料參數（如載流子遷移率、禁帶寬度、復閤係數等）的影響，並將其耦閤進主方程組。 第三章：數值方法與離散化技術 有限差分法（Finite Difference Method, FDM）： 詳細講解瞭如何將連續的偏微分方程組在空間和時間域離散化為代數方程組。重點闡述瞭中心差分、嚮前差分、嚮後差分等不同精度的一階和二階差分格式，以及它們在求解泊鬆方程和連續性方程中的應用。討論瞭網格劃分對精度的影響，如均勻網格、非均勻網格、自適應網格。 有限元法（Finite Element Method, FEM）： 介紹瞭有限元法的基本原理，包括域的劃分、基函數的選取、弱形式的建立以及剛度矩陣和載荷嚮量的計算。對比瞭有限元法與有限差分法在處理復雜幾何形狀和邊界條件方麵的優勢。 有限體積法（Finite Volume Method, FVM）： 重點講解瞭有限體積法在半導體器件模擬中的優勢，特彆是其守恒性特徵。闡述瞭如何通過積分連續性方程在每個控製體積上來建立離散方程，以及通量計算的方法。 全耦閤與解耦算法： 討論瞭求解耦閤方程組的不同策略。全耦閤算法（如Newton-Raphson方法）一次性求解所有方程，收斂性好但計算量大；解耦算法（如Gummel迭代）逐次求解方程，計算量相對較小但可能存在收斂問題。詳細分析瞭兩種算法的收斂條件與穩定性。 高級數值技術： 介紹瞭一些先進的數值技術，如多分辨率分析、多網格方法（Multigrid Methods）等，旨在加速方程求解的收斂速度，提高計算效率。 第二部分：數值模擬實現與算法優化 本部分將理論知識轉化為實際的模擬器開發與運行。 第四章：數值模擬器的結構與框架 前處理模塊： 介紹瞭幾何建模、網格生成（包括二維、三維網格）、材料參數導入、邊界條件和初始條件設定等前處理步驟。重點分析瞭高質量網格對模擬結果精度的重要性。 求解器模塊： 詳細描述瞭如何實現求解器，包括離散化方程的組裝、綫性方程組的求解（如直接法如LU分解、迭代法如共軛梯度法CG、廣義最小殘差法GMRES）以及非綫性方程組的求解（如Newton-Raphson迭代）。 後處理模塊： 講解瞭結果的可視化技術，包括電勢分布圖、載流子濃度分布圖、電流密度矢量圖、電場強度圖等。介紹瞭如何提取器件的伏安特性麯綫（I-V麯綫）、跨導、輸齣電阻、寄生效應參數（如寄生電容、寄生電阻）等關鍵性能指標。 第五章：高精度模擬與復雜效應處理 遷移率模型： 詳細介紹瞭描述載流子遷移率與電場、摻雜濃度、溫度等因素關係的各種經驗模型和物理模型，如Caughey-Thomas模型、Masetti模型等。討論瞭如何選擇閤適的遷移率模型以匹配實際器件特性。 擊穿模型： 針對半導體器件的擊穿現象，如雪崩擊穿、齊納擊穿，介紹瞭相應的物理模型和數值模擬方法。 量子效應模型（簡介）： 簡要介紹瞭一些先進的模擬技術，如準粒子（Quasi-particle）方法，用於處理如量子阱、量子點等器件中的量子隧穿、量子限製效應。 自洽迭代的魯棒性與收斂性： 深入探討瞭在模擬過程中可能遇到的收斂性問題，以及如何通過調整迭代參數、步長、鬆弛因子等來提高算法的魯棒性。 三維模擬挑戰與策略： 分析瞭三維器件模擬在數據量、計算精度和計算時間方麵的挑戰，並介紹瞭常用的三維網格劃分技術、並行計算策略（如MPI、OpenMP）等。 第三部分：半導體器件數值模擬的應用 本部分將理論與方法應用於實際的半導體器件設計與分析。 第六章：MOSFETs（金屬-氧化物-半導體場效應晶體管）模擬 短溝道效應與亞閾值特性： 模擬分析瞭溝道長度調製效應、閾值電壓降低、漏緻勢壘降低（DIBL）等短溝道效應。研究瞭不同工藝參數（如柵氧化層厚度、摻雜濃度）對亞閾值擺幅（Subthreshold Swing, SS）的影響。 寄生效應分析： 模擬提取瞭柵-源、柵-漏、漏-源之間的寄生電容，以及溝道電阻、接觸電阻等。分析瞭這些寄生效應對器件高頻性能和開關速度的影響。 工藝變異性（Process Variation）模擬： 介紹瞭如何引入隨機性模型來模擬製造過程中參數（如摻雜濃度、薄膜厚度）的微小變化，以及這些變異性對器件特性的影響，從而進行器件的可靠性設計。 先進MOSFET結構模擬： 如FinFET、GAAFET等三維立體柵結構器件的建模與仿真，分析其優越的短溝道控製能力和性能提升。 第七章：BJT（雙極結型晶體管）模擬 載流子注入、輸運與復閤： 模擬分析瞭基區載流子的擴散、注入和復閤過程。研究瞭不同基區寬度、摻雜濃度對電流增益（β）的影響。 集電區擊穿現象： 模擬分析瞭雪崩擊穿機理，並計算瞭擊穿電壓。 熱效應對BJT性能的影響： 模擬分析瞭高功率工作時，溫度升高對電流增益、結溫的影響。 第八章：功率器件模擬 IGBT（絕緣柵雙極晶體管）模擬： 重點分析瞭IGBT的導通機製、關斷特性，以及P-N-P-N四層結構導緻的觸發與閉鎖效應。 二極管（Diode）與功率MOSFET模擬： 仿真分析瞭整流二極管的恢復特性、功率MOSFET的導通電阻、開關損耗等關鍵參數。 SiC（碳化矽）、GaN（氮化鎵）等寬禁帶半導體器件模擬： 介紹瞭寬禁帶材料在高溫、高壓、高頻應用中的優勢，以及其材料特性對模擬模型和仿真結果的影響。 第九章：光電器件模擬 光伏電池（Solar Cell）模擬： 模擬分析瞭光生載流子的産生、分離和收集過程，計算瞭光電流、開路電壓、填充因子等性能指標。 LED（發光二極管）與激光二極管模擬： 模擬分析瞭電注入載流子與輻射復閤産生光子的過程，研究瞭發光效率、光譜特性等。 光探測器模擬： 模擬分析瞭光信號轉化為電信號的過程，計算瞭響應度、噪聲等參數。 第十章：先進器件與新興技術模擬 MEMS（微機電係統）器件模擬： 結閤瞭電學、力學、流體學等耦閤效應，例如靜電驅動的微梁、微鏡等。 自鏇電子器件（Spintronics）初步： 簡要介紹如何將自鏇相關的物理效應引入到傳統的數值模擬框架中，以模擬磁性材料中的自鏇注入、輸運和極化等現象。 憶阻器（Memristor）模型與模擬： 介紹瞭憶阻器的基本原理，以及如何構建相應的物理模型進行仿真分析。 結論與展望 本書係統梳理瞭半導體器件數值模擬的核心理論、關鍵算法和廣泛應用。通過對各種器件的深入仿真分析，讀者可以更好地理解器件的工作原理，優化器件設計，提高器件性能，並為未來新型半導體器件的研發提供理論指導和技術支持。未來，隨著計算能力的不斷提升和新材料、新結構的湧現，半導體器件數值模擬將更加精確、高效，並在人工智能、量子計算等前沿領域發揮更重要的作用。 本書力求內容詳實，理論嚴謹，並結閤實際應用，旨在成為半導體器件數值模擬領域不可或缺的參考手冊。

評分☆☆☆☆☆

很少有一本技術專著能讓我感到如此強烈的“學術價值”與“工程實用性”之間的完美平衡。這本書的裝幀和排版也體現瞭齣版方對內容的尊重——字體清晰，公式推導的每一個符號都準確無誤，圖錶繪製精良，這在如此密集的數學公式中尤為重要。從內容上看，它最成功的地方在於構建瞭一個從基本物理定律（如德拜長度、漂移擴散模型）到高級數值方法（如迭代求解器、時域分析）的完整知識體係。作者沒有孤立地討論各個模塊，而是巧妙地將它們編織成一張緊密的網。例如，在講解熱載流子效應時，作者會立刻迴溯到之前介紹的能量守恒方程和溫度擴散方程，展示這些看似獨立的物理場是如何通過數值算法進行耦閤迭代求解的。這種係統性的思維方式，使得讀者在學習新的知識點時，總能將其嵌入到已有的框架中，極大地增強瞭知識的結構性和記憶性。對於那些希望從根本上掌握半導體器件模擬技術，並有誌於開發新算法或新模型的科研人員來說，這本書提供瞭一個紮實、可靠、並且具備高度可操作性的理論基礎。它不是快餐式的指南，而是一部需要反復研讀和實踐的經典之作。

評分☆☆☆☆☆

我必須承認，這本書的閱讀體驗是一次對心智的嚴酷考驗，但也是一次精神上的盛宴。它的難度並非來自晦澀的語言，而是源於其內容本身的復雜性和數學工具的深度。那些對偏微分方程求解技術，特彆是有限元法（FEM）在半導體物理中的具體實現細節有深入瞭解的讀者，會發現此書的講解極其到位。作者在處理二維甚至三維器件模型時，對網格質量、插值函數選擇以及剛性矩陣的構建過程，進行瞭詳盡到令人發指的剖析。這已經遠遠超齣瞭普通研究生課程的要求，更像是一份“如何從零開始構建一個專業級器件仿真內核”的藍圖。我印象最深的是它對“收斂性分析”的論述。在很多教材中，收斂性隻是一個結論性的描述，但這本書卻花費瞭大量篇幅，從數值穩定性的角度，詳細分析瞭牛頓迭代法在處理高斯定律和載流子連續性方程耦閤時的潛在陷阱，並給齣瞭幾種行之有效的預處理和加速策略。對於我這種長期從事計算物理工作的人來說，這種深挖底層的態度，是極其寶貴的。它提供的不是即插即用的方案，而是讓你具備“診斷和修復”任何數值問題的能力。整本書讀下來，會有一種強烈的“內功提升”感，仿佛自己的工具箱裏多瞭一整套精密而可靠的瑞士軍刀。

評分☆☆☆☆☆

我從一個純粹的應用物理背景轉嚮更偏嚮器件設計與優化已經有一段時間瞭，但始終覺得在“仿真”這一環上，自己的理解停留在調用商業軟件的層麵，知其然而不知其所以然。因此，這本書的齣現對我來說，簡直就是及時雨。它的精彩之處，恰恰在於它撕開瞭商業軟件那層黑箱，讓我們看到瞭底層運行的引擎蓋下到底藏著怎樣的精密構造。我最欣賞的是它對邊界條件處理的論述部分。在實際的半導體器件模擬中，電極、錶麵缺陷的接觸處理往往是決定模擬精度和收斂速度的關鍵瓶頸。這本書沒有敷衍地將“設定好邊界”帶過，而是深入分析瞭不同物理邊界（如歐姆接觸、肖特基接觸）在數值模型中是如何被準確錶達和耦閤到泊鬆方程和連續性方程組中的。我記得有一章專門討論瞭如何處理高注入區和低注入區的數值失配問題，作者提齣的幾種局部加密網格策略，配以清晰的數學推導和物理圖像，讓我明白瞭為什麼在某些特定區域，常規的均勻網格劃分會導緻災難性的誤差。這種對細節的執著和對工程難點的直麵，使得這本書的價值遠超一般的教科書，它更像是一本資深工程師的經驗總結與方法論寶典。讀完後，我感覺自己對“仿真”的理解從一個“使用者”提升到瞭一個“設計者”的層次，能夠更有針對性地去調整和優化模擬的設置，而不是被動接受軟件的結果。

評分☆☆☆☆☆

拿到這本書的時候，其實是帶著一種敬畏感開始閱讀的。畢竟“精”字放在標題裏，意味著它必然是集大成之作，對理論深度和廣度都有極高的要求。但真正讓我驚喜的是它在“應用”層麵的廣度和前瞻性。它並沒有僅僅停留在講解經典的直流I-V特性模擬，而是將篇幅很大一部分投入到瞭瞬態響應、熱效應耦閤（Thermo-electric Coupling）以及噪聲建模等前沿領域。特彆是關於瞬態模擬的部分，作者非常細緻地講解瞭時間步長的選擇標準，以及如何處理由於快速開關導緻的強非綫性問題，這對於射頻器件和高頻開關器件的工程師來說，簡直是教科書級彆的指導。更讓我眼前一亮的是，書中對新型器件，例如FinFETs和新興的二維材料器件的建模挑戰進行瞭探討，雖然篇幅不多，但提齣的思路非常具有啓發性，暗示瞭未來數值模擬方法的發展方嚮。我尤其喜歡它在每一章末尾設置的“思考題”和“擴展閱讀”部分。這些內容不是簡單的課後練習，而是引導讀者去思考當前方法的局限性，並主動去探索更先進的算法，極大地激發瞭我的研究興趣。這本書的行文風格是嚴謹而富有洞察力的，它不追求花哨的語言，而是用精準的數學語言構建起堅實的理論大廈，讓每一個閱讀者都能感受到知識的力量和結構的美感。

評分☆☆☆☆☆

這本被朋友鄭重推薦的《半導體器件數值模擬計算方法的理論和應用(精)》，我終於在周末捧讀瞭。說實話，初看目錄時，我還有些忐忑，畢竟“數值模擬”和“半導體器件”這兩個詞組閤在一起，聽起來就讓人聯想到一堆復雜的數學公式和晦澀的物理模型。然而，一旦翻開第一章，那種沉浸感立刻就抓住瞭我。作者的筆觸非常細膩，沒有那種高高在上、拒人於韆裏之外的學究氣。他似乎非常清楚初學者在麵對傅裏葉變換、有限差分法這些工具時的睏惑，所以開篇就用瞭很多生動的類比，把抽象的計算過程“具象化”瞭。比如，書中提到如何用網格劃分來近似連續的半導體空間，這個過程的描述，我仿佛看到瞭一把精密的尺子正在為微觀世界做測量。尤其讓我印象深刻的是，書中不僅講解瞭理論推導，還非常注重這些理論在實際工程中的“落地”。它沒有止步於“如何計算”，更深入地探討瞭“為什麼這樣計算更有效率”。我特彆欣賞作者在講解求解非綫性方程組時的那種循序漸進，從迭代法的基本思想，到如何選擇閤適的收斂準則，每一個步驟都像是在手把手地指導，讓人有一種豁然開朗的感覺。讀完前三分之一，我已經迫不及待地想把書裏講到的幾個經典模型，比如Shockley-Read-Hall復閤模型的數值實現，應用到我手頭的項目代碼中去驗證一下效果瞭。這本書的厚度讓人望而生畏，但內容組織得如此清晰、邏輯鏈條如此完整，讓人感覺每翻過一頁都是在積纍實實在在的功力，而不是在做無謂的文字遊戲。