半导体器件数值模拟计算方法的理论和应用(精) pdf epub mobi txt 电子书 下载 在线阅读 2026

基本信息

• 商品名称：半导体器件数值模拟计算方法的理论和应用(精)
• 作者：袁益让//刘蕴贤
• 定价：198
• 出版社：科学
• ISBN号：9787030519009

其他参考信息（以实物为准）

• 出版时间：2018-02-01
• 印刷时间：2018-02-01
• 版次：1
• 印次：1
• 开本：16开
• 包装：精装
• 页数：494
• 字数：630千字

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。袁益让、刘蕴贤著的《半导体器件数值模 拟计算方法的理论和应用(精)》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 题的混合元一特征混合元方法、混合元一分数步差分 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一分数步差分方法、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。
     本书可作为信息与计算数学、数学与应用数学、 计算机软件、计算流体力学、石油勘探与开发、半导 体器件、环境与保护、水利和土建等专业高年级本科 生的参考书或研究生教材，也可供相关领域的教师、 科研人员和工程技术人员参考。
    

目录

前言
第1章 半导体器件数值模拟的有限元方法
1.1 半导体器件数值模拟的特征有限元和混合元方法
1.1.1 引言
1.1.2 特征有限元格式
1.1.3 特征有限元格式的收敛性
1.1.4 特征混合元格式及其收敛性
1.2 非矩形域半导体瞬态问题的交替方向特征有限元方法
1.2.1 某些预备工作
1.2.2 交替方向修正特征有限元方法
1.2.3 收敛性分析
1.3 半导体瞬态问题的变网格交替方向特征有限元方法
1.3.1 某些预备工作
1.3.2 特征修正交替方向变网格有限元格式
1.3.3 某些辅助性椭圆投影
1.3.4 收敛性分析
1.4 半导体瞬态问题的交替方向多步方法
1.4.1 交替方向多步格式
1.4.2 误差估计
1.4.3 沿特征线交替方向有限元多步格式及误差估计
1.5 半导体瞬态问题的配置方法
1.5.1 半离散配置格式
1.5.2 H1模误差估计
1.5.3 L2模误差估计
1.5.4 全离散配置格式及L2模误差估计
参考文献
第2章 半导体器件数值模拟的有限差分方法
2.1 三维热传导型半导体问题的差分方法
2.1.1 问题Ⅰ的特征差分格式
2.1.2 问题Ⅰ的收敛性分析
2.1.3 问题Ⅱ的特征差分方法和分析
2.2 三维热传导型半导体问题的特征分数步差分方法
2.2.1 特征分数步差分格式
2.2.2 收敛性分析
2.3 半导体问题的修正迎风分数步差分方法
2.3.1 迎风分数步差分方法
2.3.2 收敛性分析
2.4 半导体器件探测器模拟计算的数值方法
2.4.1 二阶迎风差分格式
2.4.2 收敛性分析
2.4.3 数值模拟结果
参考文献
第3章 半导体问题的区域分裂和局部加密网格方法
3.1 半导体瞬态问题的特征有限元区域分裂方法
3.1.1 数学模型和物理背景
3.1.2 某些预备工作
3.1.3 特征修正有限元区域分裂程序
3.1.4 收敛性分析
3.1.5 数值算例
3.1.6 总结和讨论

《现代半导体物理学：从量子力学到器件特性》 内容简介 本书深入探讨了半导体材料的物理学基础及其在现代电子器件中的应用，旨在为读者构建一个全面而深刻的理解框架。从量子力学的基本原理出发，循序渐进地阐述半导体材料的能带结构、载流子动力学以及各种杂质和缺陷对材料性能的影响。在此基础上，本书详细分析了 PN 结、双极晶体管（BJT）、场效应晶体管（FET）等核心半导体器件的工作原理、电流-电压特性以及在不同应用场景下的行为。此外，还涵盖了新兴半导体材料、量子器件以及光电器件等前沿领域，并结合最新的研究进展，展望了半导体技术未来的发展方向。 第一章 量子力学基础与半导体建模 本章是全书的基石，旨在为后续半导体器件的深入分析奠定坚实的理论基础。我们将从量子力学的基本概念入手，重点关注那些与描述半导体材料特性直接相关的方面。 原子结构与电子轨道： 深入介绍原子的玻尔模型及其局限性，并过渡到量子力学描述下的原子模型。我们将阐述电子在原子核周围的量子化能级和轨道，以及它们如何形成多电子原子。理解电子的波粒二象性是关键，它解释了为何电子的行为无法用经典物理学完全描述。 薛定谔方程及其应用： 详细推导并解释一维和三维的薛定谔方程，这是量子力学的核心方程。我们将演示如何利用薛定谔方程求解简单势场中的粒子行为，例如无限深势阱和有限深势阱，这将为理解晶体中的电子行为提供初步的类比。 周期性势场中的电子——布洛赫定理： 这是理解晶体材料电子行为的关键。我们将详细阐述布洛赫定理，它指出周期性势场中电子的波函数具有特定的形式（平面波乘以周期性函数）。这将直接引出能带理论的概念，解释了为何在晶体中电子并非在所有能量上都可以自由存在。 固体的能带理论： 基于布洛赫定理，我们将详细分析固体材料中电子能级的形成。从自由电子模型到紧束缚模型，解释了原子轨道如何相互作用形成连续的能带。我们将重点区分导带、价带和禁带，并给出它们在不同材料（导体、绝缘体、半导体）中的典型分布。 有效质量概念： 理解电子和空穴在晶体中的运动需要引入有效质量的概念。我们将解释有效质量如何由能带的曲率决定，以及它与电子和空穴的加速、散射行为的关系。有效质量的引入极大地简化了对载流子动力学的分析。 半导体材料的分类与特性： 基于能带理论，我们将对本征半导体（如硅、锗）和杂质半导体（n型和p型）进行详细分类。解释了本征载流子浓度、费米能级的位置以及它们随温度的变化关系。 晶体结构与晶格振动： 介绍半导体材料常见的晶体结构，如金刚石结构。讨论晶格振动（声子）的概念，以及声子在载流子散射中的作用，例如声学散射和光学散射。 杂质和缺陷的引入： 详细讨论掺杂（引入不同价态的杂质原子）如何改变半导体的导电类型和载流子浓度。介绍杂质能级在禁带中的位置，以及它们对载流子扮演的角色。同时，也将涉及点缺陷（如空位、间隙原子）和线缺陷（如位错）对半导体材料性能的潜在影响。 第二章 载流子动力学与传输现象 本章将聚焦于半导体材料中载流子的运动和行为，这是理解器件功能的基础。我们将从微观尺度上的动力学过程出发，推导出宏观的电学特性。 载流子的产生与复合： 详细解释热激发、光激发等载流子产生机制，以及它们与能带结构的关系。深入讨论载流子复合过程，包括辐射复合、俄歇复合和陷阱辅助复合。理解不同复合机制的速率和条件对于器件效率至关重要。 漂移（Drift）： 详细阐述在电场作用下，载流子产生定向运动的现象。推导载流子的漂移速度与电场强度之间的关系，引入迁移率（mobility）的概念，并分析其影响因素，如散射机制、温度和掺杂浓度。 扩散（Diffusion）： 解释由于载流子浓度梯度引起的扩散运动。推导扩散电流密度公式，引入扩散系数的概念。强调在 PN 结等区域，扩散是载流子传输的重要机制。 爱因斯坦关系： 建立迁移率和扩散系数之间的联系，即爱因斯坦关系。这个关系深刻地揭示了载流子在电场和浓度梯度下的协同行为，是许多半导体器件分析的普适性原理。 载流子守恒方程（连续性方程）： 结合载流子的产生、复合和传输（漂移与扩散），推导出载流子连续性方程。该方程是描述载流子密度随时间和空间变化的关键方程，为求解复杂器件中的载流子分布提供了理论框架。 空穴-电子对的演化： 深入分析在不同条件下，电子和空穴各自的运动轨迹和相互作用。特别是在非平衡稳态和瞬态情况下，空穴和电子的行为会变得复杂，需要连续性方程来精确描述。 高电场效应： 讨论当电场强度很高时，载流子的漂移速度不再与电场成线性关系，可能出现饱和现象。介绍载流子的热化效应和冲击电离等高电场下的特殊行为。 第三章 PN 结的物理学 PN 结是构成几乎所有半导体器件的基本单元。本章将深入剖析 PN 结的形成、特性以及其在整流、放大等基本功能上的实现。 PN 结的形成与空间电荷区： 详细阐述 P 型和 N 型半导体接触后，自由载流子向对方扩散，在界面处形成空间电荷区（耗尽区）的过程。解释空间电荷区内电场的产生及其对载流子扩散的阻碍作用。 内建电势： 分析空间电荷区内电场在界面处形成的电势差，即内建电势。推导内建电势的表达式，并分析其与掺杂浓度和材料性质的关系。 平衡状态下的 PN 结： 描述 PN 结达到热力学平衡时的状态，此时漂移电流和扩散电流相互抵消。分析费米能级在 P 型和 N 型区域以及空间电荷区的分布。 外加偏压下的 PN 结： 正向偏压： 详细分析外加正向电压如何减小内建电势，使大量少数载流子注入到对方区域，形成正向电流。推导正向电流-电压（I-V）特性曲线，并解释其指数关系。 反向偏压： 分析外加反向电压如何增大内建电势，使少数载流子被拉向对方区域，形成微弱的反向饱和电流。解释反向击穿现象，如齐纳击穿和雪崩击穿。 PN 结的电容效应： 分析 PN 结在不同偏压下的电容特性。区分变容电容（与空间电荷区宽度变化相关）和扩散电容（与少数载流子存储相关），并解释它们在高速器件中的影响。 PN 结的制造工艺概述（简要）： 提及 PN 结的形成可以通过扩散、离子注入等工艺实现。 第四章 双极晶体管（BJT） 双极晶体管是一种重要的电流控制型器件，在放大和开关电路中发挥着核心作用。本章将详细解析 BJT 的结构、工作原理以及其关键性能参数。 BJT 的结构与工作原理： 介绍 NPN 和 PNP 型 BJT 的结构，包括发射区、基区和集电区。深入分析在外加偏压下，BJT 的三个工作状态：截止区、放大区和饱和区。 放大区的载流子输运： 详细描述电子（NPN）或空穴（PNP）从发射区注入基区，在基区扩散，然后被集电区收集的过程。解释基区宽度、掺杂浓度以及发射区和基区之间偏压对电流增益的影响。 电流增益（β 和 α）： 定义并推导共发射极电流增益 β（hFE）和共基极电流增益 α。分析影响 β 的因素，如基区宽度、掺杂浓度、复合速率等。 BJT 的输出特性曲线（IC-VCE）： 绘制并分析 BJT 在不同基极电流下的输出特性曲线。识别饱和区、放大区和截止区的边界。 BJT 的输入特性曲线： 分析 BJT 在共发射极配置下的输入特性曲线（IB-VBE）。 BJT 的频率响应： 介绍 BJT 频率特性的影响因素，如电容效应（巴来电容）和载流子传输延迟。引入特征频率 fT 和 fmax 的概念。 BJT 的开关特性： 分析 BJT 作为开关时的瞬态响应，包括延迟时间、上升时间、存储时间、下降时间。 BJT 的寄生效应和可靠性： 简要提及 BJT 中的寄生电阻、寄生电容，以及热击穿、电击穿等可靠性问题。 第五章 场效应晶体管（FET） 场效应晶体管是一种电压控制型器件，因其高输入阻抗和低功耗而在现代电子器件中占据主导地位。本章将聚焦于 MOSFET 和 JFET 的工作原理和特性。 结型场效应晶体管（JFET）： 结构与工作原理： 介绍 N 沟道和 P 沟道 JFET 的结构，重点分析通过栅极电压控制夹断层宽度，从而改变沟道导电性。 夹断电压（Vp）： 定义夹断电压，并解释其与沟道几何形状和掺杂浓度的关系。 输出特性曲线： 绘制 JFET 在不同栅极电压下的输出特性曲线（ID-VDS）。 跨导（gm）： 定义跨导，并分析其影响因素。 金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）： 结构与工作原理： 详细介绍增强型和耗尽型 N 沟道/P 沟道 MOSFET 的结构，包括金属栅极、氧化层和半导体沟道。重点分析通过栅极电压形成或改变沟道，从而控制漏极电流。 阈值电压（Vt）： 定义阈值电压，并解释其与氧化层厚度、栅极材料、半导体掺杂等因素的关系。 MOSFET 的工作区域： 分析 MOSFET 在截止区、线性区（欧姆区）和饱和区的工作特性。 MOSFET 的输出特性曲线： 绘制 MOSFET 在不同栅极电压下的输出特性曲线（ID-VDS）。 跨导（gm）和输出电阻（ro）： 定义和分析 MOSFET 的跨导和输出电阻。 MOSFET 的电容效应： 分析栅极-源极电容（CGS）、栅极-漏极电容（CGD）、栅极-衬底电容（CGB）等，以及它们对器件速度的影响。 MOSFET 的短沟道效应： 讨论当沟道长度非常短时，阈值电压的降低、漏极诱导的势垒降低（DIBL）等效应。 MOSFET 的体效应（Body Effect）： 分析衬底电压的变化对阈值电压的影响。 MOSFET 的开关特性： 分析 MOSFET 作为开关时的瞬态响应。 第六章 光电器件 光电器件能够实现光与电的相互转换，在通信、显示、照明等领域有着广泛应用。本章将介绍几种重要的光电器件。 光电二极管： 工作原理： 解释光子入射 PN 结，产生光生载流子，从而形成光电流的原理。 光电导模式与光伏模式： 介绍两种主要的工作模式及其应用。 响应度和量子效率： 定义并分析光电二极管的光电转换效率。 LED（发光二极管）： 工作原理： 阐述在正向偏压下，少数载流子注入，复合过程中发光的原理。 发光颜色与材料： 讨论不同半导体材料的发光颜色与其带隙的关系。 LED 的效率： 分析内部量子效率和外部量子效率。 太阳能电池： 工作原理： 介绍太阳能电池作为一种特殊的光电二极管，将太阳能转化为电能的原理。 等效电路模型： 描述太阳能电池的等效电路模型。 性能参数： 关注开路电压（Voc）、短路电流（Isc）、填充因子（FF）和能量转换效率。 光电晶体管（Phototransistor）： 介绍光电晶体管作为一种集成光电二极管和 BJT 的器件，具有更高的光电流增益。 第七章 新兴半导体材料与器件 本章将探讨当前半导体领域的前沿技术和未来发展方向，包括新型半导体材料以及基于这些材料的创新器件。 宽禁带半导体材料： SiC（碳化硅）和 GaN（氮化镓）： 介绍这些材料的优异性能，如高击穿电场、高迁移率、高热导率，以及它们在功率电子、高频器件和 LED 领域的应用。 相关器件： 简要介绍 SiC-MOSFET、GaN-HEMT 等器件。 量子点（Quantum Dots）： 基本概念： 介绍量子点的尺寸限制效应，导致其光学和电学性质的量子化。 应用： 讨论其在显示技术（QLED）、照明、生物成像等领域的潜力。 二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）： 特性： 介绍这些材料的独特电子和光学性质。 器件前景： 探讨其在超薄、柔性电子器件中的应用可能性。 忆阻器（Memristor）： 概念与工作原理： 介绍忆阻器作为第四种基本电路元件，具有记忆功能。 应用： 讨论其在神经网络计算、非易失性存储器等领域的潜力。 量子计算器件基础： 简要介绍超导量子比特、自旋量子比特等可能实现的量子计算硬件基础。 第八章 半导体器件的可靠性与封装 本章将关注半导体器件在实际应用中的稳定性和耐久性，以及如何通过封装技术来保护和集成器件。 器件失效机制： 电应力： 热击穿、电击穿（如雪崩击穿、漏致击穿）、栅氧化层击穿。 热应力： 热应力引起的形变、材料老化、连接失效。 机械应力： 封装应力、振动、冲击引起的失效。 环境因素： 潮湿、腐蚀性气体、辐射等。 可靠性测试与评估： 介绍加速寿命测试（ALT）等常用的可靠性测试方法。 封装技术： 封装的目的： 保护器件免受环境影响、提供电连接、散热。 常见的封装类型： DIP、SOP、QFP、BGA 等。 封装材料： 金属、陶瓷、塑料等。 散热设计： 讲解散热器、热界面材料等散热技术。 可靠性设计原则： 提出在器件设计和制造过程中考虑可靠性的重要性。 总结 本书系统地梳理了半导体器件的物理学基础、核心器件原理、关键性能参数以及前沿技术动态。通过深入浅出的理论阐述和概念的递进，旨在帮助读者建立对半导体器件的全面认知，为进一步学习和研究半导体技术打下坚实基础。无论是在学术研究还是工程实践中，对半导体器件的深刻理解都是不可或缺的。