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： 土星圖書專營店

齣版社： 科學

ISBN：9787030519009

商品編碼：29737257371

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

《現代半導體物理學：從量子力學到器件特性》 內容簡介 本書深入探討瞭半導體材料的物理學基礎及其在現代電子器件中的應用，旨在為讀者構建一個全麵而深刻的理解框架。從量子力學的基本原理齣發，循序漸進地闡述半導體材料的能帶結構、載流子動力學以及各種雜質和缺陷對材料性能的影響。在此基礎上，本書詳細分析瞭 PN 結、雙極晶體管（BJT）、場效應晶體管（FET）等核心半導體器件的工作原理、電流-電壓特性以及在不同應用場景下的行為。此外，還涵蓋瞭新興半導體材料、量子器件以及光電器件等前沿領域，並結閤最新的研究進展，展望瞭半導體技術未來的發展方嚮。 第一章 量子力學基礎與半導體建模 本章是全書的基石，旨在為後續半導體器件的深入分析奠定堅實的理論基礎。我們將從量子力學的基本概念入手，重點關注那些與描述半導體材料特性直接相關的方麵。 原子結構與電子軌道： 深入介紹原子的玻爾模型及其局限性，並過渡到量子力學描述下的原子模型。我們將闡述電子在原子核周圍的量子化能級和軌道，以及它們如何形成多電子原子。理解電子的波粒二象性是關鍵，它解釋瞭為何電子的行為無法用經典物理學完全描述。 薛定諤方程及其應用： 詳細推導並解釋一維和三維的薛定諤方程，這是量子力學的核心方程。我們將演示如何利用薛定諤方程求解簡單勢場中的粒子行為，例如無限深勢阱和有限深勢阱，這將為理解晶體中的電子行為提供初步的類比。 周期性勢場中的電子——布洛赫定理： 這是理解晶體材料電子行為的關鍵。我們將詳細闡述布洛赫定理，它指齣周期性勢場中電子的波函數具有特定的形式（平麵波乘以周期性函數）。這將直接引齣能帶理論的概念，解釋瞭為何在晶體中電子並非在所有能量上都可以自由存在。 固體的能帶理論： 基於布洛赫定理，我們將詳細分析固體材料中電子能級的形成。從自由電子模型到緊束縛模型，解釋瞭原子軌道如何相互作用形成連續的能帶。我們將重點區分導帶、價帶和禁帶，並給齣它們在不同材料（導體、絕緣體、半導體）中的典型分布。 有效質量概念： 理解電子和空穴在晶體中的運動需要引入有效質量的概念。我們將解釋有效質量如何由能帶的麯率決定，以及它與電子和空穴的加速、散射行為的關係。有效質量的引入極大地簡化瞭對載流子動力學的分析。 半導體材料的分類與特性： 基於能帶理論，我們將對本徵半導體（如矽、鍺）和雜質半導體（n型和p型）進行詳細分類。解釋瞭本徵載流子濃度、費米能級的位置以及它們隨溫度的變化關係。 晶體結構與晶格振動： 介紹半導體材料常見的晶體結構，如金剛石結構。討論晶格振動（聲子）的概念，以及聲子在載流子散射中的作用，例如聲學散射和光學散射。 雜質和缺陷的引入： 詳細討論摻雜（引入不同價態的雜質原子）如何改變半導體的導電類型和載流子濃度。介紹雜質能級在禁帶中的位置，以及它們對載流子扮演的角色。同時，也將涉及點缺陷（如空位、間隙原子）和綫缺陷（如位錯）對半導體材料性能的潛在影響。 第二章 載流子動力學與傳輸現象 本章將聚焦於半導體材料中載流子的運動和行為，這是理解器件功能的基礎。我們將從微觀尺度上的動力學過程齣發，推導齣宏觀的電學特性。 載流子的産生與復閤： 詳細解釋熱激發、光激發等載流子産生機製，以及它們與能帶結構的關係。深入討論載流子復閤過程，包括輻射復閤、俄歇復閤和陷阱輔助復閤。理解不同復閤機製的速率和條件對於器件效率至關重要。 漂移（Drift）： 詳細闡述在電場作用下，載流子産生定嚮運動的現象。推導載流子的漂移速度與電場強度之間的關係，引入遷移率（mobility）的概念，並分析其影響因素，如散射機製、溫度和摻雜濃度。 擴散（Diffusion）： 解釋由於載流子濃度梯度引起的擴散運動。推導擴散電流密度公式，引入擴散係數的概念。強調在 PN 結等區域，擴散是載流子傳輸的重要機製。 愛因斯坦關係： 建立遷移率和擴散係數之間的聯係，即愛因斯坦關係。這個關係深刻地揭示瞭載流子在電場和濃度梯度下的協同行為，是許多半導體器件分析的普適性原理。 載流子守恒方程（連續性方程）： 結閤載流子的産生、復閤和傳輸（漂移與擴散），推導齣載流子連續性方程。該方程是描述載流子密度隨時間和空間變化的關鍵方程，為求解復雜器件中的載流子分布提供瞭理論框架。 空穴-電子對的演化： 深入分析在不同條件下，電子和空穴各自的運動軌跡和相互作用。特彆是在非平衡穩態和瞬態情況下，空穴和電子的行為會變得復雜，需要連續性方程來精確描述。 高電場效應： 討論當電場強度很高時，載流子的漂移速度不再與電場成綫性關係，可能齣現飽和現象。介紹載流子的熱化效應和衝擊電離等高電場下的特殊行為。 第三章 PN 結的物理學 PN 結是構成幾乎所有半導體器件的基本單元。本章將深入剖析 PN 結的形成、特性以及其在整流、放大等基本功能上的實現。 PN 結的形成與空間電荷區： 詳細闡述 P 型和 N 型半導體接觸後，自由載流子嚮對方擴散，在界麵處形成空間電荷區（耗盡區）的過程。解釋空間電荷區內電場的産生及其對載流子擴散的阻礙作用。 內建電勢： 分析空間電荷區內電場在界麵處形成的電勢差，即內建電勢。推導內建電勢的錶達式，並分析其與摻雜濃度和材料性質的關係。 平衡狀態下的 PN 結： 描述 PN 結達到熱力學平衡時的狀態，此時漂移電流和擴散電流相互抵消。分析費米能級在 P 型和 N 型區域以及空間電荷區的分布。 外加偏壓下的 PN 結： 正嚮偏壓： 詳細分析外加正嚮電壓如何減小內建電勢，使大量少數載流子注入到對方區域，形成正嚮電流。推導正嚮電流-電壓（I-V）特性麯綫，並解釋其指數關係。 反嚮偏壓： 分析外加反嚮電壓如何增大內建電勢，使少數載流子被拉嚮對方區域，形成微弱的反嚮飽和電流。解釋反嚮擊穿現象，如齊納擊穿和雪崩擊穿。 PN 結的電容效應： 分析 PN 結在不同偏壓下的電容特性。區分變容電容（與空間電荷區寬度變化相關）和擴散電容（與少數載流子存儲相關），並解釋它們在高速器件中的影響。 PN 結的製造工藝概述（簡要）： 提及 PN 結的形成可以通過擴散、離子注入等工藝實現。 第四章 雙極晶體管（BJT） 雙極晶體管是一種重要的電流控製型器件，在放大和開關電路中發揮著核心作用。本章將詳細解析 BJT 的結構、工作原理以及其關鍵性能參數。 BJT 的結構與工作原理： 介紹 NPN 和 PNP 型 BJT 的結構，包括發射區、基區和集電區。深入分析在外加偏壓下，BJT 的三個工作狀態：截止區、放大區和飽和區。 放大區的載流子輸運： 詳細描述電子（NPN）或空穴（PNP）從發射區注入基區，在基區擴散，然後被集電區收集的過程。解釋基區寬度、摻雜濃度以及發射區和基區之間偏壓對電流增益的影響。 電流增益（β 和 α）： 定義並推導共發射極電流增益 β（hFE）和共基極電流增益 α。分析影響 β 的因素，如基區寬度、摻雜濃度、復閤速率等。 BJT 的輸齣特性麯綫（IC-VCE）： 繪製並分析 BJT 在不同基極電流下的輸齣特性麯綫。識彆飽和區、放大區和截止區的邊界。 BJT 的輸入特性麯綫： 分析 BJT 在共發射極配置下的輸入特性麯綫（IB-VBE）。 BJT 的頻率響應： 介紹 BJT 頻率特性的影響因素，如電容效應（巴來電容）和載流子傳輸延遲。引入特徵頻率 fT 和 fmax 的概念。 BJT 的開關特性： 分析 BJT 作為開關時的瞬態響應，包括延遲時間、上升時間、存儲時間、下降時間。 BJT 的寄生效應和可靠性： 簡要提及 BJT 中的寄生電阻、寄生電容，以及熱擊穿、電擊穿等可靠性問題。 第五章 場效應晶體管（FET） 場效應晶體管是一種電壓控製型器件，因其高輸入阻抗和低功耗而在現代電子器件中占據主導地位。本章將聚焦於 MOSFET 和 JFET 的工作原理和特性。 結型場效應晶體管（JFET）： 結構與工作原理： 介紹 N 溝道和 P 溝道 JFET 的結構，重點分析通過柵極電壓控製夾斷層寬度，從而改變溝道導電性。 夾斷電壓（Vp）： 定義夾斷電壓，並解釋其與溝道幾何形狀和摻雜濃度的關係。 輸齣特性麯綫： 繪製 JFET 在不同柵極電壓下的輸齣特性麯綫（ID-VDS）。 跨導（gm）： 定義跨導，並分析其影響因素。 金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（MOSFET）： 結構與工作原理： 詳細介紹增強型和耗盡型 N 溝道/P 溝道 MOSFET 的結構，包括金屬柵極、氧化層和半導體溝道。重點分析通過柵極電壓形成或改變溝道，從而控製漏極電流。 閾值電壓（Vt）： 定義閾值電壓，並解釋其與氧化層厚度、柵極材料、半導體摻雜等因素的關係。 MOSFET 的工作區域： 分析 MOSFET 在截止區、綫性區（歐姆區）和飽和區的工作特性。 MOSFET 的輸齣特性麯綫： 繪製 MOSFET 在不同柵極電壓下的輸齣特性麯綫（ID-VDS）。 跨導（gm）和輸齣電阻（ro）： 定義和分析 MOSFET 的跨導和輸齣電阻。 MOSFET 的電容效應： 分析柵極-源極電容（CGS）、柵極-漏極電容（CGD）、柵極-襯底電容（CGB）等，以及它們對器件速度的影響。 MOSFET 的短溝道效應： 討論當溝道長度非常短時，閾值電壓的降低、漏極誘導的勢壘降低（DIBL）等效應。 MOSFET 的體效應（Body Effect）： 分析襯底電壓的變化對閾值電壓的影響。 MOSFET 的開關特性： 分析 MOSFET 作為開關時的瞬態響應。 第六章 光電器件 光電器件能夠實現光與電的相互轉換，在通信、顯示、照明等領域有著廣泛應用。本章將介紹幾種重要的光電器件。 光電二極管： 工作原理： 解釋光子入射 PN 結，産生光生載流子，從而形成光電流的原理。 光電導模式與光伏模式： 介紹兩種主要的工作模式及其應用。 響應度和量子效率： 定義並分析光電二極管的光電轉換效率。 LED（發光二極管）： 工作原理： 闡述在正嚮偏壓下，少數載流子注入，復閤過程中發光的原理。 發光顔色與材料： 討論不同半導體材料的發光顔色與其帶隙的關係。 LED 的效率： 分析內部量子效率和外部量子效率。 太陽能電池： 工作原理： 介紹太陽能電池作為一種特殊的光電二極管，將太陽能轉化為電能的原理。 等效電路模型： 描述太陽能電池的等效電路模型。 性能參數： 關注開路電壓（Voc）、短路電流（Isc）、填充因子（FF）和能量轉換效率。 光電晶體管（Phototransistor）： 介紹光電晶體管作為一種集成光電二極管和 BJT 的器件，具有更高的光電流增益。 第七章 新興半導體材料與器件 本章將探討當前半導體領域的前沿技術和未來發展方嚮，包括新型半導體材料以及基於這些材料的創新器件。 寬禁帶半導體材料： SiC（碳化矽）和 GaN（氮化鎵）： 介紹這些材料的優異性能，如高擊穿電場、高遷移率、高熱導率，以及它們在功率電子、高頻器件和 LED 領域的應用。 相關器件： 簡要介紹 SiC-MOSFET、GaN-HEMT 等器件。 量子點（Quantum Dots）： 基本概念： 介紹量子點的尺寸限製效應，導緻其光學和電學性質的量子化。 應用： 討論其在顯示技術（QLED）、照明、生物成像等領域的潛力。 二維材料（如石墨烯、過渡金屬硫化物）： 特性： 介紹這些材料的獨特電子和光學性質。 器件前景： 探討其在超薄、柔性電子器件中的應用可能性。 憶阻器（Memristor）： 概念與工作原理： 介紹憶阻器作為第四種基本電路元件，具有記憶功能。 應用： 討論其在神經網絡計算、非易失性存儲器等領域的潛力。 量子計算器件基礎： 簡要介紹超導量子比特、自鏇量子比特等可能實現的量子計算硬件基礎。 第八章 半導體器件的可靠性與封裝 本章將關注半導體器件在實際應用中的穩定性和耐久性，以及如何通過封裝技術來保護和集成器件。 器件失效機製： 電應力： 熱擊穿、電擊穿（如雪崩擊穿、漏緻擊穿）、柵氧化層擊穿。 熱應力： 熱應力引起的形變、材料老化、連接失效。 機械應力： 封裝應力、振動、衝擊引起的失效。 環境因素： 潮濕、腐蝕性氣體、輻射等。 可靠性測試與評估： 介紹加速壽命測試（ALT）等常用的可靠性測試方法。 封裝技術： 封裝的目的： 保護器件免受環境影響、提供電連接、散熱。 常見的封裝類型： DIP、SOP、QFP、BGA 等。 封裝材料： 金屬、陶瓷、塑料等。 散熱設計： 講解散熱器、熱界麵材料等散熱技術。 可靠性設計原則： 提齣在器件設計和製造過程中考慮可靠性的重要性。 總結 本書係統地梳理瞭半導體器件的物理學基礎、核心器件原理、關鍵性能參數以及前沿技術動態。通過深入淺齣的理論闡述和概念的遞進，旨在幫助讀者建立對半導體器件的全麵認知，為進一步學習和研究半導體技術打下堅實基礎。無論是在學術研究還是工程實踐中，對半導體器件的深刻理解都是不可或缺的。

評分☆☆☆☆☆

我最近花瞭大量時間研讀瞭《計算流體力學（CFD）的高性能並行算法研究》，這本書的實用價值簡直超乎想象。它避開瞭許多傳統CFD書籍對基礎 Navier-Stokes 方程的冗長推導，而是直接聚焦於如何在大規模並行計算平颱上高效求解這些方程。作者對於有限體積法（FVM）在非結構化網格上的離散化誤差控製，特彆是對於激波捕捉的高分辨率格式（如 WENO 和 MUSCL），給齣瞭非常細緻的程序級實現細節。最讓我眼前一亮的是關於多尺度模擬（LES/DNS 混閤）的耦閤策略，以及如何利用 GPU 加速 FFT-based 求解器來處理周期性邊界條件。書中提供的並行化策略，比如領域分解和消息傳遞接口（MPI）的應用範例，都具有極強的實戰性，讓我直接可以將書中的思想應用到我們現有的大型風洞模擬代碼的優化中。對於那些希望將CFD從單核工作站提升到韆萬核超級計算機級彆的工程師和科學傢而言，這本書絕對是案頭必備的“操作手冊”。

評分☆☆☆☆☆

這本《麵嚮量子計算的算法設計與實現》絕對是近些年來硬核技術領域難得一見的精品。我第一次翻開它的時候，就被那種撲麵而來的學術深度給鎮住瞭。作者顯然不是那種隻會停留在概念層麵打轉的理論傢，他們對於量子比特的操控、量子門集的優化，乃至於如何將復雜的物理模型轉化為可執行的量子綫路，都有著極其精妙的洞察。特彆值得稱贊的是，書中對於Shor算法和Grover算法的經典實現路徑進行瞭詳盡的剖析，不僅展示瞭數學推導的嚴謹性，更重要的是，對於實際編程中會遇到的浮點誤差、退相乾噪聲等工程問題，也給齣瞭相當有價值的討論和規避策略。很多市麵上的入門讀物隻是蜻蜓點水地介紹瞭一下量子疊加和糾纏的概念，但這本書直擊核心，深入到如何利用這些特性構建齣能夠解決實際問題的計算框架。如果你真的想從“瞭解量子計算”跨越到“應用量子計算”，這本書提供的理論基石和實踐指導，幾乎是不可替代的。我個人尤其喜歡它在最後幾章中對拓撲量子計算前沿進展的介紹，視野開闊，令人振奮。

評分☆☆☆☆☆

這本書《復雜係統中的非綫性動力學與混沌控製》的閱讀體驗，就像是攀登一座知識的珠穆朗瑪峰，需要極大的耐心和對數學美感的深刻理解。它不像一般的教材那樣循規蹈矩地講解洛倫茲吸引子或彭加萊截麵，而是將這些概念融入到更廣闊的物理、生物甚至經濟係統中去探討。我特彆欣賞作者在處理高維係統穩定性分析時所采用的幾何直觀法，它使得原本晦澀難懂的李雅普諾夫指數變得生動起來。書中的案例選擇也十分新穎，例如對心律失常中周期性窗口的分析，以及湍流邊界層中的時空相乾結構，都極大地拓寬瞭讀者的應用視野。然而，也必須指齣，這本書對讀者的數學基礎要求很高，尤其是微分幾何和張量分析的知識儲備，如果稍有欠缺，理解起來會非常吃力。總的來說，這是一本適閤研究生和資深研究人員進行深度學習的經典著作，它挑戰你的思維極限，但也迴報以對自然界深層規律的洞察。

評分☆☆☆☆☆

《先進光電子器件的量子效率分析與優化》這本書，簡直是為光電領域的研究生量身定做的寶典。它的敘事邏輯非常清晰，從最基礎的載流子産生、復閤機製，到更復雜的空間電荷效應和界麵陷阱態的影響，層層遞進，邏輯嚴密。作者並沒有停留在理想化的PN結模型，而是大量引入瞭真實器件中存在的各種非理想因素——比如俄歇復閤、缺陷輔助隧穿等——並給齣瞭量化分析這些損失的數學工具。我特彆喜歡其中關於光子逃逸概率（Photon Escape Probability）的章節，它詳細闡述瞭如何通過結構設計（如光子晶體或增/減反射膜）來打破琥珀效應，極大地提升瞭器件的內部和外部量子效率。這本書的優勢在於，它不僅僅告訴你“是什麼”，更重要的是告訴你“為什麼會這樣”以及“如何改進它”。對於任何從事LED、激光器或光電探測器開發的人來說，這本書提供的分析框架，是提升器件性能上限的關鍵鑰匙。

評分☆☆☆☆☆

對於從事傳統電子學和半導體物理研究的工程師來說，《微納尺度器件的熱電效應與能量收集》無疑是一劑強心劑。過去，我們往往習慣於將熱學和電學問題在宏觀尺度上進行分離處理，但在這本書裏，作者用一係列精密的實驗數據和理論模型，無可辯駁地展示瞭在納米尺度下，電子的能量分布如何直接影響器件的整體性能，以及如何反過來利用溫差梯度來提取能量。書中對塞貝剋係數的尺寸依賴性分析尤其精彩，它不僅僅是一個數學公式的堆砌，更是對界麵效應、電子散射機製在極小尺度下如何改變物理特性的深刻揭示。我記得有一章專門討論瞭基於二維材料的納米綫熱電偶的構建，從材料選擇到薄膜沉積工藝，再到最終的性能測試，每一步都詳略得當，具有極強的可操作性。這本書的價值在於，它成功地將基礎物理原理與前沿的能量轉換技術緊密結閤，為下一代低功耗、自供能電子係統的設計提供瞭堅實的理論支撐和工程參考。