Computational Electronics: Computational Electronics.part2.rar

Author(s): Stephen M. Goodnick
Publisher: Morgan and Claypool Publishers; 1 edition
Date     : August 7, 2006
Pages    : 216
Format   : PDF
OCR      : Y
Quality  : excelent
Language : English
ISBN-10  : 1598290568


Computational electronics refers to the physical simulation of semiconductor devices in terms of charge transport and the corresponding electrical behavior. It is related to process simulation, which deals with various physical processes such as material growth, oxidation, impurity diffusion, etching, and metal deposition inherent in device fabrication. Device simulation can be thought of as one component of technology for computer-aided design (TCAD), which deals with compact behavioral models for devices and sub-circuits relevant for circuit simulation in commercial packages. The goal of this book is to provide simulation tools that capture the essential physics while at the same time minimizing the computational burden so that results are obtained within a reasonable time frame.

Contents
1. Introduction to Computational Electronics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2. Semiconductor Fundamentals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .7
2.1 Semiconductor Bandstructure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.2 Simplified Band Structure Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.3 Carrier Dynamics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.4 Effective Mass in Semiconductors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.5 Semiclassical Transport Theory. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .15
2.5.1 Approximations Made for the Distribution Function . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.6 Boltzmann Transport Equation (BTE) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
2.7 Scattering Processes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
2.8 Relaxation-Time Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .23
2.9 Solving the BTE in the Relaxation-Time Approximation. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .25
3. TheDrift–Diffusion Equations and TheirNumerical Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . .33
3.1 Drift–Diffusion Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
3.1.1 Physical Limitations on Numerical Drift–Diffusion Schemes . . . . . . . .35
3.1.2 Steady-State Solution of Bipolar Semiconductor Equations . . . . . . . . . 37
3.1.3 Normalization and Scaling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
3.1.4 Gummel’s Iteration Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .38
3.1.5 Newton’s Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
3.1.6 Generation and Recombination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .44
3.1.7 Time-Dependent Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .45
3.1.8 Scharfetter–Gummel Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .48
3.1.9 Extension of the Validity of the Drift–Diffusion Model . . . . . . . . . . . . . 50
4. Hydrodynamic Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1 Extensions of the Drift-Diffusion Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 Stratton’s Approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3 Balance Equations Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.3.1 Displaced Maxwellian Approximation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
vi CONTENTS
4.3.2 Momentum and Energy Relaxation Rates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
4.3.3 Simplifications that Lead to the Drift-Diffusion Model . . . . . . . . . . . . . 70
4.4 Numerical Solution Schemes for the Hydrodynamic Equations . . . . . . . . . . . . . . 71
4.4.1 Von Neumann Stability Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
4.4.2 Lax Method. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .73
4.4.3 Other Varieties of Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
4.4.4 Second-Order Accuracy in Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
4.4.5 Fluid Dynamics with Shocks. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .79
5. Use of Commercially Available Device Simulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.1 The Need for Semiconductor Device Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
5.1.1 Importance of Semiconductor Device Simulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.1.2 Key Elements of Physical Device Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
5.1.3 Historical Development of the Physical
Device Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
5.2 Introduction to the Silvaco ATLAS Simulation Tool . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2.1 The ATLAS Syntax. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .88
5.2.2 Choice of the Numerical Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.2.3 Solutions Obtained . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
5.2.4 Advanced Solution Techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .93
5.2.5 Run-Time Output, Log Files, Solution Files,
and the Extract Statement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
5.3 Examples of Silvaco ATLAS Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .98
5.3.1 pn-Diode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
5.3.2 MOSFET Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
5.3.3 Simulation of BJT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
5.3.4 Simulation of SOI Devices . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
5.3.5 Gate Tunneling Models . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3.6 Simulation of a MESFET . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
6. Particle-Based Device Simulation Methods. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .139
6.1 Free-Flight Generation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6.2 Final State After Scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
6.3 Ensemble Monte Carlo Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
6.4 Multicarrier Effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
6.4.1 Pauli Exclusion Principle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
6.4.2 Carrier–Carrier Interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .150
CONTENTS vii
6.4.3 Band to Band Impact Ionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .152
6.4.4 Full-Band Particle-Based Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .153
6.5 Device Simulation Using Particles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.5.1 Monte Carlo Device Simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
6.5.2 Direct Treatment of Interparticle Interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
Appendix A. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
Appendix B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .199

等发了附件，再奖励

Computational Electronics.part2

�������ص�����

[ 本帖最后由 drjiachen 于 2008-12-15 15:40 编辑 ]

Computational Electronics.part1

看看

谢谢拉:27bb :27bb

lz辛苦，给大家贡献了如此好书。

牛人啊    佩服中 ！！！！！！！！！！！！！！！！！

看到泡利不相容原理，肃然起敬，下来看看吧

thanks very much!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!

计算电子？好像从来没有接触国这个方向呢

樓主這麼慷慨
肯定是要支持一下的囉
感謝分享

虽然不是计算电磁学方向的，但下来看看，应该不错的

这个么。。很强大

看看，谢谢楼主了
辛苦了。。。

感谢楼主分享
:11bb :11bb :11bb :11bb

:31bb :11bb :11bb :11bb

:11bb :11bb :29bb

支持楼主 ~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~

好书，下来看看，不知道可不可以用来模拟气体火花开关

不錯的書籍
半導體現在正夥熱中:11bb

感谢了我。。。。。。:16bb

差点当成计算电磁学的资料了，不知道和计算电子有什么不同，学习一下

think you very much!

:27bb 4# drjiachen

瞧瞧：17de

贾博士超强

thanks..............................

如此好书！！！！！

这本书第一次见到，好像国内没有对应的这方面的专著，谢谢分享

好东西    {:7_1234:}

楼主好资料啊。

回复 drjiachen 的帖子

谢谢楼主，非常感谢楼主啊

謝謝分享

thanks very much

回复 drjiachen 的帖子

收藏看看先

不错不错

谢谢啊

翻译过来是……计算电子？？

很不错谢谢分享相当不错

thanks.......

lz辛苦，给大家贡献了如此好书。