Computational Electronics (Synthesis Lectures on Computational Electromagnetics) pdf epub mobi txt 电子书下载 2026

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出版者:Morgan and Claypool Publishers

作者:Stephen M. Goodnick

出品人:

页数:220

译者:

出版时间:2006-07-01

价格:USD 50.00

装帧:Paperback

isbn号码:9781598290561

丛书系列:

图书标签:

Computational Electronics
Electromagnetics
Computational Methods
Semiconductor Devices
Modeling
Simulation
Numerical Analysis
Electronic Devices
High-Frequency Electronics
Microwave Engineering

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具体描述

Computational Electronics is devoted to state of the art numerical techniques and physical models used in the simulation of semiconductor devices from a semi-classical perspective. Computational electronics, as a part of the general Technology Computer Aided Design (TCAD) field, has become increasingly important as the cost of semiconductor manufacturing has grown exponentially, with a concurrent need to reduce the time from design to manufacture. The motivation for this volume is the need within the modeling and simulation community for a comprehensive text which spans basic drift-diffusion modeling, through energy balance and hydrodynamic models, and finally particle based simulation. One unique feature of this book is a specific focus on numerical examples, particularly the use of commercially available software in the TCAD community. The concept for this book originated from a first year graduate course on computational electronics, taught now for several years, in the Electrical Engineering Department at Arizona State University. Numerous exercises and projects were derived from this course and have been included. The prerequisite knowledge is a fundamental understanding of basic semiconductor physics, the physical models for various device technologies such as pndiodes, bipolar junction transistors, and field effect transistors.

好的，这是一份针对《计算电子学》（Computational Electronics）一书内容的不包含该书具体内容的详细图书简介，旨在描述该领域研究的广泛性、重要性及其面临的关键挑战，同时聚焦于计算方法在电子学研究中的应用背景，字数控制在1500字左右。 --- 图书主题：前沿电子系统与器件的计算建模与仿真：超越现有计算框架的挑战与机遇引言：电子学计算的时代要求在当代电子科学与工程领域，器件尺寸的持续微缩、工作频率的不断攀升以及系统复杂性的爆炸式增长，使得传统基于解析公式的估算方法日益显得力不从心。现代半导体技术，无论是面向超大规模集成电路（VLSI）的设计、新一代存储技术（如MRAM或ReRAM）的开发，还是前沿光电器件（如量子点激光器或高频射频器件）的性能优化，都已完全依赖于高精度的、跨尺度的计算模型与仿真技术。这些计算模型不仅需要准确描述电子在纳米尺度下的量子力学行为，还必须有效地集成到宏观的电路级仿真环境中，以实现从材料到系统的全流程设计闭环。本书并非聚焦于某一特定计算工具的使用手册，而是深入剖析支撑整个现代电子学计算方法论背后的核心物理机制、数学挑战，以及当前计算框架所面临的瓶颈。第一部分：微观电子输运机制的精确刻画与挑战电子在半导体材料中的运动，是所有现代电子器件功能的基石。在亚微米甚至纳米尺度下，电子输运不再仅仅是经典Drude模型的范畴。本部分将探讨理解和计算这些复杂输运现象所必需的理论基础，以及当前方法在处理这些复杂性时遇到的困难。 1. 量子输运与非平衡态电子动力学：对于极小尺寸的器件，如单电子晶体管或分子电子学结构，波函数的相干性、量子隧穿效应以及电子-声子散射的相互作用变得至关重要。如何有效地求解和模拟非平衡态下的玻尔兹曼输运方程（BTE），特别是当散射项变得高度非线性或需要考虑高阶矩展开时，是一个巨大的计算挑战。我们关注的是那些超越标准蒙特卡洛（Monte Carlo）方法（尤其是在低维或强相互作用体系中）的替代方案，例如基于矩阵链方法的量子动力学模拟，以及如何将密度泛函理论（DFT）或更高级的量子化学方法的结果，以物理可行的方式桥接到半导体器件的输运模拟中。 2. 跨尺度建模的“鸿沟”：电子器件的性能表现往往是跨越了皮米（原子尺度）、纳米（器件结构）和微米（电路互连）尺度的复杂耦合结果。如何建立一个在计算成本可接受的前提下，能有效连接这些尺度模型的框架至关重要。传统的基于有限元或有限差分的方法在处理陡峭的势垒或极端的电场梯度时，往往需要在网格划分上付出沉重的代价。本部分将审视多尺度耦合方法的固有难度，例如如何将原子尺度的势能面信息，提炼并嵌入到半经典或漂移扩散模型的参数中，而不损失关键的物理细节。第二部分：新兴器件与材料的计算需求随着摩尔定律的放缓，电子学研究正转向新材料和新概念，如二维材料（如石墨烯、过渡金属硫化物）、铁电隧道结以及自旋电子学。这些系统带来了全新的物理现象和计算难题。 1. 二维材料的电子结构计算：二维材料（2D Materials）因其独特的狄拉克锥或线性色散关系，展现出非凡的电学特性。计算这些材料的带结构、载流子迁移率以及缺陷影响，要求计算工具能够高效处理大晶胞、强自旋轨道耦合（SOC）效应，以及在存在界面或褶皱时的电子态的精确描述。挑战在于如何在高通量计算的需求下，保持量子力学计算（如基于平面波或局域轨道的方法）的准确性，同时有效计算其在异质结界面上的能带失配。 2. 铁电与阻变存储器（RRAM）的动力学：非易失性存储器依赖于材料的慢速、非线性变化——例如极化反转或忆阻器中的界面迁移率。这些过程涉及原子尺度的缺陷动力学、界面电荷陷阱以及宏观电学响应之间的复杂时间尺度耦合。计算模型必须能够捕捉从亚皮秒级的电子响应到微秒甚至毫秒级的极化弛豫过程，这极大地考验了现有时间尺度分离方法的适用性。第三部分：热管理与电热耦合的计算复杂性现代高密度集成电路中，功耗密度的增加使得热效应不再是次要因素，而是决定器件寿命和可靠性的首要限制。 1. 瞬态热效应的求解：精确模拟芯片内部的热点分布，需要求解复杂的傅里叶热传导方程，特别是对于具有各向异性热导率和多孔结构（如散热器或封装材料）的复杂几何体。当器件工作在纳秒级脉冲下时，热量在材料内部的快速扩散要求计算方法具备极高的时间步进精度，同时要处理好电子学模型（快速）与热学模型（相对慢速）之间的热耦合系数。 2. 载流子能量耗散与局域加热：电子在散射和复合过程中释放的能量直接导致了局部温度升高，进而影响了载流子的有效质量和迁移率，形成了负反馈。计算模型必须将电子输运模拟（通常基于非平衡态统计力学）与热力学（基于能量守恒）紧密耦合。如何准确计算由高能电子传递给晶格的能量，是目前计算电子学中热管理模拟的关键难点之一。结论：面向未来的计算范式综上所述，现代电子学的计算需求已远远超出了传统半经典方法的舒适区。未来的计算电子学研究将需要更强大的数值算法来处理非线性、多物理场耦合、高维度的状态空间以及巨大的时间尺度差异。这要求研究人员深入理解底层物理，并积极探索如高阶张量网络方法、机器学习辅助的势能面构建、以及大规模并行计算架构下的新型有限元/差分求解器等前沿计算范式，以期在下一代电子系统的设计中取得突破。