Silvaco仿真在光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

況亞偉 楊希峰 涂國(guó)輝 徐競(jìng) 王書(shū)昶 張惠國(guó)

[摘 要] 光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)專(zhuān)業(yè)方向的一門(mén)集中實(shí)踐課程。該專(zhuān)業(yè)在工程認(rèn)證背景下，為了實(shí)現(xiàn)課程對(duì)指標(biāo)點(diǎn)有力的支撐，將Silvaco仿真平臺(tái)引入實(shí)驗(yàn)課程建設(shè)，設(shè)計(jì)并實(shí)踐了一系列驗(yàn)證性、設(shè)計(jì)性以及綜合性等類(lèi)型的實(shí)驗(yàn)，并與傳統(tǒng)實(shí)踐項(xiàng)目結(jié)合，在提升學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐能力的同時(shí)，增強(qiáng)學(xué)生對(duì)光電子器件理論知識(shí)的理解，提升學(xué)習(xí)主動(dòng)性。

[關(guān)鍵詞] 光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn);器件仿真;實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

一、引言

光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是光電信息科學(xué)與工程專(zhuān)業(yè)專(zhuān)業(yè)方向的一門(mén)集中實(shí)踐課程。光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)是集光電技術(shù)、信息處理技術(shù)于一體的一門(mén)綜合實(shí)驗(yàn)，是培養(yǎng)光信息科學(xué)與技術(shù)人才和光電子人才必不可少的課程，涵蓋光電子技術(shù)、光電檢測(cè)技術(shù)、信息光學(xué)、光電傳感技術(shù)原理與應(yīng)用等專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。其目的和任務(wù)是使學(xué)生掌握光電信息技術(shù)中重要光源與探測(cè)器件、光纖通信器件的基本特性和特征參數(shù)及應(yīng)用技術(shù)，熟悉現(xiàn)代光電信息處理的基本方法，學(xué)習(xí)光電信息系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)，培養(yǎng)學(xué)生正確應(yīng)用光電器件、設(shè)備，建立合適的光電系統(tǒng)，以解決實(shí)際問(wèn)題的能力。

光電子器件作為實(shí)驗(yàn)的載體，其設(shè)計(jì)的理論知識(shí)量大，與前后課程的關(guān)聯(lián)緊密。尤其在工程認(rèn)證背景下基于OBE理念的課程設(shè)置方案，該課程在畢業(yè)要求能力矩陣中的設(shè)計(jì)/開(kāi)發(fā)解決方案進(jìn)行強(qiáng)支撐，具體描述為能夠通過(guò)建模，進(jìn)行元器件參數(shù)、電路功能和性能等仿真和計(jì)算，設(shè)計(jì)滿足特定需求的硬件電路和軟件設(shè)計(jì)，并在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識(shí)。為此，課題組對(duì)光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了改革與創(chuàng)新，在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，將Silvaco仿真平臺(tái)引入實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)，利用該平臺(tái)在對(duì)復(fù)雜抽象物理概念進(jìn)行建模的基礎(chǔ)上，可以提取器件參數(shù)，有助于學(xué)生對(duì)于概念和器件工作機(jī)制的理解，更好的完成對(duì)能力矩陣的支撐。

二、仿真平臺(tái)結(jié)構(gòu)

Silvaco研發(fā)的技術(shù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)TCAD仿真軟件是行業(yè)中的佼佼者。半導(dǎo)體制造商在世界各地使用TCAD軟件包研究、開(kāi)發(fā)、試驗(yàn)、生產(chǎn)半導(dǎo)體器件和集成電路。Silvaco也是Spice參數(shù)提取軟件和模擬電路仿真軟件的SmartSpice的主要供應(yīng)商，其主要特點(diǎn)是Silvaco提供了TCAD驅(qū)動(dòng)的CAD環(huán)境，一套完整的工具使得物理半導(dǎo)體工藝，給工藝仿真和器件仿真階段的IC設(shè)計(jì)提供動(dòng)力;SPICE模型的生成和開(kāi)發(fā);互連寄生的非常準(zhǔn)確的描述;基于物理的可靠性建模以及傳統(tǒng)的CAD。

所有這些功能都集成到一個(gè)統(tǒng)一的框架，可以準(zhǔn)確提供影響工程師做出的完整設(shè)計(jì)的任何階段，它提供的性能具有可靠性并且可以直接反饋。

ATLAS仿真設(shè)備框架模擬半導(dǎo)體器件的電、光和熱行為。ATLAS提供了基于物理的易于使用、可擴(kuò)展的平臺(tái)。在此基礎(chǔ)上，對(duì)直流、交流和時(shí)域響應(yīng)，光-電，電-光轉(zhuǎn)換和二維或三維器件的其他特征進(jìn)行了分析。

圖1顯示，Silvaco提供了TCAD驅(qū)動(dòng)的的CAD環(huán)境，這套完整的工具使得物理半導(dǎo)體工藝可以為工藝仿真和器件仿真階段的IC設(shè)計(jì)提供強(qiáng)大的動(dòng)力;SPICE模型的生成和開(kāi)發(fā);互連寄生參數(shù)的極其精確的描述;基于物理的可靠性建模以及傳統(tǒng)的CAD。所有這些功能整合在統(tǒng)一的框架，為工程師在完整的設(shè)計(jì)中任何階段所做的更改而導(dǎo)致的性能、可靠性等效果，提供直接的反饋。

三、光電池器件仿真實(shí)踐

光電池是一種基于光伏效應(yīng)工作的典型光電子器件，主要分為以電源為應(yīng)用的太陽(yáng)能光電池和以光電探測(cè)為應(yīng)用的測(cè)量光電池。其中，硅基光電池以其高效率、寬光譜響應(yīng)、高穩(wěn)定性和耐高能輻射等特點(diǎn)應(yīng)用最為廣泛。在光電實(shí)驗(yàn)中，光電池的短路電流、開(kāi)路電壓、光譜特性、量子效率以及光電轉(zhuǎn)換效率測(cè)試是工程實(shí)踐中的典型參數(shù)，是認(rèn)證背景下工程能力培養(yǎng)的載體。

圖2以N型襯底制備P型擴(kuò)散結(jié)為例，模擬了硼的濃度為1×1014/cm3。磷離子注入濃度為1×1015/cm3并進(jìn)行退火處理。SiO2構(gòu)成窗口接收光輻射，在AM1.5太陽(yáng)光照射下，硅基半導(dǎo)體生光生伏特效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換成電能的能量轉(zhuǎn)換。圖3為非均勻設(shè)置網(wǎng)格，建立了器件的二維模型。

四、結(jié)論

教學(xué)改革的實(shí)踐證明基于Silvaco的光電子技術(shù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)仿真平臺(tái)的開(kāi)發(fā)對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)具有較好的輔助作用?；谀繕?biāo)導(dǎo)向的OBE理念，將理論授課和理論建模仿真演示結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)，避免了僅僅依靠多媒體課件的理論教學(xué)中知識(shí)點(diǎn)掌握不牢的缺陷，使抽象的理論知識(shí)形象化，將光電器件工作機(jī)理、制備工藝和特性參數(shù)測(cè)試有機(jī)結(jié)合，有利于學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的理解、消化。同時(shí)通過(guò)向?qū)W生開(kāi)放源代碼可激發(fā)學(xué)生編程的興趣，在提高課程的教學(xué)效果的同時(shí)提高了編程能力，逐步建成了一個(gè)與硬件實(shí)驗(yàn)互補(bǔ)、知識(shí)面覆蓋所有相關(guān)專(zhuān)業(yè)課程的實(shí)驗(yàn)課程體系。

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