Silvaco仿真在光電子技術實驗教學中的應用

況亞偉 楊希峰 涂國輝 徐競 王書昶 張惠國

[摘 要] 光電子技術實驗是光電信息科學與工程專業專業方向的一門集中實踐課程。該專業在工程認證背景下，為了實現課程對指標點有力的支撐，將Silvaco仿真平臺引入實驗課程建設，設計并實踐了一系列驗證性、設計性以及綜合性等類型的實驗，并與傳統實踐項目結合，在提升學生動手實踐能力的同時，增強學生對光電子器件理論知識的理解，提升學習主動性。

[關鍵詞] 光電子技術實驗;器件仿真;實驗平臺

一、引言

光電子技術實驗是光電信息科學與工程專業專業方向的一門集中實踐課程。光電子技術實驗是集光電技術、信息處理技術于一體的一門綜合實驗，是培養光信息科學與技術人才和光電子人才必不可少的課程，涵蓋光電子技術、光電檢測技術、信息光學、光電傳感技術原理與應用等專業基礎課的實驗內容。其目的和任務是使學生掌握光電信息技術中重要光源與探測器件、光纖通信器件的基本特性和特征參數及應用技術，熟悉現代光電信息處理的基本方法，學習光電信息系統的軟硬件設計，培養學生正確應用光電器件、設備，建立合適的光電系統，以解決實際問題的能力。

光電子器件作為實驗的載體，其設計的理論知識量大，與前后課程的關聯緊密。尤其在工程認證背景下基于OBE理念的課程設置方案，該課程在畢業要求能力矩陣中的設計/開發解決方案進行強支撐，具體描述為能夠通過建模，進行元器件參數、電路功能和性能等仿真和計算，設計滿足特定需求的硬件電路和軟件設計，并在設計環節中體現創新意識。為此，課題組對光電子技術實驗進行了改革與創新，在傳統實驗項目的基礎上，將Silvaco仿真平臺引入實驗課程教學，利用該平臺在對復雜抽象物理概念進行建模的基礎上，可以提取器件參數，有助于學生對于概念和器件工作機制的理解，更好的完成對能力矩陣的支撐。

二、仿真平臺結構

Silvaco研發的技術計算機輔助設計TCAD仿真軟件是行業中的佼佼者。半導體制造商在世界各地使用TCAD軟件包研究、開發、試驗、生產半導體器件和集成電路。Silvaco也是Spice參數提取軟件和模擬電路仿真軟件的SmartSpice的主要供應商，其主要特點是Silvaco提供了TCAD驅動的CAD環境，一套完整的工具使得物理半導體工藝，給工藝仿真和器件仿真階段的IC設計提供動力;SPICE模型的生成和開發;互連寄生的非常準確的描述;基于物理的可靠性建模以及傳統的CAD。

所有這些功能都集成到一個統一的框架，可以準確提供影響工程師做出的完整設計的任何階段，它提供的性能具有可靠性并且可以直接反饋。

ATLAS仿真設備框架模擬半導體器件的電、光和熱行為。ATLAS提供了基于物理的易于使用、可擴展的平臺。在此基礎上，對直流、交流和時域響應，光-電，電-光轉換和二維或三維器件的其他特征進行了分析。

圖1顯示，Silvaco提供了TCAD驅動的的CAD環境，這套完整的工具使得物理半導體工藝可以為工藝仿真和器件仿真階段的IC設計提供強大的動力;SPICE模型的生成和開發;互連寄生參數的極其精確的描述;基于物理的可靠性建模以及傳統的CAD。所有這些功能整合在統一的框架，為工程師在完整的設計中任何階段所做的更改而導致的性能、可靠性等效果，提供直接的反饋。

三、光電池器件仿真實踐

光電池是一種基于光伏效應工作的典型光電子器件，主要分為以電源為應用的太陽能光電池和以光電探測為應用的測量光電池。其中，硅基光電池以其高效率、寬光譜響應、高穩定性和耐高能輻射等特點應用最為廣泛。在光電實驗中，光電池的短路電流、開路電壓、光譜特性、量子效率以及光電轉換效率測試是工程實踐中的典型參數，是認證背景下工程能力培養的載體。

圖2以N型襯底制備P型擴散結為例，模擬了硼的濃度為1×1014/cm3。磷離子注入濃度為1×1015/cm3并進行退火處理。SiO2構成窗口接收光輻射，在AM1.5太陽光照射下，硅基半導體生光生伏特效應，實現太陽能轉換成電能的能量轉換。圖3為非均勻設置網格，建立了器件的二維模型。

四、結論

教學改革的實踐證明基于Silvaco的光電子技術實驗教學仿真平臺的開發對實驗教學和學生自主學習具有較好的輔助作用。基于目標導向的OBE理念，將理論授課和理論建模仿真演示結合起來，實現計算機輔助教學，避免了僅僅依靠多媒體課件的理論教學中知識點掌握不牢的缺陷，使抽象的理論知識形象化，將光電器件工作機理、制備工藝和特性參數測試有機結合，有利于學生對知識點的理解、消化。同時通過向學生開放源代碼可激發學生編程的興趣，在提高課程的教學效果的同時提高了編程能力，逐步建成了一個與硬件實驗互補、知識面覆蓋所有相關專業課程的實驗課程體系。

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