Silvaco仿真在光电子技术实验教学中的应用

Silvaco仿真在光电子技术实验教学中的应用
作者：况亚伟杨希峰涂国辉徐竞王书昶张惠国
来源：《教育教学论坛》2020年第18期
[摘要] 光电子技术实验是光电信息科学与工程专业专业方向的一门集中实践课程。

该专业在工程认证背景下，为了实现课程对指标点有力的支撑，将Silvaco仿真平台引入实验课程建设，设计并实践了一系列验证性、设计性以及综合性等类型的实验，并与传统实践项目结合，在提升学生动手实践能力的同时，增强学生对光电子器件理论知识的理解，提升学习主动性。

[关键词] 光电子技術实验;器件仿真;实验平台
一、引言
光电子技术实验是光电信息科学与工程专业专业方向的一门集中实践课程。

光电子技术实验是集光电技术、信息处理技术于一体的一门综合实验，是培养光信息科学与技术人才和光电子人才必不可少的课程，涵盖光电子技术、光电检测技术、信息光学、光电传感技术原理与应用等专业基础课的实验内容。

其目的和任务是使学生掌握光电信息技术中重要光源与探测器件、光纤通信器件的基本特性和特征参数及应用技术，熟悉现代光电信息处理的基本方法，学习光电信息系统的软硬件设计，培养学生正确应用光电器件、设备，建立合适的光电系统，以解决实际问题的能力。

光电子器件作为实验的载体，其设计的理论知识量大，与前后课程的关联紧密。

尤其在工程认证背景下基于OBE理念的课程设置方案，该课程在毕业要求能力矩阵中的设计/开发解决方案进行强支撑，具体描述为能够通过建模，进行元器件参数、电路功能和性能等仿真和计算，设计满足特定需求的硬件电路和软件设计，并在设计环节中体现创新意识。

为此，课题组对光电子技术实验进行了改革与创新，在传统实验项目的基础上，将Silvaco仿真平台引入实验课程教学，利用该平台在对复杂抽象物理概念进行建模的基础上，可以提取器件参数，有助于学生对于概念和器件工作机制的理解，更好的完成对能力矩阵的支撑。

二、仿真平台结构
Silvaco研发的技术计算机辅助设计TCAD仿真软件是行业中的佼佼者。

半导体制造商在世界各地使用TCAD软件包研究、开发、试验、生产半导体器件和集成电路。

Silvaco也是Spice参数提取软件和模拟电路仿真软件的SmartSpice的主要供应商，其主要特点是Silvaco提供了TCAD驱动的CAD环境，一套完整的工具使得物理半导体工艺，给工艺仿真和器件仿真阶段的IC设计提供动力;SPICE模型的生成和开发;互连寄生的非常准确的描述;基于物理的可靠性建模以及传统的CAD。

所有这些功能都集成到一个统一的框架，可以准确提供影响工程师做出的完整设计的任何阶段，它提供的性能具有可靠性并且可以直接反馈。

ATLAS仿真设备框架模拟半导体器件的电、光和热行为。

ATLAS提供了基于物理的易于使用、可扩展的平台。

在此基础上，对直流、交流和时域响应，光-电，电-光转换和二维或三维器件的其他特征进行了分析。

图1显示，Silvaco提供了TCAD驱动的的CAD环境，这套完整的工具使得物理半导体工艺可以为工艺仿真和器件仿真阶段的IC设计提供强大的动力;SPICE模型的生成和开发;互连寄生参数的极其精确的描述;基于物理的可靠性建模以及传统的CAD。

所有这些功能整合在统一的框架，为工程师在完整的设计中任何阶段所做的更改而导致的性能、可靠性等效果，提供直接的反馈。

三、光电池器件仿真实践
光电池是一种基于光伏效应工作的典型光电子器件，主要分为以电源为应用的太阳能光电池和以光电探测为应用的测量光电池。

其中，硅基光电池以其高效率、宽光谱响应、高稳定性和耐高能辐射等特点应用最为广泛。

在光电实验中，光电池的短路电流、开路电压、光谱特性、量子效率以及光电转换效率测试是工程实践中的典型参数，是认证背景下工程能力培养的载体。

图2以N型衬底制备P型扩散结为例，模拟了硼的浓度为1×1014/cm3。

磷离子注入浓度为1×1015/cm3并进行退火处理。

SiO2构成窗口接收光辐射，在AM1.5太阳光照射下，硅基半导体生光生伏特效应，实现太阳能转换成电能的能量转换。

图3为非均匀设置网格，建立了器件的二维模型。

四、结论
教学改革的实践证明基于Silvaco的光电子技术实验教学仿真平台的开发对实验教学和学生自主学习具有较好的辅助作用。

基于目标导向的OBE理念，将理论授课和理论建模仿真演示结合起来，实现计算机辅助教学，避免了仅仅依靠多媒体课件的理论教学中知识点掌握不牢的缺陷，使抽象的理论知识形象化，将光电器件工作机理、制备工艺和特性参数测试有机结合，有利于学生对知识点的理解、消化。

同时通过向学生开放源代码可激发学生编程的兴趣，在提高课程的教学效果的同时提高了编程能力，逐步建成了一个与硬件实验互补、知识面覆盖所有相关专业课程的实验课程体系。

参考文献
[1]尹娟娟，俞侃，包佳祺.仿真软件在光电专业核心课程中的应用研究[J].教育教学论坛，2018，（47）：185-187.
[2]王本新.FDTD数值仿真软件在光电子技术课程中的应用研究[J].价值工程，2018，37（29）：296-297.
[3]甘永莹，秦祖军，汪杰君.有关光电信息技术实验的教学改革探讨[J].科技创新导报，2018，15（13）：238-239.
[4]陈英，王路露，周远，刘安玲.应用型本科光电信息实验教学体系的改革与实践[J].当代教育实践与教学研究，2017，（10）：176.
[5]甘永进.基于虚拟仿真的光电测量实验教学改革实践[J].玉林师范学院学报，2017，38（05）：49-52.
[6]姚日晖，文尚胜，吴为敬，郑奕娜，王丹，郑相宇，马强.光电材料与器件国家级虚拟仿真实验教学中心建设与实践[J].实验技术与管理，2017，34（03）：1-3+12.。