半导体器件的电磁热一体化建模

摘要

大量试验研究证明，温度发生变化的同时，半导体器件的本构参数矩阵也会发生变化，从而改变电路原有的电磁场分布特性。电路和器件的小型化和集成化以及半导体器件的广泛运用，导致电路中的能耗密度进一步增大，温度增高，而高温会严重影响电路和器件运行的可靠性，从而对电磁兼容与防护提出了新的要求。
　　由于器件温度会随时间改变，难以进行试验测量，本文提出一种基于多物理场耦合的时域有限差分算法，建立热场与电磁场的有限差分法和时域有限差分法（FDM-FDTD）一体化模型。即，使用有限差分法（FDM）实时计算目标体的热传导，使用时域有限差分法（FDTD）计算电磁波与目标体的相互作用。由于热场与电磁场的传播速度相差108倍，时间尺度相差很大，传统FDM-FDTD法在计算热场和电磁场时是单独进行循环迭代，本文使用时间尺度统一算法，将热场与电磁场的迭代同步，极大缩短了计算时间。基于该模型，本文对半导体器件中不同材料元件的热传导特性进行了分析，数值试验表明，温度的分布通常是非均匀的，导致目标体本构参数也呈非均匀性。本模型的建立可为进一步研究半导体器件的电磁干扰与防护提供技术支持。

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主要符号说明

第一章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 半导体器件的材料结构

1.3 电磁热互耦原理

1.4 国内外研究现状

1.5 本文的主要工作与创新点

第二章 器件中热的来源与传递

2.1 热的来源

2.2 热传递的概述

2.3 热传递的三种基本方式

2.4 本章小结

第三章 热传递的计算

3.1 导热问题的有限差分求解思路

3.2 控制体的内节点方程

3.3 控制体的边界节点方程

3.4 热学程序的设计与验证

3.5 数值试验与结论

3.6 小结

第四章 电磁场的计算

4.1 时域有限差分方法的概况

4.2 麦克斯韦方程组与介质本构关系

4.3 FDTD算法原理[45-48]

4.4 三维直角坐标系中的FDTD

4.5 数值试验与结论

4.6 小结

第五章 电磁热的一体化建模

5.1 热磁互耦的概述

5.2 热磁互耦分析的基本物理方程

5.3 热场、电磁场耦合关系

5.4 热磁耦合时间尺度的统一[55,56]

5.5 数值试验与结论

5.6 小结

第六章 总结与展望

6.1 研究总结

6.2 本课题研究展望

参考文献

个人简历 在读期间发表的学术论文

致谢