況亞偉 楊希峰 涂國輝 徐競 王書昶 張惠國

[摘 要] 光電子技術(shù)實驗是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)專業(yè)方向的一門集中實踐課程。該專業(yè)在工程認證背景下，為了實現(xiàn)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(shè)，設(shè)計并實踐了一系列驗證性、設(shè)計性以及綜合性等類型的實驗，并與傳統(tǒng)實踐項目結(jié)合，在提升學(xué)生動手實踐能力的同時，增強學(xué)生對光電子器件理論知識的理解，提升學(xué)習(xí)主動性。

[關(guān)鍵詞] 光電子技術(shù)實驗;器件仿真;實驗平臺

一、引言

光電子技術(shù)實驗是光電信息科學(xué)與工程專業(yè)專業(yè)方向的一門集中實踐課程。光電子技術(shù)實驗是集光電技術(shù)、信息處理技術(shù)于一體的一門綜合實驗，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)、光電檢測技術(shù)、信息光學(xué)、光電傳感技術(shù)原理與應(yīng)用等專業(yè)基礎(chǔ)課的實驗內(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，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)，以解決實際問題的能力。

光電子器件作為實驗的載體，其設(shè)計的理論知識量大，與前后課程的關(guān)聯(lián)緊密。尤其在工程認證背景下基于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/開發(fā)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(shù)、電路功能和性能等仿真和計算，設(shè)計滿足特定需求的硬件電路和軟件設(shè)計，并在設(shè)計環(huán)節(jié)中體現(xiàn)創(chuàng)新意識。為此，課題組對光電子技術(shù)實驗進行了改革與創(chuàng)新，在傳統(tǒng)實驗項目的基礎(chǔ)上，將Silvaco仿真平臺引入實驗課程教學(xué)，利用該平臺在對復(fù)雜抽象物理概念進行建模的基礎(chǔ)上，可以提取器件參數(shù)，有助于學(xué)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(jié)構(gòu)

Silvaco研發(fā)的技術(shù)計算機輔助設(shè)計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、開發(fā)、試驗、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，其主要特點是Silvaco提供了TCAD驅(qū)動的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)計提供動力;SPICE模型的生成和開發(fā);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(tǒng)的CAD。

所有這些功能都集成到一個統(tǒng)一的框架，可以準確提供影響工程師做出的完整設(shè)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(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、可擴展的平臺。在此基礎(chǔ)上，對直流、交流和時域響應(yīng)，光-電，電-光轉(zhuǎn)換和二維或三維器件的其他特征進行了分析。

圖1顯示，Silvaco提供了TCAD驅(qū)動的的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)計提供強大的動力;SPICE模型的生成和開發(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)用的太陽能光電池和以光電探測為應(yīng)用的測量光電池。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應(yīng)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(zhuǎn)換效率測試是工程實踐中的典型參數(shù)，是認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并進行退火處理。SiO2構(gòu)成窗口接收光輻射，在AM1.5太陽光照射下，硅基半導(dǎo)體生光生伏特效應(yīng)，實現(xiàn)太陽能轉(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)改革的實踐證明基于Silvaco的光電子技術(shù)實驗教學(xué)仿真平臺的開發(fā)對實驗教學(xué)和學(xué)生自主學(xué)習(xí)具有較好的輔助作用?；谀繕藢?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，實現(xiàn)計算機輔助教學(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(shù)測試有機結(jié)合，有利于學(xué)生對知識點的理解、消化。同時通過向?qū)W生開放源代碼可激發(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(guān)專業(yè)課程的實驗課程體系。

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