南京邮电大学软件设计实验报告

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1、-软件设计报告( 2014 / 2015 学年 第 二 学期)课程名称软件设计 指导老师赵江 实习时间第十八周 学生*_学院_专业. z.-软件设计课程编号：B0465011C适用专业：班级：一、所涉及的课程及知识点涉及的课程：第6学期之前的专业基础课程。知识点：专业基础课程中所学的知识点。二、目的与任务目的：通过软件设计，培养学生的实践能力和创新精神，加强学生对专业基础课程的理解和掌握，加强学生高级语言编程能力、应用软件以及仿真能力。 任务：选择以下任一模块进行设计：Matlab软件仿真、C语言及应用。软件设计的内容题目1：如果给出两个矩阵，执行下面的矩阵运算命令。（1） 和分别是多少（其中

2、I为单位矩阵）？（2） 和将分别给出什么结果，它们是否相同？为什么？逻辑功能程序：function = E*P1()A=4,12,20;12,45,78;20,78,136;B=1,2,3;4,5,6;7,8,0;I=eye(3);disp(A+5*B=);disp(A+5*B);disp(A-B+I=)disp(A-B+I);disp(A.*B=);disp(A.*B)disp(A*B=);disp(A*B);End实验过程与结果打开matlab，在命令窗口“mand Window”中键入edit,启动程序编辑器。输入完整程序后利用save as储存为M文件，文件名为E*P1。返回主界面，在

3、命令窗口 “mand Window”中输入函数E*P1()，按下回车，得到程序运行结果如下： E*P1()A+5*B= 9 22 35 32 70 108 55 118 136A-B+I= 4 10 17 8 41 72 13 70 137A.*B= 4 24 60 48 225 468 140 624 0A*B= 192 228 84 738 873 306 1284 1518 528实验结果分析（1） 利用MATLAB提供的disp函数既可以输出表达式、数值，也可以输出字符串，其调用方式为：disp(表达式或数值）、disp（待显示字符串）；（2） 在MATLAB的矩阵运算中，+、-运算符

4、通用，表示矩阵相加、减；*与.*不同在于*表示矩阵乘法，而.*表示矩阵对应位置元素相乘，所以*要求两个矩阵的行、列数互为转置，而.*则要求两个矩阵行、列数要相同；（3） 使用eye可以获得单位矩阵函数（矩阵对角线处元素为1，其余元素为0），矩阵的阶数由括号内的值决定，格式为eye(n),n为矩阵阶数。题目2：请绘制出一个圆形，要求用函数实现。逻辑功能程序function = E*P2(a,b,R)t=0:pi/150:2*pi;*=a+R*cos(t);y=b+R*sin(t);hold on;plot(*,y);plot(a,b,+);a*is(a-R,a+R,b-R,b+R);a*is e

5、qual;title(圆:(*-a)2+(y-b)2=R2);legend(*-,num2str(a),)2+(y-,num2str(b),)2=,num2str(R),2);hold off;end实验过程与结果打开matlab，在命令窗口“mand Window”中键入edit,启动程序编辑器。输入完整程序后利用save as储存为M文件，文件名为E*P2。返回主界面，在命令窗口 “mand Window”中输入函数E*P2()，按下回车，得到程序运行结果如下：E*P2(15,25,40) 实验结果分析（1） 构建关于圆的参数方程，使用hold on的使用保证后绘的图不会覆盖先绘的图，在程

6、序结束前使用hold off；（2） 为了使圆的圆心位置和半径长度等参数可调，所以函数使用了带参量的输入方式；（3） 绘图使用plot函数，带参数可以限制绘图范围，plot函数绘制圆心用符号+表示；（4） a*is equal是坐标轴刻度等距，这样是图形显示的不失真；（5） lengend、num2str函数添加图形注释，lengend添加注释的调用格式为lengend(字符串，num2str使数值转换成字符，num2str（数值或数值的表达式）；题目3：双极型晶体管基区少子浓度分布试绘出缓变基区的杂质分布为：；时，基区的少子浓度分布图，并能清楚解释各参量对少子浓度分布函数的影响。程序说明：当

7、晶体管偏置在有源放大区时，VCkT/q，集电结边缘处电子密度为零，即*=WB，nB(WB)=0。由此边界条件，得到缓变基区少子浓度分布函数：假定：InE=0.01mA；DnB=2cm2/s；WB=0.05um；q=1.6e-19C。逻辑功能程序function = Question3( )syms *etaNB0InEDnBWBqa;NB1*=NB0*(1-*/WB);NB2*=NB0*e*p(-eta*/WB);nB*=InE*int(NB2*,*,*,WB)/(NB2*q*DnB);nB0=InE*WB/(q*DnB);y=nB*/nB0;nB0=subs(nB0,InE,DnB,WB,q

8、,0.01,2,0.05,1.6*10-19);y=subs(y,*,a*WB);y=subs(y,q,1.6*10-19);for i=0:2:8y*=limit(y,eta,i);ezplot(y*,0,1);te*t(0.5-0.05*i,subs(y*,a,(0.5-0.05*i),=,num2str(i);hold on;endhold off;grid on;title(不同内建电场下的基区少子浓度分布);te*t(0.5,0.85,nB0=InE*WB/(q*DnB)=,num2str(nB0*10-15),*108cm-2);*label(*/WB);ylabel(nB*q*D

9、nB/(InE*WB);a*is(0,1,0,1);end实验过程与结果打开matlab，在命令窗口“mand Window”中键入edit,启动程序编辑器。输入完整程序后利用save as储存为M文件，文件名为E*P1。返回主界面，在命令窗口 “mand Window”中输入函数E*P1()，按下回车，得到程序运行结果如下：Question3()实验结果分析（1） 当杂质浓度呈线性分布时，少子浓度分布呈线性变化。少子浓度随基区宽度的增大逐渐减小；（2） 当杂质浓度呈指数分布时，少子浓度分布也呈指数变化。少子浓度随基区宽度的增大逐渐减小；（3） 随着eta的增大，基区少子浓度逐渐减少，这是因为

10、内建电场增大的原因，达到同样电流密度所需少子浓度梯度较低；（4） 符号变量及其表达式的使用需要提前定义，用syms 定义；（5） 对符号或表达式的积分采用int函数，可以指定上下限，也可以只是不定积分。题目4：确定PN结势垒区内电场分布和碰撞电离率随反偏电压的变化关系。（1） 基本目标：突变结分析（2） 标准目标：突变结线性缓变结分析设计物理基础背景(1)突变结势垒区内电场分布分析内建电势N区耗尽区宽度 P区耗尽区宽度 ， 其中，为反偏电压，约化浓度 电场强度在耗尽区中的变化关系如下式（1-4）、（1-5）所示： () () 且在处达到最大值 (2)线性缓变结电场分布分析内建电势 其中，杂质浓

11、度梯度为常数，不妨取耗尽区宽度 电场强度在处达到最大值 电场强度在耗尽区的变化关系为 (3)碰撞电离率随反偏电压的变化关系 碰撞电离率 碰撞电离率表达式中的常数值材 料电 子空 穴硅1代入上式（1-11），得：电子碰撞电离率 空穴碰撞电离率 附： ，V逻辑功能程序function = Question4(ND,NA)syms V*;V0=0.026;ni=1.5*1010;epsilon0=8.854*10-14;q=1.60219*10-19;a=1019;An=7.03*105;Bn=1.23*106;Ap=1.58*106;Bp=2.03*106;m=1;epsilons=11.9*ep

12、silon0;N0=NA*ND/(NA+ND);Vbi=V0*log(ND*NA/ni2); %常量*n=sqrt(2*epsilons*N0*(Vbi+V)/q)/ND;*p=sqrt(2*epsilons*N0*(Vbi+V)/q)/NA;E*n=q*(*n+*)*ND/epsilons;E*p=q*(*p-*)*NA/epsilons;Ema*=subs(E*n,*,0);%Vbih=V0*log(a/(2*ni)*(12*epsilons*Vbi/(a*q)(1/3)2);*p_h=(1/2)*(12*epsilons*(Vbi+V)/(a*q)(1/3);*n_h=*p_h;Ema*

13、_h=(a*q/(8*epsilons)*(*n_h+*p_h)2;E_h=Ema*_h*(1-(*/*p_h)2);alphai_nn=An*e*p(-(Bn/E*n)m);alphai_pn=An*e*p(-(Bn/E*p)m);alphai_np=Ap*e*p(-(Bp/E*n)m);alphai_pp=Ap*e*p(-(Bp/E*p)m);alphai_nma*=subs(alphai_nn,*,0);alphai_pma*=subs(alphai_pp,*,0);alphai_nh=An*e*p(-(Bn/E_h)m);alphai_ph=Ap*e*p(-(Bp/E_h)m);alp

14、hai_nhma*=subs(alphai_nh,*,0);alphai_phma*=subs(alphai_ph,*,0);%作图%for i=0:2:8 figure(1);subplot(2,1,1); %突变结ezplot(subs(E*n,V,i),-subs(*n,V,i),0);hold on;ezplot(subs(E*p,V,i),0,subs(*p,V,i);a*is(-subs(*n,V,i),subs(*p,V,i),0,subs(Ema*,V,i);ylabel(|E|);te*t(subs(*p/2,V,i),subs(E*p,*,V,subs(*p/2,V,i),

15、i),V=,num2str(i),v);grid on;title(突变结电场分布);subplot(2,1,2); %缓变结ezplot(subs(E_h,V,i),-subs(*n_h,V,i),subs(*p_h,V,i);hold on;a*is(-subs(*n_h,V,i),subs(*p_h,V,i),0,subs(Ema*_h,V,i);ylabel(|E|);te*t(subs(*p_h/2,V,i),subs(E_h,*,V,subs(*p_h/2,V,i),i),V=,num2str(i),v);grid on;title(线性缓变结电场分布);figure(2); su

16、bplot(2,2,1); %突变结电子碰撞电离率ezplot(sqrt(subs(alphai_nn,V,i),-subs(*n,V,i),0);hold on;ezplot(sqrt(subs(alphai_pn,V,i),0,subs(*p,V,i);a*is(-subs(*n,V,i),subs(*p,V,i),0,sqrt(subs(alphai_nma*,V,i);ylabel(（i）(1/2);te*t(0,subs(sqrt(alphai_pn),*,V,0,i),V=,num2str(i),v);grid on;title(突变结电子碰撞电离率分布);subplot(2,2,

17、2); %突变结空穴碰撞电离率ezplot(sqrt(subs(alphai_np,V,i),-subs(*n,V,i),0);hold on;ezplot(sqrt(subs(alphai_pp,V,i),0,subs(*p,V,i);a*is(-subs(*n,V,i),subs(*p,V,i),0,sqrt(subs(alphai_pma*,V,i);ylabel(（i）(1/2);te*t(0,subs(sqrt(alphai_pp),*,V,0,i),V=,num2str(i),v);grid on;title(突变结空穴碰撞电离率分布);subplot(2,2,3); %缓变结电子

18、碰撞电离率ezplot(log10(subs(alphai_nh,V,i),-subs(*n_h,V,i),subs(*p_h,V,i);hold on;ylabel(log10(i);te*t(0,subs(log10(alphai_nh),*,V,0,i),V=,num2str(i),v);grid on;title(线性缓变结电子碰撞电离率分布);subplot(2,2,4); %缓变结空穴碰撞电离率ezplot(log10(subs(alphai_ph,V,i),-subs(*n_h,V,i),subs(*p_h,V,i);hold on;ylabel(log10(i);te*t(0,

19、subs(log10(alphai_ph),*,V,0,i),V=,num2str(i),v);grid on;title(线性缓变结空穴碰撞电离率分布);endend实验过程与结果运行matlab，在菜单栏中点击“File”，选择“NewFunction M-File”，命名为Question4，键入整个函数，在主界面的“mand Window”中输入函数Question4(ND,NA)，其中ND是施主杂质浓度，NA是受主杂质浓度，按回车会显示结果，具体显示如下：Question4(2*1016,9*1016)实验结果分析（1） 对多图的绘制，subplot函数使不同类的函数分别绘制在不同的

20、坐标中，同时使用hold on让曲线叠加；（2） 由突变结电场分布图得到势垒区内的电场强度与距离结的距离成线性关系，随着距离增大，电场强度逐渐从最大值减小，直到PN结的边缘减少为零；（3） 由突变结电场分布图还可以得到杂质浓度大的一侧结宽较小，而且结宽之比与浓度之比成反比；（4） 电离率随着电场的增加增加，且在电场最大时电离率也是最大，而且电压依赖比较大，同等条件下空穴的电离率要小于电子的电离率；题目5：确定雪崩倍增因子随外加反偏电压的变化关系。（1） 基本目标：突变结分析（2） 标准目标：突变结线性缓变结分析设计物理基础背景空穴雪崩倍增因子电子雪崩倍增因子逻辑功能程序function = Q

21、uestion5(NA,ND)syms V*t;V0=0.026;ni=1.5*1010;epsilon0=8.854*10-14;q=1.60219*10-19;a=1019;An=7.03*105;Bn=1.23*106;Ap=1.58*106;Bp=2.03*106;m=1;epsilons=11.9*epsilon0;N0=NA*ND/(NA+ND);Vbi=V0*log(ND*NA/ni2); %常量%突变结雪崩倍增因子%for V=32:0.04:46 *n=sqrt(2*epsilons*N0*(Vbi+V)/q)/ND; *p=sqrt(2*epsilons*N0*(Vbi+V

22、)/q)/NA; E*n=q*(*n+*)*ND/epsilons; E*p=q*(*p-*)*NA/epsilons; Ema*=subs(E*n,*,0);%Vbih=V0*log(a/(2*ni)*(12*epsilons*Vbi/(a*q)(1/3)2) alphai_nn=An*e*p(-(Bn/E*n); alphai_pn=An*e*p(-(Bn/E*p); alphai_np=Ap*e*p(-(Bp/E*n); alphai_pp=Ap*e*p(-(Bp/E*p); int0=quad(matlabFunction(alphai_nn-alphai_np),*n/1000-*n

23、,0); int_nn=quad2d(matlabFunction(alphai_nn.*subs(alphai_nn-alphai_np,*,t),-*n,0,-*n,(*) *); int_pn=quad2d(matlabFunction(alphai_pn.*(subs(alphai_pn-alphai_pp,*,t)+int0),0,*p,0,(*) *); int_n=int_nn+int_pn; Mn=1/(1-int_n); int_np=quad2d(matlabFunction(alphai_np.*subs(alphai_nn-alphai_np,*,t),-*n,0,-*

24、n,(*) *); int_pp=quad2d(matlabFunction(alphai_pp.*(subs(alphai_pn-alphai_pp,*,t)+int0),0,*p,0,(*) *); int_p=int_np+int_pp; Mp=1/(1-int_p); figure(1); subplot(2,1,1); plot(V,Mn);hold on; subplot(2,1,2); plot(V,Mp);hold on;end subplot(2,1,1); title(突变结电子雪崩倍增因子随电压变化);hold off; subplot(2,1,2); title(突变结

25、空穴雪崩倍增因子随电压变化);hold off;%缓变结雪崩倍增因子%for V=165:0.2:245 *p_h=(1/2)*(12*epsilons*(Vbi+V)/(a*q)(1/3); *n_h=*p_h; Ema*_h=(a*q/(8*epsilons)*(*n_h+*p_h)2; E_h=Ema*_h*(1-(*/*p_h)2); alphai_nh=An*e*p(-(Bn/E_h)m); alphai_ph=Ap*e*p(-(Bp/E_h)m); int2_n=quad2d(matlabFunction(alphai_nh.*subs(alphai_nh-alphai_ph,*,

26、t),-*n_h,*p_h,-*n_h,(*) *); int2_p=quad2d(matlabFunction(alphai_ph.*subs(alphai_nh-alphai_ph,*,t),-*n_h,*p_h,-*n_h,(*) *); Mn_h=1/(1-int2_n); Mp_h=1/(1-int2_p); figure(2); subplot(2,1,1); plot(V,Mn_h);hold on; subplot(2,1,2); plot(V,Mp_h);hold on;end subplot(2,1,1); title(缓变结电子雪崩倍增因子随电压变化);hold off;

27、 subplot(2,1,2); title(缓变结空穴雪崩倍增因子随电压变化);hold off;end实验过程与结果运行matlab，在菜单栏中点击“File”，选择“NewFunction M-File”，命名为Question5，键入整个函数，在主界面的“mand Window”中输入函数Question5(ND,NA)，其中ND是施主杂质浓度，NA是受主杂质浓度，按回车会显示结果，具体显示如下： Question5(2*1016,8*1016)实验结果分析(1) 对于相对复杂的函数，int函数符号积分无法进行运算，只能依靠人为处理化简，选择适当的定积分函数quad，和二重积分函数qu

28、ad2d，可以减少程序运行的时间；(2) 由曲线得在很大范围内倍增因子处于较小的值，而在很小范围内产生突变，曲线的右半侧曲线没有实际意义，因为已超过击穿电压，PN结已击穿；(3) 相同情况下，电子的击穿电压低于空穴的击穿电压。题目6：确定击穿电压随P区和N区浓度的变化关系。（1） 基本目标：突变结分析（2） 标准目标：突变结线性缓变结分析设计物理基础背景利用碰撞电离率积分方法确定击穿电压PN结的击穿电压，以及击穿时候的最高电场碰撞电离率依赖于电场强度，随着反偏电压的增加，不断增大直至发生击穿，此时的电场强度为。发生雪崩击穿的条件为 ，即上式中的积分趋于1，雪崩击穿条件可写为或者击穿时的电压为，

29、最高电场为突变结 线性缓变结 逻辑功能程序function = Question6( NA0,ND0 )syms V*t;V0=0.026;ni=1.5*1010;epsilon0=8.854*10-14;q=1.60219*10-19;a=1019;An=7.03*105;Bn=1.23*106;Ap=1.58*106;Bp=2.03*106;m=1;epsilons=11.9*epsilon0; %常量%突变结击穿电压与浓度%Vout=50;for NA=NA0:NA0:50*NA0N0=NA*ND0/(NA+ND0);Vbi=V0*log(ND0*NA/ni2); int_n=2;V=V

30、out;while(int_n1) *n=sqrt(2*epsilons*N0*(Vbi+V)/q)/ND0; *p=sqrt(2*epsilons*N0*(Vbi+V)/q)/NA; E*n=q*(*n+*)*ND0/epsilons; E*p=q*(*p-*)*NA/epsilons;%Vbih=V0*log(a/(2*ni)*(12*epsilons*Vbi/(a*q)(1/3)2) alphai_nn=An*e*p(-(Bn/E*n); alphai_pn=An*e*p(-(Bn/E*p); alphai_np=Ap*e*p(-(Bp/E*n); alphai_pp=Ap*e*p(-(

31、Bp/E*p); int0=quad(matlabFunction(alphai_nn-alphai_np),*n/1000-*n,0); int_nn=quad2d(matlabFunction(alphai_nn.*subs(alphai_nn-alphai_np,*,t),-*n,0,-*n,(*) *); int_pn=quad2d(matlabFunction(alphai_pn.*(subs(alphai_pn-alphai_pp,*,t)+int0),0,*p,0,(*) *); int_n=int_nn+int_pn; V=V-Vout/500;end Vout=V+Vout/

32、500; figure(1); subplot(2,1,1); plot(NA,Vout,+);hold on; Ema*=subs(E*n,*,0); subplot(2,1,2); plot(NA,Ema*,+);hold on; endsubplot(2,1,1);title(突变结击穿电压随杂质浓度变化关系);hold off;subplot(2,1,2);title(突变结击穿时最高电场随杂质浓度变化关系);hold off;%缓变结击穿电压随浓度梯度关系%Vout=500;for ai=a/10:a/10:5*aN0=NA0*ND0/(NA0+ND0);Vbi=V0*log(ND0

33、*NA0/ni2); int2_n=2;V=Vout;while(int2_n1) *p_h=(1/2)*(12*epsilons*(Vbi+V)/(ai*q)(1/3); *n_h=*p_h; Ema*_h=(ai*q/(8*epsilons)*(*n_h+*p_h)2; E_h=Ema*_h*(1-(*/*p_h)2); alphai_nh=An*e*p(-(Bn/E_h)m); alphai_ph=Ap*e*p(-(Bp/E_h)m); int2_n=quad2d(matlabFunction(alphai_nh.*subs(alphai_nh-alphai_ph,*,t),-*n_h,

34、*p_h,-*n_h,(*) *); V=V-Vout/500;end Vout=V+Vout/500; figure(2); subplot(2,1,1); plot(ai,Vout,+);hold on; subplot(2,1,2); plot(ai,Ema*_h,+);hold on; endsubplot(2,1,1);title(缓变结击穿电压随杂质浓度梯度变化关系);hold off;subplot(2,1,2);title(缓变结击穿时最高电场随杂质浓度梯度变化关系);hold off;end实验过程与结果运行matlab，在菜单栏中点击“File”，选择“NewFunctio

35、n M-File”，命名为Question6，键入整个函数，在主界面的“mand Window”中输入函数Question6(ND,NA)，其中ND是施主杂质浓度，NA是受主杂质浓度，按回车会显示结果，具体显示如下： Question6(3*1016,6*1016)实验结果分析(1) 因为是带值步进计算，不是方程，所以无法求得准确的击穿电压，采用近似处理，给予一个精确度进行求解；(2) 由图得击穿电压随着杂质浓度的增加逐渐减小，（在一个浓度一定时）而且趋近于*个值；(3) 击穿时的最大电场强度随着杂质浓度增加而增加，（在一个浓度一定时）而且趋近于*个值；实验小结与心得实验小结与心得体会体会本次

36、软件设计实验主要目的是通过使用MATLAB软件对一些半导体器件物理方面的问题进行研究和仿真，从而使我们对本专业知识有更深入和细致的了解。首先是对MATLAB有了一个全新的认识，其次是对MATLAB的更多操作和命令的使用有了更高的掌握，最重要的事对MATLAB的处理能力有了一个更高的飞跃尤其是对相关函数的使用及相关问题的处理。就对MATLAB相关的命令操作而言，通过这次实验的亲身操作和实践，学习掌握了许多原本不知道的或者不太熟悉的命令。比如说相关m文件的建立，画图用到的标注，配色，坐标控制，同一*图里画几幅不同的图像，相关参数的设置以及相关函数的调用格式等等。就拿建立一个数学方程而言，通过设置不

37、同的参数达到所需要的要求和结果，而且还可以在不同的窗口建立不同的函数而达到相同的效果，比如说可以再命令窗口和m文件中通过不同的命令设置的到相同的所需的效果图。而自己对于矩阵及闭环传递函数的建立原本所掌握的知识几乎为零，而通过这次实验使我彻底的掌握了相关的命令操作和处理的方法，在这里我们不仅可以通过建立函数和参数来达到目标效果，而且还可以通过可视化的编程达到更快更方便，更简洁的效果。就拿可视化编程而言原本根本就只是听说而已罢了，从来就没有亲身去尝试过，然而现在自己却可以和容易的通过搭建不同功能木块来实现相关的函数及功能。这些在原本根本就不敢相信，然而通过MATLAB仿真的学习和实验亲身操作这些原

38、本看似不可能的操作在此就变的轻而易举的事了实验共分为六个小的实验项目。前两个为比较基础的实验，主要目的是了解和掌握MATLAB中矩阵的运算方法和基本的函数功能设计。通过第一个实验我掌握了矩阵的输入方法和矩阵的运算方法。通过第二个实验我掌握了基本函数的编写，并利用带参数的函数画出了位置和半径可调的圆。后四个实验和本学期所学内容联系紧密，主要是分析半导体期间在不同的掺杂浓度和外界条件下的状态和情况。第三个实验研究经典双极型三极管的基区少子浓度分布，确认各参量对其的影响。第四个实验研究PN结势垒区内反偏偏压对电场分布和碰撞电离率的影响。这两个实验研究的是正常工作情况下半导体器件，而后两个实验研究的是反偏偏压导致的器件击穿。第五个实验分别对突变结与缓变结的载流子（空穴与电子）的雪崩倍增因子与电压的关系进行了研究。第六个实验则分析了P区，N区的浓度对击穿电压的影响。通过本次实验，我更加深入地学习了关于半导体器件物理和微电子器件的知识，学会了使用MATLAB软件进行器件仿真，对以后的学习有很大的促进作用。. z.