软件设计报告(2012/2013学年第二学期)课程名称半导体物理器件软件设计实习时间指导单位指导教师XXX学生姓名班级学号学院(系)专业第一章软件设计的要求1.1所涉及的课程及知识点涉及的课程:半导体物理、微电子器件、matlab等知识点:matlab矩阵运算、绘图函数使用,PN结相关属性与杂质浓度、偏压的关系、1.2目的与任务目的:经过了一个学年的微电子方向课的学习,大家对微电子器件的基本特性都有了一定的了解。通过学期最后两周的软件设计,要求学生利用软件进行仿阵,进一步了解微电子器件的各种特性。任务:使用Matlab软件对微电子器件进行仿真。第二章软件开发平台简介MATLAB是矩阵实验室(MatrixLaboratory)的简称,是美国MathWorks公司出品的商业数学软件,用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境,主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB和Mathematica、Maple并称为三大数学软件。它在数学类科技应用软件中在数值计算方面首屈一指。MATLAB可以进行矩阵运算、绘制函数和数据、实现算法、创建用户界面、连matlab开发工作界面接其他编程语言的程序等,主要应用于工程计算、控制设计、信号处理与通讯、图像处理、信号检测、金融建模设计与分析等领域。MATLAB的基本数据单位是矩阵,它的指令表达式与数学、工程中常用的形式十分相似,故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完成相同的事情简捷得多,并且mathwork也吸收了像Maple等软件的优点,使MATLAB成为一个强大的数学软件。在新的版本中也加入了对C,FORTRAN,C++,JAVA的支持。可以直接调用,用户也可以将自己编写的实用程序导入到MATLAB函数库中方便自己以后调用,此外许多的MATLAB爱好者都编写了一些经典的程序,用户可以直接进行下载就可以用。Matlab语言有如下特点:1.编程效率高它是一种面向科学与工程计算的高级语言,允许用数学形式的语言编写程序,且比Basic、Fortran和C等语言更加接近我们书写计算公式的思维方式,用Matlab编写程序犹如在演算纸上排列出公式与求解问题。因此,Matlab语言也可通俗地称为演算纸式科学算法语言由于它编写简单,所以编程效率高,易学易懂。2.用户使用方便Matlab语言是一种解释执行的语言(在没被专门的工具编译之前),它灵活、方便,其调试程序手段丰富,调试速度快,需要学习时间少。人们用任何一种语言编写程序和调试程序一般都要经过四个步骤:编辑、编译、连接以及执行和调试。各个步骤之间是顺序关系,编程的过程就是在它们之间作瀑布型的循环。Matlab语言与其它语言相比,较好地解决了上述问题,把编辑、编译、连接和执行融为一体。它能在同一画面上进行灵活操作快速排除输入程序中的书写错误、语法错误以至语意错误,从而加快了用户编写、修改和调试程序的速度,可以说在编程和调试过程中它是一种比VB还要简单的语言。具体地说,Matlab运行时,如直接在命令行输入Mailab语句(命令),包括调用M文件的语句,每输入一条语句,就立即对其进行处理,完成绩译、连接和运行的全过程。又如,将Matlab源程序编辑为M文件,由于Mat1ab磁盘文件也是M文件,所以编辑后的源文件就可直接运行,而不需进行编译和连接。在运行M文件时,如果有错,计算机屏幕上会给出详细的出锗信息,用户经修改后再执行,直到正确为止。所以可以说,Mat1ab语言不仅是一种语言,广义上讲是一种该语言开发系统,即语言调试系统。3.扩充能力强高版本的Matlab语言有丰富的库函数,在进行复杂的数学运算时可以直接调用,而且Matlab的库函数同用户文件在形成上一样,所以用户文件也可作为Matlab的库函数来调用。因而,用户可以根据自己的需要方便地建立和扩充新的库函数,以便提高Matlab使用效率和扩充它的功能。另外,为了充分利用Fortran、C等语言的资源,包括用户已编好的Fortran,C语言程序,通过建立Me调文件的形式,混合编程,方便地调用有关的Fortran,C语言的子程序。4.语句简单,内涵丰富Mat1ab语言中最基本最重要的成分是函数,其一般形式为「a,6,c……]=fun(d,e,f,……),即一个函数由函数名,输入变量d,e,f,……和输出变量a,b,c……组成,同一函数名F,不同数目的输入变量(包括无输入变量)及不同数目的输出变量,代表着不同的含义(有点像面向对象中的多态性。这不仅使Matlab的库函数功能更丰富,而大大减少了需要的磁盘空间,使得Matlab编写的M文件简单、短小而高效。5.高效方便的矩阵和数组运算Matlab语言象Basic、Fortran和C语言一样规定了矩阵的算术运算符、关系运算符、逻辑运算符、条件运算符及赋值运算符,而且这些运算符大部分可以毫无改变地照搬到数组间的运算,有些如算术运算符只要增加“·”就可用于数组间的运算,另外,它不需定义数组的维数,并给出矩阵函数、特殊矩阵专门的库函数,使之在求解诸如信号处理、建模、系统识别、控制、优化等领域的问题时,显得大为简捷、高效、方便,这是其它高级语言所不能比拟的。在此基础上,高版本的Matlab已逐步扩展到科学及工程计算的其它领域。因此,不久的将来,它一定能名符其实地成为“万能演算纸式的”科学算法语言。6.方便的绘图功能Matlab的绘图是十分方便的,它有一系列绘图函数(命令),例如线性坐标、对数坐标,半对数坐标及极坐标,均只需调用不同的绘图函数(命令),在图上标出图题、XY轴标注,格(栅)绘制也只需调用相应的命令,简单易行。另外,在调用绘图函数时调整自变量可绘出不变颜色的点、线、复线或多重线。这种为科学研究着想的设计是通用的编程语言所不及的。总之,Matlab语言的设计思想可以说代表了当前计算机高级语言的发展方向。我们相信,在不断使用中,读者会发现它的巨大潜力。第三章软件设计的内容3.1矩阵的运算3.1.1设计题目及要求如果给出两个矩阵136782078451220124A,087654321B,执行下面的矩阵运算命令。(1)BA*5和IBA分别是多少(其中I为单位矩阵)?(2)BA*和BA*将分别给出什么结果,它们是否相同?为什么?3.1.2逻辑功能程序function[]=EXP1()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);End3.1.3实验过程与结果打开matlab,在命令窗口“CommandWindow”中键入edit,启动程序编辑器。输入完整程序后利用saveas储存为M文件,文件名为EXP1。返回主界面,在命令窗口“CommandWindow”中输入函数EXP1(),按下回车,得到程序运行结果如下:EXP1()A+5*B=92235327010855118136A-B+I=41017841721370137A.*B=42460482254681406240A*B=19222884738873306128415185283.1.4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。3.2圆形的绘制3.2.1设计题目及要求请绘制出一个圆形,要求用函数实现。3.2.2逻辑功能程序function[]=EXP2(a,b,R)t=0:pi/150:2*pi;x=a+R*cos(t);y=b+R*sin(t);holdon;plot(x,y);plot(a,b,'+');axis([a-R,a+R,b-R,b+R]);axisequal;title('Ô²£º(x-a)^2+(y-b)^2=R^2');legend(['(x-',num2str(a),')^2+(y-',num2str(b),')^2=',num2str(R),'^2']);holdoff;end3.2.3实验过程与结果打开matlab,在命令窗口“CommandWindow”中键入edit,启动程序编辑器。输入完整程序后利用saveas储存为M文件,文件名为EXP1。返回主界面,在命令窗口“CommandWindow”中输入函数EXP1(),按下回车,得到程序运行结果如下:EXP2(15,25,40)-30-20-100102030405060-100102030405060x圆:(x-a)2+(y-b)2=R2(x-15)2+(y-25)2=4023.2.4实验结果分析(1)构建关于圆的参数方程,使用holdon的使用保证后绘的图不会覆盖先绘的图,在程序结束前使用holdoff;(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)axisequal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);3.3双极型晶体管基区少子浓度分布3.3.1设计题目及要求试绘出缓变基区的杂质分布为:①BBBWxNxN10;②xWBBBeNxN0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:当晶体管偏置在有源放大区时,VC0且|VC|kT/q,集电结边缘处电子密度为零,即x=WB,nB(WB)=0。由此边界条件,得到缓变基区少子浓度分布函数:BWxBBnBnEBdxxNxNqDIxn)()(1)(假定:InE=0.01mA;DnB=2cm2/s;WB=0.05um;q=1.6e-19C。3.3.2逻辑功能程序function[]=Question3()symsxetaNB0InEDnBWBqa;NB1x=NB0*(1-x/WB);NB2x=NB0*exp(-eta*x/WB);nBx=InE*int(NB2x,x,x,WB)/(NB2x*q*DnB);nB0=InE*WB/(q*DnB);y=nBx/nB0;nB0=subs(nB0,{InE,DnB,WB,q},{0.01,2,0.05,1.6*10^-19});y=subs(y,x,a*WB);y=subs(y,{q},{1.6*10^-19});fori=0:2:8yx=limit(y,eta,i);ezplot(yx,[0,1]);text(0.5-0.05*i,subs(yx,a,(0.5-0.05*i)),['η=',num2str(i)]);holdon;endholdoff;gridon;title('不同内建电场下的基区少子浓度分布');text(0.5,0.85,['nB0=InE*WB/(q*DnB)=',num2str(nB0*10^-15),'*10^8cm^-2']);xlabel('x/WB');ylabel('nBx*q*DnB/(InE*WB)');axis([0,1,0,1]);end3.3