微电子器件建模与仿真 · 第7章

器件结构与物理模型

从网格、材料参数到功率器件特性与结果证据

课程组 · 微电子器件建模与仿真

器件结构、物理模型与结果分析
微电子器件建模与仿真 · 第7章

本章学习目标

结构图标

建结构

用 ATLAS 或 DevEdit 形成可计算结构。

材料图标

定参数

说明材料参数的物理含义与来源。

模型图标

选模型

按功率器件工作区选择物理模型。

接触图标

设边界

正确描述接触和界面。

特性图标

取特性

获取 DC、AC、瞬态和热响应。

证据图标

验结果

用结构、日志和空间分布形成证据链。

器件结构、物理模型与结果分析
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三节主线连接结构、物理和证据

第1节
结构与网格
第2节
参数与模型
第3节
特性与结果
区域 电极 材料 模型 结果
  • 第1节回答:器件在空间上是什么?
  • 第2节回答:内部遵循什么物理?
  • 第3节回答:端特性和空间结果如何证明设计判断?
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第1节

器件结构生成、几何与网格

器件结构、物理模型与结果分析
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结构是一个带物理属性的数据模型

结构图标结构不是一张示意图,而是区域、材料、电极、掺杂和网格共同组成的数据对象。

几何

边界、面积、厚度、结深和终端形状。

材料

每个区域属于半导体、绝缘体或导体。

掺杂

施主、受主及空间分布决定结和漂移区。

离散

网格把连续结构变成有限个未知量。

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结构生成包含五个相互制约的层次

区域图标

REGION

划定几何与材料域。

材料图标

MATERIAL

赋予区域物性参数。

电极图标

ELECTRODE

建立外部电学边界。

掺杂图标

DOPING

形成 PN 结和漂移区。

网格图标

MESH

决定空间分辨率和成本。

检查图标

闭合检查

无重叠、无空洞、边界可追踪。

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三种结构来源对应不同可追溯性

ATHENA
工艺结果
DevEdit
结构编辑
ATLAS
命令描述
统一 .str
  • 工艺生成结构保留工艺历史与掺杂来路。
  • DevEdit 适合复杂几何、局部修改和三维。
  • ATLAS 命令描述适合参数化和教学示例。
  • 无论来源如何,都应保存输入和结构文件。
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ATLAS 结构流程先定义空间再定义属性

MESH REGION ELECTRODE DOPING SAVE
mesh space.mult=1.0
region num=1 silicon
electrode name=anode top
electrode name=cathode bottom
doping n.type conc=5e13 uniform
save outf=device_0.str
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MESH 同时控制全局与局部分辨率

三类命令

  • mesh:整体缩放或读入结构网格。
  • x.mesh:定义横向位置和间距。
  • y.mesh:定义纵向位置和间距。
  • eliminate:删除部分网格线以降成本。
网格图标

功率器件的结区、栅氧界面、表面终端和高场边缘通常需要局部加密。

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网格质量由物理梯度而不是平均间距决定

结区

耗尽层和载流子梯度要求足够细的网格。

界面

材料界面和薄氧化层不能跨越少数单元。

高场区

终端拐角与结曲率附近要解析电场峰值。

体区

低梯度漂移区可以适当放粗。

网格加密的目标是解析物理梯度,不是让整张图看起来更密。
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ELIMINATE 用于在已有网格上降低密度

eliminate columns x.min=0.2 x.max=1.4 \
  y.min=0.2 y.max=0.7
  • 本节说明其基础行为是按区域隔一条删除一条网格线。
  • 适合移除远离关键物理区域的过密网格。
  • 不能跨越结区、薄层或高场区随意降密。
  • 降密后必须比较关键指标与原始网格的差异。
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REGION 必须形成不重叠、不留洞的材料域

region num=1 x.min=0 x.max=10 \
  y.min=0 y.max=5 material=silicon
region num=2 x.min=0 x.max=10 \
  y.min=5 y.max=5.2 material=oxide
  • 区域编号用于后续材料、掺杂和截线引用。
  • 共享边界是允许的,但区域体积不应不可解释地重叠。
  • 材料域之外不能留下未定义空腔。
  • 结构图异常时先核对 region 覆盖。
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复杂功率结构更要显式核对材料域

外延层图标

外延层

器件耐压和漂移区的主体。

氧化层图标

场氧

影响表面电场与终端耗尽。

钝化层图标

钝化层

改变界面电荷与表面漏电路径。

金属图标

金属/接触

定义电极、势垒和电流路径。

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ELECTRODE 语法要同时指定名称和空间范围

electrode name=anode top
electrode name=cathode bottom
electrode name=gate x.min=0.25 length=0.5
electrode name=source y.min=0 left length=0.25
electrode name=drain y.min=0 right length=0.25

电极图标电极名称进入后续 solve、contact 和日志列,必须唯一且稳定。

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电极截图先看端点是否落在正确边界

四项核对

  1. 电极名称是否唯一。
  2. 覆盖区间与版图是否一致。
  3. 端点是否接触目标材料。
  4. 是否误把浮空金属当成电极。
ATLAS电极语法、区间和端点示例
电极名称、长度、左右端与上下表面示例
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DOPING 支持均匀、解析和外部数据分布

均匀掺杂图标

Uniform

背景浓度、外延层和简化衬底。

高斯图标

Gaussian

峰值、结深或特征长度描述。

误差函数图标

Erfc

扩散型或理想化剖面。

文件图标

文件导入

保留工艺或测量得到的分布。

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掺杂数据要与测量或工艺剖面区分来源

判断顺序

  • 这条剖面来自命令、工艺仿真还是测量?
  • 横轴深度和纵轴浓度单位是什么?
  • 峰值、结深和尾部分布是否合理?
  • 校准是否使用了独立数据?
不同注入能量下铝浓度剖面的计算值与SIMS测量值
计算剖面与 SIMS 数据的深度和浓度对比
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二极管结构例子可以逐条映射到图像

mesh
x.mesh loc=0.00 spac=0.05
x.mesh loc=0.10 spac=0.05
y.mesh loc=0.00 spac=0.20
y.mesh loc=1.00 spac=0.01
region number=1 x.min=0 x.max=0.1 \
  y.min=0 y.max=1 material=silicon
electrode name=anode top
electrode name=cathode bottom
doping uniform conc=1e18 n.type region=1
save outfile=diode_0.str
ATLAS二极管结构命令与TonyPlot结构
结构声明、材料区域和电极位置的对应关系
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DevEdit 的流程是工作区、区域、网格、保存

Work area Defining region Impurity Mesh creation Save structure
  • 工作区限定几何范围。
  • 区域由材料、编号和多边形点集定义。
  • 杂质按区域和空间范围赋值。
  • 网格约束在结构完成后生成。
  • 最后保存为 ATLAS 可读取的结构文件。
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DevEdit 区域和杂质要按区域编号组织

region reg=1 mat=silicon \
  points="0,0 1,0 1,1 0,1 0,0"
impurity id=1 region.id=1 imp=Donors \
  x1=0 x2=1 y1=0 y2=1 \
  peak.value=1e18 ref.value=1e12 \
  comb.func=Multiply
  • 区域编号和杂质 region.id 必须一致。
  • 点集应形成闭合多边形。
  • 掺杂分布函数和空间边界要同时解释。
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DevEdit 网格约束控制三角形质量和尺寸

base.mesh height=0.1 width=0.125
bound.cond max.slope=28 max.ratio=300
constr.mesh mat.type=semiconductor \
  max.angle=180 max.ratio=200 \
  max.height=1 max.width=1 \
  min.height=0.001 min.width=0.001

网格图标局部 constr.mesh 可在结区、表面和薄层附近规定更严格的高度和宽度。

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ATLAS 与 DevEdit 应围绕可复现性选择

选择依据

  • 结构是否参数化、批量变化?
  • 是否需要复杂局部编辑或三维?
  • 谁负责维护结构和命令?
  • 能否从源文件重建同一个 .str?
TonyPlot3D显示复杂三维器件网格、材料与掺杂
复杂几何需要三维编辑和网格检查,但计算成本更高
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结构保存前要完成四类回归检查

几何图标

几何连续

区域边界、外延层和终端没有意外裂缝。

掺杂图标

掺杂合理

净掺杂极性、结深和背景浓度可解释。

电极图标

电极覆盖

端点和接触长度符合版图或测试定义。

网格图标

网格可用

关键梯度附近有足够分辨率。

文件图标保存结构时同步记录生成命令、来源版本和本次检查结论。

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第1节检查点:结构验收清单

检查图标

看到一张结构图时,能用两分钟回答:从哪里来、区域是否闭合、电极接触谁、掺杂是什么、网格为什么这样密。

  1. 保存命令或上游结构文件。
  2. 显示材料、净掺杂和电极。
  3. 在关键结区做一维截线。
  4. 标出局部网格加密区域。
  5. 记录已知局限与待校准参数。
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第2节

材料参数、物理模型与接触界面

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材料参数是器件物理的输入合同

材料图标同一材料名称不代表同一组数值,材料参数必须和温区、掺杂、晶型及来源一起记录。

介电图标

介电

permittivity 影响电场和电容。

能带图标

能带

eg300、affinity 影响势垒和统计。

迁移率图标

迁移率

mun0、mup0 影响导通电阻。

寿命图标

寿命

taun0、taup0 影响复合。

饱和速度图标

饱和速度

vsat 影响高场输运。

来源图标

来源

默认值、文献或独立测量。

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默认参数可以使用,但不能匿名使用

软件默认值

适合教学起步和快速检查,需记录软件版本。

文献数值

适合成熟材料,但必须确认温区、晶型和测试条件。

工艺提取

来自 SIMS、C-V 或其他测量,需说明反演方法。

拟合参数

用于匹配器件曲线,需保留独立验证集。

“ATLAS 的默认值”不是材料参数的物理出处,只是当前版本的软件状态。
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能带参数控制势垒、统计和界面行为

关键量

  • eg300:300 K 禁带宽度。
  • affinity:电子亲和势。
  • align:异质界面带边不连续参数。
  • nc300、nv300:有效状态密度。
  • d.tunnel:肖特基隧穿相关距离。
ATLAS区域和能带结构参数定义表
区域、能带和介电参数的项目示例
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功率材料参数要锁定晶型、温度和模型版本

硅图标

Si

关注温度相关迁移率、Auger 和击穿参数。

碳化硅图标

4H-SiC

锁定晶型、各向异性和掺杂相关参数。

氮化镓图标

GaN

异质界面、极化与陷阱参数必须交代。

来源图标

文献一致性

同一结果不要混用不兼容的数据源。

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材料命令可以按材料、区域或参数文件赋值

material material=4H-SiC permitti=9.66 \
  eg300=2.99 edb=0.1 gcb=2 \
  eab=0.2 gvb=4 nsrhn=3e17 nsrhp=3e17 \
  taun0=5e-10 taup0=1e-10 tc.a=100
material region=1 taun0=8e-10
material material=silicon f.taun="taun.lib"
  • material 可按材料或区域覆盖参数。
  • 参数文件适合复杂或复用的温度依赖关系。
  • 覆盖顺序要记录,否则默认值与自定义值可能混淆。
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自定义材料需要类型、名称和参数三部分

user.group user.material material 参数 region 引用
material material=super_pebu \
  user.group=semiconductor \
  permittivity=13.2 eg300=1.44 \
  affinity=4.07 vsat=7.7e6
region num=2 user.material=super_pebu \
  y.max=0.5
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C 解释器用于表达空间或掺杂相关参数

适用形式

  • 少子寿命随位置变化。
  • 材料参数随局部浓度变化。
  • 经验关系难以用单一常数表示。
int taun(double x, double y, double temp,
         double nd, double na, double *taun) {
  *taun = (y >= 0.75 && y <= 0.85)
          ? 5e-8 : 2e-6;
  return 0;
}
代码图标

自定义函数改变的是参数模型,必须记录编译版本、参数文件和适用区域。

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复合模型决定漏电、存储电荷和温度行为

SRH图标

SRH

陷阱辅助复合,受寿命和缺陷能级影响。

Auger图标

Auger

高注入和高掺杂下不可忽略。

表面复合图标

Surface

s.n、s.p 描述表面复合速度。

陷阱图标

Trap

陷阱能级、密度和俘获截面影响动态行为。

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迁移率模型覆盖低场、高场和温度依赖

  • conmob:浓度依赖迁移率。
  • analytic、arora:浓度与温度依赖。
  • fldmob:平行电场依赖。
  • cvt、yamaguchi:集成表面/沟道模型。
  • tasch、watt、shirahata:横向高场模型。
低场迁移率温度公式和默认参数表
低场迁移率中的温度幂律和用户可定义参数
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碰撞电离模型是击穿分析的核心选择

Selberherr

impact selb,常用于通用击穿分析。

Grant/Crowell

不同场强范围和材料参数化选择。

Concannon/Valdinoci

特定材料和模型形式。

Toyabe

另一种电离系数表达。

不能用未校准的电离模型直接给出精确耐压数值;模型名称、参数和适用材料必须同时报告。
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隧穿模型解释肖特基与高场漏电

带间隧穿图标

BTBT

bbt.std、bbt.kl 描述带间隧穿。

FN图标

FN

福勒-诺德海姆隧穿用于强电场势垒。

能带变窄图标

BGN

重掺杂下必须同步考虑能带变窄。

热电子发射图标

热电子发射

肖特基界面的温度相关电流路径。

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载流子统计在重掺杂和高场下不能只靠默认值

Boltzmann 与 Fermi-Dirac

  • Boltzmann 是常用默认近似。
  • 重掺杂时 Fermi-Dirac 更合适。
  • incomp、ioniz 描述不完全离化。
  • bgn 描述能带变窄。
统计图标

统计模型会影响载流子密度、结内建电势和漏电,和复合、隧穿模型共同作用。

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晶格加热和能量平衡描述非等温输运

模型入口

  • lat.temp:启用晶格温度。
  • 能量平衡:载流子温度与晶格温度分离。
  • thermcontact:设置外部热边界。
  • 热导率、热容和热源需匹配材料。
热学图标

大电流下的电流拥挤、热失控和击穿曲线回折,需要热模型参与解释。

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模型组合要围绕器件工作区闭合

问题可考虑的模型检查点
MOS 沟道SRH、CVT、BGN栅氧和界面参数
功率二极管SRH、场依赖迁移率、碰撞电离漂移区与终端场
肖特基/JBS热电子发射、隧穿、势垒温度与反向漏电
大电流/热失效Giga、晶格加热、热接触热边界与电流拥挤
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CONTACT 定义电极的物理与外部条件

肖特基图标

肖特基

功函数、势垒和接触材料。

电流边界图标

电流边界

current 将电极改为电流控制。

寄生图标

寄生参数

电阻、电容和电感。

连接图标

连接状态

浮空、短接、公共电极或开路。

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接触命令要明确它改变的是哪一类边界

contact name=gate workfunction=4.8
contact name=anode workfunction=4.9 \
  barrier alpha=1e-7
contact name=drain current
contact name=source resistance=50 \
  capacitance=20e-12 inductance=1e-6
contact name=gate1 common=gate2 factor=0.1
  • 功函数和电流边界不能混用。
  • 短接与因子连接要能对应实际测试拓扑。
  • 开路应通过删除、极大电阻或零电流边界明确表达。
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INTERFACE 描述界面电荷与表面复合

interface y.max=0.1 qf=-1e11
interface x.min=-4 x.max=4 \
  y.min=-0.25 y.max=0.1 \
  qf=1e11 s.n=1e4 s.p=1e4

qf

界面固定电荷面密度。

s.n

电子表面复合速度。

s.p

空穴表面复合速度。

位置范围

界面命令只应作用于目标界面。

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模型耦合决定结果是否“物理一致”

迁移率 载流子密度 复合 碰撞电离 晶格温度
  • 高场改变迁移率和碰撞电离。
  • 碰撞电离改变载流子密度与电流。
  • 电流改变焦耳热与晶格温度。
  • 温度又反馈到迁移率、统计和电离参数。
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参数校准要服从物理边界和独立验证

观测量图标

选观测量

正向 I-V、反向漏电、击穿或 C-V。

参数图标

找敏感参数

一次只改变少数有物理意义的量。

边界图标

设范围

参数不得超出材料或文献合理区间。

验证图标

独立验证

留出不同温度或偏置的数据检验。

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第2节检查点:模型论证表

检查图标

为每个模型写一行:解决什么物理、作用在哪个区域、关键参数从哪里来、关闭它会发生什么。

模型作用区域参数来源关闭后的预期变化
碰撞电离高场终端材料文献/校准无法形成可靠击穿
SRH耗尽区/表面寿命数据漏电与存储电荷改变
晶格加热大电流区热参数/热边界热失控趋势消失
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第3节

特性获取、空间分布与结果证据

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特性获取要复现一个明确的测量问题

特性图标先定义端对、激励和环境,再决定使用 DC、AC、瞬态、热或三维求解。

端对 激励 环境 输出变量 指标判据
  • 没有端对,就不知道电流相对谁定义。
  • 没有激励路径,就不知道曲线如何得到。
  • 没有环境,就无法比较温度相关结果。
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DC 特性覆盖 I-V、转移、输出和击穿

  • solve init 建立零偏状态。
  • 固定非扫描电极,再扫描目标电极。
  • 输出特性保留不同控制电极条件。
  • 击穿曲线使用反向扫描或电流控制。
ATLAS直流扫描命令与多偏置输出曲线
DC 命令、多个偏置条件和 TonyPlot 曲线结果
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端电流必须和面积、方向、参考端一起记录

方向

电流正负号取决于端和偏压约定。

归一化

总量、每微米宽度或每平方厘米。

参考端

阴极、源极或衬底必须明确。

输出列

日志列名和单位要与图轴一致。

“电流达到 1e-3”没有面积和端信息时,无法比较不同功率器件。
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微电子器件建模与仿真 · 第7章

AC 小信号用于 C-V 和偏置相关响应

solve vgate=-5 vstep=0.1 \
  vfinal=5 name=gate \
  ac freq=1e6
  • 记录直流偏置、频率和端对。
  • 可扫描固定频率或改变频率。
  • 本课聚焦功率器件端口特性。
MOS结构C-V结果和AC频率扫描命令
不同端对和频率下的 MOS C-V 响应
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瞬态条件由初始状态、波形和时间步长共同定义

solve vgate=1.0 ramptime=1e-9 \
  tstep=0.1e-9 tstop=1e-8
初始图标

初始状态

零偏、导通或高温平衡。

波形图标

激励波形

上升、保持、下降和幅值。

步长图标

时间步长

必须解析最快响应。

终止图标

终止时间

覆盖稳定或恢复过程。

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Curvetrace 处理强非线性击穿路径

curvetrace contr.name=collector \
  step.init=0.05 nextst.ratio=1.1 \
  mincur=1e-13 end.val=1e-3 \
  curr.cont
solve curvetrace
  • 用于自动追踪复杂 I-V 路径。
  • 可观察击穿、回折和热失控趋势。
  • 结论应限定在功率器件内部物理。
追踪图标

回折段是否可信,要结合碰撞电离、晶格温度和电流密度空间分布判断。

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热学特性至少需要热模型和热接触

热学设置

  • models lat.temp 启用晶格加热。
  • thermcontact 定义温度边界。
  • 热源来自电流与场的焦耳项。
  • 热导率、热容和几何需匹配。
VICTORY击穿曲线在固定300K与晶格加热条件下的对比
晶格加热会改变高场大电流段的击穿曲线形态
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三维结果只在关键路径无法二维化时使用

适用理由

  • 第三维存在电流拥挤。
  • 终端拐角或局部接触主导。
  • 二维截线无法代表整体。

三维流程可沿用二维语法,但需增加 Z 坐标、Z 区域范围与相应网格。

TonyPlot3D显示三维结构网格、材料与净掺杂
三维结构的网格、材料和掺杂必须同时检查
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结果文件有三种核心角色

实时输出图标

实时输出

命令、警告和收敛轨迹。

结构图标

.str

几何、网格和空间解。

日志图标

.log

端特性和扫描记录。

导出图标

导出数据

CSV 或 TonyPlot User Data。

截图只是人眼入口,原生文件才是可复核证据。

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TonyPlot 用于联合阅读曲线和结构

TonyPlot叠加显示不同保护环结构功率二极管的反向I-V曲线
  • 先读图例,确认不同曲线对应哪种结构。
  • 再读坐标范围,确认是否覆盖漏电到击穿。
  • 最后回到日志,提取击穿点或漏电流。
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微电子器件建模与仿真 · 第7章

结构截线和导出数据把图像变成数值

两种导出

  • 结构文件通过 Cutline 得到一维剖面。
  • 日志文件通过 File → Export 导出曲线数据。

检查

  • 坐标范围、单位与原始图一致。
  • 截线穿过目标物理区域。
  • 数据列与图例一一对应。
ATLAS结果类型、TonyPlot和导出数据说明
结果类型和导出入口,本页使用结果分析示例
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微电子器件建模与仿真 · 第7章

CSV 导出适合重绘、统计和结果留档

格式

Comma Separated Values,便于脚本和表格处理。

路径

文件名应包含器件、偏压、温度和版本。

表头

确认变量名、单位与数据列顺序。

一致性

用独立绘图复核 TonyPlot 趋势。

数据图标

导出文件是量化证据,但必须能从日志或结构文件追溯到具体求解条件。

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微电子器件建模与仿真 · 第7章

功率器件结果分析要按因果顺序推进

结构 模型 端特性 空间分布 指标与结论
  1. 确认结构和掺杂。
  2. 确认材料、模型和接触。
  3. 读取正向与反向 I-V。
  4. 定位最大电场和电流拥挤。
  5. 提取耐压、漏电、导通或其他指标。
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微电子器件建模与仿真 · 第7章

掺杂分布图说明器件的静态边界条件

4H-SiC功率结构不同位置的一维净掺杂剖面 不同保护环结构的功率二极管反向I-V曲线
  • 掺杂剖面定义漂移区和结的位置。
  • I-V 曲线显示终端结构对反向特性的影响。
  • 两张图必须对应同一批结构文件。
器件结构、物理模型与结果分析
微电子器件建模与仿真 · 第7章

电场分布图用于判断终端是否先达到临界场

观察点

  • 峰值位置在体内还是表面。
  • 颜色分区与等势线是否合理。
  • 偏压升高时峰值如何迁移。
  • 是否靠近材料临界击穿场强。
4H-SiC功率二极管在400V下的电场分布
400 V 反向偏压下的表面电场和耗尽区形态
器件结构、物理模型与结果分析
微电子器件建模与仿真 · 第7章

电流密度图说明局部导通与失效风险

与耐压分析的区别

  • 电流密度关注导通和局部拥挤。
  • 高场关注雪崩和击穿。
  • 热源由电流与场共同决定。
  • 三个量必须使用同一工作点。
4H-SiC功率二极管在1400V下的电流密度分布
高反向偏压下的导电电流密度路径
器件结构、物理模型与结果分析
微电子器件建模与仿真 · 第7章

热参与后的击穿曲线需要重新解释

联合证据

  • I-V 是否出现回折或迟滞。
  • 晶格温度在哪里升高。
  • 电流是否向局部路径收缩。
  • 热接触位置是否改变结果。
固定300K与晶格加热条件下的击穿曲线对比
是否启用晶格加热会改变强非线性击穿段
器件结构、物理模型与结果分析
微电子器件建模与仿真 · 第7章

用证据矩阵约束每一条结论

结论端证据空间证据条件
终端改善耐压反向 I-V电势/电场结构、模型、温度
漏电来自势垒温度相关 I-V界面/电流路径接触、隧穿参数
电流拥挤引发热风险大电流 I-V电流密度/温度热边界、面积
器件结构、物理模型与结果分析
微电子器件建模与仿真 · 第7章

收敛和敏感性检查必须进入最终报告

网格图标

网格

局部加密后关键指标是否稳定。

步长图标

偏压步长

击穿点是否随步长明显移动。

模型图标

模型

核心模型开关是否改变趋势。

验证图标

独立验证

是否在另一温度或结构上成立。

器件结构、物理模型与结果分析
微电子器件建模与仿真 · 第7章

结果页与第3节检查点

条件

结构、材料、模型、偏压、温度、面积。

图

端特性图与至少一张空间分布图。

指标

明确判据、数值和单位。

机制与局限

用空间分布解释原因,并写出验证边界。

答辩图标

用 90 秒完成“问题、条件、图、指标、机制、局限”的证据答辩。

器件结构、物理模型与结果分析
微电子器件建模与仿真 · 第7章

本章小结

  • 结构、材料、模型、接触和界面共同定义器件仿真问题。
  • ATLAS 适合参数化结构,DevEdit 适合复杂几何和三维编辑,两者都要保留来源。
  • 迁移率、复合、碰撞电离、隧穿、统计和热模型必须按工作区组合。
  • DC、AC、瞬态、热和三维结果需要不同的边界与时间/空间条件。
  • 结果证据由结构、日志、导出数据和空间分布共同构成。
器件结构、物理模型与结果分析
微电子器件建模与仿真 · 第7章

课堂任务与检查点

提交一张功率器件参数页

  1. 结构区域、电极和网格加密理由。
  2. 材料参数及其来源。
  3. 三个模型及各自作用区域。
  4. 一组 DC 和一组热或瞬态条件。
  5. 两个指标及其提取判据。
检查图标

通过标准:每一项都能指回结构文件、模型命令、日志列或空间截图。

器件结构、物理模型与结果分析
微电子器件建模与仿真 · 第7章

本章参考文献

  1. SILVACO INTERNATIONAL. Silvaco TCAD Device Structure Generation[Z]. Silvaco TCAD Training Materials, n.d.
  2. SILVACO INTERNATIONAL. Material Parameters and Physical Models in Silvaco TCAD[Z]. Silvaco TCAD Training Materials, n.d.
  3. SILVACO INTERNATIONAL. Device Characteristics Extraction and Result Analysis[Z]. Silvaco TCAD Training Materials, n.d.
  4. SILVACO INTERNATIONAL. ATLAS User's Manual[Z]. Santa Clara, CA: Silvaco International, n.d.
  5. SILVACO INTERNATIONAL. DevEdit User's Manual[Z]. Santa Clara, CA: Silvaco International, n.d.
  6. SILVACO INTERNATIONAL. Model Development Using the C-Interpreter[Z]. Silvaco International, n.d.
  7. SILVACO INTERNATIONAL. Power Device Physics Revealed: TCAD for Power Device Technologies[Z]. Silvaco International, 2010.
器件结构、物理模型与结果分析

讲师备注:本章用三个 45 分钟小节讲清结构、模型和结果分析。

讲师备注:目标从“会写命令”提升到“能解释参数和模型为何适合当前功率器件问题”。

讲师备注:先建立课程地图,后续每个结论都要求能回到这三层中的具体证据。

讲师备注:第1节约 45 分钟,从 ATLAS 命令和 DevEdit 两条路径讲结构建模与网格质量控制。

讲师备注:如果学生只能指着图说“这里有红色和蓝色”,说明还没有把结构理解为可计算数据。

讲师备注:五个层次彼此制约,改变区域或电极通常也要求重新检查网格和材料赋值。

讲师备注:工具选择由几何复杂度和可复现要求决定,而不是由哪一个界面看起来更高级决定。

讲师备注:先形成空间和材料,再挂电极与掺杂;顺序错误会影响默认区域和边界解释。

讲师备注:全局密度决定总成本,局部 line 决定关键区域的解析能力,两者必须分开控制。

讲师备注:用物理量梯度指导局部加密,可以在有限计算资源下保留击穿和漏电结果的可信度。

讲师备注:本节示例 明确指出 eliminate 的隔条删除行为,本页补充功率器件局部降密的验证要求。

讲师备注:区域定义是结构错误的高频来源,错误常在求解阶段才表现为“不收敛”。

讲师备注:功率器件的终端通常由多层介质和场板组成,材料域错一层就可能改变表面电场结论。

讲师备注:本节给出顶部、底部、区间、左端和右端电极形式,命名与位置必须一起检查。

讲师备注:接触边长会直接影响电流和电容,电极看起来“贴上了”不代表覆盖范围正确。

讲师备注:掺杂命令既有分布类型,也有浓度、结深、特征长度和空间位置等参数组,必须与物理来路匹配。

讲师备注:本节示例结构和参数生成都强调来源;有测量数据时,应明确哪些曲线是计算、哪些是实验。

讲师备注:逐条对照代码和图,确认网格位置、区域边界、电极表面和掺杂显示都来自显式声明。

讲师备注:DevEdit 适合手工构建复杂几何,但每一步都应保存并回到结构显示中核对。

讲师备注:本页用 id、region.id、峰值和参考浓度说明 DevEdit 的杂质定义,本页强调跨语句的一致性。

讲师备注:DevEdit 的网格不是自动生成后就结束,边界条件、三角形比例和局部约束共同决定结构质量。

讲师备注:ATLAS 文本便于版本管理和重复生成,DevEdit 更适合复杂几何与三维,但必须保存独立结构来源。

讲师备注:结构保存不是流程终点,只有通过几何、掺杂、电极和网格四项回归检查,后续求解才有稳定对象。

讲师备注:结构验收不通过时,不应进入材料模型和特性分析,否则后续结果没有稳定对象。

讲师备注:第2节约 45 分钟解释材料参数、迁移率、复合、碰撞电离、隧穿、统计、热、接触和界面的选择逻辑。

讲师备注:材料参数层把几何结构变成具体物理问题,参数来源应与模型选择一起说明。

讲师备注:结果报告中要区分软件默认、文献选择和实验校准,不能让读者误以为所有参数都已验证。

讲师备注:本节给出能带不连续和输出 con.band、val.band 的说明;功率异质结构分析必须检查这些量。

讲师备注:功率材料对晶型、温度和场强非常敏感,材料名称相同但参数来源不同会改变击穿和漏电结论。

讲师备注:示例保留本节示例定义方式,具体数值仅作语法说明,不能代替实际材料标定。

讲师备注:本节示例先定义半导体类别和自定义材料名,再在结构中引用;引用名必须完全一致。

讲师备注:本节示例 用少子寿命函数说明 C 解释器;本页不展开软件安装,只强调自定义物理关系的可追溯性。

讲师备注:本节列出 SRH、Auger、表面和陷阱复合;本课排除光学复合,只保留功率器件电热相关部分。

讲师备注:功率器件的漂移区、沟道和表面可能处于不同场强,不能用同一迁移率假设覆盖全部区域。

讲师备注:本节示例 列出多种碰撞电离模型,课堂重点是理解模型选择影响击穿,而不是背诵全部命令名。

讲师备注:功率肖特基和 JBS 的反向漏电常受势垒、隧穿和温度共同控制,不能只用理想热发射解释。

讲师备注:本节把统计、不完全离化和能带变窄列为一组,重掺杂功率器件的源漏和接触区尤其要检查。

讲师备注:器件热分析至少需要晶格温度模型和热接触,这两个条件与电学接触是两个独立边界。

讲师备注:本节给出 MOSFET、BJT/晶闸管和击穿推荐组合;本页按功率器件工作区重组,强调组合要有理由。

讲师备注:接触不是简单接零,功函数、边界类型、寄生与连接关系都会改变端特性和内部解。

讲师备注:本节说明肖特基、电流、寄生、短接和开路定义,并聚焦器件端边界。

讲师备注:功率器件的场氧、钝化和栅氧界面可能主导表面漏电,界面边界必须与材料结构精确对齐。

讲师备注:模型不是并列勾选项,功率器件强场和热效应会形成反馈,因此模型组合必须通过灵敏度检查。

讲师备注:校准的目标是提高可预测性,不是把某一条测量曲线拟合得最像。

讲师备注:如果学生说不清关闭模型后的变化,说明模型还只是命令,不是经过理解的物理假设。

讲师备注:第3节约 45 分钟讲 DC、AC、瞬态、热、Curvetrace 和三维结果,并完成从文件到结论的证据闭环。

讲师备注:仿真特性应模仿真实测量思路,但结果报告还要额外说明结构和模型,因为仿真条件比实验更透明。

讲师备注:直流特性示例给出多组基极条件下的集电极扫描,方法可迁移到功率器件的栅压或温度分组。

讲师备注:端特性分析的第一个质量门是坐标合同,不是曲线是否好看。

讲师备注:AC 结果要与偏置和频率绑定;功率器件的电容会包含结、栅、界面和寄生贡献。

讲师备注:本页用栅压斜坡示例说明 ramptime、tstep 和 tstop,功率器件还要记录初始温度和负载条件。

讲师备注:本节把 Curvetrace 与击穿、闩锁和二次击穿关联;本课只保留器件级耐压与热失控分析。

讲师备注:曲线在热参与后可能回折,不能把纯电学碰撞电离击穿与热失控混成一个判据。

讲师备注:本页指出三维语法可参照二维并增加 z 轴,真正的门槛是网格成本与结果解释。

讲师备注:结果页必须区分实时信息、空间结构和端特性日志,不同文件回答不同问题。

讲师备注:多曲线叠加图非常适合比较终端方案,但图例、坐标和判据缺失时很容易误读。

讲师备注:本页介绍 TonyPlot 显示和导出数据,本页强调导出后仍需检查坐标和列语义。

讲师备注:本节示例 给出 TonyPlot File → Export 和 CSV 格式流程,本课要求导出后做一次独立一致性检查。

讲师备注:从端特性到空间分布再到指标,是解释因果的顺序;直接看彩色云图容易失去问题上下文。

讲师备注:如果结构图与曲线来自不同器件版本,再漂亮的对比也不能作为同一结论的证据。

讲师备注:电场图要和电势图、I-V 拐点联合使用,不能仅凭某一点颜色判断器件已经击穿。

讲师备注:功率器件的失效可能由电场驱动,也可能由电流拥挤和自加热驱动,结果页要写清是哪一种机制。

讲师备注:本节把热学特性列为独立结果类别;本页强调热击穿和纯电击穿需要不同的证据组合。

讲师备注:证据矩阵把“结论需要哪些文件”前置,学生可以据此检查自己的汇报是否缺证据。

讲师备注:可信结果不仅有最低点,还要说明数值和模型不确定性;没有敏感性检查就只能写趋势性结论。

讲师备注:第3节结束时,学生应能用一张结果页回答“结果是什么、为什么、有多可信”。

讲师备注:回收结构、模型和结果三节,强调功率器件结论必须同时有物理机制和可复核数据。

讲师备注:任务以参数论证和证据闭环为主,不要求运行重型三维案例;重点是解释为什么这样建模。

讲师备注:参考文献覆盖结构生成、材料参数、物理模型、特性获取和功率器件案例,结果图仅用于方法说明。