SilvacoTCAD器件仿真
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9SilvacoTCAD器件仿真模块及器件仿真流程
9SilvacoTCAD器件仿真模块及器件仿真流程Silvaco TCAD是一种广泛使用的集成电路（IC）设计和仿真工具，用于开发和研究半导体器件。
它提供了一套完整的器件仿真模块，可以帮助工程师设计、优化和验证各种半导体器件的性能。
本文将介绍几个常用的Silvaco TCAD器件仿真模块，并提供一个简要的器件仿真流程。
1. ATHENA模块：ATHENA是Silvaco TCAD的物理模型模拟引擎，用于模拟器件的结构和物理特性。
它可以通过解决泊松方程、电流连续性方程和能带方程等来计算电子和空穴的分布、电场和电势等物理量。
ATHENA支持多种材料模型和边界条件，可以准确地模拟各种器件结构。
2. ATLAS模块：ATLAS是Silvaco TCAD的设备模拟引擎，用于模拟半导体器件的电学和光学特性。
它可以模拟器件的电流-电压特性、载流子分布、能量带结构和光电特性等。
ATLAS支持各种器件类型，如二极管、MOSFET、BJT和太阳能电池等。
3. UTILITY模块：UTILITY是Silvaco TCAD的实用工具模块，用于处理和分析仿真结果。
它提供了各种数据可视化、数据处理和数据导出功能，帮助工程师分析和优化器件性能。
UTILITY还可以用于参数提取和模型校准，以改进模拟的准确性。
接下来是一个简要的Silvaco TCAD器件仿真流程：2. 设置模拟参数：在进行仿真之前，需要设置模拟所需的参数，如材料参数、边界条件、物理模型和仿真选项等。
可以使用Silvaco TCAD的参数设置工具来设置这些参数。
3. 运行ATHENA模拟：使用ATHENA模块进行结构模拟，通过求解泊松方程和连续性方程，计算出电子和空穴的分布、电场和电势等物理量。
可以使用Silvaco TCAD的命令行界面或图形用户界面来运行ATHENA模拟。
4. 运行ATLAS模拟：使用ATLAS模块进行设备模拟，模拟器件的电学和光学特性。
ATLAS模块可以计算器件的电流-电压特性、载流子分布、能量带结构和光电特性等。
Silvaco TCAD 器件仿真3
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
21:43
13
Silvaco学习
计算方法
Method，仿真时的数值计算方法 主要的方法有newton，gummel，block
（1M~1.024GHz）
solve vbase=0.7 ac freq=1e6 fstep=2 mult.f nfstep=10 solve prev ac freq=1e6 fstep=2 mult.f nfstep=10
直流偏置和交流频率都改变：
solve vgate=0 vstep=0.05 vfinal=1 name=gate ac freq=1e6 \ fstep=2 mult.f nfsteps=10
例句：
Model bgn fldmob srh Models conmob fldmob srh auger temp=300 print Impact selb
21:43
12
Silvaco学习
界面特性
Interface定义界面态电荷（密度cm-2），s.n和s.p 分别为电子和空穴的表面复合速率
21:43 18
Silvaco学习
特性获取
电压控制型器件的输出性：
solve init solve vgate=1.1 outf=solve_tmp1 solve vgate=2.2 outf=solve_tmp2 # load infile=solve_tmp1 log outf=mos_ids_1.log solve name=drain vdrain=0 vstep=0.3 vfinal=3.3 # load infile=solve_tmp2 log outf=mos_ids_2.log solve name=drain vdrain=0 vstep=0.3 vfinal=3.3
21:43
13
Silvaco学习
计算方法
Method，仿真时的数值计算方法 主要的方法有newton，gummel，block
（1M~1.024GHz）
solve vbase=0.7 ac freq=1e6 fstep=2 mult.f nfstep=10 solve prev ac freq=1e6 fstep=2 mult.f nfstep=10
直流偏置和交流频率都改变：
solve vgate=0 vstep=0.05 vfinal=1 name=gate ac freq=1e6 \ fstep=2 mult.f nfsteps=10
例句：
Model bgn fldmob srh Models conmob fldmob srh auger temp=300 print Impact selb
21:43
12
Silvaco学习
界面特性
Interface定义界面态电荷（密度cm-2），s.n和s.p 分别为电子和空穴的表面复合速率
21:43 18
Silvaco学习
特性获取
电压控制型器件的输出性：
solve init solve vgate=1.1 outf=solve_tmp1 solve vgate=2.2 outf=solve_tmp2 # load infile=solve_tmp1 log outf=mos_ids_1.log solve name=drain vdrain=0 vstep=0.3 vfinal=3.3 # load infile=solve_tmp2 log outf=mos_ids_2.log solve name=drain vdrain=0 vstep=0.3 vfinal=3.3
9 Silvaco TCAD器件仿真模块及器件仿真流程
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tonyplot Vt.log
2.2 二极管的例子
• 生成结构
定义网格 go atlas mesh space.mult=1.0 x.mesh loc=0.00 spac=0.5 x.mesh loc=10.00 spac=0.5 y.mesh loc=0.00 spac=0.1 y.mesh loc=5.00 spac=0.1 region num=1 silicon electr name=anode top electr name=cathode bot doping n.type conc=5e13 uniform doping p.type conc=1e19 junc=1 rat=0.6 gauss save outf=diode_0.str tonyplot diode_0.str
• 参数文件
X:\ sedatools\ lib\ Atlas\<version_number>.R\ common
• C解释器的模板、数学符号等文件
X:\sedatools\lib\Atlas\<version_number>.R\common\SCI
Page
21
3 总结
第一部分
器件仿真模块
第二部分
Page 16
impact selb
2.1.4 数值计算方法
• 在求解方程时所用的计算方法 • 参数包括计算步长、迭代方法、初始化策略、迭 代次数等 • 计算不收敛通常是网格引起的
晶格加热时的漂移扩散：
method block newton
迭代次数的设置：
method gummel newton trap maxtrap=10
主要内容
tonyplot Vt.log
2.2 二极管的例子
• 生成结构
定义网格 go atlas mesh space.mult=1.0 x.mesh loc=0.00 spac=0.5 x.mesh loc=10.00 spac=0.5 y.mesh loc=0.00 spac=0.1 y.mesh loc=5.00 spac=0.1 region num=1 silicon electr name=anode top electr name=cathode bot doping n.type conc=5e13 uniform doping p.type conc=1e19 junc=1 rat=0.6 gauss save outf=diode_0.str tonyplot diode_0.str
• 参数文件
X:\ sedatools\ lib\ Atlas\<version_number>.R\ common
• C解释器的模板、数学符号等文件
X:\sedatools\lib\Atlas\<version_number>.R\common\SCI
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3 总结
第一部分
器件仿真模块
第二部分
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impact selb
2.1.4 数值计算方法
• 在求解方程时所用的计算方法 • 参数包括计算步长、迭代方法、初始化策略、迭 代次数等 • 计算不收敛通常是网格引起的
晶格加热时的漂移扩散：
method block newton
迭代次数的设置：
method gummel newton trap maxtrap=10
主要内容
Silvaco-TCAD-器件仿真2教程文件
参数columns,rows, ix.low,ix.high,iy.low.ly.high, x.min,x.max,y.min,y.max
Eliminate columns x.min=0.2 x.max=1.4 y.min=0.2 y.max=0.7
*
Eliminate 前
5
Eliminate 后
区域ID(region=<n>)、材料(material=<c>)、区域坐 标(points=“0,0 0,1 …”)
例句
Region reg=1 mat=silicon color=0xffb2 pattern=0x9 \ points=“0,0 0.1,0 0.1,1 0,1 0,0”
Region reg=3 name=anode material=contact elec.id=1 \ work.func=0 points=“0,0 0.1,0 0.1,1 0,1 0,0”
doping region=1 gauss conc=1e18 peak=0.2 junct=0.15
从文件导入杂质分布
doping x.min=0.0 x.max=1.0 y.min=0.0 y.max=1.0 n.type ascii \ infile=concdata
*
9
Silvaco学习
ATLAS描述的二极管结构
region number=2 x.min=0.0 x.max=0.1 y.min=1.0 \ y.max=2.0 material=silicon
electrode name=anode top electrode name=cathode bottom
doping uniform conc=1e18 n.type region=1 doping uniform conc=1e18 p.type region=2
Eliminate columns x.min=0.2 x.max=1.4 y.min=0.2 y.max=0.7
*
Eliminate 前
5
Eliminate 后
区域ID(region=<n>)、材料(material=<c>)、区域坐 标(points=“0,0 0,1 …”)
例句
Region reg=1 mat=silicon color=0xffb2 pattern=0x9 \ points=“0,0 0.1,0 0.1,1 0,1 0,0”
Region reg=3 name=anode material=contact elec.id=1 \ work.func=0 points=“0,0 0.1,0 0.1,1 0,1 0,0”
doping region=1 gauss conc=1e18 peak=0.2 junct=0.15
从文件导入杂质分布
doping x.min=0.0 x.max=1.0 y.min=0.0 y.max=1.0 n.type ascii \ infile=concdata
*
9
Silvaco学习
ATLAS描述的二极管结构
region number=2 x.min=0.0 x.max=0.1 y.min=1.0 \ y.max=2.0 material=silicon
electrode name=anode top electrode name=cathode bottom
doping uniform conc=1e18 n.type region=1 doping uniform conc=1e18 p.type region=2
Silvaco TCAD 器件仿真2.
例句
Region reg=1 mat=silicon color=0xffb2 pattern=0x9 \ points=“0,0 0.1,0 0.1,1 0,1 0,0”
Region reg=3 name=anode material=contact elec.id=1 \ work.func=0 points=“0,0 0.1,0 0.1,1 0,1 0,0”
09:02
Eliminate 前
6
Eliminate 后
Silvaco学习
region
Region将mesh中不同位置以区域组织起来 语法：Region number=<n> <material> <position>
例句：
region num=1 y.max=0.5 silicon region num=2 y.min=0.5 y.max=1.0 x.min=0 x.max=1.0 oxide region num=3 y.min=1.0 y.max=2.0 x.min=0 x.max=1.0 GaAs
impurity id=2 region.id=4 imp="Composition Fraction X" \ x1=0 x2=0 y1=0 y2=0 \ peak.value=0.47 comb.func=Multiply \ rolloff.y=both conc.func.y=Constant \ rolloff.x=both conc.func.x=Constant
max.height=1 max.width=1 min.height=0.001 min.width=0.001 # constr.mesh x1=0 x2=0.1 y1=0.0 y2=1 max.height=0.08 min.width=0.01 constr.mesh x1= − 0.01 x2=0.11 y1=1 y2=2 max.height=0.1 min.width=0.01
工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD
2017/8/1 2/118
本章内容
使用ATHENA的NMOS工艺仿真 使用ATLAS的NMOS器件仿真
2017/8/1
3/118
本章内容
使用ATHENA的NMOS工艺仿真 使用ATLAS的NMOS器件仿真
2017/8/1
4/118
概述
用ATHENA创建一个典型的MOSFET输入文件所需的
基本操作包括： a. 创建一个好的仿真网格
b. 演示淀积操作
c. 演示几何刻蚀操作 d. 氧化、扩散、退火以及离子注入 e. 结构操作 f. 保存和加载结构信息
2017/8/1 5/118
创建一个初始结构
定义初始直角网格
−
在UNIX或LINUX系统提示符下，输入命令：deckbuild-an&，以 便进入deckbuild交互模式并调用ATHENA程序。这时会出现如下 图所示deckbuild主窗口，点击File目录下的Empty Document， 清空Deckbuild文本窗口；
2017/8/1
12/118
定义初始衬底
由网格定义菜单确定的LINE语句只是为ATHENA仿真结 构建立了一个直角网格系基础。接下来就是衬底区的初始化。 对仿真结构进行初始化的步骤如下：
①
在ATHENA Commands菜单中选择Mesh Initialize…选项。ATHENA网格初 始化菜单将会弹出。在缺省状态下，硅材料为<100>晶向；
10/118
2017/8/1
−
在网格定义窗口中点击insert键，并继续插入第二、第三和 第四个Y方向的网格定义点，位臵分别设为0.2、0.5和0.8， 网格间距分别设 0.01，0.05和0.15，如图所示。
本章内容
使用ATHENA的NMOS工艺仿真 使用ATLAS的NMOS器件仿真
2017/8/1
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本章内容
使用ATHENA的NMOS工艺仿真 使用ATLAS的NMOS器件仿真
2017/8/1
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概述
用ATHENA创建一个典型的MOSFET输入文件所需的
基本操作包括： a. 创建一个好的仿真网格
b. 演示淀积操作
c. 演示几何刻蚀操作 d. 氧化、扩散、退火以及离子注入 e. 结构操作 f. 保存和加载结构信息
2017/8/1 5/118
创建一个初始结构
定义初始直角网格
−
在UNIX或LINUX系统提示符下，输入命令：deckbuild-an&，以 便进入deckbuild交互模式并调用ATHENA程序。这时会出现如下 图所示deckbuild主窗口，点击File目录下的Empty Document， 清空Deckbuild文本窗口；
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定义初始衬底
由网格定义菜单确定的LINE语句只是为ATHENA仿真结 构建立了一个直角网格系基础。接下来就是衬底区的初始化。 对仿真结构进行初始化的步骤如下：
①
在ATHENA Commands菜单中选择Mesh Initialize…选项。ATHENA网格初 始化菜单将会弹出。在缺省状态下，硅材料为<100>晶向；
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−
在网格定义窗口中点击insert键，并继续插入第二、第三和 第四个Y方向的网格定义点，位臵分别设为0.2、0.5和0.8， 网格间距分别设 0.01，0.05和0.15，如图所示。
第三讲 Silvaco TCAD 器件仿真 PPT
大家应该也有点累了，稍作休息
大家有疑问的，可以询问和交流
材料特性
材料的参数有工艺参数和器件参数 材料参数是和物理模型相关联的 软件自带有默认的模型和参数 可通过实验或查找文献来自己定义参数
物理模型
物理量是按照相应的物理模型方程求得的 物理模型的选择要视实际情况而定 所以仿真不只是纯粹数学上的计算
工艺级别的网格，这些网格某些程度上不是计算器件参数所必需的。例如在计算如 阈值电压、源/漏电阻，沟渠的电场效应、或者载流子迁移率等等。Devedit可以帮 助在沟渠部分给出更多更密度网格而降低其他不重要的区域部分，例如栅极区域或 者半导体/氧化物界面等等。以此可以提高器件参数的精度。简单说就是重点区域重 点给出网格，不重要区域少给网格。
二、半导体器件仿真软件使用
本章介绍ATLAS器件仿真器中所用到的语句和参数。 具体包括：
1.语句的语法规则 2.语句名称 3.语句所用到的参数列表， 包括类型，默认值及参数的描述 4.正确使用语句的实例
学习重点（1） 语法规则 （2）用ATLAS程序语言编写器件结构
1. 语法规则
规则1： 语句和参数是不区分大小写的。 A=a 可以在大写字母下或小写字母下编写。abc=Abc=aBc
计算方法
在求解方程时所用的计算方法 计算方法包括计算步长、迭代方法、初始化
策略、迭代次数等
计算不收敛通常是网格引起的
特性获取和分析
不同器件所关注的特性不一样，需要对 相应器件有所了解
不同特性的获取方式跟实际测试对照来 理解
从结构或数据文件看仿真结果
了解一下ATLAS
ATLAS仿真框架及模块 仿真输入和输出 Mesh 物理模型 数值计算
例： 命令语句 DOP 等同于 doping， 可以作为其命令简写。 但建议不要过度简单，以免程序含糊不清，不利于将来调用时阅读。
SilvacoTCAD器件仿真3讲解说课材料
impact selb material=InP an2=1e7 ap2=9.36e6 bn2=3.45e6 bp2=2.78e6
material region=1 taun0=5.0e-10 taup0=1.0e-9 vsatn=2.5e7 \ mun0=4000 mup0=200
Material taun0=1.e-9 taup0=1.e-9 f.conmun=hemtex01_interp.lib material align=0.6
Silvaco学习
特性获取
CE击穿特性：
impact selb
method trap climit=1e - 4 maxtrap=10
#
solve init
solve vbase=0.025
solve vbase=0.05
solve vbase=0.2
#
contact name=base current
*
8
Silvaco学习
C解释器
可通过C解释器编辑函数来描述材料参数 C解释器模板路径
X:\sedatools\lib\Atlas\5.14.0.R\common\template 例子
hemtex01.in 中 “f.conmun=hemtex01_interp.lib”
*
9
Silvaco学习
例句：
Model bgn fldmob srh
Models conmob fldmob srh auger temp=300 print
Impact selb
*
11
Silvaco学习
界面特性
Interface定义界面态电荷（密度cm-2），s.n和s.p 分别为电子和空穴的表面复合速率
material region=1 taun0=5.0e-10 taup0=1.0e-9 vsatn=2.5e7 \ mun0=4000 mup0=200
Material taun0=1.e-9 taup0=1.e-9 f.conmun=hemtex01_interp.lib material align=0.6
Silvaco学习
特性获取
CE击穿特性：
impact selb
method trap climit=1e - 4 maxtrap=10
#
solve init
solve vbase=0.025
solve vbase=0.05
solve vbase=0.2
#
contact name=base current
*
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Silvaco学习
C解释器
可通过C解释器编辑函数来描述材料参数 C解释器模板路径
X:\sedatools\lib\Atlas\5.14.0.R\common\template 例子
hemtex01.in 中 “f.conmun=hemtex01_interp.lib”
*
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Silvaco学习
例句：
Model bgn fldmob srh
Models conmob fldmob srh auger temp=300 print
Impact selb
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Silvaco学习
界面特性
Interface定义界面态电荷（密度cm-2），s.n和s.p 分别为电子和空穴的表面复合速率
silivaco tacd仿真中刻蚀实验的实验注意事项
silivaco tacd仿真中刻蚀实验的实验注意事项在使用Silvaco TCAD进行刻蚀实验仿真时，以下是一些需要注意的事项：
模型选择：确保选择了正确的物理模型来描述刻蚀过程。
不同的材料和工艺可能需要不同的模型。
参数设置：根据实验条件，正确设置仿真参数，如刻蚀速率、刻蚀深度、刻蚀角度等。
边界条件：正确设置仿真区域的边界条件，以模拟实际的实验环境。
网格划分：合理划分仿真区域的网格，以确保仿真的准确性和效率。
初始条件：根据实验需求，设置合适的初始条件，如初始的材料性质、温度等。
结果分析：对仿真结果进行合理的分析和解释，以验证实验的正确性和可行性。
与实验结果对比：将仿真结果与实验结果进行对比，以验证仿真的准确性和可靠性。
优化仿真：根据实验结果和仿真结果的差异，优化仿真模型和参数，以提高仿真的精度和效率。
注意安全：在进行实验时，注意遵守实验室的安全规定，确保实验过程的安全。
记录详细步骤和数据：详细记录实验步骤和仿真数据，以便后续分析和参考。
遵循以上注意事项，可以确保Silvaco TCAD在刻蚀实验仿真中的准确性和可靠性，并为实验提供有价值的参考和指导。
Silvaco-TCAD-器件仿真1只是分享
*
25
Silvaco学习
肖特基二极管的例子
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Silvaco学习
器件仿真流程
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Silvaco学习
ATLAS语法格式
ATLAS的语法格式：
<STATEMENT> <PARAMETER>=<VALUE>
ATLAS的statement同ATHENA中的command 参数类型及其要求如下：
Parameter Character Integer Logical Real
*
10
Silvaco学习
器件仿真模块
S-Pisces： 二维硅器件模拟器
Device3D：三维硅器件模拟器
Blaze2D/3D：高级材料的2维/3维器件模拟器
TFT 2D/3D：无定型和多晶体二维/三维模拟器
VCSELS：VCSELS模拟器
Laser: 半导体激光/二极管模拟器
Luminous 2D/3D：光电子器件模块
Silvaco 的两个工艺模拟器可分别对最新器件进行特殊性能 分析，如TFT，铁电材料，边缘发散激光，Vertical Cavity Surface Emitting Lasers (VCSELS)，以及其他使用外来材料实 现产品差异的光电子的应用器件。
可用于两个模拟器的一整套的插换模块提供了更多详细的 分析功能，包括量子效应，噪声，光刻印刷，非等温线影 响，混合模式仿真能力，以及一个用户模型开发的C-注释 器。
*
15
Silvaco学习
Mobility Models
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Silvaco学习
Recomnination Models
*
半导体工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD教程
2021/6/27
浙大微电子
11/118
– 为了预览所定义的网格，在网格定义菜单中选择View键， 则会显示View Grid窗口。
– 最后，点击菜单上的WRITE键从而在文本窗口中写入网 格定义信息。
2021/6/27
浙大微电子
12/118
定义初始衬底
由网格定义菜单确定的LINE语句只是为ATHENA仿真结
介绍网格定义的方法。
2021/6/27
浙大微电子
8/118
• 在0.6μm×0.8μm的方形区域内创建非均匀网格 − 在网格定义菜单中，Direction栏缺省为X方向；点击 Location栏，输入值0，表示要插入的网格线定义点在位置0； 点击Spacing栏，输入值0.1，表示相邻网格线定义点间的网格 线间距为0.1。当两个定义点所设定的网格线间距不同时，系统 会自动将网格间距从较小值渐变到较大值。 − 在Comment栏，键入注释行内容“Non-Uniform Grid （0.6um x 0.8um)”，如图所示；
② 点击WRITE键，Extract语句将会出现在文本窗口中。在 这个Extract语句中，mat.occno（=1）为说明层数的
2021/6/27
浙大微电子
21/118
参数。由于这里只有一个二氧化硅层，所以这个参数 是可选的。然而当存在有多个二氧化硅层时，则必须 指定出所定义的层。
③ 点击Deckbuild控制栏上的Cont键，继续进行ATHENA 仿真。Extract语句运行时的输出如图所示；从运行输出 可以看到，我们测量的栅极氧化层厚度为131.347Å。
⑤ 检查temp=<variable>和press=<variable>这两项。 然后，点击Apply。添加的最优化参数将如下右图所示 被列出 ；
11 Silvaco TCAD器件仿真材料参数和物理模型
*/
int taun(double x,double y,double temp,double nd, double na,double *taun)
{
if (y>=75 & y<=85)
{
*taun=5e-8;
}
else
{
*taun=2e-6 ;
}
return(0);
/* 0 - ok */
Page 11
output con.band val.band band.para
Page 8
1.2 材料参数定义的例子
material material=InGaAs align=0.36 eg300=0.75 nc300=2.1e17 \ nv300=7.7e18 copt=9.6e-11
material material=InP affinity=4.4 align=0.36 eg300=1.12 \ nc300=5.7e17 nv300=1.1e19 copt=1.2e-10
• 三元化合物半导体 AlGaAs，GaSbP，InAlAs，GaAsPInGaAs，GaSbAs，InAsP，HgCdTe， InGaP，InGaN，AlGaN，CdZnTe，InAlP，InGaSb，InAlSb，AlGaSb， InAsSb，GaAsSb，AlAsSb，InPSb，AlPSb，AlPAs，AlGaP
s.n=1e4 s.p=1e4
Page 22
3 总结
第一部分 第二部分 第三部分
材料参数 物理模型 总结
Page 23
3 总结
• 本课的主要内容：
➢ 材料参数定义 ➢ C解释器定义材料参数 ➢ ATLAS材料系统及自定义材料 ➢ 物理模型的定义 ➢ 界面态
高频npn双极型晶体管Silvaco TCAD仿真
高频npn双极型晶体管Silvaco TCAD仿真一、npn晶体管器件物理1.npn晶体管的基本结构和制造工艺（1）npn晶体管的基本结构双极型晶体管由两个“背靠背”的pn结组成，一种基本结构如图1所示，晶体管中两种载流子都参与导电。
双极型晶体管按照导电类型和极性可划分为npn 晶体管和pnp晶体管，按照制作工艺可划分为合金管、平面管和台面管。
图 1 双极型晶体管基本结构（2）npn晶体管的制造工艺1948年，美国贝尔实验室的肖克莱、巴丁和布拉顿利用合金烧结法制作了第一个锗基双极型晶体管分立器件，奠基了现代电子技术的基础[1]。
npn晶体管制造的平面外延工艺在上世纪70年代一度成为主流，随着各种先进工艺和材料的引进，npn晶体管普遍使用多晶硅发射极的结构以提升注入效率，通过异质外延、离子注入、极紫外光刻等技术，npn晶体管尺寸更小、掺杂浓度更高更精确，性能也更出色。
2.npn晶体管的输出特性和击穿特性（1）npn晶体管的电流放大功能当处于放大工作状态时，npn晶体管的电流输运分为以下三个步骤：发射区发射载流子→基区输运载流子→集电区收集载流子，由于两种载流子都参与晶体管的电流输运，故得名“双极型晶体管”，三个过程定量描述载流子输运的系数分别是注入效率、基区输运系数和集电区雪崩倍增因子。
当npn型双极型晶体管发射结正偏、集电结反偏时，晶体管的基极电流将与集电极电流呈现近似比例关系，即I C=βI B（β>>1），呈现出“电流放大”的功能，其中β称为npn晶体管的电流放大系数。
npn晶体管的输出特性曲线如图2所示，图中虚线代表V BC=0，即V CE=V BE 的情形，是放大区和饱和区的分界线。
（2）npn晶体管的击穿特性当双极型晶体管一个电极开路，在另外两个电极外加反向偏压时，npn晶体管将发生雪崩倍增效应，产生类似于pn结的击穿现象，基极开路时，使I CEO→∞的V CE称为BV CEO，npn晶体管的BV CEO曲线表示如图3所示。
SilvacoTCAD器件仿真01
Yes Yes NoYesEx Nhomakorabeample
material=silicon region=1 gaussian
x.min=0.1
任何没有逻辑值的参数必须按 PARA=VAL 的形式定义 这里PARA表示参数名称，VAL表示参数值。 包括 ： 特性型，整数型，实数型参数（Character, Integer， Real） 而逻辑型参数必须和其他参数加以区分。
x.mesh loc=0.1 spac=0.05
mesh
• 参数#3 Eliminate 可以在ATLAS生成的mesh基础上消除掉一些网格线，消除方
式为隔一条删一条 • 可用参数有columns,rows, ix.low,ix.high,iy.low.ly.high,
x.min,x.max,y.min,y.max
规则3: 参数有4种类型
Parameter
Description
Character Integer Logical
Any character string Any whole number A true or false condition
Real
Any real number
Value Required
#.... N-epi doping 定义初始掺杂浓度 doping n.type conc=5.e16 uniform
#.... Guardring doping 定义p环保护掺杂
doping p.type conc=1e19 x.min=0 x.max=3 junc=1 rat=0.6 gauss doping p.type conc=1e19 x.min=9 x.max=12 junc=1 rat=0.6 gauss
material=silicon region=1 gaussian
x.min=0.1
任何没有逻辑值的参数必须按 PARA=VAL 的形式定义 这里PARA表示参数名称，VAL表示参数值。 包括 ： 特性型，整数型，实数型参数（Character, Integer， Real） 而逻辑型参数必须和其他参数加以区分。
x.mesh loc=0.1 spac=0.05
mesh
• 参数#3 Eliminate 可以在ATLAS生成的mesh基础上消除掉一些网格线，消除方
式为隔一条删一条 • 可用参数有columns,rows, ix.low,ix.high,iy.low.ly.high,
x.min,x.max,y.min,y.max
规则3: 参数有4种类型
Parameter
Description
Character Integer Logical
Any character string Any whole number A true or false condition
Real
Any real number
Value Required
#.... N-epi doping 定义初始掺杂浓度 doping n.type conc=5.e16 uniform
#.... Guardring doping 定义p环保护掺杂
doping p.type conc=1e19 x.min=0 x.max=3 junc=1 rat=0.6 gauss doping p.type conc=1e19 x.min=9 x.max=12 junc=1 rat=0.6 gauss
Silvaco TCAD 器件仿真演示幻灯片
低场迁移率模型中可用户定义的参数
参数
默认值
Mun
1000
Mup
500
Tmun
1.5
Tmup
1.5
单位 cm2/Vs cm2/Vs
11
物理模型
• 推荐的模型 MOSFETs类型：srh，cvt，bgn
BJT，thyristors等：Klasrh，klaaug，kla，
bgn
击穿仿真：Impact，selb
例句：
Model bgn fldmob srh
Models conmob fldmob srh auger temp=300 print
Impact selb
2020/4/22
12
界面特性
Interface定义界面态电荷（密度cm-2），s.n和s.p 分别为电子和空穴的表面复合速率
interface y.max=0.1 qf=−1e11 interface x.min=−4 x.max=4 y.min=−0.25 y.max=0.1 qf=1e11 \
Silvaco TCAD 器件仿真（三）
2020/4/22
Tang shaohua, SCU
E-Mail: shaohuachn@ shaohuachn@
1
这一讲主要内容
• 材料特性设置 • 物理模型设置 • 特性获取 • 结果分析 • 从例子hemtex01.in看整个流程
要在结构文件中查看能带，需添加语句 Output con.band val.band band.para
2020/4/22
7
材料参数例子
material material=InGaAs align=0.36 eg300=0.75 nc300=2.1e17 \ nv300=7.7e18 copt=9.6e-11
Silvaco TCAD基CMOS器件仿真毕业设计
Silvaco TCAD基CMOS器件仿真毕业设计目录1 引言 (1)1.1 MOSFET的发展 (1)1.2 TCAD的发展 (3)2 MOSFET的基本构造及工作原理 (4)2.1 MOSFET的基本原理及构造 (4)2.2 MOSFET的基本工作原理 (5)2.3 MOSFET的~I V特性 (9)3 TCAD工具的构成、仿真原理、仿真流程及仿真结果 (11)3.1 TCAD工具的结构与仿真原理 (11)3.2 用TCAD工具仿真NMOS的步骤 (11)3.3 TCAD工具的仿真结果 (15)4 结论 (16)谢辞 (17)参考文献 (19)附录 (21)正文：1 引言在当今时代，集成电路发展十分迅猛，其工艺的发杂度不断提高，开发新工艺面临着巨大的挑战。
传统的开发新工艺的方法是工艺试验，而现在随着工艺开发的工序细化，流片周期变长，传统的方法已经不能适应现在的需要，这就需要寻找新的方法来解决这个问题。
幸运的是随着计算机性能和计算机技术的发展，人们结合所学半导体理论与数值模拟技术，以计算机为平台进行工艺与器件性能的仿真。
现如今仿真技术在工艺开发中已经取代了工艺试验的地位。
采用TCAD 仿真方式来完成新工艺新技术的开发，突破了标准工艺的限制，能够模拟寻找最合适的工艺来完成自己产品的设计。
此外，TCAD仿真能够对器件各种性能之间存在的矛盾进行同时优化，能够在最短的时间以最小的代价设计出性能符合要求的半导体器件。
进行新工艺的开发，需要设计很多方面的容，如：进行器件性能与结构的优化、对器件进行模型化、设计进行的工艺流程、提取器件模型的参数、制定设计规则等等。
为了设计出质量高且价格低廉的工艺模块，要有一个整体的设计目标，以它为出发点将工艺开发过程的各个阶段进行联系，本着简单易造的准则，系统地进行设计的优化。
TCAD支持器件设计、器件模型化和工艺设计优化，使得设计思想可以实现全面的验证。
TCAD设计开发模拟是在虚拟环境下进行的，缩短了开发周期，降低了开发成本，是一条高效低成本的进行新工艺研究开发的途径。
【Silvaco TCAD实用教程】12 器件仿真器件特性获取方式及结果分析
（直流、交流、瞬态以及特征波形）、环境温度、 光照、压力或磁场等得到端电流/电压随这些量的 变化 • 仿真也以这种思路 • 本课程不关注S参数、霍尔效应、光电特性、单粒 子翻转、噪声特性的仿真
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2.2 直流特性
• 直流特性包括：IV特性、转移特性、Gummel Plot、 输出特性、击穿特性
主要内容
第一部分
电极接触特性
第二部分
器件特性的获取方式
第三部分
结果分析
第四部分 总结
Page 2
1 电极接触特性
第一部分
电极接触特性
第二部分
器件特性的获取方式
第三部分
结果分析
第四部分 总结
Page 3
1.1 电极接触的定义
• 电极的接触状态由contact定义，参数有功函数参 数，边界情形，寄生参数，电极连接参数，浮栅 电容参数等
solve vbase=0.7 ac freq=1e9 fstep=1e9 nfstep=10
从1MHz开始，频率翻倍，10次后为210 1MHz=1.024GHz
solve vbase=0.7 ac freq=1e6 fstep=2 mult.f nfstep=10
Page 11
2.4 瞬态特性
contact name=base current # solve ibase=1.e-6 save outf=bjt_ib_1.str master …
load inf=bjt_ib_1.str master log outf=bjt_ib_1.log solve vcollector=0.0 vstep=0.25\
thermcontact number=1 y.min=0.6 \ ext.temper=300
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2.2 直流特性
• 直流特性包括：IV特性、转移特性、Gummel Plot、 输出特性、击穿特性
主要内容
第一部分
电极接触特性
第二部分
器件特性的获取方式
第三部分
结果分析
第四部分 总结
Page 2
1 电极接触特性
第一部分
电极接触特性
第二部分
器件特性的获取方式
第三部分
结果分析
第四部分 总结
Page 3
1.1 电极接触的定义
• 电极的接触状态由contact定义，参数有功函数参 数，边界情形，寄生参数，电极连接参数，浮栅 电容参数等
solve vbase=0.7 ac freq=1e9 fstep=1e9 nfstep=10
从1MHz开始，频率翻倍，10次后为210 1MHz=1.024GHz
solve vbase=0.7 ac freq=1e6 fstep=2 mult.f nfstep=10
Page 11
2.4 瞬态特性
contact name=base current # solve ibase=1.e-6 save outf=bjt_ib_1.str master …
load inf=bjt_ib_1.str master log outf=bjt_ib_1.log solve vcollector=0.0 vstep=0.25\
thermcontact number=1 y.min=0.6 \ ext.temper=300
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Solve vgate=0.05 vstep=0.05 vfinal=1.0 name=gate
Solve ibase=1e-6
2020/3/3
15
Silvaco学习
特性获取
I-V 特性：
solve vdrain=0.1 solve vdrain=0.2
… solve vdrain=2.0
转移特性：
11
单位 cm2/Vs cm2/Vs
Silvaco学习
物理模型
推荐的模型 MOSFETs类型：srh，cvt，bgn
BJT，thyristors等：Klasrh，klaaug，kla，
bgn
击穿仿真：Impact，selb
例句：
Model bgn fldmob srh
Models conmob fldmob srh auger temp=300 print
2020/3/3
17
Silvaco学习
特性获取
2020/3/3
电流控制性器件的输出特性：
solve init solve vbase=0.05 vstep=0.05 vfinal=0.8 name=base contact name=base current
#
solve ibase=2.e - 6 save outf=bjt_ib_1.str master solve ibase=4.e - 6 save outf=bjt_ib_2.str master
报错信息：
“trap times more than 4 times” 指计算不收敛。
2020/3/3
14
Silvaco学习
特性获取
加偏执是用solve状态 先需要设置数据保存在日志文件，之后才
可以用Tonyplot显示出来
Log outfile=*.log
简单例句：
Solve init
Solve vdrain=0.1
Impact selb
2020/3/3
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Silvaco学习
界面特性
Interface定义界面态电荷（密度cm-2），s.n和s.p 分别为电子和空穴的表面复合速率
interface y.max=0.1 qf=−1e11 interface x.min=−4 x.max=4 y.min=−0.25 y.max=0.1 qf=1e11 \
2020/3/3
20
Silvaco学习
特性获取
瞬态特性：
solve vgate=1.0 ramptime=1e−8 tstop=1e−7 tstep=1e−10
2020/3/3
瞬态仿真参数的说明
21
Silvaco学习
特性获取
S参数仿真（电流增益随频率变化的特性）：
log outf=ac.log s.param inport=gate outport=drain width=100 solve ac.analysis direct frequency=1.e9 fstep=2.e9 nfsteps=20
solve vdrain=0.1 solve vgate=0.1 vstep=0.1 vfinal=3.0 name=gate
GP 特性：
solve vcollector=2 solve vbase=0.0 vstep=0.1 vfinal=2 name=base
contact name=base common=collector solve vbase=0.0 vstep=0.1 vfinal=2 name=base
2020/3/3
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特性获取
霍尔效应仿真：
models srh fldmob bz=1.0 model temperature=300 solve init # probe name=hall1 x=0.0 y=0.5 potential probe name=hall2 x=1.0 y=0.5 potential probe name=reference x=0.5 y=0.5 potential # log outf=hall_effect.log solve name=anode vanode=0.0 vstep=0.05 vfinal=1.0
material material=InGaAs align=0.36 eg300=0.75 nc300=2.1e17 \ nv300=7.7e18 copt=9.6e-11
material material=InP affinity=4.4 align=0.36 eg300=1.35 \ nc300=5.7e17 nv300=1.1e19 copt=1.2e-10
2020/3/3
2
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材料参数
状态Material，设置材料参数 材料参数和物理模型的选取有关，常用的
参数及说明如下：
2020/3/3
3
Silvaco学习
材料参数
2020/3/3
4
Silvaco学习
材料参数
2020/3/3
5
Silvaco学习
材料参数
2020/3/3
6
Silvaco学习
2020/3/3
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Silvaco学习
特性获取
CE击穿特性：
impact selb
method trap climit=1e - 4 maxtrap=10
#
solve init
solve vbase=0.025
solve vbase=0.05
solve vbase=0.2
#
contact name=base current
solve ibase=3.e - 15
#
log outfile=gp.log master
solve vcollector=0.2
solve vstep=0.2 vfinal=5 name=collector
solve vstep=0.5 vfinal=10 name=collector compl=5.e - 11 p=3
2020/3/3
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Silvaco学习
特性获取
光电效应仿真时光线的设置：
波长、入射点位置和角度： beam num=1 x.orign=5 y.orign=−2 angle=90 wavelenght=.8
一定范围的波长：
beam num=1 x.orign=5 y.orign=−2 angle=90 wavel.start=.5 \ wavel.end=1.7 wave.num=13
n0
mun
Tl 300
tmun
p0
mup
Tl 300
tmup
2020/3/3
状态 Mobility Mobility Mobility Mobility
低场迁移率模型中可用户定义的参数
参数
默认值
Mun
1000
Mup
500
Tmun
1.5
Tmup
1.5
前后背面的反射：
beam num=2 x.orign=1 y.orign=−1 angle=90 wavelength=1.5 \ back.refl front.refl reflect=5 min.power=0.01
#
load inf=bjt_ib_1.str master log outf=bjt_ib_1.log solve vcollector=0.0 vstep=0.25 vfinal=5.0 name=collector
#
load inf=bjt_ib_2.str master log outf=bjt_ib_2.log solve vcollector=0.0 vstep=0.25 vfinal=5.0 name=collector
（1M~1.024GHz）
solve vbase=0.7 ac freq=1e6 fstep=2 mult.f nfstep=10
solve prev ac freq=1e6 fstep=2 mult.f nfstep=10
直流偏置和交流频率都改变：
solve vgate=0 vstep=0.05 vfinal=1 name=gate ac freq=1e6 \ fstep=2 mult.f nfsteps=10
ate
例子
hemtex01.in 中 “f.conmun=hemtex01_interp.lib”
2020/3/3
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物理模型
models，计算时所采用的物理模型 物理模型是指有物理意义的方程 物理描述在手册的3.6节Physics Models部分
低场迁移率模型的物理方程及参数
impact selb material=InGaAs an2=5.15e7 ap2=9.69e7 bn2=1.95e6 \ bp2=2.27e6
impact selb material=InP an2=1e7 ap2=9.36e6 bn2=3.45e6 bp2=2.78e6
material region=1 taun0=5.0e-10 taup0=1.0e-9 vsatn=2.5e7 \ mun0=4000 mup0=200
log outf=ac.log s.param inport=gate outport=drain \ in2port=source out2port=source width=100 rin=100
solve ac.analysis direct frequency=1.e9 fstep=2.e9 nfsteps=20