从TCAD到SPICE：器件参数提取仿真与模型卡生成 - 第2节

2.1 Sentaurus TCAD 工具套件概览

Sentaurus TCAD 是 Synopsys 公司推出的业界标准半导体工艺与器件仿真平台。它覆盖从工艺步骤模拟、器件结构构建到电学特性提取的全链条，是连接物理制造与电路仿真的核心桥梁。本章聚焦其核心组件、网格生成策略及物理模型选择原则。

2.1.1 工具套件核心组件

Sentaurus 套件采用模块化架构，各工具通过统一的工程管理平台 Sentaurus Workbench (SWB) 进行集成与数据传递。下表列出主要组件及其职责：

2.2 网格生成：精度与效率的平衡艺术

网格（Mesh）是 TCAD 仿真的空间离散化基础。网格密度直接影响求解精度和计算时间。Sentaurus 使用非结构化网格（三角形/四面体），支持局部加密以捕捉高梯度区域（如 PN 结界面、沟道反型层）。

2.2.1 网格类型与选择策略

2.2.2 网格生成流程（SDE 示例）

以下代码展示在 SDE 中为平面 MOSFET 定义网格的典型流程：

# 定义全局网格参数

Grid: Set::MaxEdgeLength = 0.5   # 最大边长 (μm)

Grid: Set::MinEdgeLength = 0.01  # 最小边长 (μm)



# 定义区域并指定网格密度

Region: "Channel" {

    Grid: Refine::MaxEdgeLength = 0.02

    Grid: Refine::MinEdgeLength = 0.005

}



Region: "SourceDrain" {

    Grid: Refine::MaxEdgeLength = 0.1

    Grid: Refine::MinEdgeLength = 0.02

}



# 在 PN 结界面自动加密

Grid: Refine::Interface {

    Regions = ["PBody", "Ndrift"]

    MaxEdgeLength = 0.01

    MinEdgeLength = 0.002

}



# 生成网格并输出

Grid: Generate

Grid: Write::Mesh = "mosfet_2d.msh"

2.3 物理模型选择：从漂移扩散到量子修正

物理模型是 TCAD 仿真的灵魂。Sentaurus 提供从经典到量子的多层次模型库，选择不当会导致仿真结果偏离物理实际或计算发散。

2.3.1 核心物理模型分类

2.3.2 模型选择决策流程

以下决策树帮助工程师根据器件特征快速锁定模型组合：

1. 判断沟道长度：L_g > 1μm → 漂移-扩散模型；L_g < 100nm → 必须启用流体动力学或密度梯度。
2. 判断工作电压：V_ds > 击穿电压的 80% → 必须开启碰撞电离模型。
3. 判断衬底类型：SOI 或超薄体 → 开启热力学模型以捕捉自热效应。
4. 判断材料体系：SiGe/SiC/GaN → 使用专用迁移率模型（如 Caughey-Thomas 参数化）。
5. 验证收敛性：若仿真发散，先关闭非必要模型（如量子修正），从纯 DD 模型开始逐步添加。

2.4 本章小结

• Sentaurus 套件以 SWB 为集成平台，SProcess/SDE/SDevice 分别负责工艺、结构、电学仿真，SVISUAL 用于结果分析。
• 网格生成遵循“全局粗网格 + 局部加密”原则，关键结区和沟道区最小边长建议 ≤ 0.01μm，并检查长宽比和内角。
• 物理模型选择需根据沟道长度、工作电压、材料体系分层决策，从漂移-扩散基础模型逐步添加流体动力学、碰撞电离、量子修正等高级模型。
• 模型校准是 TCAD 到 SPICE 流程的关键质量门，未经实测数据校准的仿真结果不能用于模型卡生成。