2. 器件结构建模基础
Sentaurus Device 的仿真精度，首先取决于输入结构是否忠实反映了真实器件的几何、掺杂与电极边界。Sentaurus Structure Editor（SDE）正是承担这一任务的建模前端：它把版图、工艺仿真结果或手工绘制的几何，转换为带掺杂分布、电极接触和网格的器件结构，再交给器件仿真器求解。本节围绕 SDE 的四项核心工作——几何建模、掺杂分布、电极定义、网格划分——以及从版图/工艺文件导入结构的方法展开。
一、几何建模：从坐标到器件轮廓
SDE 支持两种几何构建方式。其一是基于脚本的“构造式建模”，用 sdegeo:create-rectangle、create-polygon、create-circle 等命令逐层堆叠出器件；其二是导入已有版图或工艺结构。构造式建模的关键是坐标系约定：SDE 默认采用二维笛卡尔坐标，x 为横向、y 为纵向（深度方向），单位通常为微米。所有几何对象必须落在同一坐标系内，否则布尔运算会失败。
以一个平面 MOSFET 的沟道区为例，可先定义衬底矩形，再依次叠加源/漏区、栅氧化层和栅极多晶硅。几何对象之间通过布尔运算（并、交、差）组合，例如用 sdegeo:boolean-difference 从衬底中挖出氧化层区域。需要特别注意的是：几何层之间不能有重叠冲突，否则后续掺杂和网格会因区域归属不明而报错。一个实用的检查习惯是，在每次布尔运算后调用 sdegeo:check-geometry 确认无自交、无零面积区域。
二、掺杂分布：从常数到解析与文件映射
掺杂是决定器件电学行为的核心参数。SDE 提供三类掺杂定义方式：常数掺杂、解析分布和文件导入。常数掺杂适合衬底背景浓度，例如 (sdedr:define-constant-profile "Substrate" "BoronActiveConcentration" 1e15)，表示硼背景浓度 1×10¹⁵ cm⁻³。解析分布则用高斯或误差函数描述结深与峰值，例如源漏区常用高斯分布，通过峰值浓度、结深和特征长度三个参数控制。
更贴近实际的是从工艺仿真文件（如 TDR 格式）导入掺杂。此时掺杂是二维甚至三维网格上的离散数据，SDE 会将其插值到目标网格。这里有一个容易被忽视的细节：掺杂分布的坐标必须与几何坐标一致，若工艺仿真使用了不同的深度参考面（例如以硅表面为 y=0 还是以衬底背面为 y=0），导入后结深会整体偏移。因此导入前应核对工艺文件的坐标原点，必要时用 sdedr:transform 做平移校正。
三、电极定义：接触边界与偏置入口
电极在 SDE 中不是简单的几何标记，而是定义在特定几何边或面上的接触边界条件。常用命令 sdegeo:define-contact-set 先声明接触集合，再用 sdegeo:set-contact 把某条边绑定到该集合。例如把源区上表面定义为 “source” 电极，漏区上表面定义为 “drain”，栅极顶部定义为 “gate”，衬底底部定义为 “substrate”。
电极定义有两个工程要点。第一，电极必须落在真实的半导体或金属边界上，不能悬空在氧化层内部，否则仿真器无法建立欧姆接触。第二，电极的偏置参考点由仿真器统一指定，SDE 只负责几何绑定，不负责电压值。若同一电极由多段不连续边界组成，需要全部绑定到同一接触集合，否则会出现“电极不完整”的报错。对于功率器件，还常用 sdegeo:define-3d-contact 定义三维接触面。
四、网格划分：精度与算力的平衡
网格是数值求解的离散基础。SDE 的网格策略通常分两步：先做全局粗网格，再对关键区域做局部加密。全局网格由 sdedr:define-refinement-window 配合 sdedr:define-refinement-size 控制，例如设置最大步长 0.1 μm、最小步长 0.01 μm。局部加密则针对沟道、结区、氧化层和电极边缘，因为这些位置电场和载流子浓度梯度最大。
一个常见的误区是“网格越密越好”。实际上网格数量直接决定求解时间和内存占用，过度加密会导致仿真无法收敛或耗时过长。合理的做法是：在沟道方向用 0.5～1 nm 级网格，在衬底体区放宽到 50～100 nm，在电极边缘做 1～2 层细化。SDE 还支持基于掺杂梯度的自适应加密（sdedr:define-refinement-function），让网格自动跟随掺杂变化，这在导入工艺文件时尤其有用。
五、从版图/工艺文件导入结构
实际工程中，手工建模效率低且易出错，更常见的是从版图或工艺仿真结果导入。从 GDS 版图导入时，SDE 通过 sdeio:read-gds 读取版图，再按层号映射到不同几何区域；需要注意版图层号与工艺层号的对应关系，以及版图单位（通常为 μm 或 nm）与 SDE 坐标单位的换算。从工艺仿真导入时，TDR 文件已包含几何、掺杂和网格，SDE 可直接读取并做必要的裁剪或电极补充。
导入后必须做三项检查：几何是否闭合、掺杂坐标是否对齐、电极是否完整。只有这三项都通过，生成的结构才能可靠地送入 Sentaurus Device 进行电学仿真。下表汇总了本节四类建模要素的关键参数与常见问题，可作为建模时的快速对照。
| 建模要素 | 关键命令/参数 | 典型取值示例 | 常见问题 |
|---|---|---|---|
| 几何建模 | create-rectangle / boolean-difference | 衬底 1 μm × 0.5 μm | 层间重叠、坐标不一致 |
| 掺杂分布 | define-constant-profile / 高斯分布 | 衬底 1e15 cm⁻³，源漏 1e20 cm⁻³ | 结深偏移、坐标原点不符 |
| 电极定义 | define-contact-set / set-contact | source、drain、gate、substrate | 电极悬空、边界不连续 |
| 网格划分 | define-refinement-size / refinement-function | 沟道 0.5 nm，体区 50 nm | 过度加密、收敛困难 |
sdegeo:check-geometry 与网格统计确认无异常。
掌握这四类要素及其导入方法，就具备了在 SDE 中构建可靠器件结构的基础。后续的器件优化，无论是调整结深、改变栅氧厚度，还是引入新结构，都建立在这一步的正确性之上。