4. 实验数据采集与预处理

模型校准的质量上限，在数据进入 Sentaurus 之前就已经被决定了。TCAD 校准本质上是把仿真曲线与实验曲线在同一个坐标系、同一组物理量定义下做最小化，因此“数据采集与预处理”不是杂务，而是校准链路的第一道物理关口。本节围绕 I-V、C-V、脉冲、瞬态、噪声五类常见测试数据，说明从采集到可拟合数据集的完整处理逻辑。

一、五类数据的采集要点与物理量定义

不同测试类型对采集条件的要求差异很大，采集阶段就要把后续拟合所需的元信息一并记录，否则预处理阶段无法判断数据是否可用。

• I-V 数据：直流扫描，重点是扫描方向（正向/反向）、扫描步长、积分时间、是否双扫以观察迟滞。需记录衬底接地方式、源漏偏置组合、温度。对 MOS 器件，I_d-V_g 需明确 V_g 扫描范围是否覆盖亚阈区与积累区。
• C-V 数据：通常用 LCR 表在 10 kHz～1 MHz 频率下测量，需记录交流小信号幅度（一般 30～50 mV_rms）、频率、直流偏置扫描方向、是否叠加光照。C-V 对串联电阻和漏电流敏感，高频下需做开路/短路补偿。
• 脉冲 I-V：用于抑制自热与陷阱充放电，需记录脉冲宽度（如 1 μs～10 ms）、占空比、上升/下降时间、基线电平。脉冲宽度直接决定观测到的是“快态”还是“准静态”特性。
• 瞬态数据：开关瞬态、恢复瞬态、充电瞬态，需记录时间分辨率、触发时刻、负载条件。时间轴零点必须与激励跳变沿对齐，否则后续与 TCAD 瞬态仿真对齐会产生系统性时移。
• 噪声数据：低频 1/f 噪声与热噪声，需记录频率范围、分辨率带宽、放大器增益与输入参考噪声底。噪声谱密度 S_V 或 S_I 的单位与归一化方式必须明确。

二、数据清洗：从原始记录到可用序列

原始数据常见问题包括：仪器量程切换导致的台阶、接触不良导致的跳点、扫描方向切换处的重复点、时间戳抖动。清洗的第一步是去重与排序：对同一偏置点重复采集的数据取中位数而非均值，可抑制单次跳点的影响；对时间序列按时间戳严格单调排序，剔除时间戳回退的记录。

第二步是量程台阶识别。当电流跨越量程档位时，某些源表会引入 0.5%～2% 的台阶。识别方法是检查相邻点的一阶差分，若在非物理位置出现与量程切换阈值吻合的突变，可标记该区间并在拟合时降权，而不是直接删除。

第三步是无效区间剔除。例如 C-V 测量中，当漏电流过大导致相位角接近 90° 时，电容读数不可信；I-V 中亚阈区电流低于仪器噪声底（如 10^-13 A）的数据点应标记为“低于噪声底”，在校准时只用于约束上限而非精确拟合。

三、平滑、插值与异常值处理

平滑的目的是抑制随机噪声，但必须避免改变物理特征。对 I-V 曲线，推荐使用Savitzky-Golay 滤波，窗口长度取 5～11 点、多项式阶数 2～3，可在对数电流坐标下进行，以兼顾亚阈区与线性区。对瞬态数据，若噪声带宽远高于信号带宽，可用移动平均，但窗口应小于上升时间的 1/10。

插值用于把实验数据映射到仿真可比较的偏置网格。推荐使用单调分段三次插值（PCHIP）而非普通样条，因为普通样条在数据稀疏区会产生非物理过冲，尤其在 C-V 的积累区边缘。插值后应检查是否出现负电容或负微分电阻等非物理值。

异常值处理建议采用稳健统计：以局部中位数绝对偏差（MAD）为尺度，偏离超过 5×MAD 的点标记为候选异常；再结合物理判据（如电流随电压单调性、电容非负性）确认。确认后的异常点应标记并降权，而不是直接删除，以保留“该点不可信”的信息供拟合权重使用。

四、单位统一与坐标对齐

单位统一是校准中最容易被忽视却最致命的环节。常见问题包括：电流用 A 还是 A/μm、电容用 F 还是 F/cm²、噪声用 V²/Hz 还是 V/√Hz、时间用 s 还是 μs。建议在预处理阶段建立一张单位归一化表，把所有数据统一到 TCAD 常用单位：电流 A/μm、电容 F/cm²、电压 V、时间 s、噪声谱密度 V²/Hz。

坐标对齐包含三层含义：偏置对齐（实验与仿真的电压定义一致，例如 V_g 是否包含功函数差）、时间对齐（瞬态零点与激励跳变沿对齐）、空间对齐（C-V 的面积归一化与有效栅面积一致）。若实验 V_g 包含平带电压偏移而仿真以理想栅极定义，则必须在拟合前显式平移，否则提取的 V_th 与界面陷阱密度会同时偏移。

五、一份可直接使用的预处理检查表

下表给出预处理阶段建议逐项确认的字段与判据，可直接作为数据交接或校准前的检查清单。表中数值为示例性建议阈值，实际应结合仪器手册与器件类型调整。

完成上述四层处理后，得到的数据集应满足：单位统一、坐标对齐、异常点有标记与权重、插值不产生非物理值。此时再进入 Sentaurus 的校准流程，仿真与实验的比较才有意义，后续的参数提取与模型修正也才有可靠的基础。