1. 课程导入与仿真环境搭建

SiC（碳化硅）功率器件是当前电力电子领域最具工程价值的方向之一。与硅器件相比，SiC 具有约 3 倍的禁带宽度、约 10 倍的临界击穿场强和约 3 倍的热导率，这使得 SiC MOSFET、SiC 肖特基二极管（SBD）能够在更高电压、更高频率和更高温度下工作。但正因为材料参数差异巨大，很多在硅器件上"凭经验"成立的设计规则在 SiC 上会失效——例如栅氧电场、界面态密度、漂移区掺杂与击穿电压的非线性关系。TCAD 仿真的价值，正是在流片之前把这些物理量算清楚。

本课程以 Synopsys Sentaurus TCAD 为工具平台，围绕 SiC 功率器件从结构建模、工艺仿真、电学特性仿真到结果分析的全流程展开。本章作为导入章节，重点解决三个问题：Sentaurus 工具链由哪些模块组成、它们之间如何协作、以及如何在一台 Linux 工作站上把第一个可运行的仿真项目跑起来。

1.1 Sentaurus TCAD 工具链的组成与分工

Sentaurus TCAD 不是单一软件，而是一组围绕"结构—物理—数据"三条主线协同工作的模块集合。理解它们的分工，比记住菜单位置更重要。

Sentaurus Workbench（SWB）是实验管理与流程编排层。它本身不做物理计算，而是把一次仿真拆成若干工具节点（tool node），定义节点之间的输入输出依赖，并负责参数扫描（split）、并行调度和结果汇总。你在 SWB 中定义的是"实验设计"，而不是"器件物理"。

Sentaurus Structure Editor（SDE）与 Sentaurus Process（SProcess）负责几何与掺杂的生成。SDE 走"几何驱动"路线：用 Scheme 或 Python 脚本直接描述器件二维/三维形状、区域材料、电极位置和初始掺杂分布，适合结构已知、只关心电学特性的场景。SProcess 走"工艺驱动"路线：从衬底开始，依次执行氧化、离子注入、退火、外延、刻蚀等工艺步骤，最终得到掺杂剖面和结深，适合研究工艺条件对器件的影响。

Sentaurus Device（SDevice）是核心求解器，负责在给定结构上求解漂移-扩散方程、泊松方程和载流子连续性方程，必要时耦合热学方程与陷阱动力学。它读取 TDR 格式的结构文件，输出电流-电压曲线、电场分布、载流子浓度、碰撞电离率等物理量。

Sentaurus Visual（SVisual）负责结果可视化，可绘制一维剖面曲线、二维等值线图和三维场分布。SPECTRA 则是器件的光学与电学特性分析模块，常用于太阳能电池、光电探测器的量子效率与光谱响应计算；在功率器件课程中，它主要用于需要光学耦合或精细能带分析的特殊场景。

1.2 Linux 环境与许可证配置

Sentaurus 官方仅支持 Linux 平台，主流部署在 RHEL/CentOS 或 Ubuntu 服务器上。安装完成后，最关键的两项环境变量是 STROOT（安装根目录）和 PATH。典型配置写入 ~/.bashrc：

export STROOT=/opt/synopsys/sentaurus/T-2022.06
export PATH=$STROOT/bin:$PATH
export LM_LICENSE_FILE=27020@lic-server.local
export SNPSLMD_LICENSE_FILE=27020@lic-server.local

其中 27020 是 Synopsys 通用许可证端口，lic-server.local 是许可证服务器主机名。配置后执行 source ~/.bashrc，再用 which sdevice 和 lmstat -a -c $LM_LICENSE_FILE 验证：前者应返回可执行文件路径，后者应列出可用的 sentaurus 特性及其到期时间。若 lmstat 报 "Cannot connect"，优先检查防火墙是否放行 27020 端口，以及服务器端 lmgrd 进程是否存活。

1.3 创建第一个仿真项目

在 SWB 中新建项目后，建议按以下结构组织目录：project/ 下放置 sde.cmd（结构脚本）、sdevice.cmd（器件仿真命令文件）、pp*.cmd（参数文件）和 swb 工程文件。一个最小可运行的 SiC SBD 结构脚本片段如下：

(sde:clear)
(sdegeo:create-rectangle (position 0 0 0) (position 5 0 0) "SiliconCarbide" "substrate")
(sdegeo:create-rectangle (position 0 0 0) (position 5 0.5 0) "SiliconCarbide" "epi")
(sdedr:define-constant-profile "doping" "Phosphorus" 1e16)
(sdedr:constant-profile-place "doping" "epi")
(sdegeo:define-contact-set "anode" 4 (color 1 0 0) "##")
(sdegeo:define-contact-set "cathode" 4 (color 0 0 1) "##")
(sde:build-mesh "snmesh" "-a -c -d" "n@node@_msh")

这段脚本定义了一个 5 μm 宽、0.5 μm 厚的外延层，掺杂浓度 1×10¹⁶ cm⁻³，并设置阳极与阴极接触。执行后生成网格文件，再由 SDevice 读取并求解反向击穿特性。首次运行建议先用粗网格验证流程是否打通，确认 I-V 曲线趋势合理后再加密网格。