Ch2:物理器件定义

来源:sdevice_ug.pdf 第 2 章(W-2024.09) 🔨 进行中

说明:本章按原章小节顺序进行逐段翻译,并在对应位置插入原文图示。

本章目录

2.1 读取器件结构
2.2 指定掺杂种类
2.3 指定材料
2.4 物理模型及其层级化规格
2.5 物理模型参数

2.1 读取器件结构

器件由其形状、材料成分和掺杂来定义。这些信息定义在网格上,并包含在 TDR 文件中,通过命令文件的 File 节中的 Grid 关键字指定。例如:

tcl

File {
    Grid = "mosfet.tdr"
    ...
}

以下关键字影响 Grid 文件中几何的解释:

Math 全局节中的 CoordinateSystem 指定用于命令文件中显式坐标的坐标系方向。许多特性(如电流绘图语句或参数文件中的 LatticeParameters)使用显式坐标,并且它们基于对器件方向的一些隐含假设。可以通过指定以下关键字来指示所需的器件方向:

tcl

Math {
    CoordinateSystem { <option> }
}

如果器件的坐标系方向与 Math 节中的规格不兼容,Sentaurus Device 会自动将器件变换到所需的坐标系方向。CoordinateSystem 关键字的选项见表 1。

表 1 CoordinateSystem 关键字的选项

选项	描述
`AsIs`	(默认)指定器件的坐标系方向与命令文件中使用的显式坐标兼容。不对结构进行任何变换。
`DFISE`	在二维中,x 轴指向表面,y 轴指向器件内部。在三维中,x 轴和 y 轴在器件表面展开,z 轴指向远离器件的上方。
`UCS`	统一坐标系(UCS)方向采用 Sentaurus Process 建立的模拟坐标系约定。x 轴始终指向器件内部。在二维中,y 轴在器件表面横向延伸。在三维中,添加 z 轴以获得右手坐标系。

Physics 全局节中的 AreaFactor 为接触端的电流和电荷指定一个乘数。对于一维或二维模拟,它通常指定器件在其余一维或二维上的延展。在利用器件对称性的模拟中,它也可用于考虑模拟器件与真实器件相比的缩小。AreaFactor 在 Electrode 和 Thermode 节中也可用,含义相同。

任何给定接触端的总 AreaFactor 是全局 AreaFactor 与该接触端定义 AreaFactor 的乘积。换言之,对于特定电极,总 AreaFactor 为 (Physics 节 AreaFactor)×(Electrode 节 AreaFactor);对于特定热端,总 AreaFactor 为 (Physics 节 AreaFactor)×(Thermode 节 AreaFactor)。

从 .tdr 文件加载时会考虑 TDR 单位。因此,从文件读取的单位会被转换为 Sentaurus Device 中使用的适当单位。如果转换失败,则忽略 TDR 单位。可使用 Math 节中的 IgnoreTdrUnits 关键字在加载期间忽略 TDR 单位。这不仅适用于 Grid 文件,也适用于其他加载的文件。

2.1.1 坐标系

(见 2.1 节上文中的 CoordinateSystem 说明。)

2.1.2 柱坐标系

柱坐标系用于模拟具有柱对称性的三维器件在径向(ρ)和高度(z)方向的依赖关系,或用于模拟具有圆形横截面的器件或问题。器件行为在所有方位角(φ)上假定是相同的。因此,三维器件可以用二维坐标系来描述。

Sentaurus Device 假定二维结构绕柱 z 轴旋转 2π 弧度。因此,二维网格可用于模拟三维柱形器件,模拟结果与三维模拟等效。所以,端点电流的单位是安培(A),而不是二维器件结构的 A/μm。

通过在全局 Math 节中指定 Cylindrical 关键字来激活柱坐标(仅适用于二维网格):

tcl

Math {
    Cylindrical( xAxis=<float> )  # 或 yAxis=<float>
}

可以使用 xAxis=<float> 或 yAxis=<float> 选项定义柱 z 轴的位置。图 4 解释这些选项的用法,并涉及传统(DF-ISE)坐标。在 UCS 方向的情况下,x 轴是垂直轴,y 轴是水平轴。因此,需要仔细设置 xAxis 和 yAxis 选项来定义它们的柱 z 轴。

⚠️ 注意:不应有任何接触端与柱 z 轴对齐。否则,模拟将终止并报错。

图 4 柱 z 轴可沿定义轴使用 xAxis 或 yAxis 选项移动

图片：../../../public/images/sdevice/sdevice_fig4.png

        Cylindrical z-axis           Cylindrical z-axis
              y                            y
              |                            |
              | yAxis=b                    |    b
              |___                         |___
             /     \                       /     \
            /   a   \                     /   a   \
           /_________\                   /_________\
              x                            x
         xAxis=a                      yAxis=b

2.1.3 突变异质结与渐变异质结

Sentaurus Device 支持突变异质结和具有任意组分分布的渐变异质结。对于突变异质结,Sentaurus Device 通过在异质界面处引入双点(double points)来正确处理不连续数据集。当选择热电子发射模型时,或在所选异质界面的 Physics 节中指定 HeteroInterface 关键字时,此选项会自动开启。默认情况下,此双点选项是关闭的。

⚠️ 注意:HeteroInterface 关键字提供双点的平衡条件(连续准费米势)。它不为高电流工况下的界面提供真实的物理。在没有热电子发射或隧穿模型的情况下,不建议使用 HeteroInterface 选项。

为说明双点选项,图 5 显示了突变异质界面附近的导带。宽线表示没有双点的情况,这需要非常细的网格来避免大的势垒误差(δEC)。

图 5 有无双点时异质界面的带边

图片：../../../public/images/sdevice/sdevice_fig5.png

       EC1
  ____/  δEC  \____      (有双点,Mesh Nodes在双点处)
       /        \
      /          \
  ___/            \____  (无双点,连续分布)
 EC2

2.2 指定掺杂种类

Sentaurus Device 依靠文件 datexcodes.txt 的 Variables 节来确定其掺杂种类。变量通过掺杂字段来标识是受主还是施主。化学浓度通过活动字段链接到相应的活度浓度。同样,电离浓度由电离字段指定。典型的声明如下:

tcl

BoronConcentration, BoronChemicalConcentration {
    doping = acceptor (
        active = BoronActiveConcentration
        ionized = BoronMinusConcentration
    )
    ...
}

还可以将掺杂种类限制在某些衬底材料上。例如,要将 SiliconConcentration 限制为仅在 GaN 衬底上作为施主,请指定:

tcl

SiliconConcentration, SiliconChemicalConcentration {
    doping = donor (
        active = SiliconActiveConcentration
        ionized = SiliconPlusConcentration
        material = GaN
    )
}

TCAD Sentaurus 工具套件在目录 $STROOT/tcad/$STRELEASE/lib 中提供了一个默认的 datexcodes.txt 文件。此文件中已经预定义了许多常见掺杂种类。要添加用户自定义掺杂种类或修改现有规格,可以在本地目录中使用 datexcodes.txt 文件。本地 datexcodes.txt 文件只需包含你要添加或修改的变量。

如果激活了不完整电离模型(见使用不完整电离模型),则必须在材料参数文件的 Ionization 节中指定用户定义种类的模型参数。

Sentaurus Device 从 File 节中指定的 Grid 文件加载掺杂分布,并读取以下数据集:

净掺杂(Grid 文件中的 DopingConcentration)
总掺杂(Grid 文件中的 TotalConcentration)
各掺杂种类的浓度

Sentaurus Device 支持以下掺杂规格规则:

如果净掺杂数据集存在,Sentaurus Device 从文件中获取。否则,从各掺杂种类的浓度重新计算净掺杂。要强制基于各掺杂种类重新计算净掺杂,请在全局 Math 节中使用 ComputeDopingConcentration 关键字。
总掺杂数据集的规则相同。

注意:总浓度来源于 Sentaurus Process 等工艺模拟器,是掺杂化学浓度之和。但是,如果在 Sentaurus Device 内部重新计算总浓度,则使用活度浓度。

如果 Grid 文件中有活度浓度(例如 BoronActiveConcentration),则使用它。否则,使用化学掺杂浓度(例如 BoronConcentration)。

为了执行任何模拟,Sentaurus Device 必须准备以下主要掺杂数组:

净掺杂浓度:Nnet = ND,0 - NA,0
施主和受主浓度:ND,0 和 NA,0
总掺杂浓度:Ntot = ND,0 + NA,0

加载掺杂文件后,Sentaurus Device 使用以下方案计算掺杂数组:

如果 Grid 文件没有任何种类,则 Nnet 从 DopingConcentration 初始化,Ntot 从 TotalConcentration 初始化(如果没有读取 TotalConcentration,则从 Nnet 初始化),ND,0 = (Ntot + Nnet)/2,NA,0 = (Ntot - Nnet)/2。
如果 Grid 文件有各掺杂种类,则 NA,0 和 ND,0 从各施主和受主浓度求和计算,Nnet 从 DopingConcentration 初始化(如果没有读取 DopingConcentration,则从 ND,0 - NA,0 初始化),Ntot 从 TotalConcentration 初始化(如果没有读取 TotalConcentration,则从 NA,0 + ND,0 初始化)。
如果 Physics 节包含带有 Add2TotalDoping 或 Add2TotalDoping(ChargedTraps) 选项的陷阱规格,则掺杂浓度也会受到影响。

2.3 指定材料

Sentaurus Device 支持所有在 datexcodes.txt 文件中声明的材料。datexcodes.txt 文件的搜索策略如下(优先级从低到高):

$STROOT/tcad/$STRELEASE/lib/datexcodes.txt(最低优先级)
$HOME/datexcodes.txt(中等优先级)
本地目录中的 datexcodes.txt(最高优先级)

后续文件中的定义会替换或添加到先前文件的定义中。因此,本地文件只需包含你要添加或修改的材料或变量。

2.3.1 用户自定义材料

可以在本地 datexcodes.txt 文件中定义新材料。要添加新材料,请将其描述添加到 datexcodes.txt 的 Materials 节:

tcl

Materials {
    Silicon {
        label = "Silicon"
        group = Semiconductor
        color = #ffb6c1
    }
    Oxide {
        label = "SiO2"
        group = Insulator
        color = #7d0505
    }
    ...
}

label 值在可视化工具中用作图例。group 值标识新材料的类型,可用选项为 All、Conductor、Insulator 或 Semiconductor。color 字段定义可视化工具中材料的颜色,语法如下:

tcl

color = #rrggbb

其中,rr、gg 和 bb 是表示红、绿、蓝强度的十六进制数。rr、gg 和 bb 的值必须在 00 到 ff 范围内。

表 2 颜色代码示例

代码	颜色	代码	颜色
`#000000`	黑	`#ffffff`	白
`#ff0000`	红	`#40e0d0`	青绿
`#00ff00`	绿	`#7fff00`	草绿
`#0000ff`	蓝	`#ffff00`	黄
`#b03060`	栗色	`#ff7f50`	珊瑚
`#ff00ff`	品红	`#da70d6`	兰紫
`#00ffff`	青	`#e6e6fa`	薰衣草紫

2.3.2 组分材料

Sentaurus Device 读取 Molefraction.txt 文件以确定组分依赖型材料。使用以下搜索策略来定位此文件:

Sentaurus Device 在当前工作目录中查找 Molefraction.txt。
如果定义了环境变量 STROOT 和 STRELEASE,则 Sentaurus Device 尝试读取 $STROOT/tcad/$STRELEASE/lib/Molefraction.txt 文件。
如果上述策略都不成功,则 Sentaurus Device 使用以下内置默认值。

以下示例显示了默认的 Molefraction.txt 文件(但应检查 $STROOT/tcad/$STRELEASE/lib/Molefraction.txt 获取最新版本):

tcl

# Ge(x)Si(1-x)
SiliconGermanium (x=0) = Silicon
SiliconGermanium (x=1) = Germanium
# Al(x)Ga(1-x)As
AlGaAs (x=0) = GaAs
AlGaAs (x=1) = AlAs
# In(1-x)Al(x)As
InAlAs (x=0) = InAs
InAlAs (x=1) = AlAs
# In(1-x)Ga(x)As
InGaAs (x=0) = InAs
InGaAs (x=1) = GaAs
# Ga(x)In(1-x)P
GaInP (x=0) = InP
GaInP (x=1) = GaP
# InAs(x)P(1-x)
InAsP (x=0) = InP
InAsP (x=1) = InAs
# GaAs(x)P(1-x)
GaAsP (x=0) = GaP
GaAsP (x=1) = GaAs
# Hg(1-x)Cd(x)Te
HgCdTe (x=0) = HgTe
HgCdTe (x=1) = CdTe
# In(1-x)Ga(x)As(y)P(1-y)
InGaAsP (x=0, y=0) = InP
InGaAsP (x=1, y=0) = GaP
InGaAsP (x=1, y=1) = GaAs
InGaAsP (x=0, y=1) = InAs

要添加新的组分依赖型材料,必须首先将该材料(及其端部和角部材料)添加到 datexcodes.txt。之后可以更新 Molefraction.txt。

四元合金由其角部材料在 Molefraction.txt 中指定。例如,2:2 III-V 四元合金 In1-xGaxAsyP1-y 由下式给出:

tcl

InGaAsP (x=0, y=0) = InP
InGaAsP (x=1, y=0) = GaP
InGaAsP (x=1, y=1) = GaAs
InGaAsP (x=0, y=1) = InAs

3:1 III-V 四元合金 AlxInyGa1-x-yAs 定义为:

tcl

AlInGaAs (x=0, y=0) = GaAs
AlInGaAs (x=1, y=0) = AlAs
AlInGaAs (x=0, y=1) = InAs

当指定了合金的角部材料后,Sentaurus Device 会自动确定相应的端部材料。对于 In1-xGaxAsyP1-y,四种端部材料是 InAsxP1-x、GaAsxP1-x、GaxIn1-xP 和 In1-xGaxAs。同样,对于 AlxInyGa1-x-yAs,三种端部材料是 In1-xAlxAs、AlxGa1-xAs 和 In1-xGaxAs。

注意:所有端部和角部材料必须出现在 datexcodes.txt 文件中,并且其组分依赖必须在 Molefraction.txt 中指定。如果 Sentaurus Device 无法解析 Molefraction.txt 文件,它会恢复到之前显示的默认值。这可能导致意外的模拟结果。

2.3.3 组分规格

在 Sentaurus Device 中,化合物半导体或绝缘体的组分通过以下方式定义:

在器件结构的 Grid 文件(<name>.tdr)中
在命令文件的 Physics 节的内部

如果从 .tdr 文件加载组分并且也应用了内部组分规格,则命令文件 MoleFraction 节中指定的区域的组分值会被覆盖。

内部组分分布在 Physics 节的 MoleFraction 语句中描述:

tcl

Physics { ...
    MoleFraction(<MoleFraction parameters>)
}

组分规格和渐变选项的参数在表 323 中描述。

对于二元或三元化合物,MoleFraction 语句中的 xFraction 规格是必需的;对于四元材料,还必须指定 yFraction。如果 MoleFraction 语句在默认 Physics 节内,则必须指定 RegionName。如果 MoleFraction 语句在区域特定的 Physics 节内,默认情况下它仅应用于该区域。如果 MoleFraction 语句在材料特定的 Physics 节内且未指定 RegionName,则此组分应用于包含指定材料的所有区域。如果在区域特定且材料特定的 Physics 节内指定了 RegionName,则使用此规格而非默认区域。

注意:与所有语句一样,每个 Physics 节中只允许一个 MoleFraction 语句。默认情况下,不包括渐变。

组分规格示例:

tcl

Physics {
    MoleFraction(RegionName = ["Region.3" "Region.4"]
        xFraction=0.8
        yFraction=0.7
        Grading(
            (xFraction=0.3 GrDistance=1
                RegionInterface=("Region.0" "Region.3"))
            (xFraction=0.2 yFraction=0.1 GrDistance=1
                RegionInterface=("Region.0" "Region.5"))
            (yFraction=0.4 GrDistance=1
                RegionInterface=("Region.0" "Region.3"))
        )
    )
}
Physics (Region = "Region.6") {
    MoleFraction(xFraction=0.1 yFraction=0.7 GrDistance=0.01)
}

2.4 物理模型及其层级化规格

用于模拟器件的模型在命令文件的 Physics 节中指定。附录 G 中的表格列出了可用的关键字,详细讨论见第二部分。物理模型可以全局指定、按区域或材料指定、按界面指定或按电极指定,这是通过指定具有不同说明符的多个 Physics 节来实现的:

tcl

Physics {
    <global-physics-body>
}
Physics (material="material") {
    <material-specific-physics-body>
}
Physics (region="region-name") {
    <region-specific-physics-body>
}

某些模型(例如流体动力学传输模型)只能为整个器件激活,并且应该仅作为全局 Physics 节的一部分来指定。按区域或按材料的规格在语法上是可能的,但 Sentaurus Device 会静默忽略它们。

同样,其他模型规格在语法上可以在所有位置指定,但仅在界面或体区域中在语义上有效。在附录 G 的表格中,有效性在描述列中用括号中的字符表示。例如,(g) 表示模型只能为整个器件激活,而不能为其各个部分激活。

类似地,某些规格在语法上可以在所有位置指定,但仅对某些材料有效。例如,Mobility 仅在半导体中有效。

2.4.1 区域级与材料级模型

在 Sentaurus Device 中,可以为器件结构中的不同区域和材料指定不同的物理模型。此功能的语法为:

tcl

Physics (material="material") {
    <material-specific-physics-body>
}

或:

tcl

Physics (region="region-name") {
    <region-specific-physics-body>
}

此功能也适用于 Math 节:

tcl

Math (material="material") {
    <material-specific-math-body>
}

或:

tcl

Math (region="region-name") {
    <region-specific-math-body>
}

没有任何区域或材料规格的 Physics 节被认为是全局(或默认)节。

注意:可以在 Sentaurus Structure Editor 中编辑区域名称。

根据命令文件中指定的 Physics 节(全局、材料特定或区域特定或两者),Sentaurus Device 建立要在器件每个区域模拟的模型集。为此,Sentaurus Device 实现了一组规则来定义如何为每个区域组合不同的 Physics 节。下表说明了这些规则:

Physics 节			结果
全局 (G)	材料 (M)	区域 (R)
Yes	No	No	G
Yes	Yes	No	G+M
Yes	No	Yes	G+R
Yes	Yes	Yes	G+R

该表显示了不同场景,其中全局、材料特定和区域特定的 Physics 节的不同组合为给定区域定义:

第 1 行:仅定义了全局 Physics 节。没有为该区域及其材料定义特定区域或特定材料的节。该区域模拟的物理模型就是全局 Physics 节中定义的模型。
第 2 行:定义了全局 Physics 节和该区域材料的材料特定 Physics 节。没有区域特定节。模拟的物理模型是全局和材料特定 Physics 节中定义的模型之和。
第 3 行:定义了全局 Physics 节和该区域的区域特定 Physics 节。该区域材料的材料特定节不存在。模拟的物理模型是全局和区域特定 Physics 节中定义的模型之和。
第 4 行:全局、材料特定和区域特定的 Physics 节都为该区域及其材料定义了。在这种情况下,材料特定节被忽略,该区域模拟的物理模型是全局和区域特定 Physics 节中定义的模型之和。

该表的最后一行突出显示了 Sentaurus Device 组合 Physics 节时的重要规则。如果特定区域和特定材料的 Physics 节都存在,则该材料特定节中定义的模型在该区域被忽略。

为进一步说明,假设模拟的命令文件定义了以下节:

tcl

Physics {<Global models>}
Physics (material="GaAs") {<GaAs models>}
Physics (region="Emitter") {<Emitter models>}

在此示例中,即使 Emitter 区域由 GaAs 制成,材料特定 GaAs 节中定义的模型也会在该区域被忽略。也就是说,Emitter 区域中模拟的模型是 <Global models> 和 <Emitter models> 中定义的模型之和。

对于 Sentaurus Device 中的许多模型,它们在 Physics 节中的条目仅仅是要激活的模型的声明。在这种情况下,模型的参数在别处定义(例如,在参数文件中)。但是,对于某些模型,模型参数的数值也在 Physics 节中定义。此类模型的例子是 Traps 和 MoleFraction 规格。对于这些模型,区域特定或材料特定 Physics 节中的规格会覆盖先前定义的相应参数值。

在指定区域特定的 Physics 和 Math 节时,可以使用正则表达式语法将同一节应用于多个区域。语法如下:

tcl

Physics (region=regexp("<regular-expression>")) { ... }

在指定区域的 Physics 节时,可以使用精确说明符(例如 region = "region1")或正则表达式说明符(例如 region = regexp("region[1-3]"))。当在命令文件中定义了区域特定的 Physics 节时,以下规则定义将哪个节应用于每个区域:

对于任何给定区域,最多有一个区域特定的 Physics 节应用于该区域。
如果为给定区域定义了具有精确说明符的区域特定 Physics 节,则该节应用于该区域。
如果定义了一个或多个具有匹配给定区域的正则表达式说明符的区域特定 Physics 节,则其中最后一个节应用于该区域。
使用精确说明符的区域特定 Physics 节优先于具有正则表达式说明符的节。
如果给定区域与任何区域特定 Physics 节的说明符都不匹配,则该区域没有应用区域特定的 Physics 节。

以下示例说明了这些规则:

tcl

Physics (region = "region1") { <Section A> }
Physics (region = regexp("region[1-3]")) { <Section B> }
Physics (region = regexp("region[3-4]")) { <Section C> }

在此示例中:

对于 region1,应用 Physics 节 "A",因为与该区域精确匹配,并且这会覆盖任何正则表达式匹配。
对于 region2,应用 Physics 节 "B",因为这是唯一匹配该区域的节。
对于 region3,应用 Physics 节 "C"。该区域与节 "B" 和 "C" 的正则表达式说明符都匹配,因此应用这些节中的最后一个。
对于 region5,没有应用特定区域节,因为没有匹配。

正则表达式的使用是一种定义方法,用于从命令文件中定义的许多区域特定 Physics 节中选择哪个作为给定区域的区域特定节。这些节与全局和材料特定 Physics 节组合的方式与本节前面描述的规则相同。

2.4.2 界面级模型

可以在两种不同材料之间或两个不同区域之间的界面上激活一组特殊模型。在表 242 中,纯界面模型在描述列中用 (i) 标记。

由于界面上的物理现象与器件体中不同,并非所有模型都允许在界面特定的 Physics 节中使用。例如,不能在界面上定义任何迁移率模型或带隙变窄。

注意:虽然 Recombination(surfaceSRH) 语句和 GateCurrent 语句描述纯界面现象,但它们可以在区域特定的 Physics 节中定义。在这种情况下,模型应用于该区域与所有相邻绝缘体区域之间的所有界面。如果在全局 Physics 节中指定,则这些模型应用于所有半导体-绝缘体界面。

界面模型在界面特定的 Physics 节中指定。它们的相应参数可以在参数文件中访问。界面模型规格的语法为:

tcl

Physics (MaterialInterface="material-name1/material-name2") {
    <material-interface-specific-physics-body>
}

或:

tcl

Physics (RegionInterface="region-name1/region-name2") {
    <region-interface-specific-physics-body>
}

以下示例说明了在氧化层和砷化镓铝(AlGaAs)界面处指定固定电荷的规格:

tcl

Physics (MaterialInterface="Oxide/AlGaAs") {
    Traps(Conc=-1.e12 FixedCharge)
}

如果给定区域界面没有区域界面 Physics 节,则使用材料界面 Physics 节(如果存在)。如果材料界面 Physics 节也不存在,则使用内置默认值。

区域界面和材料界面 Physics 节的行为与区域特定和材料特定 Physics 节类似。也就是说,如果给定界面同时存在区域界面 Physics 节和材料界面 Physics 节,则材料界面 Physics 节中定义的模型被忽略。但是,与区域特定和材料特定 Physics 节的行为不同,全局 Physics 节不用于确定哪些模型应用于界面。

与区域特定 Physics 节类似,区域界面特定的 Physics 节在其位置说明符中支持正则表达式语法。行为与区域特定 Physics 节相同。

2.4.3 电极级模型

可以定义电极特定的 Physics 节。例如:

tcl

Electrode {
    { Name="Gate" Voltage=0
      Schottky Barrier=4.5 eRecVel=1e6 hRecVel=1e6 }
}
Physics (Electrode="Gate") {
    Barrier = 1.2
    eRecVel = 2.5e6
    hRecVel = 2.e6
}

这还有一个额外的问题,即某些电极参数可以在命令文件的 Electrode 节中定义。指定参数时,电极特定 Physics 节中定义的参数值优先。因此,在此示例中,该电极的 Barrier、eRecVel 和 hRecVel 的值分别为 1.2、2.5e6 和 2.e6。

注意:Barrier、eRecVel 和 hRecVel 是唯一可以在电极特定 Physics 节中定义并覆盖 Electrode 节中定义的那些的参数。

一个重要的例子是关于电极类型的参数。Schottky 参数可以在 Physics 节中定义,通常用于在金属-半导体界面定义肖特基边界条件。如果此参数在电极特定 Physics 节中定义,它不会将电极的类型从欧姆变为肖特基。通常,电极的类型由 Electrode 节的内容定义,这不能被电极特定 Physics 节的内容覆盖。在以下示例中,电极保持为欧姆接触:

tcl

Electrode {
    { Name="Gate" Voltage=0 }
}
Physics (Electrode="Gate") {
    Schottky
    Barrier = 1.2
    eRecVel = 2.5e6
    hRecVel = 2.e6
}

2.5 物理模型参数

大多数物理模型依赖于可以在由 File 节的 Parameter 指定的文件中调整的参数:

tcl

File {
    Parameter = <string>
    ...
}

参数文件名通常带有 .par 扩展名。模型参数被拆分为集合,特定集合对应特定物理模型。可用的参数集和它们包含的各个参数与相关模型的描述一起描述。

参数可以全局指定、按材料指定、按区域指定、按材料界面指定、按区域界面指定和按电极指定。以下示例显示了每种可能性:

tcl

LatticeHeatCapacity {
    cv = 1.1
}
Material = "Silicon" {
    LatticeHeatCapacity {
        cv = 1.63
    }
}
Region = "Oxide" {
    LatticeHeatCapacity {
        cv = 1.67
    }
}
MaterialInterface = "Silicon/Oxide" {
    LatticeHeatCapacity {
        cv = -1
    }
}
RegionInterface = "Oxide/Bulk" {
    LatticeHeatCapacity {
        cv = -2
    }
}
Electrode = "gate" {
    LatticeHeatCapacity {
        cv = -3
    }
}

与模型本身一样,并非所有参数在所有位置都有效,即使在语法上可以指定它们。例如,热容不用于界面和电极。因此,上例中提供的值无关紧要。

要为同一位置指定多个参数集,请将所有这些规格放入该位置的一个节中,如下例所示(对于介电常数和热容):

tcl

Material = "Silicon" {
    Epsilon { epsilon= 11.6 }
    LatticeHeatCapacity { cv = 1.63 }
}

参数文件支持 Insert 语句来插入其他参数文件。插入的文件本身可以使用 Insert。你可以在 Insert 语句之后更改参数。这对于通过插入的文件提供标准值并使对这些标准的更改显式很有用。Insert 的使用方式如下:

tcl

Material = "Silicon" { Insert = "Silicon.par" }

2.5.1 参数文件的搜索策略

Sentaurus Device 使用以下策略搜索插入的文件(按优先级从高到低):

本地目录。
File 节中的 ParameterPath 变量可以指定一系列版本。例如:

tcl

File {
    ParameterPath = "2021.06 2022.03 2022.12"
}

在这种情况下,以下目录被添加到搜索路径:

tcl

$STROOT/tcad/$STRELEASE/lib/sdevice/MaterialDB/2021.06
$STROOT/tcad/$STRELEASE/lib/sdevice/MaterialDB/2022.03
$STROOT/tcad/$STRELEASE/lib/sdevice/MaterialDB/2022.12

Sentaurus Device 检查环境变量 SDEVICEDB 是否已定义。此变量必须包含一个目录或由空格或冒号分隔的目录列表。例如:

tcl

SDEVICEDB="/home/usr/lib /home/tcad/lib"

Sentaurus Device 按给定顺序扫描目录,直到找到插入的文件。

注意:环境变量 SDEVICEDB 也用于 Sentaurus Device 命令文件中的 insert 指令。

默认库目录:$STROOT/tcad/$STRELEASE/lib/sdevice/MaterialDB

在所有情况下,Sentaurus Device 都会打印实际文件的路径,如果找不到则显示错误消息。

注意:insert 指令也适用于命令文件。

2.5.2 组分依赖型材料的参数

以下参数集提供组分依赖。所有模型仅适用于化合物半导体,除非另有说明:

Auger(复合模型)
BalMob(迁移率模型)
Band2BandTunneling
Bandgap
BandstructureParameters(见闪锌矿晶体的电子带结构)
Bennett(带隙变窄)
ComplexRefractiveIndex
ConstantMobility
形变势(弹性模量、电子带的参数 xis、dbs、xiu、xid,以及空穴带的参数 adp、bdp、ddp、dso)
delAlamo(带隙变窄)
DirectTunneling(仅适用于半导体-绝缘体界面)
DopingDependence(迁移率模型)
eDOSMass
EnergyRelaxationTime
Enormal(迁移率模型)
Epsilon(也适用于化合物绝缘体)
FEPolarization
hDOSMass
HighFieldDependence(迁移率模型)
IALMob（迁移率模型）
JainRoulston（带隙变窄）
Kappa（晶格热导率，也适用于化合物绝缘体）
LatticeHeatCapacity（也适用于化合物绝缘体）
LatticeParameters
MLDAQMModel
NegInterfaceChargeMobility
OldSlotboom（带隙变窄）
PhuMob（迁移率模型）
Piezoelectric_Polarization
PosInterfaceChargeMobility
QuantumPotentialParameters
QWStrain（见闪锌矿晶体的电子带结构和量子阱应变的语法）
Radiative（复合模型）
SchroedingerParameters
SHEDistribution
Slotboom（带隙变窄）
SRH（复合模型）
StressMobility（hSixBand 模型参数）
ThinLayerMobility
ToCurrentEnormal（迁移率模型）
TransferredElectronEffect2（迁移率模型）
vanOverstraetendeMan（碰撞电离模型）

Sentaurus Device 支持抑制给定模型的组分依赖，并使用固定的（不依赖组分的）参数集代替。要抑制组分依赖，请在参数文件中为该参数指定（固定）值（例如 Eg0=1.53），并从此节的参数文件中省略与组分插值相关的所有其他系数（例如 Eg0(1)、B(Eg0(1)) 和 C(Eg0(1))）。不需要单独将它们设置为零。

注意：为给定模型的参数指定固定值时，同一模型的所有其他参数也必须是固定的。

总之，如果抑制了给定模型的组分依赖，则该模型的参数规格的方式与不依赖组分的材料完全相同。

2.5.3 三元半导体组分

为说明三元材料组分依赖参数值的计算，考虑从 xi–1 到 xi 的一个组分间隔。

对于该间隔的组分值 x，要计算参数值 P，Sentaurus Device 使用以下表达式：

P = P_{i-1} + A·Δx + B_i·Δx² + C_i·Δx³

其中：
ΔP_i = P_i – P_{i-1}
Δx_i = x_i – x_{i-1}
Δx = x – x_{i-1}

     ΔP_i
A = -------- – B_i·Δx_i – C_i·Δx_i²
     Δx_i

其中 Pi、Bi、Ci、xi 是为每个组分间隔在参数文件中定义的值，x0=0，P0 是在 x=0 时指定的参数值（以与组分无关材料相同的方式指定，例如 Eg0=1.53）。如上式所示，不需要指定多项式的系数 A，因为它在 Sentaurus Device 内部很容易重新计算。

对于未定义的参数（在打印参数文件时可以列出这些参数），Sentaurus Device 使用端部材料（x=0 和 x=1）的两个参数值进行线性插值：

P = (1–x)·P_{x0} + x·P_{x1}

图 6 参数值与组分的关系

图片：../../../public/images/sdevice/sdevice_fig6.png

参数值
  Pi |---------------*
     |              /
     |             /
     |            /
     |           /
     |          /
  Pi-1 *-------*-----------------*
     0        xi-1  xi         1
                 组分

示例 1：指定介电常数

以下示例提供了 AlxGa1–xAs 的介电常数规格：

tcl

Epsilon {
    * 材料介电常数与真空介电常数的比值
    epsilon = 13.18          # [1]
    * 组分依赖模型
    * 使用线性插值，区间为 [0,1]
    epsilon(1) = 10.06       # [1]
}

介电常数使用线性插值，其中 epsilon 指定组分 x=0 时的值，epsilon(1) 指定 x=1 时的值。

示例 2：指定带隙

以下示例提供了 AlxGa1–xAs 的带隙参数规格。三次以内的多项式近似描述了每个组分间隔上依赖组分的带参数。以下示例使用两个间隔：[Xmax(0), Xmax(1)] 和 [Xmax(1), Xmax(2)]。

tcl

Bandgap {
    * Eg = Eg0 - alpha*T^2/(beta+T) + alpha*Tpar^2/(beta+Tpar)
    * Eg0 可以被下面的带隙变窄模型覆盖（如果在 Physics 节中选择任何 BGN 模型）
    * 参数 'Tpar' 指定晶格温度的值，参数在此温度下定义
    Eg0 = 1.42248         # [eV]
    Chi0 = 4.11826        # [eV]
    alpha = 5.4050e-04   # [eV K^-1]
    beta = 2.0400e+02    # [K]
    Tpar = 3.0000e+02    # [K]

    * 组分依赖模型
    * 插值多项式可用于区间 [Xmin(I),Xmax(I)]
    Xmax(0) = 0.0000e+00   # [1]
    * 组分间隔、参数和系数的定义
    Xmax(1) = 0.45          # [1]
    Eg0(1) = 1.98515        # [eV]
    B(Eg0(1)) = 0.0000e+00 # [eV]
    C(Eg0(1)) = 0.0000e+00 # [eV]
    ...
    Xmax(2) = 1             # [1]
    Eg0(2) = 2.23          # [eV]
    B(Eg0(2)) = 0.143      # [eV]
    ...
}

2.5.4 四元半导体组分

Sentaurus Device 支持 1:3、2:2 和 3:1 III–V 四元合金。1:3 III–V 四元合金由下式给出：

AB_xC_yD_z

其中 A 是 III 族元素，B、C 和 D 是 V 族元素（通常按原子序数递增列出）。

反过来，3:1 III–V 四元合金可以描述为：

A_xB_yC_zD

其中 A、B 和 C 是 III 族元素，D 是 V 族元素。

组分变量 x、y 和 z 是非负的，受以下约束：

x + y + z = 1

一个例子是 AlxGayIn1–x–yAs，其中 1 – x – y 对应 z。

Sentaurus Device 使用 Williams 等人提出的对称插值方案来计算 3:1 III–V 四元合金的参数值 P(AxByCzD)，作为相应三元值的加权和：

xy·P(A_{1-u}·B_u·D) + yz·P(B_{1-v}·C_v·D) + xz·P(A_{1-w}·C_w·D)
P(A_x B_y C_z D) = -------------------------------------------------------------------------
                            xy + yz + xz

其中：
     1–x+z              1–x+y              1–y+z
u = ---------,  v = -------------,  w = ---------
        2                  2                   2

1:3 III–V 四元合金的参数 P(ABxCyDz) 的计算方法类似。

一般 2:2 III–V 四元合金由下式给出：

A_xB_{1-x}C_yD_{1-y}

其中 A 和 B 是 III 族元素，C 和 D 是 V 族元素。组分变量 x 和 y 满足不等式 0≤x≤1 和 0≤y≤1。例如，材料 In1–xGaxAsyP1–y 就是这种情况。

2:2 III–V 四元合金的参数 P(AxB1–xCyD1–y) 通过在四个三元端部材料之间插值来确定：

x(1–x)(y·P(A_xB_{1-x}C) + (1–y)·P(A_xB_{1-x}D)) + y(1–y)(x·P(AC_yD_{1-y})
P(A_xB_{1-x}C_yD_{1-y}) = --------------------------------------------------------------------------------------
                                           x(1–x) + y(1–y)
                                        + (1–x)·P(BC_yD_{1-y})
                                          --------------------------------
                                           x(1–x) + y(1–y)

四元合金模型参数的插值也在文献中有讨论。

2.5.5 化合物半导体的默认模型参数

理解不同材料中不同物理模型的默认值是如何确定的很重要。Sentaurus Device 中使用的方法总结如下。例如，假设材料 Material。没有为给定物理模型 Model 定义此材料的默认参数。在这种情况下，使用命令 sdevice -P:Material 查看哪些模型在材料 Material 中预定义了特定默认参数：

如果材料 Material 不依赖组分，则默认使用硅参数。
如果 Material 是依赖组分 x 的化合物材料，则模型 Model 的参数默认值通过在相应"纯"材料（即对应 x=0 和 x=1 的材料）参数值之间进行线性插值来确定。例如，对于 AlxGa1–xAs，使用 GaAs 和 AlAs 的参数值进行插值。
如果 Material 是依赖 x 和 y 的四元材料，则使用基于所有相应三元材料值的插值公式。例如，对于 InGaAsP，使用四种材料（InAsP、GaAsP、GaInP 和 InGaAs）的值在插值过程中获得参数的默认值。

如果参数文件中提供了不充分的组分范围，则会显示警告消息，通知你可能需要校正组分范围的组分依赖量和区域。

2.5.6 组合参数规格

Sentaurus Device 从多个来源获取参数值。它有自己的内置参数值集，可以从默认位置的文件中读取参数值，也可以从定义各种器件位置参数值的用户指定文件中读取。

在用户指定的参数文件中，可以为不同位置定义参数，如下例所示：

tcl

ModelName {
    <non-location-specific parameters>
}
Material = "Silicon" {
    <material-specific parameters>
}
Region = "region1" {
    <region-specific parameters>
}
MaterialInterface = "Silicon/Oxide" {
    <material-interface-specific parameters>
}
RegionInterface = "region1/region2" {
    <region-interface-specific parameters>
}
Electrode = "Gate" {
    <electrode-specific parameters>
}

本节讨论组合所有这些规格的规则。组合不同参数规格的规则与 Sentaurus Device 中其他子系统的规则不同。

命令文件中可以定义的一些值会影响组合参数规格的行为。DefaultParametersFromFile 标志在全局 Physics 节中指定，确定 Sentaurus Device 是否从随软件提供的文件集中读取默认参数。ParameterInheritance 关键字可以取值为 Flatten（默认）或 None，它定义了如何组合用户指定文件中的参数以获得模拟中使用的最终值。

默认参数

在读取用户指定的参数文件之前，将初始化模拟中使用的默认参数集。这是通过以下方式完成的：

参数从内置值初始化。这些值可以依赖于材料或材料界面，但在许多情况下，不存在合适的内置值，因此使用硅值。
如果命令文件中存在 DefaultParametersFromFile 标志，则 Sentaurus Device 读取默认参数文件。这些参数与步骤 1 中定义的内置参数合并。这是通过添加新参数或覆盖现有内置参数值来完成的。

用户指定的参数文件

加载用户指定的参数文件时，基于位置定义附加参数。非位置特定节（即那些在特定材料、区域、材料界面、区域界面或电极未引用的情况下定义的模型参数）文件中定义的参数与硅的默认参数组合以创建单独的全区默认参数集。

根据 ParameterInheritance 的值，不同的参数规格以不同的方式与默认参数组合。当 ParameterInheritance=Flatten（默认）时，表 3 定义了如何创建参数集。

表 3 当 ParameterInheritance=Flatten 时组合参数集的规则

位置	规则
材料 M	M 的默认参数 + 非位置特定参数 + M 的材料特定参数
材料 M 的区域 R	M 的默认参数 + 非位置特定参数 + M 的材料特定参数 + R 的区域特定参数
材料界面 M1-M2	M1-M2 的默认参数 + 非位置特定参数 + M1-M2 的材料界面特定参数
材料 M1, M2 的区域界面 R1-R2	M1-M2 的默认参数 + 非位置特定参数 + M1-M2 的材料界面特定参数 + R1-R2 的区域界面特定参数
电极 E	E 的默认参数 + 非位置特定参数 + E 的电极特定参数

参数组合的行为相对简单直观：在区域定义的参数覆盖在相关材料中定义的参数，而材料中的参数覆盖在更全局级别定义的参数。

当 ParameterInheritance=None 时，行为会修改，总结于表 4。

表 4 当 ParameterInheritance=None 时组合参数集的规则

位置	规则
硅	硅的默认参数 + 非位置特定参数 + 硅的材料特定参数
材料 M	M 的默认参数 + M 的材料特定参数
材料 M 的区域 R（未定义区域特定节）	M 的默认参数 + M 的材料特定参数
材料 M 的区域 R（已定义区域特定节）	M 的默认参数 + R 的区域特定参数
材料界面 M1-M2	M1-M2 的默认参数 + M1-M2 的材料界面特定参数
材料 M1, M2 的区域界面 R1-R2（未定义材料界面特定和区域界面特定节）	硅的全局默认参数集
材料 M1, M2 的区域界面 R1-R2（仅定义了材料界面特定节）	M1-M2 的默认参数 + M1-M2 的材料界面特定参数
材料 M1, M2 的区域界面 R1-R2（同时定义了材料界面特定和区域界面特定节）	M1-M2 的默认参数 + R1-R2 的区域界面特定参数
电极 E	E 的默认参数 + E 的电极特定参数

表 4 通常说明了为什么参数继承为 none 的原因。在定义了材料特定和区域特定节的情况下，区域的参数会忽略在相关材料特定节中定义的参数，即它们不继承在该节中定义的参数。还应注意，在这种情况下，用户提供的参数文件中定义的非位置特定参数被当作硅的材料特定参数处理。

最后，表 4 表明，对于区域界面参数，如果没有定义区域界面特定和材料界面特定节，则区域界面的参数取自硅的全局默认参数集。

无论 ParameterInheritance 的值如何，即使模拟的结构中不包含某种材料，也会读取文件中该材料的材料特定参数。这对于提供角部和端部材料的参数很有用。

注意：输入 TDR 文件中的参数定义（如晶体取向）由 Sentaurus Device 按区域处理。如果参数文件中不包含某个区域的节，且 ParameterInheritance=None，则会丢弃 TDR 文件中的参数定义。在参数文件中为该区域创建一个节，或设置 ParameterInheritance=Flatten，可确保从 TDR 文件读取区域参数定义。

2.5.7 生成参数文件副本

要重新定义特定材料的参数值，必须创建默认参数文件的副本。执行此操作时，命令 sdevice -P 打印硅的参数文件，包括绝缘体特性。表 5 列出了命令 sdevice -P 的主要选项。

表 5 生成参数文件的主要选项

选项	描述
`-P:All`	打印所有材料的参数文件副本。材料取自 `datexcodes.txt` 文件。
`-P:Material`	打印指定材料的模型参数。
`-P:Material:x`	打印指定材料在组分 x 下的模型参数。
`-P:Material:x:y`	打印指定材料在组分 x 和 y 下的模型参数。
`-P filename`	打印命令文件 filename 中使用的材料和界面的模型参数。
`-r`	在打印参数之前从默认位置读取参数（见参数文件的搜索策略）。这类似于使用 `DefaultParametersFromFile` 标志。

对于区域和材料参数规格，默认节中的任何模型和参数都可使用，即使它没有为特定材料打印。

对于组分依赖型参数，人们很难读取参数文件并获得特定组分摩尔分数的最终参数值。通过使用命令 sdevice -M <inputfile.cmd>，Sentaurus Device 创建一个 models-M.par 文件，该文件将包含仅具有常量值的区域参数（而不是多项式系数），用于组分恒定的区域。对于组分不是常量的区域，Sentaurus Device 打印默认材料参数。

作为命令 sdevice -P 的替代，Sentaurus Device 提供 sdevice -L 命令，它支持与表 5 中 sdevice -P 相同的选项。但是，不是生成单个文件，而是为每个材料和每个材料界面创建单独的文件。通常，这些文件被编辑并用于提供默认参数。

2.5.8 未定义的物理模型

对于非硅模拟，Sentaurus Device 的默认行为是对于模拟中使用的材料未定义的模型使用硅参数。如果材料的参数在某个组分范围内未定义，而器件在该未定义范围内使用了组分，也是如此。这对于非关键模型很有用，但可能导致混淆，例如，如果半导体带隙未定义，而 Sentaurus Device 使用硅的带隙。因此，Sentaurus Device 有一个关键模型列表，如果这些模型未定义，它会停止模拟并显示错误消息。

注意：如果模型存在于 Sentaurus Device 材料的默认参数文件中，或者在用户定义的参数文件中指定，则模型已为该材料定义。

表 6 关键模型列表

模型	绝缘体	半导体	导体
`Auger`	—	是	—
`Bandgap`	—	是	—
`ConstantMobility`	—	是	—
`DopingDependence`	—	是	—
`eDOSMass`	—	是	—
`hDOSMass`	—	是	—
`Epsilon`	是	是	是
`Kappa`	是	是	—
`RadiativeRecombination`	—	是	—
`RefractiveIndex`	是	是	—
`Scharfetter`	—	是	—
`SchroedingerParameters`	—	是	—

模型 Bandgap、DOSMass 和 Epsilon 始终被检查。对于其他模型，仅在为每个区域激活了 Physics 节中的适当模型和 Solve 节中的方程时才执行此检查。热导率模型 Kappa 仅在包含晶格温度方程时才被检查。

漂移-扩散或流体动力学模拟会激活检查迁移率模型 ConstantMobility 和 DopingDependence。

注意：可以通过 Math 节中的 -CheckUndefinedModels 关键字关闭此检查过程。

模型 eDOSMass 和 hDOSMass 也必须为绝缘体定义以支持隧穿。绝缘体只有以下规格可接受：

tcl

eDOSmass {
    Formula = 1
    a = 0
    ml = 0
    mm = <有效质量>  # 默认 0.42
}
hDOSmass {
    Formula = 1
    a = 0
    b = 0
    c = 0
    d = 0
    e = 0
    f = 0
    g = 0
    h = 0
    i = 0
    mm = <有效质量>  # 默认 1
}

注意：通常，模型 eDOSMass 和 hDOSMass 只需要为用户指定的绝缘体指定。标准绝缘体预定义了正确的值。

2.5.9 默认参数

Sentaurus Device 为许多模型和材料提供了内置默认参数。它还提供用文件中的默认参数覆盖内置值的选项。此选项通过全局 Physics 节中的 DefaultParametersFromFile 激活：

tcl

Physics {
    DefaultParametersFromFile
    ...
}

表 7 用于初始化默认参数的文件名

参数位置	文件名
材料	`<material>.par`，例如 `Silicon.par`、`GaAs.par`
材料界面	`<material1>%<material2>.par`，例如 `InAlAs%AlGaAs.par`（也可以使用 % 或空格代替）
接触端	`Contact.par` 或 `Electrode.par`

Sentaurus Device 使用与插入文件相同的搜索策略。Sentaurus Device 在目录 $STROOT/tcad/$STRELEASE/lib/sdevice/MaterialDB 中提供了一组参数文件。

$STROOT/tcad/$STRELEASE/lib/sdevice/MaterialDB/2021.06
$STROOT/tcad/$STRELEASE/lib/sdevice/MaterialDB/2022.03
$STROOT/tcad/$STRELEASE/lib/sdevice/MaterialDB/2022.12

可以通过在 File 节中指定 ParameterPath 来请求从特定版本获取参数文件：

tcl

File { ParameterPath = "2022.12" }

如果找不到匹配的文件，则使用未更改的内置默认参数。检查 Sentaurus Device 的日志文件以查看实际使用了哪些文件。

2.5.10 命名参数集

Sentaurus Device 中的一些模型支持可以命名的参数集。例如，EnormalDependence 是与 Lombardi 迁移率模型一起使用的未命名参数集。在参数文件中，可以编写以下内容来为 Lombardi 迁移率模型声明名为 myset 的参数集：

tcl

EnormalDependence "myset" {
    B = 3.6100e+07 , 1.5100e+07   # [cm/s]
    C = 1.7000e+04 , 4.1800e+03   # [cm^(5/3)/(V^(2/3)s)]
    ...
}

通常，命名参数集用于存储模型的替代参数化。可以通过使用支持此功能的模型的 ParameterSetName 选项指定名称从命令文件中选择它们。例如：

tcl

Physics {
    Mobility (
        PhuMob
        Enormal( Lombardi (ParameterSetName="myset") )
        HighFieldSaturation
    )
}

如果未指定 ParameterSetName，则默认使用与该模型关联的未命名参数集。

表 8 支持命名参数集的模型

模型名	参数集（未命名）
`eQuantumPotential`	`QuantumPotentialParameters`
`hQuantumPotential`	`QuantumPotentialParameters`
`Piezo(Mobility)`	`Tensor`
`Piezoresistance`	`Tensor`
`eTensor`	`Factor`
`hTensor`	`Factor`
`EffectiveStressModel`	`Factor`
`eFactor`	`hFactor`
`Mobility`	`Enormal(Lombardi)`
`eMobility`	`ToCurrentEnormal(Lombardi)`
`hMobility`	`ThinLayer(Lombardi)`
`EnormalDependence`	`EnormalDependence`
`ThinLayerMobility`	`Enormal(IALMob)`
`IALMob`	`IALMob`
`ThinLayerMobility`	`ToCurrentEnormal(IALMob)`
`HighFieldSaturation`	`ThinLayerMobility`
`eHighFieldSaturation`	`HighFieldDependence`
`hHighFieldSaturation`	`HydroHighFieldDependence`
`Diffusivity`	`eDiffusivity`
`Recombination(Band2Band)`	`hDiffusivity`
	`Band2BandTunneling`

2.5.11 自动取向框架

Sentaurus Device 中的一些模型支持自动取向框架，该框架根据最近界面的表面取向在模型评估期间自动切换到不同的命名参数集。

当为模型激活 AutoOrientation 选项时，默认情况下，Sentaurus Device 查找并使用对应于 {100}、{110} 和 {111} 表面取向的命名参数集 "100"、"110" 和 "111"。如果最近界面取向为 {110}，则使用参数集 "110" 评估模型。对于介于 {100}、{110} 和 {111} 之间的表面取向，使用与实际表面取向最接近的命名参数集。

支持自动取向框架的模型包括：

密度梯度量子化模型（eQuantumPotential、hQuantumPotential）
Lombardi 和 IALMob 迁移率模型
HighFieldSaturation 和 Diffusivity
ThinLayer 迁移率模型
压阻模型（Tensor、eTensor、hTensor、Factor、eFactor、hFactor）
EffectiveStressModel（Factor、eFactor、hFactor）

在命令文件的 Plot 节中，可以指定 InterfaceOrientation 和 NearestInterfaceOrientation 量，以查看激活模型自动取向时在每个界面面顶点和每个顶点处使用的取向。

修改自动取向使用的取向

自动取向框架可以修改为使用除 {100}、{110} 和 {111} 之外的表面取向。这通过在命令文件的 Math 节中为 AutoOrientation 提供定义来实现：

tcl

Math { AutoOrientation=(ori1, ori2, ...) }

在此规格中，ori_i 值是表示等效面族的密勒指数的三位整数（假定为立方晶格结构）。例如，要将 AutoOrientation 修改为使用表面取向 {100}、{110}、{111} 和 {211}，请指定：

tcl

Math { AutoOrientation=(100, 110, 111, 211) }

在这种情况下，支持 AutoOrientation 的模型将根据最近界面的表面取向在名为 "100"、"110"、"111" 和 "211" 的参数集之间切换。

自动取向平滑

默认情况下，使用自动取向从一个参数集切换到另一个参数集是突然的。要允许不同参数集之间的平滑过渡，请在 Math 节中为自动取向平滑距离指定非零值：

tcl

Math {
    AutoOrientationSmoothingDistance = 0.005  # [微米]
}

平滑距离是不同参数集之间过渡发生的大致距离。为方便起见，指定 AutoOrientationSmoothingDistance < 0 使用平均界面顶点间距作为平滑距离。在许多情况下，这是一个合理的选择。

使用自动取向平滑时，根据与不同表面取向的接近程度，计算每个顶点每个取向依赖参数集的权重：

w_i(vertex) = Σ_j (A_j / A_total) · exp(–(d_j – d_min) / d_smooth)

其中求和覆盖与取向 i 关联的所有界面顶点：
- d_min 是到界面的最小距离
- d_j 是到界面顶点 j 的距离
- d_smooth 是平滑距离
- A_j 是与界面顶点 j 关联的面积
- A_total 是总界面面积

在每个顶点处，非常小的权重被设置为零，其余权重被归一化，使它们的和等于一。在模型评估期间，使用每个顶点的每个取向的权重来获得所计算量的加权平均值。

在命令文件的 Plot 节中，可以指定 AutoOrientationSmoothing 量，以查看使用自动取向平滑的顶点以及这些顶点处的主取向。

参考文献

[1] C. K. Williams 等人，"Energy Bandgap and Lattice Constant Contours of III-V Quaternary Alloys of the Form AxByCzD or ABxCyDz，" Journal of Electronic Materials，第 7 卷，第 5 期，639–646 页，1978 年。

[2] T. H. Glisson 等人，"Energy Bandgap and Lattice Constant Contours of III-V Quaternary Alloys，" Journal of Electronic Materials，第 7 卷，第 1 期，1–16 页，1978 年。

[3] M. P. C. M. Krijn，"Heterojunction band offsets and effective masses in III–V quaternary alloys，" Semiconductor Science and Technology，第 6 卷，第 1 期，27–31 页，1991 年。

[4] S. Adachi，"Band gaps and refractive indices of AlGaAsSb, GaInAsSb, and InPAsSb: Key properties for a variety of the 2–4-mm optoelectronic device applications，" Journal of Applied Physics，第 61 卷，第 10 期，4869–4876 页，1987 年。

[5] R. L. Moon 等人，"Bandgap and Lattice Constant of GaInAsP as a Function of Alloy Composition，" Journal of Electronic Materials，第 3 卷，第 3 期，635–644 页，1974 年。

[6] I. Vurgaftman 等人，"Band parameters for III–V compound semiconductors and their alloys，" Journal of Applied Physics，第 89 卷，第 11 期，5815–5875 页，2001 年。

Ch2:物理器件定义 ​

2.1 读取器件结构 ​

2.1.1 坐标系 ​

2.1.2 柱坐标系 ​

2.1.3 突变异质结与渐变异质结 ​

2.2 指定掺杂种类 ​

2.3 指定材料 ​

2.3.1 用户自定义材料 ​

2.3.2 组分材料 ​

2.3.3 组分规格 ​

2.4 物理模型及其层级化规格 ​

2.4.1 区域级与材料级模型 ​

2.4.2 界面级模型 ​

2.4.3 电极级模型 ​

2.5 物理模型参数 ​

2.5.1 参数文件的搜索策略 ​

2.5.2 组分依赖型材料的参数 ​

2.5.3 三元半导体组分 ​

2.5.4 四元半导体组分 ​

2.5.5 化合物半导体的默认模型参数 ​

2.5.6 组合参数规格 ​

2.5.7 生成参数文件副本 ​

2.5.8 未定义的物理模型 ​

2.5.9 默认参数 ​

2.5.10 命名参数集 ​

2.5.11 自动取向框架 ​

参考文献 ​