SPICE模型系列的半導體器件

半導體器件模型是指描述半導體器件的電、熱、光、磁等器件行為的數(shù)學模型。其中，SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）模型是一種基于數(shù)學方程和實驗數(shù)據(jù)建立的描述半導體器件行為的標準化模型，它是集成電路設計中不可或缺的一部分，SPICE模型能夠有效支撐電路設計從業(yè)者進行電路設計、功能驗證等。

在半導體器件中，除了SPICE模型，還有基于量子理學的第一性原理計算模型；考慮半導體基本物理方程的器件物理模型；以及利用簡化的數(shù)學表達式描述器件電學特性的集約模型。下面探討這幾類模型的原理及其在半導體器件研究中的使用范圍，以幫助大家更好地理解和運用這些模型。

這幾類模型的關系如下圖所示：

01第一性原理計算模型

第一性原理計算，其根本基于量子力學的深刻原理，它如同一把精確的鑰匙，開啟了理解和預測原子、分子乃至固體材料電子結構和性質的大門。這種方法的核心在于求解薛定諤方程，通過它，我們能夠洞察到微觀世界的奧秘。

在實際應用中，我們利用密度泛函理論（DFT）、贗勢和基組等工具來精確求解薛定諤方程，這些工具為我們提供了強大的數(shù)學和物理基礎。而各種計算工具和軟件包，如VASP、Quantum ESPRESSO、CASTEP等，則是這些原理和技術在計算機上的具體實現(xiàn)。

通過這種方式，第一性原理計算為材料科學和納米技術領域的研究者們提供了一個無比強大的工具。它不僅讓我們能夠從頭開始計算材料的電子結構和性質，更為我們提供了深入理解和預測材料行為的可能性。這種能力對于推動材料科學和納米技術的創(chuàng)新和發(fā)展具有不可估量的價值。

02器件物理模型

半導體器件物理模型是半導體科學領域中的一項核心技術，它基于半導體物理的基本理論，并結合器件的結構特點，來模擬和預測器件的電學行為。在這個模型中，泊松方程、電流連續(xù)性方程、復合模型、隧穿模型等關鍵方程被精確求解，以捕捉器件內部的微觀物理過程。

這種方法為我們打開了一扇窗，讓我們能夠深入洞察半導體器件的工作機制。它不僅提供了計算的高精度，還讓我們能夠在設計階段就預測器件的性能，為優(yōu)化器件結構、提高器件性能提供了有力支持。

為了實施這一復雜的物理模型，工程師們通常借助強大的計算機輔助設計軟件（TCAD）如Silvaco和Synopsys等。這些軟件集成了先進的算法和工具，使得復雜的物理模型能夠得到高效而準確的求解。此外，國內一些企業(yè)如Cogenda等也在這個領域積極布局，推動半導體器件物理模型技術的進一步發(fā)展。

03集約模型

集約模型，簡而言之，是一個為了加速計算和簡化分析的物理模型近似版本。它通過精煉的數(shù)學表達式，在保持計算精度的同時，顯著提升了計算效率。

集約模型由兩大核心部分組成：

核心模型，它精準地描述了半導體器件的電流-電壓（I-V）和電容-電壓（C-V）等基本特性；

真實器件效應模塊，它考慮到了實際器件中可能存在的寄生效應、尺寸變化、溫度影響以及自熱效應等因素。這兩者的結合，構成了完整且實用的集約模型。

集約模型的核心價值在于其大量的模型參數(shù)，這些參數(shù)并非隨意設定，而是根據(jù)具體的半導體器件工藝和實測數(shù)據(jù)，通過專業(yè)的模型參數(shù)提取技術來精準獲取的。只有這些參數(shù)得到正確的設定，集約模型才能真實、準確地反映器件的行為。目前，業(yè)界廣泛使用的模型提參軟件包括是德科技的ICCAP和MBP，以及國內華大九天、概倫電子等公司開發(fā)的國產軟件。

在電路仿真領域，除了集約模型外，還有查找表模型、經驗模型以及基于神經網絡的模型等。盡管查找表模型和經驗模型在建模初期具有簡便性，但它們在仿真完備性和連續(xù)性方面可能存在不足。而神經網絡模型則高度依賴于訓練數(shù)據(jù)的質量和數(shù)量。相比之下，基于物理的集約模型在精度、連續(xù)性、完備性和魯棒性等方面均展現(xiàn)出了卓越的性能，成為電路仿真中不可或缺的重要工具。

04SPICE模型

SPICE模型事實上是一種集約模型的具體實現(xiàn)形式。自1958年開始集成電路設計以來，集約模型就被應用于CAD工具中來進行電路設計，而在十九世紀七十年代電路仿真器逐漸成為了電路設計中有效的工具，1972年加州大學伯克利分校發(fā)布的SPICE仿真器走進了人們的視野，集約模型則被應用到了SPICE仿真器中支撐電路設計，這就是當前我們熟知的SPICE模型。

隨著集成電路行業(yè)的不斷發(fā)展，SPICE仿真器也不斷的更新迭代，出現(xiàn)了SPICE1、SPICE2、SPICE3、HSPICE等版本。由于半導體器件的逐漸發(fā)展，SPICE模型也變得十分豐富，如BJT中的Gummel-Poon、VBIC、Mextram和HICUM模型，MOSFET中的BSIM、HiSIM模型，GaN HEMT中的MVSG、ASM模型等。

以上討論了各類模型的建模計算方法，第一性原理計算是最底層的模型，研究的是材料的基本性質，而物理模型是研究半導體器件工作機制的有力手段，但是由于物理模型數(shù)值求解過程中需要進行大量的迭代運算，計算速度較慢，很難適應大規(guī)模集成電路仿真設計的需求，因此集約模型（SPICE模型）成為了集成電路設計領域中重要的組成部分。