很多同学问我关于Sentaurus Device材料的问题，所以索性专门写一篇文章，详细的讲解一下sdevice里物理模型材料的问题。

材料参数是什么

材料参数是物理模型具体化的参量，比如，对于电子电流模型：

其中，

电子迁移率可以认为就是该模型的一个模型参数。对于某一个具体的器件来说，其取值可能是

，这就是电子电流模型在某个器件中的具体化。对于一个具体的仿真：

其中，器件所涉及的所有物理内涵都体现在物理模型和模型参数上，这两者缺一不可。模型参数设置是否合理，将直接决定器件仿真的准确性，甚至正确性，大家在仿真时，需要特别留意。

材料参数在哪里

Sentaurus TCAD中的模型参数的组织方式如下：

• Sentaurus内为绝大多数半导体材料提供了模型参数，保存在安装目录下的MaterialDB文件夹中，其中包含了，Si、Ge、SiO2等材料的参数。以Si为例，Si的参数文件命名为：Silicon.par。这部分参数是所有project和所有用户仿真的默认参数，为了防止用户随意修改，这部分参数文件一般是不可以修改的，大家也切记不要去修改。
• 在Sentaurus内用户建立的project目录下，用户可以建立自己的par文件。通过sdevice的cmd文件对该文件引用，即可用于为器件仿真指定自定义的模型参数。这部分模型参数仅在当前project内有效，大家可以随意、任性、愉快地修改，不会影响其他仿真。在sdevice的cmd文件中的引用par文件的命令为：

File {Parameter = "n30_des.par"......
}

或者在swb的sdevice里，采用@parameter@代替，在具体的某个node下，swb会使用对应的node编号生成该文件。

File {Parameter= "@parameter@"......
}

注意：请确保前面没有* 或#注释符，否则，即使有这句话，也不起作用，例如下面：

File {Grid=   "@tdr@"Plot=   "@tdrdat@"Current="@plot@"Output= "@log@"* Parameter= "@parameter@"    这一句话被注释掉了，写了和没写一样
}

MaterialDB的路径

MaterialDB文件路径为：

sentaurus安装目录/L_2016.03-SP2/tcad/L-2016.03-SP2/lib/sdevice/MaterialDB

如果sentaurus的安装目录是：/usr/synopsys/sentaurus/，那么该路径是：

/usr/synopsys/sentaurus/L_2016.03-SP2/tcad/L-2016.03-SP2/lib/sdevice/MaterialDB

需要注意的是：MaterialDB文件夹下有不同版本sentaurus的模型参数。随着sentaurus版本更新，模型参数也会更新，所以可能导致sentaurus版本变了，一样的仿真却得出不同的结果。因此，为了保证更换sentaurus版本后的仿真结果一致，请确保参数文件的版本一致。

参数调用顺序

当一个仿真开始时，系统会检查参数文件，确定每个被启用的物理模型的模型参数，其流程如下：

1. 如果在sdevice的cmd文件中，未指定par文件的路径，即input中没有Paramter=@parameter@一行，那么系统将自动调用MaterialDB内的默认物理模型参数；
2. 如果在sdevice的cmd文件中，指定了par文件的路径，并且该文件在当前project目录下，sdevice将优先读取该par文件内的模型参数：如果par文件内存在模型参数，就会用该模型参数替代默认的模型参数进行仿真；如果发现未在该par文件中定义的模型参数，则系统将使用MaterialDB内的默认模型参数进行补充。
3. 如果某个物理模型必须的物理参数，在用户定义par以及MaterialDB内的默认参数中均未定义，那么仿真就会报错并结束。如果在Math中添加-UndefinedModel命令，虽然仿真可以正常运行，但是这个缺失模型参数的物理模型是未被激活的，请同学们切记，避免仿真结果与预期不符。

上述流程见下图：

par参数文件的参数定义格式

大家可以打开Silicon.par文件，查看默认参数的定义格式，一般情况下，一个模型参数的格式如下：

model_name {
# 一些注释，关于模型的解释，以#开头
par1 = 10 #[V]
par2 = 10,20 #[cm^2/(Vs)]
}

• model_name为物理模型的名称，例如ConstantMoblity，为恒定迁移率模型
• 以#开头的为注释，帮助理解
• par1和par2定义的是模型参数的取值
• #[V]和#[cm^2/(Vs)] 为模型参数的单位，该处注释仅做提示，修改后不起作用，请一定按照该单位修改模型参数，即你不可以将#[V] 修改成 #[mV]，然后将10改成10000，因为#[V]仅做单位的提示，不是单位的定义，切记。
• par2参数为双参数，修改时也应为双参数，例如迁移率模型中 mumax = 1200，400 分别表示最大电子迁移率和空穴迁移率，缺一不可。

下面看一个实例，请对应理解：

ConstantMobility:
{ * mu_const = mumax (T/T0)^(-Exponent)mumax   = 1.4170e+03 ,    4.7050e+02 # [cm^2/(Vs)]Exponent   = 2.5 ,    2.2 # [1]mutunnel   = 0.05 ,   0.05    # [cm^2/(Vs)]
}

如何在swb中修改模型参数

修改一个project的模型参数，有两种方法：

第一种方法，从MaterialDB中复制一份参数文件到当前project目录下，并修改模型参数：

• step 1 在sdevice上右键，选择include Materials

• step 2 打开parameter文件

此时，par文件被添加了几行代码，逐行解释如下：

第 1 行：这是一句宏命令，定义了一个变量，名为ParFileDir，其值是一个点（.）。在linux里，(.)代表的是当前目录，即project的目录。

 #define ParFileDir . 

第3-5行：定义了SiO2的参数，其中，#includeext 为插入文件，ParFileDir/SiO2.par是文件名， 即将"ParFileDir/SiO2.par"文件的内容插入到本文中。

Material="SiO2" {#includeext "ParFileDir/SiO2.par"
}

ParFileDir的内容是(.)，即当前目录，所以引用的文件是./SiO2.par，即当前project目录下的SiO2.par文件。

第6-11行：与3-5行类似，需要注意的是，你并没有在project目录下新建SiO2.par, Silicon.par和Silcide.par文件，这三个文件是swb根据用户引用，从MaterialDB目录下自动复制过来的！

• Step 3 修改project目录下的SiO2.par、Silicon.par、Silicide.par这三个文件内的模型参数，即可完成参数修改。

第二种方法，直接在par中定义某个材料或区域的模型参数

假如需要修改Silicon材料的恒定迁移率ConstantMobility，可以直接在sdevice的par文件内添加ConstantMobility的定义，只不过在该定义前冠以Material = "Silicon"命令：

Material = "Silicon" {ConstantMobility:{ * mu_const = mumax (T/T0)^(-Exponent)mumax   = 1.4170e+03 ,    4.7050e+02 # [cm^2/(Vs)]Exponent   = 2.5 ,    2.2 # [1]mutunnel   = 0.05 ,   0.05    # [cm^2/(Vs)]}
}

即可完成对Silicon迁移率模型参数的修改。

如何判断模型是否修改成功

在sdevice的.out文件中观察修改结果。

假如将Silicon的参数修改如下，即将电子迁移率修改为12345，空穴修改为6789（这两个值不合理，仅做示范）。

Material = "Silicon" {ConstantMobility:{ * mu_const = mumax (T/T0)^(-Exponent)mumax    =   12345 ,    6789    # [cm^2/(Vs)]Exponent   = 2.5 ,    2.2 # [1]mutunnel   = 0.05 ,   0.05    # [cm^2/(Vs)]}
}

此时，运行sdevice，观察.out文件，会发现如下输出：

如果在.out文件中观察到参数修改的信息，即完成修改。

如何仿真不同模型参数对器件特性的影响

如需要研究不同模型参数对器件特性的影响，可以在sdevice的par文件中，插入@变量名@的方式进行批量修改。例如：

假如需要仿真电子迁移率从10变化到100，对器件特性的影响：

第一步：打开sdevice的par文件，修改参数文件，在参数处，定义一个变量eMobility

Material = "Silicon" {ConstantMobility:{ * mu_const = mumax (T/T0)^(-Exponent)mumax   =   @eMobility@, 6789    # [cm^2/(Vs)]Exponent   = 2.5 ,    2.2 # [1]mutunnel   = 0.05 ,   0.05    # [cm^2/(Vs)]}
}

第二步：在swb的sdevice下，新建eMobility的变量，并赋值10至100，间隔为10：

仿真上述10个experiments，即可研究不同eMobility对器件特性的影响。

如何在一个器件的不同区域使用不同的材料参数

有同学问我，如果想在同一个器件，同一个材料的不同区域，使用不同的参数，该如何仿真呢？

参考方法如下：

使用Region命令，示例如下：

假如reg1区域电子迁移率为10，reg2区域电子迁移率为20，那么修改sdevice的par文件如下：

Region = "reg1" {ConstantMobility:{ * mu_const = mumax (T/T0)^(-Exponent)mumax =   10 ,   6789    # [cm^2/(Vs)]Exponent   = 2.5 ,    2.2 # [1]mutunnel   = 0.05 ,   0.05    # [cm^2/(Vs)]}
}
Region = "reg2" {ConstantMobility:{ * mu_const = mumax (T/T0)^(-Exponent)mumax  =   20,    6789    # [cm^2/(Vs)]Exponent   = 2.5 ,    2.2 # [1]mutunnel   = 0.05 ,   0.05    # [cm^2/(Vs)]}
}

此外，还可以定义，interface处的参数，修改方法与上述方法类似。

如何添加新材料

如果需要添加新材料，使用如下方法：

假如需要添加InGaO材料：

• 第一步， 在project目录下，添加datexcodes.txt文件。
• 第二步， 修改datexcodes.txt文件，添加新材料InGaO，文件内容如下：

Materials{
InGaO{label = "InGaO"group = Semiconductorcolor = #8298d9,#93a9ea}
}

需要注意，group代表的是材料类型，分为半导体（Semiconductor）、导体（Conductor）、和绝缘体（Insulator）等，需要正确设置。color是颜色，随便设置即可。

• 第三步：在仿真中（sde、sprocess、sdevice）中引用该材料，并且在sdevice中，赋予必要的模型参数！新材料的模型参数需要自己查、自己改。

进一步讲，在sentaurus中，存在一个默认的datexcodes.txt文件，定义了sentaurus中所有的材料、掺杂等信息。其文件路径如下，大家可以参考。

sentaurus安装目录/L_2016.03-SP2/tcad/L-2016.03-SP2/lib

如有不足和错误，欢迎指正。

完.

写在最后

我关于sentaurus的入门做了一场知乎live，讲述Sentaurus TCAD的入门方法和基本使用。戳下面链接即可查看。

如何快速入门Sentaurus TCAD半导体器件仿真​www.zhihu.com

live包含84分钟语音，3个小时的演示视频，还有一个300人的讨论群。

原创文章，发表于知乎和公众号“Sentaurus TCAD仿真”（搜索SentaurusTCAD），未经允许，不得转载。