仿真工具(ATLAS)
浅谈SILVACO TCAD在VDMOS功率器件设计中的应用
浅谈SILVACO TCAD在VDMOS功率器件设计中的应用作者：张海磊陆建恩严古响徐成保孟欢来源：《电子技术与软件工程》2016年第09期【关键词】SILVACO 半导体工艺器件仿真 VDMOS半导体器件和集成电路的制造过程非常复杂，设备非常昂贵，开发周期长，生产成本大。
例如：一个基本热氧化过程一般需要几小时或更多的时间，而用软件模拟一次仅需要几分钟。
因此现在很多公司在产品研发之初就采用TCAD技术进行设计并仿真。
SILVACO-TCAD软件是由SILVACO公司开发的，公司于1984年成立于美国硅谷。
它是一款非常好的EDA工具，现在已经风靡全球。
1 SILVACO-TCAD的功能SILVACO-TCAD软件主要包括工艺仿真（ATHENA）和器件仿真（ATLAS）。
特别是SPICE 模型的生成，互连寄生参数的的精确描述，基于物理的可靠性建模以及传统的CAD技术，这些都为工程师进行完整地IC设计提供强大的动力和支持。
工艺仿真模块（ATHENA）包括半导体器件和集成电路制造工艺中前道工序几乎所有工艺过程的仿真，例如氧化、扩散、淀积、光刻、刻蚀、离子注入、退火等。
当然还必须进行网格结构设计、衬底初始化以及电极引出。
特别加入了对各项工艺的优化功能，可以设定目标值，可调参数，使系统自动优化分析。
器件仿真模块（ATLAS）主要是对特定半导体器件结构的电学特性以及器件工作时相关的内部物理机理进行仿真，预测工艺参数对电路特性的影响。
例如：晶体管和MOS管的转移特性、输出特性、阈值电压、击穿电压等等。
2 基于SILVACO的VDMOS工艺仿真在进行VDMOS工艺仿真之前，先要确定基本的工艺流程。
本次实验，我们确定的VDMOS工艺流程如图1所示。
确定流程之后，根据设计要求对各道工序的参数进行计算分析。
例如：本实验要求达到600V的击穿电压，通过理论计算分析得出：至少需要38μm厚度的外延层，掺杂浓度为2.5*1014cm-3。
SILVACO-ATLAS操作文档
实 四、 模型指定命令组 以上我们已经建立了器件结构，现在我们将进入模型指定命令组。在这个命令组中，我们将分别用 Model
室
验
实
子
电
微
学
大 图 4.3
图 4.4
山 以上我们将每个电极均定义为欧姆接触，接触势为 4.1。 中 3. 指定接触面特性
室 2. ATLAS 命令的顺序 在 ATLAS 中，每个输入文件必须包含按正确顺序排列的五组语句。这些组的顺序如图 1.1 所示。如果
不按照此顺序，往往会出现错误信息并使程序终止，造成程序非正常运行。
验
实
子
电
微
3. 开始运行 ATLAS
学图 1.1
1) 2)
大 点击桌面图标“Exceed XDMCP Broadcast”。 （如图 1.2）
1. 定义网格 在 ATLAS 中定义器件只能用矩形方式定义。如欲定义如右图的结构，必须按照三个
学 黑色矩形来定义。 这些矩形区域在 ATLAS 中称之为网格。网格的大小由 X、Y 坐标（loc）定义，为了 更为精确的描述网格，ATLAS 将网格进行细分(spac)，等号后面的参数即为细分的间隔。
大 网格的疏密决定仿真结果的精确程度。
能带间隙、少子寿命等。本节将用 material 命令来定义相关参数。 Material 参数分为几大类。区域参数，能带结构参数，迁移率模型参数，复合模型参数等等。每个参数
室 都对应一定的物理模型，由一系列方程来表示这些量。 常用参数（命令）有：本征载流子浓度允许的最小值（ni.min）、电子空穴的寿命（taun0、taup0）、电
VDMOS的ATLAS仿真全解
分压环制作
P+注入 PSG淀积 表面钝化
栅氧制备
P阱推结 接触孔制备 背面电极制备 中测
P-注入 N+注入 正面电极制备 裂片
分压环制备
场氧化
环光刻
J-FET注入
栅氧制造和P-注入：
栅氧
多晶光刻
多晶淀积
P-注入 去胶
多晶激活
P+注入和阱推结：
P+光刻
P+注入 去胶
P阱推结
N+注入：
N+光刻 N+注入 去胶
• 高输入阻抗：由于存在栅氧化层，在栅和其它端点之间不存在直流 通路，输入阻抗非常高。
•电压控制：MOS场效应管是电压控制器件，双极功率器件是电流控制
器件。驱动简单。 •自隔离：MOS管具有很高的封装密度，因为MOS晶体管之间能够自动
隔离。能广泛用于并联。
•其它：温度稳定性好
功率器件的特征：
项 目 晶体管 IGBT VDMOS
功率MOSFET的主要类型：
VDMOS是大量重要特征结合的产物，包括垂直几何结构、双扩散工艺、多晶
硅栅结构和单胞结构等。
第二部分：VDMOS主要参数
VDMOS主要参数：
VDMOS主要参数：
VDMOS主要参数（静态参数）：
BVdss: 漏源击穿电压 (与三极管的cb电压相似)
连续漏极电流
Id:
微电子设计大赛
采用JTE终端结构 VDMOS 的ATLAS仿真
内容
第一部分：MOSFET介绍 第二部分：VDMOS主要参数 第三部分：VDMOS工艺流程 第四部分：VDMOS仿真流程
第一部分：MOSFET介绍
MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 即金属氧化物半导体场效应晶体管
工艺仿真软件Tsuprem4与器件仿真软件Medici的使用
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1、TCAD仿真工具介绍
一、工具简介
目前世界上有四套TCAD仿真工具：
Tsuprem4 / Medici Silvaco ( Athena / Atlas) ISE ( Dios / Mdraw / Dessis) Sentaurus（Process / Structure / Device）
TSUPREM4使用介绍
结构初始化
有两种形式： 1. 读入已有结构：
INITIALIZE IN.FILE=oldstr
2.建立新结构：
结构区间定义 INIT <100> impurity=boron i.conc=1E15
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2、Tsuprem4 命令语句分类
（1）文件及控制命令 （2）定义器件结构的命令 （3）工艺步骤命令（Tsuprem-4的核心） （4）输出命令
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1、COMMENT命令
用于注释。若注释有多行，下一行前要加“+”符号。
为方便起见，可用“$”符号代替。 例1：COMMENT this is a short comment 或 $ this is a short comment
Medici 和 Atlas 都包含器件构建工具和器件 仿真工具，在后两个软件中器件构建和器 件仿真被拆分成两个独立的工具。
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2、仿真方式
工艺仿真器件仿真
Tsuprem4Medici AthenaAtlas DiosMdrawDessis（或 MdrawDessis） ProcessStructureDevice（或 StructureDevice ）
VDMOS的ATLAS仿真全解
承受JTE终端构造 VDMOS 的ATLAS仿真
内容
第一部分：MOSFET介绍 第二部分：VDMOS主要参数 第三部分：VDMOS工艺流程 第四部分：VDMOS仿真流程
第一局部：MOSFET介绍
MOSFET：Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor 即金属氧化物半导体场效应晶体管
MOSFET的特点： • 双边对称：电学性质上，源漏极可以互换〔VDMOS不行以〕 • 单极性：参与导电的只有一种载流子，双极器件是两种载流子导电。 • 高输入阻抗：由于存在栅氧化层，在栅和其它端点之间不存在直流 通路，输入阻抗特殊高。 •电压把握：MOS场效应管是电压把握器件，双极功率器件是电流把 握器件。驱动简洁。 •自隔离：MOS管具有很高的封装密度，由于MOS晶体管之间能够自 动隔离。能广泛用于并联。 •其它：温度稳定性好
Rds〔on〕：通态电阻，器件导通时，给定电流时的漏源电阻
gfs：跨导，漏极电流随栅源电压变化的比值〔单位：S西门子〕 Vgs(th)：阈值电压，多晶下面的沟道消逝强反型层并且在源极和
漏极之间形成导电沟道时的栅源电压
VDMOS主要参数〔开关参数〕：
Ton：开通时间
开关参数
Toff：关断时间
Qg：栅极电荷
去胶
P+注入和阱推结：
P+光刻 P+注入
去胶
P阱推结
N+注入：
N+光刻 N+注入
去胶
接触孔制备： PSG淀积 PSG回流 接触孔光刻
正面电极制备： 金属淀积 金属光刻 合金
外表钝化： Si3N4淀积 钝化层光刻
反面金属制备： 反面减薄 反面蒸发
工艺及器件仿真工具SILVACO-TCAD
本章内容
使用ATHENA的NMOS工艺仿真 使用ATLAS的NMOS器件仿真
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本章内容
使用ATHENA的NMOS工艺仿真 使用ATLAS的NMOS器件仿真
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概述
用ATHENA创建一个典型的MOSFET输入文件所需的
基本操作包括： a. 创建一个好的仿真网格
b. 演示淀积操作
c. 演示几何刻蚀操作 d. 氧化、扩散、退火以及离子注入 e. 结构操作 f. 保存和加载结构信息
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创建一个初始结构
定义初始直角网格
−
在UNIX或LINUX系统提示符下，输入命令：deckbuild-an&，以 便进入deckbuild交互模式并调用ATHENA程序。这时会出现如下 图所示deckbuild主窗口，点击File目录下的Empty Document， 清空Deckbuild文本窗口；
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定义初始衬底
由网格定义菜单确定的LINE语句只是为ATHENA仿真结 构建立了一个直角网格系基础。接下来就是衬底区的初始化。 对仿真结构进行初始化的步骤如下：
①
在ATHENA Commands菜单中选择Mesh Initialize…选项。ATHENA网格初 始化菜单将会弹出。在缺省状态下，硅材料为<100>晶向；
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−
在网格定义窗口中点击insert键，并继续插入第二、第三和 第四个Y方向的网格定义点，位臵分别设为0.2、0.5和0.8， 网格间距分别设 0.01，0.05和0.15，如图所示。
EDA软件列表
发信人: donnie (QQ糖∈IMECAS2004), 信区: IME标题:EDA软件列表发信站: BBS 科苑星空站(Fri Oct 1 22:53:40 2004), 站内★数字电路设计工具★分类产品名制造商逻辑综合器、静态时序分析Blast RTL 美国MAGMA公司VHDL/Verilog-HDL Simulator（仿真工具) Active-HDL 美国Aldec公司混合语言仿真NC-sim 美国Cadence Design Systems公司Verilog仿真器Verilog-XL 同上System C 仿真器NC- System C 同上VHDL仿真器NC- VHDL 同上物理综合工具PKS 同上超级综合工具（带有最优化配置功能）BuildGates Extreme 同上Verilog仿真/VHDL编译器VCS/Scirocco 美国Synopsys公司RTL级逻辑综合工具DC expert 美国Synopsys公司Vhdl/Verilog混合语法和设计规范检查器LEDA 美国Synopsys公司FPGA综合器Synplify PRO 美国Synplicity公司物理综合Amplify 美国Synplicity公司测试与原型验证Certify SC 美国Synplicity公司VHDL/Verilog-HDL 仿真工具ModelSim 美国Mentor Graphics公司Verilog-HDL仿真工具TauSim 美国Tau Simulation公司Hardware Accelerator ARES 美国IKOS Systems公司Static Timming 解析工具EinsTimer 美国IBM公司逻辑Simulator(仿真) Explore 美国Aptix公司Xcite 美国Axis Systems公司VirtuaLogic 美国IKOS Systems公司VIVACE 美国Mentor Graphics公司功耗解析/最优化工具（RTL）WattSmith 美国Sente公司逻辑验证工具（测试向量生成）Specman Elite 美国Verisity Design公司CODE・COVERAGE工具，状態COVERAGE工具Verification 美国TransEDA公司Navigator/State 美国TransEDA公司Navigator 美国TransEDA公司Formal・Verifier（等价性评价）BoolesEye 美国IBM公司Tuxedo 美国V erplex Systems公司HDL调试工具Debussy 美国Novas Software公司电路合成工具，行为级合成工具（VHDL编程）BooleDozer 美国IBM 公司High Level电路合成工具eXplorations Tools 美国Explorations公司RTL设计TeraForm 美国Tera Systems公司——————————————————————————————————————★模拟/数.模混合信号电路设计工具★分类产品名制造商模拟电路Simulator（仿真工具）T-Spice Pro 美国Tanner Research公司SmartSpice 美国Silvaco International公司Eldo 美国Mentor Graphics公司电路图仿真/物理设计环境COSMOS SE/LE 美国Synopsys公司数字/模拟混合信号仿真HSPICE/NanoSim 美国Synopsys公司混合信号・Simulator（仿真工具）ICAP/4 美国intusoft 公司混合信号・Simulator（仿真工具）美国Mentor Graphics公司RF电路Simulator（仿真工具）ADVance，CommLib 美国Mentor Graphics公司Analog Macro Library 美国Mentor Graphics公司Static Noise 解析工具（混合信号）SeismIC 美国CadMOS Design Technology公司Model Generator（模拟）NeoCell 美国Neolinear公司模拟电路设计工具MyAnalog Station 美国MyCAD公司电路仿真工具Star-Hspice 美国Avanti公司Star-Sim 美国Avanti公司Star-Time 美国Avanti公司电路图编辑器Scholar 美国Silvaco International公司S-edit 美国TANNER公司模拟、射频及混合信号仿真Cadence Analog Design Environment 美国Cadence公司层次化原理图输入工具Virtuoso Composer 美国Cadence公司原理图输入Orcad Capture CIS, 美国Cadence公司Concept HDL Capture CIS, 美国Cadence公司原理图仿真Pspice NC Desktop 美国Cadence公司————————————————————————————————————————★Hard/Soft协调设计工具★分类产品名制造商Hard/Soft协调设计工具Cierto VCC Environment 美国Cadence公司ArchGen 美国CAE Plus公司eArchitect 美国Viewlogic Systems公司Hard/Soft协调验证工具SeamlessCVE 美国Mentor Graphics公司————————————————————————————————————————★LSI Layout设计工具★分类产品名制造商寄生电容/阻抗提取工具DISCOVERY 美国Silvaco International公司IC 版图设计MyChip StationTM V6.4 美国MyCAD公司寄生电容/寄生阻抗提取工具，延迟计算工具SWIM/InterCal 美国Aspec Technology公司寄生电容/阻抗提取工具，回路Simulator（仿真工具），Layout变换工具Spicelink，Ansoftlinks 美国Ansoft公司物理版图编辑器Virtuoso-XL Layout Editor 美国Cadence公司交互式物理版图验证工具Diva 美国Cadence公司信号完整性时序分析工具SignalStorm 美国Cadence公司Model Generator CLASSIC-SC 美国Cadabra Design Automation公司Layout设计工具（带有电路合成功能）Blast Fusion 美国Magma公司Layout设计工具DOLPHIN 美国Monterey Design Systems公司L-Edit Pro 美国Tanner Research公司MyChip Station 美国MyCAD公司CELEBRITY,Expert 美国Silvaco International公司相位Shift Mask设计工具，OPC设计工具，Mask 测试工具iN-Phase/TROPiC/CheckIt 美国Numerical Tecnologies公司版图寄生参数提取工具Star-RC 美国Avanti公司逻辑仿真与版图设计熊猫系统2000 中国华大————————————————————————————————————————★测试工具★分类产品名制造商Test - Pattern 变换工具TDS iBlidge/SimValidator 美国Fluence Technology公司Test 设计工具TestBench 美国IBM公司TDX 美国Fluence Technology公司————————————————————————————————————————★印刷电路版设计工具★分类产品名制造商高速PCB设计与验证SPECCTRAQuest 美国Cadence Design Systems 公司PCB设计用自动配置,配线工具AllegroSPECCTRA 美国Cadence Design Systems 公司PCB设计Orcad Layout 美国Cadence Design Systems公司PCB用温度解析工具PCB Thermal 美国Ansoft公司面向焊接的PCB用温度解析工具PCB SolderSim 美国Ansoft公司PCB用振动・疲劳解析工具PCB Vibration Plus/PCB Fatigue 美国Ansoft公司PCB/MCM用寄生电容/阻抗提取工具，回路Simulator（仿真工具）PCB/MCM Signal Integrity 美国Ansoft公司封装(Package)设计工具Advanced Packaging Designer/Ensemble 美国Cadence公司封装(Package)用温度解析工具Hybrid Thermal 美国Ansoft公司封装(Package)用寄生电容/寄生阻抗提取工具Turbo Package Analyzer 美国Ansoft公司PCB设计工具ePlanner 美国Viewlogic Systems公司PCB设计Protel DXP ALTIUM公司————————————————————————————————————————★其他的工具★分类产品名制造商AC/DC设计・解析工具MotorExpert 韓国jasontech公司工艺・Simulator（仿真工具）ATHENA 美国Silvaco International公司器件・Simulator（仿真工具）ATLAS 美国Silvaco International公司器件模拟工具工艺模拟工具Medici,Davinci,TSUPREM 美国Avanti公司射频与微波设计ADS 美国Agilent公司信号处理系统级设计工具SPW4.8 美国Cadence Design Systems公司数字信号处理和通信产品的系统级设计工具Matlab/Simulink 美国Mathworks公司————————————————————————————————————————★PLD开发系统★分类产品名制造商可编程逻辑电路开发工具MAXPLUS Ⅱ美国ALTERA公司可编程逻辑电路（含SOPC）开发工具QUARTUS 美国ALTERA公司可编程逻辑电路开发工具ISP expert/ispLEVER v3.0 美国Lattice公司可编程逻辑电路开发工具ISE 6.2i Foundation 美国Xinlinx公司可编程逻辑电路开发工具Actel Designer R1-2003 美国ACTEL公司。
阿特拉斯空调Altas调测手册
协议调试手册(阿特拉斯空调Altas)深圳安圣电气有限公司版权所有，保留一切权利。
版权所有，侵权必究。
Copyright (C) 1998 by Shenzhen Avansys Co. Ltd..All rights reserved.一、引言1.协议适用的设备名称、型号、监控模块型号、系列号、协议版本号：阿特拉斯（ATLAS）空调，CEMS系列，如CEMS 90、100等。
2.产品描述i.代理商或厂家名称、联系人、电话：（请尽量说明清楚）此空调是澳大利亚生产，无厂商、代理信息。
本协议首先在西安局完成，后应芜湖局、天津局要求增加了温湿度设置功能。
ii.同类设备有哪些型号、监控模块有哪些型号：（此信息请尽量详细说明，最好写明如何区分等。
）此空调目前发现有Australia、CEMS90、CEMS100三种型号，前两者均可在空调外部见到相应的标志，CEMS100型空调外部没有明显标志，但其是用液晶显示，全两者是数码管显示的。
三者使用相同的协议。
二、程序名说明1.动态库名：Altas.DLL2.TSR名：Altas.EXE3.模板库名：（对于电源应区分24V和48V等不同信号。
）阿特拉斯(Atlas)空调.MDB4.供应商测试程序：主文件有两个：055001.EXE、Title.SCN。
三、接口信息1.设备勘察信息：i.设备描述：（包括：监控模块照片、接口板照片、照片说明、接口位置、形状等信息。
）对于CEMS 90系列，打开阿特拉斯空调的位于操作显示屏处的门，可发现一双排共10针的长方形通信接口，见上图，即为阿特拉斯空调的RS－232串口，可购买一计算机中的通用十针插头，将其连接出来。
为了便于说明，现将阿特拉斯空调的十针串口各针编号如下：上排从右向左顺序编排为1－5，其中1、2、5用于RS－232的串行通信，功能定义如下：接口编号功能1Rx2Tx5Gndii.特别说明：（请用文字说明）a.判断有无接口板方法：请直接观察空调。
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ATLAS 器件仿真
定义materials(材料)及models(模型)
MATERIAL <localization> <material_definition> 这里的<localization>是用来确定将对那种材料 进行定义。表达方式是： material=silicon / polysilicon/ SiGe/ GaAs … <material_definition>是要材料定义的属性，可 以指定：载流子寿命，载流子迁移率，禁带宽度， 能带及热载流子注入等参数的设置。
进一步详细的关于 这些模型的信息， 可以参看文档：
ATLAS User’s Manual Volume I
ATLAS 电学特性 数值计算方法命令集：
对于半导体器件问题，有几种不同的方法可以 使用。对于 MOS 结构来说，可以使用非耦合的 GUMMEL 法和耦合的 NEWTON法。简单地说， gummel 法将对每个未知量轮流求解，同时保持 其他变量不变，不断重复这个过程，直到得到稳 定的解。而 Newton 法将会对整个系统的所有未 知量一起求解。 输入： method newton
ATLAS 电学特性
ATLCT NUMBER=<n>|NAME=<ename>|ALL [<wfp>] [<bc>] [<lcr>] [<link>] Workfunction Parameters Boundary Conditions Contact Parasitics Electrode Linking Parameters
工艺及器件仿真工具 SILIVACO-TCAD
哈尔滨工程大学微电子实验室 2009.10
ATLAS 电学特性
在这一部分，将对一个NMOSFET器件结 构进行器件仿真。 以下将会演示到： 1. 产生简单的 Vds=0.1V 偏压下的曲线： Ids vs. Vgs 2.提取器件参数，例如Vt，Beta和Theta 3.产生不同的Vgs偏置情况下的Id vs. Vds 曲 线簇
ATLAS 器件构造 3. 定义电极
ELECTRODE NAME=<en> [NUMBER=<n>] [SUBSTRATE] <pos> <reg>
ATLAS 器件构造 4. 掺杂分布
DOPING <distribution_type> <dopant_type> <position_parameters> distribution parameter: 是指在指定的区域内杂质的分布形 式。Uniform是指均匀分布，gauss 是指高斯分布。 Dopant parameter: 是指定掺入杂质的类型及浓度大小， 浓度的单位是/cm3. Position parameter: Junction,Peak,char,x.right,x.left, teral
ATLAS 电学特性 tonyplot
ATLAS 电学特性 tonyplot 对应的编辑菜单
在图形上点击右键
ATLAS 电学特性 提取器件参数
Beta is the transconductance coefficient THETA is the Vgs dependence on mobility
ATLAS 电学特性 Ids vs.Vds
ATLAS 电学特性 Ids vs.Vds
ATLAS 器件构造
构造器件的步骤：
1. 构建网格 2. 定义区域 3. 定义电极 4. 掺杂分布 5. 保存结构文件
ATLAS 器件构造
1. 构建网格
ATLAS 器件构造 2. 定义区域
REGION NUMBER=<n> <material> [<position>]
Material parameter: SILICON, GAAS, POLYSILI, GERMAINU, SIC, SEMICOND, SIGE, ALGAAS, A-SILICO DIAMOND, HGCDTE, INAS, INGAAS, INP, S.OXIDE, ZNSE, ZNTE, ALINAS, GAASP, INGAP and MINASP. Position parameter： X.MIN, X.MAX, Y.MIN, and Y.MAX （Z.MAX, Z.MIN for 3D）
ATLAS 电学特性
输入：Go altas
ATLAS 电学特性
MESH <prev>|<new> [<output>]
语法： mesh inf=mos1ex02_0.str
ATLAS 电学特性
设置模型： 对于简单的 MOS 仿真，推荐使用 CVT 和SRH。 SRH是Shockley Read Hall复合模型， 而 CVT 模型是来自于 Lombardia 的反型层 模型。 CVT模型设置了通用的迁移率模型，包 括了浓度、温度、平行电场和横向电场的 影响。
进一步详细的关于 这些模型的信息， 可以参看文档： ATLAS User’s Manual Volume I
ATLAS 电学特性 设置模型： interface
INTERFACE [<params>]
Boundary Condition Parameters Position Parameters
在此程序中，对silicon 及SiGe 材料的电子及空 穴的寿命进行了定义，单位是秒(s)。
ATLAS 器件仿真
定义materials(材料)及models(模型)
在前面的“ATLAS 电学特性”中已经 对model 进行了分类。在此程序中，由于 引入了 silicon/SiGe 异质结，因此引入了 bgn模型。并且添加了fldmob 这一依赖于 平行电场的载流子迁移率模型。 conmob 依赖杂质浓度的载流子迁移率模型。
ATLAS 电学特性 求解命令集： Ids vs. Vgs
在这个命令接中，将包括： 1.“Log” 命 令 ， 用 来 存 储 log文件，这个文件包括了 ATLAS 所计算的所用的终 端特性。 2.“Solve” 命令，不同偏置 条件下的求解。 3.“Load” 命 令， 载 入 求解 的文件。