器件级模拟器与电路级模拟器

器件级模拟器与电路级模拟器学号：GS12062436姓名：薛召召题目：器件级模拟器（TCAD）与电路级模拟器（SPICE）的原理、作用以及他们的区别。第一部分：器件级模拟器一、 器件模拟的原理和作用器件模拟就是半导体器件的计算机模拟，是在给定的材料成分、物理结构和掺杂分布的条件下，通过半导体器件模拟程序采用数值方法直接求解半导体器件的基本方程，得到器件结构中的静电场、电子空穴浓度与空间时间的关系，并在此基础上获得不同偏压条件下的器件伏安特性和器件的直流、瞬态、交流小信号特性，以及各种器件参数等。器件模拟实际上就是利用数值方法根据一定的边界条件求解器件的基本方程，其基本方程有泊松方程、电子空穴的连续性方程、热扩散方程、电子空穴的漂移扩散方程等。其求解的基本量包括静电势、电子空穴浓度和温度，得到这些量可以进一步求出其他的期间特性。这就是器件级模拟的数学模型。通过器件模拟我们可以更加深入的了解器件的内部特性，深入了解影响器件性能的各种因素，以便于对器件性能更好的预测和控制，对器件进行优化设计。主要作用是对器件的性能进行预测，分析无法活着难以测量的器件性能，分析工艺对器件性能的影响。这样有助于减少工艺开发的成本和时间提升半导体器件制造的良品率。二、 器件级模拟器TCADTCAD（TechnologyComputerAidedDesign）是由东芝公司开发的一种基于计算机辅助设计技术的方法。是一个可视化的集成环境，其直观的GUI可用于设计、组织和运行模拟。包括多个工具，比如工艺模拟器、网络化工具、器件级模拟器、绘图和分析工具。第二部分：电路级模拟器一、电路模拟的原理和作用电路的计算机辅助分析就其内容上来讲可以分为两个方面：一个是电路模拟，另一个是电路优化。电路模拟是在给定电路的结构和元器件参数的条件下，确定电路的性能指标。而电路优化是在电路性能指标和电路结构确定的条件下来确定电路中指定元器件的参数最佳值。电路模拟实际上就是根据电路的拓扑结构和元器件的参数将电路问题转化成适当的数学方程，并求解。最后根据计算结果验证电路设计的正确性。他的特点是不需要实际的元器件，可以进行各种模拟甚全是破坏性模拟。二、电路级模拟器SPICE目前在世界上最为著名和广泛应用的电路级模拟软件是 SPICE程序（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis），是由美国加州大学伯克利分校的电气工程和计算机科学系开发的，第一版于1972年完成，1975年推出SPICE2G版本采用FORTRAN语言编写（包括一小段C语言），1981年发表SPICE2G.5版本，80年代初随即传入我国。由于采用开放性的政策且收费低廉，用户可以按自己的需要进行修改，使得SPICE广为应用。现在已被移植成了不同的相关产品，以便以适应工业和科研在EDA方面的需求。根据需要各种SPICE版本可以分别运行MS-DOS、WINDOWS>OS/2、Mac、UNIX等平台上。SPICE的算法原理介绍：线性电路的直流分析，采用的是改进节点分析法来自动建立电路的线性代数方程组；非线性电路的直流分析，用N-R迭代法求解非线性代数方程组，再用伴随网络分析法将非线性元件线性化，变成求解线性方程组；非线性电路的瞬态分析，用数值积分算法先进行离散化，将连续的时间变量变成在各个时间点离散的电路变量，采用伴随网络分析法在每个时间点将非线性元件线性化，变成在每个时间点的非线性电路的直流分析；非线性电路的瞬态分析，常用数值积分法是显式积分和隐式积分，在算法缺省时为梯形法，求解刚性方程时用吉尔法。SPICE电路级模拟软件的用途：运用SPICE对电路进行模拟，尤其适用于集成电路，最适合模拟或者数模混合集成电路的模拟，以及数字电路建库。各厂商必须为客户提供SPICE模型参数。可以对电路进行直流（DC）、交流信号分析（AC）、瞬态分析（TRAN）等电路分析，其他的分析类型都是由此派生出来的。电路级模拟器SPICE在有些情况下会发生求解不收敛的现象。这时程序将打印出最后一次迭代的节点电压，并终止作业，此时打印出来的电压未必正确，甚至都接近正确的解。对于规模过大的电路SPICE显得力不从心，需要花费更多的时间和承担更多的风险。第三部分：器件级模拟器（TCAD）与电路级模拟器（SPICE）的区别器件级模拟器是采用数值方法直接求解半导体器件的基本方程，得到器件结构中的参数关系，并根据此分析器件的各种特性，以及各种器件参数等。目的是对器件的各个参数和性能进行预测，分析器件的工作特性，调控改进器件的性能。器件级模拟器的直接作用对象是半导体元器件。电路模拟是根据电路的拓扑结构和元器件的参数将电路问题转化成适当的数学方程，通过求解电路的数学方程来验证电路设计的正确性。电路级模拟器的作用对象是