SPICE模型系列的半导体器件

半导体器件模型是指描述半导体器件的电、热、光、磁等器件行为的数学模型。其中，SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）模型是一种基于数学方程和实验数据建立的描述半导体器件行为的标准化模型，它是集成电路设计中不可或缺的一部分，SPICE模型能够有效支撑电路设计从业者进行电路设计、功能验证等。

在半导体器件中，除了SPICE模型，还有基于量子理学的第一性原理计算模型；考虑半导体基本物理方程的器件物理模型；以及利用简化的数学表达式描述器件电学特性的集约模型。下面探讨这几类模型的原理及其在半导体器件研究中的使用范围，以帮助大家更好地理解和运用这些模型。

这几类模型的关系如下图所示：

01第一性原理计算模型

第一性原理计算，其根本基于量子力学的深刻原理，它如同一把精确的钥匙，开启了理解和预测原子、分子乃至固体材料电子结构和性质的大门。这种方法的核心在于求解薛定谔方程，通过它，我们能够洞察到微观世界的奥秘。

在实际应用中，我们利用密度泛函理论（DFT）、赝势和基组等工具来精确求解薛定谔方程，这些工具为我们提供了强大的数学和物理基础。而各种计算工具和软件包，如VASP、Quantum ESPRESSO、CASTEP等，则是这些原理和技术在计算机上的具体实现。

通过这种方式，第一性原理计算为材料科学和纳米技术领域的研究者们提供了一个无比强大的工具。它不仅让我们能够从头开始计算材料的电子结构和性质，更为我们提供了深入理解和预测材料行为的可能性。这种能力对于推动材料科学和纳米技术的创新和发展具有不可估量的价值。

02器件物理模型

半导体器件物理模型是半导体科学领域中的一项核心技术，它基于半导体物理的基本理论，并结合器件的结构特点，来模拟和预测器件的电学行为。在这个模型中，泊松方程、电流连续性方程、复合模型、隧穿模型等关键方程被精确求解，以捕捉器件内部的微观物理过程。

这种方法为我们打开了一扇窗，让我们能够深入洞察半导体器件的工作机制。它不仅提供了计算的高精度，还让我们能够在设计阶段就预测器件的性能，为优化器件结构、提高器件性能提供了有力支持。

为了实施这一复杂的物理模型，工程师们通常借助强大的计算机辅助设计软件（TCAD）如Silvaco和Synopsys等。这些软件集成了先进的算法和工具，使得复杂的物理模型能够得到高效而准确的求解。此外，国内一些企业如Cogenda等也在这个领域积极布局，推动半导体器件物理模型技术的进一步发展。

03集约模型

集约模型，简而言之，是一个为了加速计算和简化分析的物理模型近似版本。它通过精炼的数学表达式，在保持计算精度的同时，显著提升了计算效率。

集约模型由两大核心部分组成：

核心模型，它精准地描述了半导体器件的电流-电压（I-V）和电容-电压（C-V）等基本特性；

真实器件效应模块，它考虑到了实际器件中可能存在的寄生效应、尺寸变化、温度影响以及自热效应等因素。这两者的结合，构成了完整且实用的集约模型。

集约模型的核心价值在于其大量的模型参数，这些参数并非随意设定，而是根据具体的半导体器件工艺和实测数据，通过专业的模型参数提取技术来精准获取的。只有这些参数得到正确的设定，集约模型才能真实、准确地反映器件的行为。目前，业界广泛使用的模型提参软件包括是德科技的ICCAP和MBP，以及国内华大九天、概伦电子等公司开发的国产软件。

在电路仿真领域，除了集约模型外，还有查找表模型、经验模型以及基于神经网络的模型等。尽管查找表模型和经验模型在建模初期具有简便性，但它们在仿真完备性和连续性方面可能存在不足。而神经网络模型则高度依赖于训练数据的质量和数量。相比之下，基于物理的集约模型在精度、连续性、完备性和鲁棒性等方面均展现出了卓越的性能，成为电路仿真中不可或缺的重要工具。

04SPICE模型

SPICE模型事实上是一种集约模型的具体实现形式。自1958年开始集成电路设计以来，集约模型就被应用于CAD工具中来进行电路设计，而在十九世纪七十年代电路仿真器逐渐成为了电路设计中有效的工具，1972年加州大学伯克利分校发布的SPICE仿真器走进了人们的视野，集约模型则被应用到了SPICE仿真器中支撑电路设计，这就是当前我们熟知的SPICE模型。

随着集成电路行业的不断发展，SPICE仿真器也不断的更新迭代，出现了SPICE1、SPICE2、SPICE3、HSPICE等版本。由于半导体器件的逐渐发展，SPICE模型也变得十分丰富，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。

以上讨论了各类模型的建模计算方法，第一性原理计算是最底层的模型，研究的是材料的基本性质，而物理模型是研究半导体器件工作机制的有力手段，但是由于物理模型数值求解过程中需要进行大量的迭代运算，计算速度较慢，很难适应大规模集成电路仿真设计的需求，因此集约模型（SPICE模型）成为了集成电路设计领域中重要的组成部分。