Slivaco TCAD 小白系列- 1. 從ATLAS開始
參考資源：
第二三集、Silvaco TCAD ATLAS Tutorial by Engineering technology and society
積體電路工程_Silvaco (Atlas) YouTube基本操作或語法
Ctrl+滾輪 可以放大字體大小
井字號(#)後面是註解內容，須自己獨立一行
好啦，開始我們新的一課。首先打開Deckbuild：
我們這回的重點會在如何使用Atlas模擬器進行模擬，我們會在左上角的窗口寫上代碼，而要使用Atlas模擬核心要在代碼的開頭寫上「go atlas」、結尾寫上「quit」，例如：
go atlas
........
quit
有時運算量過大，我們可以調整模擬時使用的CPU數，改成寫：
「go atlas simflags=”-P 2"」，預設是P 1。代表預設使用一個CPU。
以下是一個模擬元件運作的典型過程：
主要是建立元件結構→選取物理模型→選取解他的方式→設定初始條件與解之→分析結果 共五大步驟。每一個步驟都是一個”statement”，statement可以分成command跟parameter兩部分，前者是我接下來的行為大概要幹嘛、後者是確切要幹嘛、或者說此行為的細節。
例如：「開火 火侯=小火、時間=10分鐘」之類的，開火就是command，火侯=小火、時間=10分鐘就是parameter。
要把每個可能發生的行為確切分類到上述的五個步驟裡實屬不易，所以這五分法也只是大概。在學習到更後面的內容時很可能會面臨不知道這個statement要放在哪個類別，例如要把「走出或走入廚房」歸納到煮菜的任何一個步驟都不太對，但他確實就是一個statement；反之在上述流程中列出的statement也不見得一定會用到。另外，敘述一般都是一個字的單詞，遇到兩個以上組成的單詞往往會用句點連在一起，例如e.field、j.electron
最後，為管理代碼方便，建議打開DeckBuild的行數顯示：View>Show Line Number。在2014版沒這功能。
以下先做一個概略性的簡單介紹。
註記：由於每個部份內容深淺不一，很容易讀著讀著讀到走神，極度建議打開雙頁面，一個頁面是本回的內容、另一個頁面是下一回的程式碼範例，透過比較左右頁面、檢視每行程式碼大概的意義，不然光看解說學習效果極差。
一、Structure Specification
建立結構的過程與主要編碼會透過Deck Build程式執行。
1-1. specifying the initial mesh：先給予初始預設的mesh大小，數字可以比1大或小。
語法：MESH space.mult=數字
Mesh翻成中文是網目，可以理解成一個最小積木的大小。要堆砌出一個元件，我們可以用不同大小的積木來堆砌(就像曲線可以想成是直線連成的、面積可以用長方形逼近等等)，定義Mesh的大小、位置則可以決定元件的形狀。
在打Code時，通常建議預先繪製好元件構造圖，才方便寫下元件的座標為何
為作區別，主類別我們會用全型大寫做標記，實際coding時打小寫也可以。
在成功運行過某個結構後，如果有存成.str檔(後面會說如何存)，則可以寫「MESH init infile=檔名.str」或「MESH inf=檔名.str」直接讀取之前成功跑過的結構，不用重打結構。
(小抱怨，或許是Medium為保持版面乾淨，只允許單一顏色，但這樣實在不方便...看倌辛苦了。慎重考慮之後變成影片形式的教學，這樣不用碼字也賞心悅目)
1–2. 定義x與y格線的位置：
語法：
x.mesh loc=線的x座標 spac=間格大小
y.mesh loc=線的x座標 spac=間格大小
如無特別說明，大小的單位都是um。
其語法的邏輯是，我把元件切成無數個小長方形，然後為每條線的x,y座標作定義，例如：
所以預先畫出元件長相是重要的。
2. 定義區域的材料：
格線可以畫出區域，而我們要給予區域的材料參數。最多可以有15000個區域。
語法：REGION number=第N號區域 區域參數 material=材料名稱
對於區域定義的邏輯是層層推疊的。舉例來說，假設我要畫一個結構如下：
那麼我會先聲明REGION num=1 material=silicon (黃色區域)
那麼畫布就會是整片黃。接著再定義一個白色躺下的矩形，例如：
REGION num=2 material=SiO2 x.min=2 x.max=8 y.min=4 y.max=6
接著是一個白色直立的矩形，便可以得到上面十字。
反之如果我先定義兩個矩形才寫下REGION num=3 material=silicon (黃色區域)，則會讓整片都只有黃色。
或許有人好奇，可否跳過1–2直接定義區域呢？當然可以，但極度不建議，這對元件解析度重要性很高。主要是在一些接面等特殊地方我們會需要比較細緻的網格、其餘塊材處的網格不用那麼細小。而網格網定義需要靠1–2定義，這對電腦計算量影響很大。
3. 定義電極位置：
標示電極的位置，最多可以有50個電極。
其邏輯是可以選定一個區域或範圍作為電極，例如未指定時，我可以說REGION=X 讓第X號區域作為電極；或者標上X區域的某點就可以讓該區域都作為電極。
或者也可以自定義電極大小，X區域可能有200平方單位、但我只取某20平方單位當電極也可以。
語法：ELECTRODE name=電極名稱 位置參數
如果沒有寫出y座標，則會假定電極限遍布整個y方向。
我們也可以利用right, left, top, bottom來直接定義電極位置，或一端起點配合長度如例2。但良心建議，乖乖匡列邊界才實在。同時定義電極的位置可以不用有材料！
4. 定義摻雜：
指定某區域內的摻雜參數
語法：DOPING 分布類型 摻雜類別 位置參數
似乎可以不用照順序。分布類型可以是uniform, gaussian, complementary error function。其中gaussian分布的摻雜需要給出peak發生的位置。至於junc跟rat是甚麼不太清楚。
註、3D的例子：
如果是想建立3D結構，則會寫成：
可以以圓柱座標表示：
一般來說Mesh切越小越精準，但是會花時間。所以在特定地方求精準就好，例如：
1. 具有高電場的D與Channel的接點處
2. MOSFET閘極下方的垂直方向電場
3. BJT中E、B端接面、發生再結合之處
4. 雪崩崩潰發生處
5. HBT、HEMT的異質接面處
需要避免的點像不要利用鈍角三角形填充此區域(我們是用兩個三角形構成矩形作為最小單位)、避免mesh密度驟變等等。
二、Model Specification
定義好結構後，我們要進行調整元件參數。藉由以下步驟調整：
1. Contact：
系統預設的接面是歐姆接面。如果有給出金屬的功函數則會被當成Schottky接面，例如：
2. Material
TCAD中會把材料分成絕緣體、半導體、導體。每個類別有不同參數可以調整，在半導體中可以調整的有：
3. Models
物理模型的調整，主要包含五種類別的方向可以調整：
Carrier Statistics, Mobility, Recombination, Impact Ionization, Tunneling and Carrier Injection
舉例來說Carrier Statistics可以調整載子要滿足波茲曼還是費米狄拉克、或者說摻雜要不要全游離；Mobility可以選擇要套用哪個模型、Recombination可以選擇要套用SRH模型還是要多考慮表面再結合率等等，可參考ALTAS Manuel P.2–34~2–35。
語法：MODELS 使用的模型 print
此外還有些組合性模型例如只要輸入MODELS MOS print，就會自動引入CVT, SRH,和 FERMIDIRAC模型；輸入MODELS BIPOLAR print，就會自動引入CONMOB, FLDMOB, CONSRH, AUGER,和 BGN模型。
而語法最後的print則代表在模擬開始時餵入模型到架構中。
4. Interface
可簡稱成interf。用於定義介面結構，包含表面電荷(surface charge)、表面再結合速度(Surface recombination velocity)、熱發射理論(thermal emission)等，例如：
三、Numerical Method Section
依據使用模型組合的不同，TCAD最多需要解6個方程式。此時可以有三種方程式解法可以選：
GUMMEL(全部獨立解之)、BLOCK(部分聯立部分獨立)、NEWTON(全部聯立)
對應不同問題，往往會有不同適合的方法解之例如：
基本的漂移與擴散問題→Method gummel newton
考慮晶格加熱的漂移與擴散問題→Method block newton
能量平衡的計算→Method block newton
考慮晶格加熱的能量平衡計算→Method gummel block newton
此外，也可以設定要同時解電子和電洞的模擬結果(method carriers=2)、
只解電洞/電子的模擬結果(METHOD carriers=1 hole/electron)、
只解電位能分佈的模擬結果(METHOD carriers=0)
四、Solution Specification
最後，我們要決定輸出的內容和檔案類型，我們先看一下常見的檔案名稱。
檔名.in：DeckBuild界面的模擬輸入文件。
檔名.str：製程模擬或元件編輯器得到的元件結構。
檔名.log：元件模擬時存儲模擬結果。
檔名.set：Tonyplot顯示的設置。
檔名.dat：提取得到的數據。
0. Output：
系統在計算完後會預設輸出一些結果，我們可以額外增加要輸出那些圖形等，例如：
1. Log和Save：
LOG跟SAVE都是保存模擬參數的指令，不過LOG是儲存模擬文件的電性(檔案為.log)、SAVE則是儲存結構圖的語法(檔案為.str)。
LOG outfile 指令以下直到LOG off的內容都會被記錄到名稱「某某.log」裡面、同時也可以把結果匯出成csv檔，這對於舊版TCAD特別友善因為舊版貌似無法在數據圖上匯出成csv檔。之所以會有這個需求，是因為LOG檔有時程式執行完會不見。
語法：LOG outfile=名稱.log (master) csvfile=檔案.csv
語法：SAVE outfile=檔案名稱.str
通常想要結束記錄時會寫個”LOG off”，不過不寫或者直接接另一個「LOG outf=～」也是可以的。
此外，既然有outfile就有infile，其實infile我們也在前面提過，在上面的MESH處我們說過：「如果之後要載入之前跑的結果時，可以直接寫『MESH inf=檔名.str』」。就是一個infile的範例。
最後，還有另一個匯出資料的方法是在LOG程式碼的後面寫上例如：
2. Solve：
語法：SOLVE 內容
大致格式範例：
SOLVE init
SOLVE 內容
LOG outf=檔名.log
SOLVE 內容
LOG off
SAVE outf=檔名.str
最簡單的講法，SOLVE指令就是給予條件讓系統去求解，語法很多種。
總之，建完結構後要清楚自己要解甚麼，具體的訴求可以是：
ID-VG圖，在VD=0.1V, VG=0~3V,VS=VB=0的條件下；
ID-VD圖，在VG=1,2,3V, VD=0~5V, VS=VB=0的條件下；
V_breakdown在VD=0、I=1~6 A的條件下。
我們也針對第一個例子來做實際程式碼的呈現。
第二個例子放在最底部說明。
乍看我們漏寫”VS=VB=0"的部分，但其實”SOLVE init”的語法就是讓所有電極都歸零的意思，所以不必擔心。此外倒數第二行最後面的「空格+\」是代表code太長，我要寫到下一行繼續的寫法。
這裡打個岔，需特別注意Save是存截至此行前的元件最後狀態，舉例來說，如果我在「Save abc.str」前面寫了「SOLVE Vgate=0 Vstep=0.05 Vfinal=3 name=gate」，則我會存的是VG=3 V的元件狀態而非VG=0或2.5V之類的。
五、Result Analysis
最後，跑完程式後如果有順利把結果存下來，則可以利用下面兩種語法進行資料提取，其中extract的語法較為困難，後者很常用也較簡單，就是打開畫好的電性圖或結構而已。
1. Extract：參考DeckBuild User’s Manual 第5.8節完整內容或參考第五回的內容。
2. TonyPlot：展示模擬的結果。
語法：
TONYPLOT 名稱.log
TONYPLOT 名稱.str
好，恭喜你堅持到現在。對於初學者來說可能腦袋已經斷路了，所以才在開頭建議開雙分頁學習，從實務中成長最快最有效率! 希望大家有學到東西
看完最後希望大家多多拍手留言分享，有錯誤歡迎指證，我是丹丹，我們下次見！