前言

现代电子工业飞速发展，极大地改善了人们的生产和生活。半导体器件的持续改进、完善以及不断涌现的新器件促使电子工业加速发展，但激烈的竞争也让半导体行业倍感压力。由于技术更新快，设备和原材料的投入相当巨大，现在建立一条生产线动辄要数亿美元。对高技术人才的需求也是前所未有的。

对于半导体行业来说，时间是成本的一大组成，如何更早地将产品推向市场，是决定生存和发展的关键。如何缩短开发周期，以更低成本将产品推向市场呢？人们急切需要一种快速而有效的设计工具。得益于固体物理和半导体物理这些基础理论的成熟、经验数据的积累以及优化算法的发展，在半导体领域逐步开发出计算机仿真的方法，基于TCAD软件的计算机辅助设计进入了人们的视野，且由于计算机功能的增强，建立工作站的成本持续降低，使得TCAD软件得以快速发展。

经过二十多年的发展，来自硅谷的Silvaco公司的产品在TCAD、参数提取、互连建模、模拟、数字和射频电路设计等半导体仿真设计领域获得了广泛应用。其中TCAD可以仿真半导体器件的电学、光学和热学行为，分析二维或三维器件的直流、交流和时域响应以及光电、电光转换等特性，研究器件在电路中的行为，分析离子注入、扩散、氧化、刻蚀、淀积、光刻、外延、抛光和硅化物等工艺和工艺变动对器件特性的影响。Silvaco TCAD功能非常全、易学易用，运算速度快，具有丰富的扩展功能，可有效应用于半导体器件的结构设计和工艺设计，并已成为半导体工艺和器件仿真领域的主要产品。

本书共5章。第1章主要介绍TCAD的基本概念、Silvaco TCAD的特点、语法格式和集成环境Deckbuild的命令，为Silvaco TCAD学习和使用打下坚实基础。第2章主要介绍二维工艺仿真器ATHENA的使用，对各个单项工艺的仿真有详细的说明，最后介绍了优化工具的使用。第3章主要介绍二维器件仿真器ATLAS的使用，从器件结构生成、材料参数定义、物理模型定义、计算方法、特性获取到结果分析的仿真流程及常见的器件功能仿真都有详细讲解。第4章主要介绍器件电路混合仿真的使用，以电路瞬态响应的仿真为重点，展开电路网表的描述、控制和电路分析状态、器件状态的详细讲解。第5章主要是一些高级功能的介绍，它们是用C注释器编辑的函数文件来描述材料参数、自定义材料、工艺校准、实验设计和优化功能。书中每个章节都提供了大量的示例来加强对仿真的理解和学习，全书示例总数超过290个。为了便于读者更直观地理解和掌握仿真技能，作者精心为本书配备了光盘，其中包括书中能实现完整仿真功能的示例、各章节的主要彩图、仿真软件的介绍材料和用户手册、作者授课时制作的PPT等资料。

在2009年本书还只是在校学习交流的小册子，毕业后作者加入半导体器件研发企业，因此更能兼顾不同读者群的需求，也以此目的完善书中的内容和材料。几年来在老师、同学、领导和同事那里获得了非常多的帮助和启发，特别是株洲南车时代电气股份有限公司和电力电子器件湖南省重点实验室的领导和同事的支持和鼓励，使作者的认识水平不断加深，也促使书稿内容不断丰富和完善，作者非常感激他们，同时也真切地希望将所积累的经验和各位读者一起分享。基于此，本书的特点是由浅入深，循序渐进，关注语法的学习，注重引导和启发，讲解既包括整体方案和流程控制，又能深入到每一步细节。希望本书能带领各位读者进入TCAD仿真的殿堂，体验到半导体工艺和器件仿真的乐趣。

本书可以作为本科高年级和研究生的教材。科研工作者也可以此为参考工具，在器件和工艺的设计及验证上获得些许帮助。

感谢四川大学石瑞英教授和龚敏教授对作者的悉心教导，指引作者进入半导体工艺和器件仿真领域； 感谢杨治美老师对全书做了认真仔细的校对以及提供部分习题； 感谢株洲南车时代电气股份有限公司张明专家对书中内容编排和素材选取方面的指导。

谨以此书献给我辛勤劳作的父母，正是他们不言的教诲，使我一步步成长到今天。祝他们永远健康！快乐！幸福！

限于作者的水平，不足之处在所难免，敬请广大读者和用户批评指正。

编者2014年1月