【半導体】🧩 08-01. SemiDevKit全体像 ― TCADからSPICE・信頼性までを一本でつなぐ

topics: [“半導体”, “TCAD”, “BSIM4”, “SPICE”, “信頼性”]

🧭 この記事の位置づけ（シリーズ・ハブ）

SemiDevKit は、半導体学習で分断されがちな次の領域を

• 🧪 デバイス物理（TCAD）
• 🧩 コンパクトモデル（BSIM4）
• 🔌 回路解析（SPICE）
• ⏳ 信頼性（NBTI / HCI）

一本の流れとして体験できる教育用ツールキットです。

本記事は、本シリーズの 入口（目次・ハブ） にあたります。

🔗 SemiDevKit トップページ
https://samizo-aitl.github.io/SemiDevKit/

🤔 なぜ「一気通貫」が必要なのか

半導体の学習は、テーマごとに断片化しやすいという課題があります。

• 数式は理解できても V–I に落ちてこない
• .model が ブラックボックス になりがち
• SPICE は 結果を見るだけ で終わりやすい
• 信頼性は「劣化する」で 思考停止 しがち

SemiDevKit は、この分断を意図的に壊し、

物理 → モデル → 回路（V–I）→ 劣化

を「つながった一本の線」として理解することを目的に設計されています。

🧱 SemiDevKit の全体フロー

TCAD（Poisson / Drift–Diffusion）
   ↓
BSIM4（コンパクトモデル）
   ↓
SPICE（DC / AC / CV）
   ↓
信頼性（NBTI / HCI）

🔑 ポイント

• 各レイヤは 単独でも理解可能
• しかし前段の理解が、後段で そのまま効いてくる
• 特に V–I（電圧–電流） を共通言語として接続

📘 各レイヤで何を学ぶか

① 🧪 TCAD（Device Physics)

• Poisson 方程式（電位分布）
• Drift–Diffusion（キャリア輸送）
• MOSFET の V–I 特性が生まれる理由

🔗 TCAD 解説ページ
https://samizo-aitl.github.io/SemiDevKit/tcad/

② 🧩 BSIM4（Compact Modeling）

• 物理を「回路で使える形」に圧縮
• BSIM4 パラメータの物理的意味
• .model が 何を表現しているか を可視化

🔗 BSIM 解説ページ
https://samizo-aitl.github.io/SemiDevKit/bsim/

③ 🔌 SPICE（Simulation）

• DC解析：$V_g$–$I_d$、$V_d$–$I_d$
• AC / CV解析：寄生容量・周波数応答
• 寸法依存：L/W と短チャネル効果の雰囲気

👉 「モデルがどう V–I に現れるか」を体感

④ ⏳ 信頼性（Reliability）

• NBTI：負バイアス × 温度 × 時間 → $V_t$ シフト
• HCI：高電界キャリアによる酸化膜劣化

👉 時間軸 が加わることで、設計の現実に近づく

📚 シリーズ記事（目次）

• 01：SemiDevKit 全体像（この記事）
• 02：TCAD（Poisson / Drift–Diffusion）
• 03：BSIM4 理論（物理 → モデル）
• 04：Paramus（BSIM4 モデル生成）
• 05：DC解析（V–I：$V_g$–$I_d$, $V_d$–$I_d$）
• 06：AC / CV解析（寄生容量・周波数）
• 07：寸法スケール（L/W と短チャネル効果）
• 08：NBTI（時間劣化）
• 09：HCI（高電界劣化）

🎯 想定読者

• 半導体を 体系的に理解したい学生
• BSIM4 / SPICE を 意味のある形で使いたい方
• 商用 TCAD / EDA なしで 全体フローを体験したい方

▶ 次に読む記事

次は、いちばん上流から入ります。

👉 02：TCADで理解する MOSFET の本質
（Poisson / Drift–Diffusion）