modelforge-2d

TypeScript 库，用于生成 TCAD（Technology Computer-Aided Design）模型生成脚本。支持多 TCAD 后端（SILVACO / Sentaurus），并可生成 SVG 可视化预览。

特性

• 多后端支持：SILVACO（已实现）、Sentaurus（开发中）、Preview（SVG 可视化）
• 类型安全：完整的 TypeScript 泛型支持，确保材料和掺杂剂类型的一致性
• 自动区域处理：基于 clipper2-ts 的多边形布尔运算，自动处理区域重叠与裁剪
• SVG 预览：生成可交互的 HTML 页面，支持缩放和平移
• 模块化 API：清晰的 draw、electrode、doping、mesh 模块

安装

作为依赖安装

npm install @tongleen/modelforge-2d
# 或
pnpm add @tongleen/modelforge-2d
# 或
yarn add @tongleen/modelforge-2d

快速开始

import Structure2D from "@tongleen/modelforge-2d";
import { writeFileSync } from "node:fs";

type Material = "Si" | "Oxide" | "Metal";
type Dopant = "Boron" | "Phosphorus";

// 创建结构定义，指定目标后端，解包各模块
// 使用 "Preview" 后端可生成 SVG 预览；切换为 "SILVACO" 则输出命令脚本
const { draw, electrode, doping, mesh, gen, meta } = Structure2D<
    Material,
    Dopant
>("Preview", "meshed.str", "bnd.str");

// 坐标系约定：y 正方向向下（顶部 y 小，底部 y 大），单位 μm

// 绘制衬底矩形（最底部）
const substrate = draw.rectangle({
    name: "substrate",
    material: "Si",
    p0: { x: 0, y: 4 },
    p1: { x: 10, y: 9 },
});

// 绘制栅氧层多边形（衬底上方）
const gate_oxide = draw.polygon({
    name: "gate_oxide",
    material: "Oxide",
    positions: [
        { x: 0, y: 3 },
        { x: 10, y: 3 },
        { x: 10, y: 4 },
        { x: 0, y: 4 },
    ],
});

// 绘制栅极金属区域（最顶部）
const gate_metal = draw.rectangle({
    name: "gate_metal",
    material: "Metal",
    p0: { x: 4, y: 2 },
    p1: { x: 6, y: 3 },
});

// 设置电极（栅极金属作为电极）
electrode.add({
    name: "Gate",
    regions: [gate_metal],
});

// 添加均匀掺杂
doping.constant({
    name: "sub_doping",
    dopant: "Boron",
    concentration: 1e16,
    kind: "region",
    region: substrate,
});

// 添加高斯掺杂（从衬底表面向下注入）
doping.gaussian({
    name: "source_implant",
    start: { x: 2, y: 4 },
    end: { x: 2, y: 9 },
    dopant: "Phosphorus",
    kind: "conc",
    peak_conc: 1e20,
    another_conc: 1e18,
    another_depth: 1,
    polar: "Both",
});

// 网格细化（按区域选择，作用于栅氧层）
mesh.refineUniform({
    name: "fine_mesh",
    kind: "region",
    region: gate_oxide,
    max_size: 0.1,
});

// 生成 SVG 预览 HTML 并保存
const html = gen();
writeFileSync("output.html", html);
writeFileSync("meta.json", meta());

运行后在浏览器中打开 output.html 即可查看器件结构预览。

API 文档

Structure2D<M, D>(target, mesh_file, boundary_file)

创建一个结构定义实例。

| 参数 | 类型 | 说明 | | --------------- | --------------------------------------- | ---------------- | | target | "SILVACO" \| "Sentaurus" \| "Preview" | 目标 TCAD 后端 | | mesh_file | string | 网格输出文件路径 | | boundary_file | string | 边界文件路径 |

返回对象包含以下模块：

draw

• rectangle(rect) - 绘制矩形区域
• polygon(polygon) - 绘制多边形区域（至少 3 个顶点）
• setNewLayerPosition("top" \| "bottom") - 设置新区域的层级位置

electrode

• add(electrode) - 添加电极定义

doping

• constant(doping) - 添加均匀掺杂
• gaussian(doping) - 添加高斯掺杂

mesh

• refineUniform(refine) - 均匀网格细化
• refineInterface(refine) - 界面网格细化
• refineDoping(refine) - 掺杂浓度自适应细化

gen()

根据目标后端生成脚本字符串。

meta()

返回区域映射的 JSON 字符串（用于调试）。

类型定义

选择器 (Selector)

掺杂和网格细化操作可通过以下方式选择区域：

• kind: "region" - 按区域名称
• kind: "material" - 按材料类型
• kind: "position" - 按坐标矩形

掺杂方式

• Constant：在指定区域/坐标内均匀掺杂
• Gaussian：沿指定方向的高斯分布掺杂
  • 支持浓度参数（conc）或剂量参数（dose）
  • 支持横向衰减（lateral）

网格细化

• Uniform：均匀细化
• Interface：界面处细化
• Doping：掺杂浓度梯度处细化

后端说明

| 后端 | 状态 | 输出格式 | | --------- | --------- | -------------------------------------- | | SILVACO | ✅ 已实现 | Victory Device / Victory Mesh 命令脚本 | | Sentaurus | 🚧 开发中 | Sentaurus 命令脚本 | | Preview | ✅ 已实现 | 可交互 HTML/SVG 页面 |

项目结构

modelforge-2d/
├── src/
│   ├── api/                    # 用户 API 接口
│   │   ├── index.ts            # Structure2D 主入口
│   │   ├── types.ts            # API 类型定义
│   │   ├── draw.ts             # 绘图模块
│   │   ├── electrode.ts        # 电极模块
│   │   ├── doping.ts           # 掺杂模块
│   │   └── mesh.ts             # 网格模块
│   ├── backend/                # 后端实现
│   │   ├── bk_1/               # SILVACO 后端
│   │   ├── bk_2/               # Sentaurus 后端
│   │   └── preview/            # SVG 预览后端
│   ├── core/                   # 核心处理逻辑
│   │   ├── context.ts          # 结构上下文与区域处理
│   │   ├── dataprovider.ts     # 数据提供者接口
│   │   └── types.ts            # 核心类型定义
│   └── utils/                  # 工具函数
│       └── isfloatequal.ts
├── package.json
└── tsconfig.json

依赖

• clipper2-ts - 多边形布尔运算与三角化

许可证

本项目采用 Apache License 2.0 开源协议。