基本介紹
- 中文名：寬頻隙半導體
- 外文名：WBGS
- 分類：物理學
美、日、歐寬頻隙半導體技術發展,發展寬頻隙半導體技術上的重大舉措,發展狀況,寬頻隙半導體器件仿真中收斂性問題的分析,收斂性問題及其解決方案,ISE仿真實驗,
美、日、歐寬頻隙半導體技術發展
美國、日本和歐盟等國在SiC、GaN和金剛石等寬頻隙半導體器件與電路研究中已取得多項里程碑性的進展，這些飛速發展已經證實寬頻隙半導體是當之無愧的新一代半導體材料，並將替代Si和GaAs套用於相控陣雷達、高保密通信及其他重要設施等諸多國防和航空領域。
發展寬頻隙半導體技術上的重大舉措
20世紀80年代之後，隨著寬頻隙半導體技術研究的不斷深入，這項技術的軍事及其他套用優勢逐步顯現，以美國、日本和歐盟為代表的電子技術強國紛紛對寬頻隙半導體技術展開系統研究，並制訂了多項以提高本國軍事、宇航及其他重要系統可靠性為目的的寬頻隙半導體技術開發計畫。
基於寬頻隙半導體材料特有的技術優勢，世界各國對這種新型半導體技術給予了令人驚異的關注。當然，各個國家出於不同套用目的的考慮，預期目標也略有不同，例如，美國和歐盟制訂的寬頻半導體技術發展計畫大多以軍事和宇航為套用目標，而日本的重點則放在開發可大批量套用的照明與顯示領域。
發展狀況
作為新一代武器裝備電子化、智慧型化、集成化和微型化的核心技術，第三代半導體即寬頻隙半導體技術已 經以其集器件 體積小、重量 輕、穩定性好、可靠性高、功耗低等特點於一身的優勢得到美國、日本和歐盟等許多已開發國家的特別關注。 這些國家實施的多項寬頻隙半導體技術發展計畫必將使寬頻隙半導體技術研究不斷躍上新的台階，使各種寬頻隙半導體器件成為衛星通信、高速計算機、精確制導、預警探測、情報偵察、電子對抗、智慧型火控等軍事系統裝備必不可少的重要元器件。
寬頻隙半導體器件仿真中收斂性問題的分析
針對寬頻隙半導體器件仿真中常見的不收斂性問題，通過分析數值求解算法與寬頻隙半導體材料的固有特性知道，其原因是少子濃度過低，從而提出3種引入平衡或非平衡少子的解決方案。ISE仿真結果表明，採用提出的方案在解決收斂性同時能保證求解結果正確性，並且對剛開始進行寬頻隙半導體器件仿真設計的本科生有很大幫助。
收斂性問題及其解決方案
方案 1、引入光生載流子：通過光照引入非平衡載流子以調整少子濃度。仿真中採用調整光照強度與半導體光吸收係數控制少子濃度。由於引入的少子濃度遠小於器件多子濃度，因此不會影響器件的靜態特性。由於需要在仿真過程中始終保持光照，不利於瞬態特性分析。
方案 2、調整禁頻寬度值：器件仿真軟體對雪崩碰撞離化係數與本徵載流子濃度取值分別建立獨立的模型表征，因此改變禁頻寬度值並不會影響器件擊穿特性，僅需將寬頻隙半導體的禁頻寬度值修正為Si材料的取值。這一方案易操作，但在器件中存在PN結時，會影響結的內建勢壘高度，從而影響耗盡層形狀，造成求解結果偏差。
方案 3、調整少子有效狀態密度值：對於多數載流子器件，通過改變Nc或Nv，將少子濃度值調整到Si材料對應量級。由於僅對少子有效狀態密度調整，不會改變費米能級在禁帶中的位置，同時不需修正禁頻寬度，因而不會對 PN結內建勢壘高度產生影響。
ISE仿真實驗
針對上節提出的3種解決方案，採用 ISE器件仿真器對Si與4H-SiC肖特基二極 管進行驗證。不採取任何提高少子濃度措施下的4H-SiC肖特基二極體反向 I-V特性。可見，在陰極偏壓近400V時電流為負值，而在520V左右程式不收斂，仿真器中止求解。
對3種收斂性問題解決方案下反向I-V特性對比。由於提高了少子濃度，3種方案均收斂。方案2與方案3分別通過將禁頻寬度Eg調整為Si材料取值 (1.12eV)，NV調整為1.58×55cm-3，得出的擊穿電壓為525V，方案1為506V。方案2、3將ni相同，因此具有相同的擊穿電壓，相對於方案1的偏差為3.8%。
