寬帶隙半導(dǎo)體

室溫下，Si的帶隙為1.1eV，GaAs的帶隙為1.43eV，一般把室溫下帶隙大于2.0eV的半導(dǎo)體材料歸類于寬帶隙半導(dǎo)體，寬帶隙半導(dǎo)體在藍(lán)、紫光和紫外光電子器件，高頻、高溫、高功率電子器件及場發(fā)射器件方面應(yīng)用廣泛。

針對寬帶隙半導(dǎo)體器件仿真中常見的不收斂性問題，通過分析數(shù)值求解算法與寬帶隙半導(dǎo)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(jié)果表明，采用提出的方案在解決收斂性同時能保證求解結(jié)果正確性，并且對剛開始進(jìn)行寬帶隙半導(dǎo)體器件仿真設(shè)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(diào)整少子濃度。仿真中采用調(diào)整光照強度與半導(dǎo)體光吸收系數(shù)控制少子濃度。由于引入的少子濃度遠(yuǎn)小于器件多子濃度，因此不會影響器件的靜態(tài)特性。由于需要在仿真過程中始終保持光照，不利于瞬態(tài)特性分析。方案 2、調(diào)整禁帶寬度值：器件仿真軟件對雪崩碰撞離化系數(shù)與本征載流子濃度取值分別建立獨立的模型表征，因此改變禁帶寬度值并不會影響器件擊穿特性，僅需將寬帶隙半導(dǎo)體的禁帶寬度值修正為Si材料的取值。這一方案易操作，但在器件中存在PN結(jié)時，會影響結(jié)的內(nèi)建勢壘高度，從而影響耗盡層形狀，造成求解結(jié)果偏差。方案 3、調(diào)整少子有效狀態(tài)密度值：對于多數(shù)載流子器件，通過改變Nc或Nv，將少子濃度值調(diào)整到Si材料對應(yīng)量級。由于僅對少子有效狀態(tài)密度調(diào)整，不會改變費米能級在禁帶中的位置，同時不需修正禁帶寬度，因而不會對 PN結(jié)內(nèi)建勢壘高度產(chǎn)生影響。

ISE仿真實驗針對上節(jié)提出的3種解決方案，采用 ISE器件仿真器對Si與4H-SiC肖特基二極 管進(jìn)行驗證。不采取任何提高少子濃度措施下的4H-SiC肖特基二極管反向 I-V特性。可見，在陰極偏壓近400V時電流為負(fù)值，而在520V左右程序不收斂，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。由于提高了少子濃度，3種方案均收斂。方案2與方案3分別通過將禁帶寬度Eg調(diào)整為Si材料取值 (1.12eV)，NV調(diào)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，相對于方案1的偏差為3.8%。

美國、日本和歐盟等國在SiC、GaN和金剛石等寬帶隙半導(dǎo)體器件與電路研究中已取得多項里程碑性的進(jìn)展，這些飛速發(fā)展已經(jīng)證實寬帶隙半導(dǎo)體是當(dāng)之無愧的新一代半導(dǎo)體材料，并將替代Si和GaAs應(yīng)用于相控陣?yán)走_(dá)、高保密通信及其他重要設(shè)施等諸多國防和航空領(lǐng)域。

發(fā)展寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)上的重大舉措20世紀(jì)80年代之后，隨著寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)研究的不斷深入，這項技術(shù)的軍事及其他應(yīng)用優(yōu)勢逐步顯現(xiàn)，以美國、日本和歐盟為代表的電子技術(shù)強國紛紛對寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)展開系統(tǒng)研究，并制訂了多項以提高本國軍事、宇航及其他重要系統(tǒng)可靠性為目的的寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)開發(fā)計劃?；趯拵栋雽?dǎo)體材料特有的技術(shù)優(yōu)勢，世界各國對這種新型半導(dǎo)體技術(shù)給予了令人驚異的關(guān)注。當(dāng)然，各個國家出于不同應(yīng)用目的的考慮，預(yù)期目標(biāo)也略有不同，例如，美國和歐盟制訂的寬帶半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展計劃大多以軍事和宇航為應(yīng)用目標(biāo)，而日本的重點則放在開發(fā)可大批量應(yīng)用的照明與顯示領(lǐng)域。

發(fā)展?fàn)顩r作為新一代武器裝備電子化、智能化、集成化和微型化的核心技術(shù)，第三代半導(dǎo)體即寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)已 經(jīng)以其集器件 體積小、重量 輕、穩(wěn)定性好、可靠性高、功耗低等特點于一身的優(yōu)勢得到美國、日本和歐盟等許多發(fā)達(dá)國家的特別關(guān)注。 這些國家實施的多項寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展計劃必將使寬帶隙半導(dǎo)體技術(shù)研究不斷躍上新的臺階，使各種寬帶隙半導(dǎo)體器件成為衛(wèi)星通信、高速計算機、精確制導(dǎo)、預(yù)警探測、情報偵察、電子對抗、智能火控等軍事系統(tǒng)裝備必不可少的重要元器件。