宽带隙半导体

室温下，Si的带隙为1.1eV，GaAs的带隙为1.43eV，一般把室温下带隙大于2.0eV的半导体材料归类于宽带隙半导体，宽带隙半导体在蓝、紫光和紫外光电子器件，高频、高温、高功率电子器件及场发射器件方面应用广泛。

美、日、欧宽带隙半导体技术发展美国、日本和欧盟等国在SiC、GaN和金刚石等宽带隙半导体器件与电路研究中已取得多项里程碑性的进展，这些飞速发展已经证实宽带隙半导体是当之无愧的新一代半导体材料，并将替代Si和GaAs应用于相控阵雷达、高保密通信及其他重要设施等诸多国防和航空领域。1

发展宽带隙半导体技术上的重大举措20世纪80年代之后，随着宽带隙半导体技术研究的不断深入，这项技术的军事及其他应用优势逐步显现，以美国、日本和欧盟为代表的电子技术强国纷纷对宽带隙半导体技术展开系统研究，并制订了多项以提高本国军事、宇航及其他重要系统可靠性为目的的宽带隙半导体技术开发计划。

基于宽带隙半导体材料特有的技术优势，世界各国对这种新型半导体技术给予了令人惊异的关注。当然，各个国家出于不同应用目的的考虑，预期目标也略有不同，例如，美国和欧盟制订的宽带半导体技术发展计划大多以军事和宇航为应用目标，而日本的重点则放在开发可大批量应用的照明与显示领域。1

发展状况作为新一代武器装备电子化、智能化、集成化和微型化的核心技术，第三代半导体即宽带隙半导体技术已 经以其集器件 体积小、重量 轻、稳定性好、可靠性高、功耗低等特点于一身的优势得到美国、日本和欧盟等许多发达国家的特别关注。 这些国家实施的多项宽带隙半导体技术发展计划必将使宽带隙半导体技术研究不断跃上新的台阶，使各种宽带隙半导体器件成为卫星通信、高速计算机、精确制导、预警探测、情报侦察、电子对抗、智能火控等军事系统装备必不可少的重要元器件。1

宽带隙半导体器件仿真中收敛性问题的分析针对宽带隙半导体器件仿真中常见的不收敛性问题，通过分析数值求解算法与宽带隙半导体材料的固有特性知道，其原因是少子浓度过低，从而提出3种引入平衡或非平衡少子的解决方案。ISE仿真结果表明，采用提出的方案在解决收敛性同时能保证求解结果正确性，并且对刚开始进行宽带隙半导体器件仿真设计的本科生有很大帮助。2

收敛性问题及其解决方案方案 1、引入光生载流子：通过光照引入非平衡载流子以调整少子浓度。仿真中采用调整光照强度与半导体光吸收系数控制少子浓度。由于引入的少子浓度远小于器件多子浓度，因此不会影响器件的静态特性。由于需要在仿真过程中始终保持光照，不利于瞬态特性分析。

方案 2、调整禁带宽度值：器件仿真软件对雪崩碰撞离化系数与本征载流子浓度取值分别建立独立的模型表征，因此改变禁带宽度值并不会影响器件击穿特性，仅需将宽带隙半导体的禁带宽度值修正为Si材料的取值。这一方案易操作，但在器件中存在PN结时，会影响结的内建势垒高度，从而影响耗尽层形状，造成求解结果偏差。

方案 3、调整少子有效状态密度值：对于多数载流子器件，通过改变Nc或Nv，将少子浓度值调整到Si材料对应量级。由于仅对少子有效状态密度调整，不会改变费米能级在禁带中的位置，同时不需修正禁带宽度，因而不会对 PN结内建势垒高度产生影响。2

ISE仿真实验针对上节提出的3种解决方案，采用 ISE器件仿真器对Si与4H-SiC肖特基二极 管进行验证。不采取任何提高少子浓度措施下的4H-SiC肖特基二极管反向 I-V特性。可见，在阴极偏压近400V时电流为负值，而在520V左右程序不收敛，仿真器中止求解。

对3种收敛性问题解决方案下反向I-V特性对比。由于提高了少子浓度，3种方案均收敛。方案2与方案3分别通过将禁带宽度Eg调整为Si材料取值 (1.12eV)，NV调整为1.58×55cm-3，得出的击穿电压为525V，方案1为506V。方案2、3将ni相同，因此具有相同的击穿电压，相对于方案1的偏差为3.8%。2

本词条内容贡献者为:

胡启洲 - 副教授 - 南京理工大学