半導(dǎo)體物理與器件的案例
半導(dǎo)體元件物理的掌握程度對IC設(shè)計有什么影響？
一般來說，模擬工程師基本上是必須掌握器件知識。
拿開關(guān)電容電路來說，要消除掉非理想的因素，達(dá)到高精度的加減法，就必須了解非理想的因素來自哪里。
比如電容，上極板和下極板就是不同，不同偏置的容值就是不同。要了解細(xì)節(jié)才能在設(shè)計中不掉坑里。才能設(shè)計得好。
而數(shù)字designer對工藝的掌握和器件基本知識要求不高，了解mos，知道大概怎么model，理解器件帶來的delay，就可以勝任大部分?jǐn)?shù)字工作了。
如果你只是停留在寫Verilog代碼，然后做綜合，僅僅將自己的職位固化在數(shù)字電路前端設(shè)計這一段，確實沒有必要了解半導(dǎo)體物理。
但是寫好的芯片在設(shè)計或者測試的時候，出現(xiàn)各種難以解釋的問題，這就需要有良好的半導(dǎo)體物理知識來輔助分析了。
半導(dǎo)體設(shè)計整個知識體系是結(jié)構(gòu)化的。我們要先學(xué)半導(dǎo)體物理，再學(xué)半導(dǎo)體器件模型，然后學(xué)電路原理，學(xué)各種電路模塊，學(xué)整個電路系統(tǒng)。
我們在做IC設(shè)計的時候，一般最多在器件模型的層面思考。
比如給我一只晶體管，我只會想它的電流電壓關(guān)系，寄生電阻電容，而不會去想它的電子空穴。
如果是系統(tǒng)設(shè)計，則更多的在電路模塊的層面思考，電路模塊的增益帶寬噪聲之類的，而不會去想晶體管的電流電壓。
注意我上面說的是一般情況。那什么時候會出現(xiàn)“不一般”情況呢？我認(rèn)為是在遇到難以解決的問題時。
我們在結(jié)構(gòu)化知識的時候會進(jìn)行假設(shè)和簡化，有些極端的情況下這些假設(shè)和簡化不再成立，會造成在這個結(jié)構(gòu)化層面沒法解決的問題。
這時候我們需要回溯到更基礎(chǔ)的層面來思考。這樣一層一層回溯下去，就需要使用到半導(dǎo)體物理的知識了。
展開 功率半導(dǎo)體器件的機遇與挑戰(zhàn)
而美國半導(dǎo)體巨頭安森美半導(dǎo)體(ON Semiconductor）也將以車載半導(dǎo)體為中心，擴充功率半導(dǎo)體產(chǎn)品。
中國的比亞迪也在日前表示，明年會將其IGBT的產(chǎn)能從現(xiàn)在的5萬片提升到十萬片左右。
順便說一下，IGBT的歷史并不是很久遠(yuǎn)。1990年左右進(jìn)入市場，最初并未成為人們的話題。登場的契機居然是因為用在了豐田的混合動力車--“PRIUS-普銳斯”上，自那以后，開始逐漸推廣用于汽車上。
SiC功率器件以電動車為中心，擴展用途
以IGBT為“主角”功率半導(dǎo)體市場很活躍，SiC功率半導(dǎo)體也相當(dāng)備受矚目。Band gap（禁帶寬度）比硅（1.12）高3.26，熱傳導(dǎo)率也比硅（1.5）高4.9。在周波特性方面也很突出，在對應(yīng)高電壓方面也實現(xiàn)了1,200V以上。可以說，對于高電壓、高電流應(yīng)用方面是最合適的功率器件。
據(jù)中村先生說，“羅姆公司在本田的Clarity（一款氫燃料電池電動車）上搭載了SiC功率器件，它是世界首次用Full SiC驅(qū)動的燃料電池車，由于具有高溫條件下動作和低損耗特點，可以縮小用于冷卻的散熱片，通過高頻切換也實現(xiàn)了電抗器的小型化。為此，擴大了內(nèi)部空間，豐田的燃料電池車MIRAI可以坐4個人，本田的Clarity實現(xiàn)了5人座”。
SiC功率器件的目標(biāo)市場是EV、混合動力車、燃料電池車等電動車。最近也開始用于功率調(diào)節(jié)器（power conditioner）、工業(yè)機器的電源等方面。成本方面相當(dāng)具有優(yōu)越性。也開始搭載在鐵道上，JR的新干線N700系列等已經(jīng)使用，但是只采用了三菱電機公司的Full SiC。富士電機、日立制作所、東芝等公司還沒有實現(xiàn)Full。
德國英飛凌同樣是SiC市場一個重磅玩家。
展開 高效能半導(dǎo)體器件進(jìn)展與展望
1 高效能半導(dǎo)體器件研究進(jìn)展
1.1寬禁帶半導(dǎo)體氮化鎵射頻器件
由于纖鋅礦結(jié)構(gòu)的GaN材料具備很強的自發(fā)極化和壓電極化效應(yīng)，使其在AlGaN/GaN界面會形成高電子遷移率的二維電子氣(
2DEG
)，2DEG導(dǎo)電能力遠(yuǎn)大于傳統(tǒng)半導(dǎo)體器件導(dǎo)電溝道，這也是GaN器件能夠?qū)崿F(xiàn)高頻高功率的原因。
目前在材料方面，國內(nèi)GaN，SiC的材料生長已實現(xiàn)國產(chǎn)化，這為我國第三代半導(dǎo)體器件的發(fā)展奠定了良好的基礎(chǔ)。在器件方面，國內(nèi)也取得了非常好的進(jìn)展，一大批高性能GaN器件從實驗室、研究所走出，開啟第三代半導(dǎo)體器件的廣泛應(yīng)用。
西安電子科技大學(xué)開展了面向5G的C波段的GaN大功率射頻器件的研究，如圖2，在頻率為5GHz，Vd為28V時進(jìn)行三次諧波調(diào)制研究，連續(xù)波工作狀態(tài)下，器件的功率附加效率到達(dá)了目前國際最高指標(biāo)85.16%，且功率密度為7.0W/mm，功率增益為14.9 dB，這也為6G通信的發(fā)展提供了強有力的支撐，為未來毫米波通信奠定了重要的基礎(chǔ)。
1.2 超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵材料與器件
寬禁帶半導(dǎo)體材料已經(jīng)能較好支撐高效能半導(dǎo)體器件的發(fā)展。近幾年來，學(xué)術(shù)界正在發(fā)展超寬禁帶半導(dǎo)體氧化鎵，Ga2O3具有4.8eV的禁帶寬度。超寬禁帶半導(dǎo)體在理論上具備更高的擊穿電壓、更大的功率密度，為高功率、高壓器件的發(fā)展提供了新的思路，讓我們對未來半導(dǎo)體器件的發(fā)展充滿期望。
展開 高效預(yù)測半導(dǎo)體器件使用壽命
電力電子元器件已經(jīng)成為現(xiàn)代電子系統(tǒng)中重要的組成部件，同時，元器件的熱性能將大大影響整體設(shè)備的可靠性。庭田科技提供的POWERTESTER測試平臺，在不破壞待測器件的前提下，僅需三步，即可高效安全的測試IGBT、硅和碳化硅MOSFET、二極管等半導(dǎo)體器件的使用壽命及熱可靠性。
第一步：將待測器件與POWERTESTER連接，輸入相關(guān)參數(shù)，校準(zhǔn)K系數(shù)（溫度敏感因子）
第二步：通過測試平臺內(nèi)置的觸摸屏電腦，設(shè)置待測器件的循環(huán)策略，啟動設(shè)備，進(jìn)行全自動熱瞬態(tài)及功率循環(huán)測試
第三步：數(shù)據(jù)分析（支持?jǐn)?shù)據(jù)導(dǎo)出，進(jìn)行結(jié)構(gòu)函數(shù)分析、生成熱模型等）
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【視頻介紹】
本視頻介紹了Simcenter POWERTESTER 1800A 12C 12V 產(chǎn)品的操作流程。產(chǎn)品用于功率半導(dǎo)體熱可靠性和壽命測試。在功率循環(huán)期間，基于熱瞬態(tài)測量的結(jié)構(gòu)函數(shù)進(jìn)行采樣，以識別封裝熱結(jié)構(gòu)的退化和故障根源。
根據(jù)客戶需求，庭田科技將提供更多型號的選擇。如需了解更多產(chǎn)品信息，請聯(lián)系我們：
全國咨詢熱線：400-633-6258.
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192頁PPT | 半導(dǎo)體器件模擬仿真 (可下載)
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關(guān)注 | SiC器件如何改變半導(dǎo)體行業(yè)的面貌
來源：Anup Bhalla
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【免責(zé)聲明】文章為作者獨立觀點，不代表半導(dǎo)體材料與工藝設(shè)備立場。如因作品內(nèi)容、版權(quán)等存在問題，請于本文刊發(fā)30日內(nèi)聯(lián)系半導(dǎo)體材料與工藝設(shè)備進(jìn)行刪除或洽談版權(quán)使用事宜。
英飛凌采訪：第三代半導(dǎo)體與硅器件將長期共存
英飛凌還宣布，將投資20多億歐元在居林建立一個廠區(qū)，主要生產(chǎn)化合物半導(dǎo)體。我們還將繼續(xù)擴大菲拉赫的產(chǎn)能。
2018年，英飛凌戰(zhàn)略性地收購了Siltectra公司的晶圓和晶錠切割技術(shù)，通過大幅減少SiC生產(chǎn)過程中的原材料損耗來提高產(chǎn)出，從而提升了我們的競爭優(yōu)勢。
07
這您認(rèn)為隨著成本的下降，未來GaN在中低功率領(lǐng)域能否完全替代二極管、IGBT、MOSFET等硅基功率器件？在功率器件的工藝上第三代半導(dǎo)體帶來了哪些改變？
至少在可見的將來，第三代半導(dǎo)體不會完全取代第一代半導(dǎo)體。因為從性價比的角度來說，在非常寬的應(yīng)用范圍中，硅基半導(dǎo)體目前依然是不二之選。第三代半導(dǎo)體目前在商業(yè)化上的瓶頸就是成本很高，雖然在迅速下降，但依然遠(yuǎn)高于硅基半導(dǎo)體。
當(dāng)然，我們可能在市面上看到一些定價接近硅基半導(dǎo)體的第三代半導(dǎo)體器件，但并不代表它的成本就接近硅基半導(dǎo)體，那是一種商業(yè)行為，就是通過低定價來催生這個市場。以目前的工藝來講，第三代半導(dǎo)體的成本還是遠(yuǎn)高于硅基半導(dǎo)體。
在可預(yù)見的將來，基本上硅基半導(dǎo)體還是會占據(jù)大部分市場。碳化硅主要用在高功率、高電壓的場景。氮化鎵則主要是用在追求超高頻率的場景，手機快充就是一個很顯著的例子。
展開 電力半導(dǎo)體元器件簡介（雙極型、單極型、混合型）
電力半導(dǎo)體元器件大多是以開關(guān)方式工作為主，對電能進(jìn)行控制和轉(zhuǎn)換的電力電子器件。如可關(guān)斷晶閘管（英文縮寫：GTO）、電力晶體管（GTR）、功率場效應(yīng)晶體管（Power Mosfet）、絕緣棚式雙極型晶體管（IGBT）、靜電感應(yīng)晶體管（SIT）、靜電感應(yīng)晶閘管（SITH）、MOS晶閘管（MCT）等。
電力半導(dǎo)體元器件可分為三類：雙極型、單極型、混合型。
雙極型器件是指器件內(nèi)部的電子和空穴兩種載流子都參與導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件。這類器件的導(dǎo)通電阻小于0.09Ω，導(dǎo)通電壓降低，阻斷電壓高，電流容量大。常見的有GTO（可關(guān)斷晶閘管）、GTR（電力晶體管）、SITH（靜電感應(yīng)晶閘管）等。GTO耐壓高（4500V）、電流大（5000A）。GTR具有控制方便、開關(guān)時間短、導(dǎo)通電壓低、高頻特性好等優(yōu)點。SITH用棚極控制開通和關(guān)斷，具有導(dǎo)通電阻小、導(dǎo)通電壓低、開關(guān)速度快、功耗小、關(guān)斷電流增益大等特點。
單極型器件是指內(nèi)部只有主要載流子參與導(dǎo)電過程的半導(dǎo)體器件。常見產(chǎn)品有Power Mosfet（場效應(yīng)晶體管）、SIT（靜電感應(yīng)晶體管）。前者為電壓控制器件，具有驅(qū)動功率小、工作速度高、無二次擊穿問題、安全工作區(qū)寬等優(yōu)點。后者是三層結(jié)構(gòu)的多數(shù)載流子器件。具有輸出功率大，失真小、輸入阻抗高、開關(guān)特性好等優(yōu)點，可工作于放大和開關(guān)兩種狀態(tài)。
混合型器件是雙極型和單極型器件集成混合而成。它們利用耐壓高、電流大、導(dǎo)通電壓低的雙極型器件（GTO、GIR等）作為輸出原件，用輸入阻抗高、相應(yīng)速度快的單極型器件（Mosfet）作為輸入級，因此具有兩者的優(yōu)點。典型產(chǎn)品有IGBT（絕緣棚式雙極型晶體管）、MCT（MOS晶閘管）等。
展開 MEMS器件多物理場耦合仿真分析
這使您能夠：
◆ 定義MEMS相關(guān)的多物理場單元
◆ 添加特定的MEMS材料屬性
◆ 應(yīng)用MEMS相應(yīng)的邊界條件
小結(jié)
在ANSYS Workbench平臺上，利用ANSYS Mechanical 、和ANSYS ACT可用于解決與MEMS器件（包括微鏡）相關(guān)的非常困難的非線性問題。
*本文版權(quán)歸上海安世亞太所有，如需轉(zhuǎn)載，請與我們聯(lián)系。
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2026深圳國際半導(dǎo)體及電子元器件展覽會
展示范圍：
主動元器件：MCU、模擬/數(shù)字IC、電源IC、存儲器、FPGA、嵌入式系統(tǒng)等
被動元器件：電容、電阻、電感、繼電器、開關(guān)/連接器、線束等
車規(guī)元器件：計算控制芯片、功率半導(dǎo)體、傳感器、通信芯片等
感謝您對本屆展會的參會和支持，謹(jǐn)祝參展成功！
MEMS器件多物理場耦合仿真分析
這使您能夠：
◆ 定義MEMS相關(guān)的多物理場單元
◆ 添加特定的MEMS材料屬性
◆ 應(yīng)用MEMS相應(yīng)的邊界條件
小結(jié)
在ANSYS Workbench平臺上，利用ANSYS Mechanical 、和ANSYS ACT可用于解決與MEMS器件（包括微鏡）相關(guān)的非常困難的非線性問題。
想問一下關(guān)于半導(dǎo)體器件仿真的問題
我想仿真一個垂直溝道的三極管可以用什么軟件啊，ansys可以嘛
探索熱阻測試儀在半導(dǎo)體器件熱管理中的應(yīng)用與前景
探索熱阻測試儀在半導(dǎo)體器件熱管理中的應(yīng)用與前景
隨著半導(dǎo)體器件不斷向高頻、高功率、高集成度方向發(fā)展，器件的有源區(qū)工作溫升也隨之升高，導(dǎo)致性能及長期可靠性降低。為了有效進(jìn)行散熱設(shè)計和性能檢測，必須精確測量器件有源區(qū)溫度變化并分析熱阻構(gòu)成分布，這對半導(dǎo)體器件生產(chǎn)行業(yè)及使用單位至關(guān)重要。
自1947年第一支雙極性晶體管誕生以來，半導(dǎo)體行業(yè)的迅速發(fā)展改變了社會面貌并影響著人們的生活。從1965年摩爾定律的提出開始，半導(dǎo)體技術(shù)按摩爾定律不斷發(fā)展，集成電路密度增加、尺寸縮小，導(dǎo)致工作過程中散熱能力下降。熱量積累導(dǎo)致器件結(jié)點溫度升高，進(jìn)而性能下降。因此，熱阻測試、功率測試在半導(dǎo)體研發(fā)中至關(guān)重要。
第一支雙極性晶體管
熱阻是指熱量在熱流路徑上的阻力，是表征介質(zhì)或介質(zhì)間熱傳導(dǎo)能力的重要參數(shù)，其物理意義是單位熱量引起的溫升，單位是℃/W。把溫差看作電壓，把熱流看作電流，那么熱阻就可以看作是電阻。
半導(dǎo)體器件特征尺寸持續(xù)縮小、功率密度增加，導(dǎo)致器件結(jié)溫升高，這直接影響器件性能和壽命。70%的電子器件損壞與高熱環(huán)境應(yīng)力密切相關(guān)。器件的瞬態(tài)溫升與熱阻密切相關(guān)，熱阻由芯片層、焊料層、管殼等組成。利用瞬態(tài)溫升技術(shù)，可測得器件穩(wěn)態(tài)熱阻和溫升，不但可以測得半導(dǎo)體器件穩(wěn)態(tài)熱阻和溫升，而且可以直接測量各部分對于溫升的貢獻(xiàn)，計算芯片熱流路徑上的縱向熱阻構(gòu)成，對器件熱可靠性設(shè)計、散熱問題解決、產(chǎn)品性能提升和長期可靠性至關(guān)重要。
半導(dǎo)體器件內(nèi)部熱阻構(gòu)成示意圖
目前，國內(nèi)外對單芯片內(nèi)部熱阻組成和結(jié)殼熱阻進(jìn)行了廣泛研究，并有一些科研院所和企業(yè)研制出了熱阻測試儀。美國AnalysisTec公司的Phase11熱阻測試儀和MicRed公司的T3Ster熱阻測試儀是兩款比較有影響力的商業(yè)化熱阻測試儀。
展開 學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理需要哪些基礎(chǔ)知識？
半導(dǎo)體物理考研復(fù)習(xí)時，許多同學(xué)可能剛開始就會遇到困難。
最近在知乎上，也有好幾位讀者和我交流，想知道半導(dǎo)體物理開頭的部分要怎么學(xué)。
本來這篇想等慢慢理清楚再寫，又怕一等就遙遙無期，無論寫得怎樣，先寫出來。
如有錯誤，懇請指出！可以在知乎評論區(qū)討論。
【圖1. 尋找方向】
學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理，需要一些其他科目的基礎(chǔ)，劉恩科老師的《半導(dǎo)體物理學(xué)》前兩章就是在介紹這些基礎(chǔ)知識。
但沒有系統(tǒng)學(xué)過相關(guān)課程的同學(xué)，可能會覺得眼花繚亂：
一會晶格，一會能帶，突然去解薛定諤方程，講到雜質(zhì)又跳回了晶格。
接下來我?guī)Т蠹沂崂硪幌拢譃橐韵虏糠郑?一、整體介紹
二、晶體學(xué)知識
三、量子力學(xué)知識
四、其他固體物理知識
五、固體物理資料分享
一、整體介紹
一般來說（先不考慮準(zhǔn)晶、非晶態(tài)半導(dǎo)體等特例），固體可以分為晶體和非晶，晶體又可以分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體。
【圖2. 從固體到半導(dǎo)體】
劉恩科老師的《半導(dǎo)體物理學(xué)》這本書，主要是在講晶體中的半導(dǎo)體，可以看到，研究的是一個比較細(xì)分的領(lǐng)域。
有一門專門研究固體的課程叫固體物理，半導(dǎo)體物理是對固體物理細(xì)分方向的進(jìn)一步闡述。
所以，學(xué)習(xí)半導(dǎo)體物理，必然涉及到固體物理的知識。
【圖3. 從固體物理到半導(dǎo)體物理】
固體是依據(jù)什么劃分為晶體和非晶的呢？這個需要晶體學(xué)的知識。
晶體又是依據(jù)什么劃分為導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣體的呢？這需要能帶理論，而能帶理論是由量子力學(xué)得出的。
所以學(xué)習(xí)固體物理時，又涉及到晶體學(xué)和和量子力學(xué)相關(guān)的知識。
展開 半導(dǎo)體物理考研，公式怎么記？
微電子考研科目中，半導(dǎo)體物理計算量相對小，但公式可不少。
這篇文章就講講我考研時記半導(dǎo)體物理公式的方法。
同時有償分享公式默寫表格。 [獲取方式見文末]
為什么記公式
首先，半導(dǎo)體物理基本必考計算題，分值動輒十分二十分，絕對是重中之重。
此外，很多簡答題會直接或間接用到公式，很多題結(jié)合公式回答，會更簡潔更準(zhǔn)確。
怎么記公式
我考研時記半導(dǎo)體物理公式的方法，主要有三個方面：
一，做題，找公式。
二，看書，理解公式。
三，默寫，牢記公式。
一，做題，找公式。
公式那么多，哪些是要記的呢？
最簡單的方法就是去做題，做課后題，做歷年真題。
做題時經(jīng)常用到的，就是要記的公式。歷年真題用到的公式都要牢記。
我做題時，有時要翻課本找公式，有時要看答案，之后會記下用到的公式。
二，看書，理解公式。
記下公式后，還需要仔細(xì)讀課本，理解每項代表什么、公式怎么使用。
理解公式的意義，能幫我們理清各部分之間的邏輯，做到融會貫通。
絕大部分公式只要做到記住公式、理解意義、會用公式即可。
但極偶爾的情況下，會考公式的推導(dǎo)，請根據(jù)報考院校歷年真題判斷。
三，默寫，牢記公式。
這個方法對我記住公式的幫助非常大。
半導(dǎo)體物理公式多，形式又復(fù)雜，很容易記錯。
我的解決方法是：動手，動手，動手。重復(fù)，重復(fù)，重復(fù)。
很多時候，覺得記住了，不代表真的記住了。
看到公式時，大腦：我會了。
做題要用時，手：這里是加號還是減號來著？
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