近几十年来，人们对用于功率和射频 (RF) 电子器件的 GaN 器件越来越感兴趣。数值模拟是设计和分析这些设备的必要步骤。强大的仿真模型依赖于产生预测结果。这些设备的准确模拟必须捕获所涉及的重要物理过程和载体传输机制。尽管物理建模不正确，但使用临时解决方案可以获得合理的结果，但这些结果不是预测性的，也无助于设备设计。此外，这些数值方法对于大信号瞬态仿真可能存在问题，而大信号瞬态仿真对于射频功率应用尤为重要。研究表明，费米动力学传输程序可以更好地模拟高速半导体器件……
由半导体氮化镓制成的电子设备将彻底改变无线通信。它们可以在比硅制成的设备更高的速度和温度下运行，因此它们可用于控制更快和更高带宽的数据传输所需的更高频率的无线电波。此外，它们承受低得多的温度的能力使它们有望用于量子计算。然而，为了充分发挥材料的潜力，需要准确的建模和仿真工具来指导科学家和工程师设计新设备。伊利诺伊大学香槟分校电气与计算机工程教授 Shaloo Rakheja 的研究小组与空军研究实验室工程师 Nicholas Miller 和 Matt Grupen 合作研究了两种半导体仿真工具：商用流体动力学软件包，以及Grupen 开发的费米动力学输运求解器。他们的文章被Journal of Applied Physics编辑精选，报告称费米动力学求解器具有数学特性，使其能够更好地处理氮化镓器件运行的极端条件。
“这是第一次对最先进的商业程序和定制开发的研究代码进行直接比较，”Rakheja 说。“对于半导体界来说，了解各自的优势和局限性很重要。”根据 Rakheja 和 Miller 的说法，这两个程序之间最重要的区别在于它们如何模拟电子热流。商业包使用傅里叶定律，这是一种不一定适用于半导体的经验模型，而费米动力学输运求解器为此使用了更基本的热力学原理。研究人员认为，这可以解释每个程序做出的不同预测。“基础物理学与每个程序的行为之间存在着密切的联系，”Rakheja 说，“我们希望在当今高度相关的设备技术背景下探索这一点：氮化镓。”
商业流体力学包（左）预测电子温度可以降至环境温度以下（300 开尔文，或本模拟中的 80 华氏度），而费米动力学求解器（右）给出了更合理的温度预测。图片来源：伊利诺伊大学香槟分校格兰杰工程学院
为了比较这两个代码，研究人员分别模拟了一个基本的氮化镓晶体管。他们发现这两个程序在适度的操作条件下给出了相似的结果。然而，当他们引入高速应用中预期的那种大的瞬态信号时，他们从商业封装中获得了意想不到的电子温度结果。它预测，在短时间尺度内，电子温度将降至环境温度以下，而费米动力学求解器给出了更一致的温度分布。此外，当他们检查收敛速度时，费米动力学求解器收敛得更快，收敛速度是模拟自洽性的数学指标。研究人员由此得出结论，费米动力学求解器在计算上更加稳健。Rakheja 的团队现在正在使用求解器的稳健性来模拟更多的氮化镓器件。他们的目标是了解材料在高速运行时如何升温，并利用这些信息来设计充分利用材料特性的设备。“氮化镓确实改变了游戏规则，”米勒说。“随着技术不断演变成更复杂的形式，开发周期的一个关键组成部分是晶体管的建模和仿真。”参考链接：A comparison of a commercial hydrodynamics TCAD solver and Fermi kinetics transport convergence for GaN HEMTs
