MATLAB在半导体物理与器件实践教学中的应用

2022-09-12

我们目前所处的高速信息时代的发展依赖于半导体科学与技术为基础的微电子技术及其相关产业的迅猛发展[1]。半导体科学相关知识的迅速更新以及相关产业的迅猛发展, 给高校培养电子类专业人才提出了更高的要求。

半导体物理与器件作为全国高等学校是电子科学与技术、微电子学等专业的理论基础课, 是电子类专业后续理论和实践课程坚实的理论基础。因此, 如何提高半导体物理与器件的教学质量, 这是摆在我们从事电子类专业教育和研究的高校教师面前的迫切问题[2]。

一、半导体物理与器件教学的相关问题探讨

半导体物理与器件课程主要讲解半导体的一些基本物理概念、现象、物理过程及其规律, 并在此基础上选择目前集成电路与系统的核心组成部分。如双极型晶体管 (BJT) 、金属-氧化物-半导体场效应晶体管 (MOSFET) 和结型场效应晶体管 (JFET) 等作为分析讨论的主要对象来介绍半导体器件基础, 是电子类专业学习诸如《光电子技术》、《光通讯技术》等后续专业理论和实践课程坚实的理论基础。课程的理论性很强, 其中很多的物理原理和规律都是用数学公式的形式给出, 在很多高校把它定位于纯理论课程, 在教学模式上通常以课堂讲授为主。电子类相关工科专业的学生由于缺少诸如量子力学、固体物理及统计物理等前导课程的基础知识, 对于半导体相关知识的学习和理解就有很大的难度。

从人才培养方面考虑, 对于电子类工科专业来说, 这门课的主要目的在于使学生能够掌握半导体的一些基本物理概念、现象、物理过程及其规律以及集成电路的核心器件相关特性, 以及学会科学的思维方法、具备开放的研究能力。因此, 在教学过程中, 我们需考虑把课程中复杂抽象的物理规律用简单直观的方法引出, 使学生能更加容易理解和掌握半导体物理的规律和器件的特性, 为以后从事相关行业的工作和研究打下坚实的基础。

二、MATLAB在半导体物理与器件中的应用

MATLAB有强大的数值计算、作图和数据可视化功能, 是目前科学界最具影响力亦是最有活力的软件之一。在半导体物理与器件的教学中, 引入MATLAB可以把半导体中复杂抽象的物理公式、定理定律和物理现象通过视化方式展示出来, 更加简单易懂。同时, 还可活跃课堂气氛, 有效调动学生的积极性, 培养学生的探索精神。

集成电路的二极管、三极管和场效应管等基本半导体元器件中的重要元件就是由p型半导体区和n型半导体区接触形成的pn结, 半导体器件的特性与工作过程都与此pn结有密切联系, 正因为pn结的这种特殊性质, 对于电子类工科专业的学生来说, 要理解半导体器件的原理, 并能创造性地研究、开发和制备各种半导体器件就必须要对pn结的相关特性有深刻理解和认识。在教学中, 为了使学生能更好地理解其中的含义, 我们可以把其中的物理公式、定理定律和物理现象通过视化方式展现给学生。

本文以pn结二极管电流的温度效应的仿真为例, 探索MATLAB在半导体物理与器件课程的实践教学中的应用。

具体的实施过程如下:已知理想pn结二极管的反向饱和电流密度 (单位面积的电流) JS是热平衡条件下少子浓度np0和pn0的函数:

式中Dp和Dn代表空穴和电子的扩散系数, Lp和Ln表示空穴和电子的扩散长度, 可根据以下半导体物理的基本知识:

少子浓度np0和pn0都与本征载流子浓度ni的关系

式中Na和Nd分别为p型区受主杂质浓度和n型区施主杂质浓度, 本征载流子浓度的表达:

式中Eg为半导体材料的禁带宽度, Nc和Nv分别代表导带和价带有效状态密度。

忽略扩散系数与温度的依赖关系, 由此可见反向饱和电流密度JS是温度的敏感函数:

由此可编写简单的MATLAB程序进行对一定温度范围内反向饱和电流密度的变化情况进行仿真模拟, 程序如下:

运行时分别输入表1中硅、锗和砷化镓材料的特征参数, 可得三种常见的半导体材料制成的pn结的反向饱和电流与温度的变化关系, 其结果如图1-图3所示。

由图1-图3可知, 在温度处于200-500K范围内, 随着温度的上升, 三种半导体材料形成的pn结的反向饱和电流增大得非常快。因此, 在应用pn结二极管时要注意器件的使用环境温度, 避免温度正反馈导致器件烧毁。此外, 由于每种半导体材料都有其特有的物理参量。如禁带宽度Eg, 有效状态密度Nc和Nv等。反向饱和电流密度在一定温度范围内变化的幅度有所差别, 这也体现了不同材料对温度的敏感程度不一样。因此, 对于利用pn结温度探测器件的设计选材提供了理论依据。

三、结论

本文通过MATLAB软件模拟出了一定温度范围内PN结二极管的反向饱和电流的变化情况, 此种方法简单, 舍弃了传统的繁琐的计算方法, 图解法准确、直观, 可使学生对在完成此仿真模拟过程后对物理规律有更深的印象, 并对其中涉及的相关知识点都有了更加深刻的理解和掌握。将MATLAB软件引入半导体物理与器件的实践教学中, 可极大地调动学生学习的主动性, 提高学生的实际动手能力和创新能力, 也有利于培养学生利用专业软件分析问题、解决问题的实践能力。

摘要：介绍了利用Matlab软件绘图功能对半导体物理与器件中pn结二极管电流与温度关系进行仿真模拟的过程。这种方法简单准确且易于实现, 可使学生对在完成此仿真模拟过程后对物理规律有更深的印象, 并对其中涉及的相关知识点都有了更加深刻的理解和掌握。同时, 可极大地调动学生学习的主动性, 提高学生的实际动手能力和创新能力, 也有利于培养学生利用专业软件分析问题、解决问题的实践能力。

关键词：MATLAB,半导体物理与器件,pn结二极管,电流,温度