二类超晶格（T2SL）相对于其它制冷型红外探测器材料体系,具有成本低、均匀性高、工艺兼容性好等特点,且波长灵活可调、俄歇复合速率低。k·p方法作为一种常用且相对成熟的能带结构仿真技术,具有计算精度高、节省计算资源等特点,在T2SL的仿真中受到了广泛的关注。梳理了中波、长波、甚长波T2SL红外探测器的仿真进展,归纳了k·p方法的发展过程,以及该方法在T2SL红外探测器仿真中的进展和作用,直观展示k·p方法在超晶格仿真工作中的准确性与便利性; 重点讨论了T2SL探测器的暗电流机制、量子效率和吸收光谱等性质,对T2SL红外探测器的研究和应用前景进行展望。采用包络函数近似下的k·p方法可以对超晶格材料的能带结构和电子性质进行较为准确的理论分析和仿真计算。

基于物理模型法研究PIN限幅器二极管的微波脉冲热效应, 研究了间隔1~20 ns的两个微波脉冲构成的组合脉冲与单个长脉冲对于器件峰值温度的影响。仿真结果表明: 带有间隔的组合脉冲相对于长脉冲温升更明显, 不同型号二极管的最佳时间间隔不同, 与I层厚度成正相关的作用。分析了脉冲间隔的热效应机理, 是载流子恢复引起下一个脉冲的尖峰泄漏加速升温, 以及P区温度升高使得本征载流子浓度增加引起电热正反馈共同作用的结果。

基于器件物理模拟分析法研究PIN限幅器二极管的微波脉冲热效应, 利用Sentaurus-TCAD仿真器建立了PIN二极管二维多物理场仿真模型, 研究了在5.3, 7.5, 9.4 GHz的微波脉冲作用下, 不同Ⅰ层厚度的二极管模型的峰值温度变化。仿真结果表明: Ⅰ层厚度对PIN二极管微波脉冲热效应的影响分两个阶段, 拐点前厚度增加, 峰值温度提高, 拐点后厚度增加峰值温度降低; 一定范围内微波脉冲频率的变化对“拐点”影响不明显。

基于半导体仿真软件Silvaco TCAD对薄膜晶体管(TFT)进行器件仿真, 并结合实验验证, 重点分析不同绝缘层材料及结构对TFT器件性能的影响。仿真及实验所用薄膜晶体管为底栅电极结构, 沟道层采用非晶IGZO材料, 绝缘层采用SiNx和HfO2多种不同组合的叠层结构。仿真及实验结果表明: 含有高k材料的栅绝缘层叠层结构较单一SiNx绝缘层结构的TFT性能更优; 对SiNx/HfO2/SiNx栅绝缘层叠层结构TFT, HfO2取40 nm较为合适; 对含有高k材料的3层和5层绝缘层叠层结构TFT, 各叠层厚度相同的对称结构TFT性能最优。本文通过仿真获得了TFT性能较优的器件结构参数, 对实际制备TFT器件具有指导作用。

提出了一种改进的集成雪崩光电二极管器件结构, 由硅和锗材料的雪崩光电二极管结构集成, 分别包含吸收区、电荷区和倍增区结构。该改进雪崩光电二极管对光线波长的探测范围扩展到200~1 400 nm。对雪崩光电二极管的关键参数, 如器件内电场分布、暗电流、光电流、增益和光响应等进行了分析。仿真结果表明改进雪崩光电二极管的击穿电压为145 V。当阴极偏置电压为140 V时, 该器件对900 nm波长光线的峰值响应可以达到22 A/W。在器件击穿之前, 400 nm波长光线的电流增益可以对达到50。对改进雪崩光电二极管器件的工艺流程也进行了讨论。

设计了一种Ge/Si波导集成型雪崩光电二极管(APD)。器件采用将Si波导层置于Ge吸收层之下的结构, 光经波导层进入吸收层只需一次耦合, 降低了光的损耗, 提高了光的吸收率和光电流。采用silvaco软件对器件的结构和性能进行仿真, 结果表明: 器件的雪崩击穿电压为-28V, 最大内量子效率达到89%, 在1.15~1.60μm范围内具有较高响应度, 峰值波长位于1.31μm, 单位响应度最高达0.74A/W, 3dB带宽为10GHz。

Ge/Si吸收区-电荷区-倍增区分离(SACM)结构的APD作为一种新型光电探测器已成为硅基APD器件研究的重点。对SACM Ge/Si型APD器件的基本结构及其主要特性参数，包括量子效率、响应度、暗电流等进行了理论分析及仿真验证。实验结果表明：在给定的器件参数条件下，所设计的APD器件的雪崩击穿电压为25.7 V，最大内部量子效率为91%，单位增益下响应度峰值为0.55 A/W，在750~1 500 nm范围内具有较高响应度，其峰值波长为1 050 nm；在高偏压以及高光照强度情况下，倍增区发生空间电荷效应从而导致增益降低。

提出了一种基于0.35μm CMOS工艺的、具有p+/n阱二极管结构的雪崩光电二极管（APD），器件引入了p阱保护环结构。采用silvaco软件对CMOS-APD器件的关键性能指标进行了仿真分析。仿真结果表明：p阱保护环的应用，明显降低了击穿电压下pn结边缘电场强度，避免了器件的提前击穿。CMOS APD器件的击穿电压为9.2V，工作电压下响应率为0.65A/W，最大内部量子效率达到90%以上，响应速度能够达到6.3GHz，在400~900nm波长范围内，能够得到很大的响应度。

基于电磁脉冲对半导体器件效应的电-热多物理场模型，利用Sentaurus-TCAD仿真器建立了PIN限幅器电磁脉冲效应数值模型，研究了不同峰值功率的电磁脉冲作用下限幅器的输入/输出特性,以及大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系。模拟与实验结果表明：基于器件热效应影响载流子输运过程的电-热多物理模场型，模拟限幅器在大功率电磁脉冲注入下输入/输出功率的结果与实验结果吻合较好；模拟大功率电磁脉冲注入PIN器件热损伤阈值与脉冲宽度的关系式，与Wunsch-Bell半经验关系式符合较好。

二维器件仿真是揭示半导体器件物理机理的有效途径。首先利用二维器件仿真工具构建单栅和双栅多晶硅薄膜晶体管(TFT),并完整地考虑晶界陷阱态的分布规律,即指数分布的带尾态和禁带中央高斯分布的深能态。同时,改变晶界陷阱密度、多晶硅薄膜厚度、温度等条件,以及考虑翘曲(kink)效应,仿真单栅和双栅器件的电流-电压(I-V)特性,分析物理规律,建立对多晶硅TFT器件物理特性的进一步理解。