WBG器件（SiC/GaN）仿真
理论与物理
概述
老师！今天要讲的是WBG器件（SiC/GaN）仿真对吧？具体是什么样的内容呢？
宽禁带半导体器件的电磁场-热耦合分析。高耐压、低导通电阻的材料特性优势。高频开关特性的评估。
控制方程
离散化方法
这些方程在计算机上具体是如何求解的呢？
使用有限元法（FEM）进行空间离散化。组装单元刚度矩阵，构建整体刚度方程。
矩阵求解算法
矩阵求解算法具体指的是什么呢？
通过直接法（LU分解、Cholesky分解）或迭代法（CG法、GMRES法）求解线性方程组。对于大规模问题，带预处理的迭代法非常有效。
| 求解器 | 分类 | 内存使用量 | 适用规模 |
|---|---|---|---|
| LU分解 | 直接法 | O(n²) | 小～中规模 |
| Cholesky分解 | 直接法（对称正定） | O(n²) | 小～中规模 |
| PCG法 | 迭代法 | O(n) | 大规模 |
| GMRES法 | 迭代法 | O(n·m) | 大规模·非对称 |
| AMG预处理 | 预处理 | O(n) | 超大规模 |
也就是说，如果在有限元法这部分偷工减料，后面会吃苦头对吧。我铭记在心！
商用工具中的实现
那么，进行WBG器件（SiC/GaN）仿真可以使用哪些软件呢？
| 工具名称 | 开发商/现状 | 主要文件格式 |
|---|---|---|
| Ansys Maxwell | Ansys Inc. | .aedt, .maxwell |
| Ansys HFSS | Ansys Inc. | .aedt, .hfss |
| COMSOL Multiphysics | COMSOL AB | .mph |
| CST Studio Suite | Dassault Systèmes SIMULIA | .cst |
供应商谱系与产品整合历程
各个软件的诞生过程，是不是还挺有戏剧性的？
Ansys Maxwell
请讲讲「Ansys Maxwell」！
Ansys HFSS
接下来是Ansys HFSS的内容对吧。具体是怎样的？
Ansoft Corporation开发的3D高频电磁场仿真器。2008年Ansys收购Ansoft。
当前所属: Ansys Inc.
COMSOL Multiphysics
请讲讲「COMSOL Multiphysics」！
1986年成立于瑞典。最初作为与MATLAB联动的FEMLAB开始，后更名为COMSOL。在多物理场方面有优势。
当前所属: COMSOL AB
原来如此。那么只要能做低频电磁场分析，基本上就没问题了对吧？
文件格式与互操作性
在不同求解器之间转换模型时，需要注意单元类型的对应关系、材料模型的兼容性、载荷与边界条件的表达差异。特别是高阶单元和特殊单元（如粘聚单元、用户自定义单元等），在求解器之间可能无法直接转换。
原来如此…格式看起来简单，实际上内涵很深呢。
实务注意事项
有没有那种教科书上没有的“现场智慧”呢？
网格收敛性确认、边界条件合理性验证、材料参数敏感性分析非常重要。
- 网格依赖性验证：至少用3个级别的网格密度确认收敛性
- 边界条件合理性：设置物理上有意义的约束条件
- 结果验证：与理论解、实验数据、已知基准问题进行比较
哎呀，WBG器件（SiC/GaN）仿真真是深奥啊…不过多亏了老师的讲解，我理清了很多！
嗯，状态不错！实际动手操作是最好的学习方式。有不明白的地方随时可以问我。
SiC为何是“4H”——晶体结构造就高耐压
SiC有200多种多型体，但功率器件使用的几乎只有“4H-SiC”这一种。4H是指堆垛周期为4层六方结构，只有这种多型体在电子迁移率和绝缘击穿电场两方面都表现优异。其禁带宽度为3.26 eV，约为Si的3倍——相同厚度下可承受约10倍的电压。“为何高耐压还能做得更薄”这个问题的答案，就在这种晶体结构中。仿真时设置迁移率参数，如果误将“4H”设为“6H”，计算结果会偏差2~3倍，这种让人笑不出来的情况在现场也时有耳闻。
各项的物理意义
- 电场项 $\nabla \times \mathbf{E} = -\partial \mathbf{B}/\partial t$：法拉第电磁感应定律。随时间变化的磁通密度产生感应电动势。【日常例子】自行车的摩电灯（发电机），通过旋转磁铁使附近的线圈产生电压——磁场随时间变化会感应出电场，这是该定律的直接应用。IH电磁炉也基于相同原理，高频磁场的变化在锅底感应出涡流，产生焦耳热
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