Comment calculer la discrétisation de Scharfetter-Gummel pour semi-conducteurs
Calculatrice de la discretisation Scharfetter-Gummel (1969) pour le modele derive-diffusion des semiconducteurs : densite de courant via la fonction de Bernoulli B(x)=x/(e^x-1), tension thermique, coefficient de diffusion, champ electrique et longueur de Debye. Presets Si, GaAs, GaN, SiC, Ge.
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Avertissement : ce calcul est purement indicatif. Pour les décisions importantes, consultez un professionnel.
La calculatrice de discrétisation de Scharfetter-Gummel détermine la densité de courant J dans les dispositifs semi-conducteurs en utilisant le schéma numérique standard pour les équations drift-diffusion, développé par Donald Scharfetter et Hermann Gummel (Bell Labs, 1969) dans "Large-signal analysis of a silicon Read diode oscillator" IEEE TED 16(1):64-77. Fournit une interpolation exponentielle stable de J = q μ n E - q D ∇n à travers une maille discrète. Formule clé : J_{i+1/2} = (q μ V_T / Δx) [n_{i+1} · B(-ΔV/V_T) - n_i · B(+ΔV/V_T)], où B(x) = x/(e^x - 1) est la fonction de Bernoulli. Workhorse de tous les simulateurs TCAD commerciaux.
1. Formule de Scharfetter-Gummel 1969
Équation drift-diffusion pour électrons : J_n = q μ_n n E + q D_n ∇n, avec μ_n mobilité, D_n = μ_n V_T (Einstein-Smoluchowski), V_T = k_B T/q ≈ 25,85 mV à 300 K. Discrétisée sur maille : J_{i+1/2} = (q μ V_T / Δx) · [n_{i+1} B(-ΔV/V_T) - n_i B(+ΔV/V_T)]. La fonction de Bernoulli B(x) = x/(e^x - 1). Garantit conservation du courant et monotonie.
2. Matériaux semi-conducteurs et paramètres
- Silicium Si : μ_n = 1450 cm²/V·s, ε_r = 11,7, E_g = 1,12 eV.
- Arséniure de gallium GaAs : μ_n = 8500, E_g = 1,42 eV (HEMT, RF).
- Nitrure de gallium GaN : μ_n = 1000, E_g = 3,4 eV (LED, power).
- Carbure de silicium 4H-SiC : μ_n = 900, E_g = 3,26 eV (power).
- Germanium Ge : μ_n = 3900, E_g = 0,66 eV.
- Phosphure d'indium InP : μ_n = 5400, E_g = 1,35 eV (laser).
- Arséniure d'indium InAs : μ_n = 33000 (HEMT haute vitesse).
- Diamant C : μ_n = 4500, E_g = 5,5 eV (UV detector, power).
3. Domaine de validité du schéma
Scharfetter-Gummel est un schéma box-method finite-volume. Limites : (a) Velocity saturation à champs élevés E > 10⁵ V/cm en Si. (b) Hot carriers non-équilibre (Selberherr-Stratton). (c) Quantum confinement sub-10nm requiert Schrödinger-Poisson ou NEGF. (d) Recombination/generation. (e) Hétérointerfaces thermionic emission. (f) Tunneling WKB. (g) Hall. (h) RF > 1 THz hydrodynamique.
4. Exemples numériques résolus
Exemple 1 — Diode Si pn à 0,5V forward. µ_n=1450, T=300 K, V_T=25,85 mV. ΔV/V_T = 19,3. J_SG = 1,87 × 10⁵ A/cm².
Exemple 2 — MOSFET 22nm strong inversion. ΔV_DS=1V over 22nm. J_drain ≈ 10⁵ A/cm². STMicroelectronics 22FDX FD-SOI + Crolles France.
Exemple 3 — GaN HEMT 600V power. ΔV=600V sur 5μm. ΔV/V_T=2,3e4. SG avec velocity saturation. Sentaurus device GaN.
5. Applications pratiques
- STMicroelectronics Catania-Agrate + Crolles France : Sentaurus TCAD pour BCD8s + 22FDX FD-SOI + SiPM detectors.
- IMM-CNR Catania : SiC power devices + GaN HEMT.
- Politecnico Milano DEIB : Marco Sampietro group quantum-corrected nano MOSFET.
- Politecnico Torino DET : Andrea Lacaita SPAD/SiPM.
- INFN-Padoue : ATLAS strip detector LHC + ALICE + STAR.
- SISSA Trieste 1978 + ICTP Trieste 1964 : Stefano Baroni Quantum ESPRESSO + DFT.
- ISMN-CNR Bologne : organic OLED/OFET/OPV avec SG modifié.
- Cineca Bologne 1969 Marconi100 + Leonardo HPC 250 PFlops + INFN-CNAF + GENCI France + IDRIS Jean Zay : TCAD HPC.
6. Comparaison avec d'autres schémas numériques
Scharfetter-Gummel 1969 : Box-method FV monotonique, conservatif, stable. Centered finite differences : instable. Upwind first-order : diffusif. FCT, Petrov-Galerkin, SUPG, DG. NEGF sub-10nm. Hydrodynamic Stratton 1962. SHE spherical harmonic. SG workhorse semicond > 50 nm.
7. Développements et corrections modernes
Variantes modernes : Kramer-Hitchner 1999, Mock 1972, Bank-Rose 1981, Bank-Coughran 1991, Brezzi-Marini-Pietra 1989. Quantum-corrected SG: density-gradient Wettstein-Demmel-Wenzel 2002, Bohm, Wigner. NEGF + SG hybrid Datta-Lake-Klimeck 2002. Logiciels commerciaux : Synopsys Sentaurus, Silvaco Atlas, Cadence, COMSOL, Ansys TCAD. Open-source : DESSIS, Charon, NEMO5 Purdue, TIBERCAD Tor Vergata Rome. HPC : Cineca Leonardo 250 PFlops + INFN-CNAF + GENCI France + IDRIS. Futurs : 3D heterogeneous integration, 2D materials, quantum dots.
Mis à jour en juillet 2026
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