硅基異質(zhì)結(jié)二極管憑借硅材料的成熟工藝兼容性與異質(zhì)結(jié)的高性能優(yōu)勢(shì)，在極端環(huán)境電子設(shè)備中具有不可替代的價(jià)值。寬溫區(qū)（80K-500K）覆蓋了深空探測(cè)（低溫）、工業(yè)高溫控制、汽車電子等核心應(yīng)用場(chǎng)景，而溫度引發(fā)的能帶結(jié)構(gòu)重構(gòu)、載流子輸運(yùn)行為變異，使二極管 IV 特性呈現(xiàn)顯著溫敏依賴性。深入解析寬溫區(qū)下硅基異質(zhì)結(jié)二極管的 IV 特性演變規(guī)律與輸運(yùn)機(jī)制，對(duì)優(yōu)化極端環(huán)境器件性能、拓展應(yīng)用邊界具有關(guān)鍵意義。

硅基異質(zhì)結(jié)二極管的核心結(jié)構(gòu)通?；?Si 與高帶隙 / 窄帶隙材料的異質(zhì)外延，典型體系包括 Si/GeSi、Si/SiC、Si/AlGaN 等，其界面處形成的能帶偏移（導(dǎo)帶偏移 ΔEc、價(jià)帶偏移 ΔEv）是調(diào)控載流子輸運(yùn)的核心。制備過程中，通過分子束外延（MBE）或金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積（MOCVD）實(shí)現(xiàn)異質(zhì)界面的原子級(jí)平整，精準(zhǔn)控制摻雜濃度（101?-101? cm?3）與外延層厚度（50-200 nm），可有效抑制界面態(tài)密度（通常低于 1011 cm?2?eV?1），為寬溫區(qū)穩(wěn)定輸運(yùn)奠定基礎(chǔ)。

寬溫區(qū)范圍內(nèi)，硅基異質(zhì)結(jié)二極管的 IV 特性呈現(xiàn)分段式演變規(guī)律。低溫段（80K-300K）：正向?qū)妷海╒f）隨溫度降低顯著升高，例如 Si/GeSi 異質(zhì)結(jié)在 80K 時(shí) Vf 較 300K 提升 0.3-0.5 V，反向漏電流（Ir）呈指數(shù)級(jí)衰減，80K 時(shí) Ir 可降至 nA 級(jí)以下。此時(shí) IV 曲線偏離理想肖克利方程，理想因子 n 大于 2，且在低正向偏壓區(qū)出現(xiàn)明顯的 “隧穿拐點(diǎn)”，表明載流子輸運(yùn)受隧穿效應(yīng)主導(dǎo)。中溫段（300K 左右）：Vf 趨于穩(wěn)定，IV 特性符合理想二極管方程（I=I?exp (qV/nkT)），n 接近 1，反向漏電流主要由熱激發(fā)少數(shù)載流子的擴(kuò)散電流貢獻(xiàn)，呈現(xiàn)典型的熱激活特性。高溫段（300K-500K）：Vf 隨溫度升高線性下降，溫度系數(shù)約為 - 2 mV/K，反向漏電流急劇增大，500K 時(shí) Ir 可達(dá) mA 級(jí)，正向 IV 曲線出現(xiàn)明顯的串聯(lián)電阻飽和區(qū)，表明熱發(fā)射電流與串聯(lián)電阻效應(yīng)共同主導(dǎo)特性演變。

不同溫區(qū)的輸運(yùn)機(jī)制差異，本質(zhì)是溫度對(duì)載流子激發(fā)、散射及界面輸運(yùn)壁壘的調(diào)控作用。低溫段（80K-300K）：熱激活能量不足，多數(shù)載流子難以越過異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘，此時(shí)隧穿輸運(yùn)成為主要路徑 —— 包括齊納隧穿（低偏壓下，電子從價(jià)帶直接隧穿至導(dǎo)帶）與 Fowler-Nordheim 隧穿（高偏壓下，電子經(jīng)勢(shì)壘量子隧穿）。界面態(tài)的捕獲 - 釋放行為加劇了載流子局域化，導(dǎo)致理想因子增大，同時(shí)晶格振動(dòng)被抑制，載流子遷移率提升（Si 中電子遷移率在 80K 時(shí)可達(dá) 10? cm2/V?s），但低載流子濃度仍限制導(dǎo)通電流。

中溫段（300K）：熱激活效應(yīng)顯著，載流子濃度大幅提升，異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘對(duì)載流子的篩選作用占優(yōu)，輸運(yùn)機(jī)制轉(zhuǎn)為擴(kuò)散 - 復(fù)合主導(dǎo)。少數(shù)載流子在濃度梯度驅(qū)動(dòng)下越過勢(shì)壘，復(fù)合電流與擴(kuò)散電流達(dá)到平衡，理想因子接近 1，此時(shí)器件性能兼具高導(dǎo)通效率與低漏電流特性，是常規(guī)應(yīng)用的最優(yōu)溫區(qū)。

高溫段（300K-500K）：熱激發(fā)使異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘高度降低，同時(shí)熱發(fā)射電流（I∝T2exp (-qφb/kT)，φb 為勢(shì)壘高度）成為正向輸運(yùn)的主要成分，導(dǎo)致 Vf 隨溫度升高而下降。反向漏電流受熱激發(fā)少數(shù)載流子的漂移電流與肖特基發(fā)射電流共同調(diào)控，呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)；此外，高溫下晶格散射增強(qiáng)，載流子遷移率下降，串聯(lián)電阻（主要來自半導(dǎo)體體電阻與接觸電阻）顯著增大，導(dǎo)致正向電流在高偏壓區(qū)趨于飽和。

寬溫區(qū)硅基異質(zhì)結(jié)二極管的應(yīng)用已滲透多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域：在航天電子中，80K 低溫下的低漏電流特性保障了深空探測(cè)器電源管理系統(tǒng)的穩(wěn)定性；在工業(yè)控制中，500K 高溫下的穩(wěn)定導(dǎo)通能力滿足了發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣傳感器的工作需求；在量子技術(shù)中，低溫隧穿特性為量子開關(guān)器件提供了物理基礎(chǔ)。當(dāng)前面臨的核心挑戰(zhàn)包括：高溫下界面態(tài)增殖導(dǎo)致漏電流失控，低溫下隧穿電流不足限制導(dǎo)通效率，以及寬溫區(qū)串聯(lián)電阻的精準(zhǔn)調(diào)控。

未來通過界面工程（如插入超薄過渡層抑制界面態(tài)）、摻雜優(yōu)化（梯度摻雜調(diào)控能帶彎曲）、異質(zhì)結(jié)構(gòu)筑（寬禁帶材料封裝提升高溫穩(wěn)定性）等策略，可進(jìn)一步優(yōu)化寬溫區(qū) IV 特性。寬溫區(qū)硅基異質(zhì)結(jié)二極管的 IV 特性與輸運(yùn)機(jī)制研究，不僅深化了對(duì)溫度調(diào)控載流子行為的物理認(rèn)知，更為極端環(huán)境電子器件的設(shè)計(jì)與優(yōu)化提供了核心理論支撐，推動(dòng)硅基異質(zhì)結(jié)技術(shù)在更廣闊溫度范圍內(nèi)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。