Schnittstelleneditor
1. Überblick
Der Interface-Editor steuert elektronische Transportphänomene, die an Materialgrenzflächen auftreten. Für jedes Paar benachbarter Schichten in der Bauelementstruktur werden die Grenzflächen automatisch aufgelistet. Standardmäßig können Ladungsträger gemäß dem Gradienten der Leitungs- oder Valenzbänder über die Grenzflächen driften und diffundieren: Ladungsträger, die sich in Richtung höherer Energie bewegen, stoßen auf Barrieren und passieren diese weniger leicht, während Ladungsträger, die sich in Richtung niedrigerer Energie bewegen, diese leicht passieren können. Der Interface-Editor erweitert dieses grundlegende Drift-Diffusions-Modell, indem er zusätzliche Transportmechanismen einführt, die beispielsweise ansonsten schwierige Übergänge in Richtung höherer Energie unterstützen können. Öffnen Sie den Editor, indem Sie auf das Interface-Symbol (rote, grüne, blaue Balken) in der Registerkarte „Elektrisch“ klicken.
2. Parameter
- Direkter Tunneling-Effekt (Elektronen/Löcher) – ermöglicht den direkten Quantentunneling von Ladungsträgern durch die Grenzschicht. Basierend auf dem in dem theoretischen Abschnitt beschriebenen Modell: \[ J = A(n-n^{eq})V \exp\left(-B\sqrt{\phi}\right), \], wobei \(A\) die Einheiten m·s\(^{-1}\)·V\(^{-1}\) hat, \(B\) dimensionslos ist (Anpassungsparameter), \(\phi\) die Höhe der Potentialbarriere, \(V\) die angelegte Vorspannung und \(d\) die Dicke der Grenzschicht. Für Elektronen und Löcher gibt es separate Schalter, die jeweils eigene A/B-Werte haben.
- Organischer Tunneling-Effekt – ein Sonderfall, der bei organischen Heteroübergängen auftritt, bei dem Ladungsträger in an der Grenzfläche lokalisierte Fallenstaaten driften. Wie im Abschnitt über die Theorie beschrieben, wird der Tunnelstrom wie folgt ausgedrückt: \[ J_p = q T_{h}\left((p_{1}-p_{1}^{eq})-(p_{0}-p_{0}^{eq})\right), \] für Löcher und \[ J_n = -q T_{e}\left((n_{1}-n_{1}^{eq})-(n_{0}-n_{0}^{eq})\right), \] für Elektronen, wobei \(T_h\) und \(T_e\) Geschwindigkeitskonstanten sind, die über die Einstellungen im Editor festgelegt werden.
- Dotierung der Grenzfläche (linke/rechte Seite) – hierbei wird eine Ladungsschicht mit der Dicke eines einzelnen Gitternetzespunkts entweder auf der linken Seite (LHS) oder der rechten Seite (RHS) der Grenzfläche aufgebracht. Die Werte können positiv oder negativ sein, was die Simulation der Anreicherung oder Verarmung von Ladung an der Grenzfläche ermöglicht. Dies ist nützlich für die Modellierung von eingeschlossener Ladung an den Rändern oder für die Simulation von Änderungen der Schwellenspannung in OFETs.
3. Grenzflächenzustände in SRH-Strukturen
OghmaNano berücksichtigt die Shockley-Read-Hall-Rekombination (SRH) durch Defektzustände, die an den Grenzflächen der Materialien lokalisiert sind. Die Defektdichte an den Grenzflächen wird als Flächenkonzentration \(N_t\) in der Einheit m-2 angegeben.
Die Rekombinationsrate wird mithilfe der Standard-SRH-Formel berechnet:
\[ R_{\mathrm{SRH}} = \frac{np-n_{\mathrm{eq}}p_{\mathrm{eq}}} {\tau_p(n+n_1)+\tau_n(p+p_1)}, \]wobei \(n\) und \(p\) die lokalen Elektron- und Lochkonzentrationen sind, \(n_{\mathrm{eq}}\) und \(p_{\mathrm{eq}}\) die entsprechenden Gleichgewichtskonzentrationen darstellen und \(n_1\) und \(p_1\) die energetische Position des Fallenenergiestatus beschreiben.
Die Lebensdauer der Elektronen- und Loch-Rekombination beträgt:
\[ \tau_n = \frac{1}{\sigma_n v_{\mathrm{th},n} N_t}, \qquad \tau_p = \frac{1}{\sigma_p v_{\mathrm{th},p} N_t}, \]wobei \(\sigma_n\) und \(\sigma_p\) die Wirkungsquerschnitte für die Einfangung von Elektronen bzw. Löchern sind und \(v_{\mathrm{th},n}\) und \(v_{\mathrm{th},p}\) die entsprechenden thermischen Geschwindigkeiten darstellen.
Die Dichte der Grenzflächenfallen ist gleichmäßig über die beiden Gitterpunkte verteilt, die an die Materialgrenze angrenzen. Für die linken und rechten Gitterabstände \(\Delta x_L\) bzw. \(\Delta x_R\) sind die entsprechenden lokalen Fallendichten wie folgt:
\[ N_{t,L} = \frac{N_{t,\mathrm{interface}}}{2\Delta x_L}, \qquad N_{t,R} = \frac{N_{t,\mathrm{interface}}}{2\Delta x_R}. \]Das ergibt:
\[ N_{t,L}\Delta x_L + N_{t,R}\Delta x_R = N_{t,\mathrm{interface}}. \]Die SRH-Rekombinationsrate wird auf beiden Seiten der Grenzfläche anhand der lokalen Trägerkonzentrationen und der Materialparameter bewertet.
Die Energie der Falle wird relativ zum Zentrum der lokalen Bandlücke angegeben:
\[ E_t = \frac{E_g}{2} + \Delta E_t, \]wobei \(\Delta E_t\) der Wert ist, der im Feld „Et (bezogen auf Eg/2)“ eingegeben wird. Die Hilfskonzentrationen des SRH-Träger sind:
\[ n_1 = n_i \exp\left( \frac{q(E_t-E_g/2)}{k_B T} \right), \qquad p_1 = n_i \exp\left( \frac{q(E_g/2-E_t)}{k_B T} \right). \]Die Parameter im Abschnitt „Gleichgewichtszustand, SRH-Fallen“ des Interface-Editors sind:
- SRH-Grenzflächenfallen aktiviert – aktiviert oder deaktiviert die SRH-Rekombination an der Grenzfläche.
- Et (bezogen auf Eg/2) – die Energie der Falle bezogen auf die Mitte der lokalen Bandlücke, in Elektronenvolt (eV). Ein Wert von 0 positioniert die Falle in der Mitte der Bandlücke.
- Nt – Gesamtkonzentration von Grenzflächenzuständen in m⁻².
- σn – Wirkungsquerschnitt für den Elektroneneinfang in m².
- σp – Querschnitt für die Einfangwahrscheinlichkeit von Löchern in m².
Die Oberflächenrekombination vom Typ SRH wird verwendet, um rekombinationsprozesse zu modellieren, die durch Defekte an Materialgrenzen unterstützt werden, einschließlich der Grenzflächen zwischen Halbleitern und Transportschichten in Solarzellen, LEDs und anderen mehrschichtigen Bauelementen. Sie ist besonders nützlich für die Untersuchung der Oberflächenpassivierung, bei der Veränderungen der Dichte von Oberflächenzuständen oder der Querschnittsfläche für die Einfangreaktion die nicht-strahlende Rekombinationsrate beeinflussen.
4. Anwendung in Simulationen
Die Eigenschaften der Grenzfläche haben einen starken Einfluss auf den Stromtransport und die Eigenschaften der Bauelemente:
- Beim Tunneln überwiegt der Effekt, wenn die Barrieren dünn sind oder wenn an organisch-organischen Grenzflächen ein durch Fallen unterstützter Ladungstransport möglich ist.
- Die Dotierung der Grenzfläche ahmt geladene Defektschichten oder eine gezielte Veränderung der Grenzfläche nach, wodurch die lokale Bandbiegung und die Injektionsbarrieren verändert werden.
Durch die Kombination dieser Mechanismen ermöglicht der Interface-Editor es Ihnen, die realen physikalischen Eigenschaften von Bauelementen in organischen und hybriden Heterostrukturen zu modellieren, von der durch Fallen unterstützten Tunnelung in OLEDs bis hin zu den Ladungseffekten an den Grenzflächen von OFETs.