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Materialparameter und deren Verwendung in den Solvern

Lernziele. Nachdem Sie diese Seite gelesen haben, sollten Sie in der Lage sein:

Voraussetzungen. Die Modellseiten, die Sie verwenden möchten; diese Seite dient als Referenz und sollte zusammen mit den Modellseiten gelesen werden.

Geschätzte Lesezeit: 25 Minuten.

Every quantum-well solver is only as good as the material parameters it is given. This page explains what each parameter means physically, which Hamiltonian term it controls, its units and the common sign or convention traps — rather than listing numerical values, which belong in the material database and in the compilations cited on the references page. Parameters are grouped by the solver that uses them.

1. Energien und Energiebezugswerte

The most common source of error is the energy reference. OghmaNano measures energies from the structure valence-band maximum (placed at zero), and each material's valence edge \(E_v\) is supplied on a common absolute scale so that band offsets are correct. The multiband solvers derive the conduction edge as \(E_c = E_v + E_g\) and, internally, an average valence energy that the spin-orbit and crystal-field terms then split back to the physical band edge.

Table 1. Band energies and references.
ParameterBedeutungSteuerelementeEinheiten
\(E_g\)Grundlegende BandlückeTrennung von Leitungs- und Valenzband; \(E_c=E_v+E_g\)e.V.
\(E_v\)Rand des Valenzbandes auf der gemeinsamen SkalaDiagonale Valenzenergie; bestimmt die Bandverschiebunge.V.
\(E_c\)Leitungsbandkante (abgeleitet)Leitfähigkeit in diagonaler Richtunge.V.
\(E_{v,\text{av}}\)Durch den Spin-Bahn- und Kristallfeld-Effekt gemittelte ValenzelektronenenergieInnere Diagonale vor der Aufteilung in SO/CFe.V.
\(\Delta_{\text{so}}\)Spin-Bahn-AufspaltungPosition der abgetrennten Bandspalte; SO-Kopplunge.V.

2. Effektive Massen

The band-edge electron mass fixes the conduction curvature and, in the multiband models, is used to back out the remote-band parameter. Hole masses appear directly only in the parabolic solver; in the k·p models the valence masses are encoded in the Luttinger (or wurtzite \(A_i\)) parameters instead. Silicon's valleys are anisotropic and need two masses each.

Table 2. Effective masses (in units of the free-electron mass \(m_0\)).
ParameterBedeutungSteuerelementeEinheiten
\(m_e\)Elektronenmasse am Rand des LeitfähigkeitsbandesLeitfähigkeitskrümmung; Fernparameter \(A_c\)\(m_0\)
\(m_h\)Gesamtmasse (parabolische Lösungsfunktion)Valenzkrümmung im skalaren Modell\(m_0\)
\(m_l\)Längstal-Masse (Si)Massenbewegung entlang der Längsachse eines Tals\(m_0\)
\(m_t\)Querliegende Talmasse (Si)Messe entlang einer Talschneide\(m_0\)

3. Valenz- und Kopplungsparameter der Zinkblende-Struktur

The Luttinger parameters describe the coupled heavy-, light- and split-off holes; the Kane energy sets the conduction–valence coupling. In the 8-band model OghmaNano combines these into the internal \(A_c, L, M, N, P\) parameters, renormalising \(L\) and \(N\) (and, in the standard mode, \(A_c\)) to avoid double-counting the explicit Kane coupling.

Table 3. Zincblende valence and Kane parameters.
ParameterBedeutungSteuerelementeEinheiten
\(\gamma_1,\gamma_2,\gamma_3\)Luttinger-ParameterValenz \(L, M, N\) kinetische Begriffedimensionslos
\(E_p\)Kane-EnergieKane-Kupplung \(P=\sqrt{(\hbar^2/2m_0)E_p}\)e.V.
\(P\)Kane-ImpulsmomentmatrixelementLeitungs-Valenz-KopplungeV·m (intern)

Hinweis zur Implementierung: Die in der 8-Band-Hamilton-Funktion verwendeten Luttinger-Parameter sind die vollständigen Volumenwerte. Der Code führt die \(+E_p/E_g\)-Subtraktion intern durch, wenn \(L\) und \(N\) gebildet werden. Ziehen Sie die Kopplung nicht vorab von den Luttinger-Parametern in der Materialdatenbank ab, da sonst die Valenzmassen falsch wären. Dies ist eine häufige Ursache für Abweichungen beim Übertragen von Parametern zwischen Codes, die unterschiedliche Konventionen verwenden (vollständige gegenüber modifizierten Luttinger-Parametern).

4. Verformungspotenziale und elastische Konstanten von Zinkblende

Strain enters through the deformation potentials and requires the elastic constants and lattice constants to compute the strain tensor. The conduction and valence hydrostatic potentials combine into the gap deformation potential; the shear potentials \(b\) and \(d\) split the valence bands.

Table 4. Zincblende strain parameters.
ParameterBedeutungSteuerelementeEinheiten
\(a_c\)Konduktives, hydrostatisches Deformationspotenzial\(a_c\,\mathrm{Tr}\varepsilon\) Schichte.V.
\(a_v\)Valenz-hydrostatisches DeformationspotentialBir–Pikus \(P=a_v\mathrm{Tr}\varepsilon\)e.V.
\(b\)Tetragonales ScherverschiebungsfeldBir–Pikus \(Q\); Aufteilung in HH/LHe.V.
\(d\)Rhomboedrisches ScherverschiebungsfeldBir-Pikus-Schubkupplung \(R, S\)e.V.
\(a\), \(a_{\text{sub}}\)Gitterkonstanten der Schicht und des SubstratsIn-Ebene-Fehlspannungsdehnungm
\(C_{11}, C_{12}\)Elastische Steifigkeitskonstanten\(\varepsilon_{zz}=-2(C_{12}/C_{11})\varepsilon_{xx}\)Papa

5. Wurtzit-Parameter

Wurtzite needs more parameters because of its lower symmetry: six valence parameters, three splitting energies, two Kane energies, two conduction-mass parameters and separate hydrostatic and shear deformation potentials.

Table 5. Wurtzite parameters.
ParameterBedeutungSteuerelementeEinheiten
\(A_1\dots A_6\)Effektive Masseparameter für ValenzbänderValenz \(L_i, M_i, N_i\) kinetische Begriffedimensionslos
\(\delta_1\)KristallfeldaufspaltungErhöht \(X,Y\) im Verhältnis zu \(Z\).e.V.
\(\delta_2, \delta_3\)Spin-Bahn-ParameterValenz-SO-Kopplunge.V.
\(E_{p1}, E_{p2}\)c-Achsen- und Basal-Kane-Energien\(P_1\) (S–Z), \(P_2\) (S–X, Y)e.V.
\(S_1, S_2\)Parameter der c-Achse und der basalen LeitungsmasseAnisotrope Leitfähigkeitsdispersiondimensionslos
\(a_1, a_2\)c-Achsen- und Basalflächen-DeformationspotentialeVeränderung der Wärmeleitfähigkeit unter Belastunge.V.
\(D_1\dots D_6\)ValenzverformungspotenzialeValenzspannung\(D_6\) nur scheren)e.V.
\(C_{ij}\)Hexagonale elastische KonstantenDehnungstensor in der c-EbenePapa

6. Parameter der Silizium-Delta-Tal-Struktur

Table 6. Silicon conduction-valley parameters.
ParameterBedeutungSteuerelementeEinheiten
\(\Xi_d\)Deformationspotenzial\(\Xi_d\,\mathrm{Tr}\varepsilon\): Verschiebt alle Täler.e.V.
\(\Xi_u\)Uniaxiales Deformationspotenzial\(\Xi_u\,\varepsilon_{\text{valley}}\): teilt \(\Delta_2/\Delta_4\) aufe.V.
\(m_l, m_t\)Längliche / quer verlaufende MasseAnisotrope Valenzstreuung\(m_0\)

7. Parameter für verdünnte Nitridlegierungen (10-Band-Modell)

Table 7. Band-anticrossing parameters.
ParameterBedeutungSteuerelementeEinheiten
\(x_N\)Stickstoff-MolenbruchKopplungsstärke \(V_N=\beta_N\sqrt{x_N}\)dimensionslos
\(E_N\)Stickstoff-ResonanzenergieniveauStickstoff-Diagonalverbindung \(H_{NN}\)e.V.
\(\beta_N\)Stickstoff-KopplungskonstanteLeitfähigkeits-Stickstoff-Kopplunge.V.

8. Optische und Transportparameter

The gain and scattering calculations need a few further inputs: the refractive index and Lorentzian broadening for gain, and the mass density, sound velocity and acoustic deformation potential for scattering. These are properties of the medium and the phonons rather than of the band structure.

Table 8. Optical and transport parameters.
ParameterBedeutungSteuerelementeEinheiten
\(n_r\)BrechungsindexVorwortdimensionslos
\(\gamma\)Lorentzsche HalbwertsbreiteVerbreiterung der Spektralliniee.V.
\(\rho\)Massebezogene DichteVorfaktor für die akustische StreuungKilogramm mal Meter\(^{-3}\)
\(v_s\)SchallgeschwindigkeitVorfaktor für die akustische Streuungm·s\(^{-1}\)
\(D\)Akustisches DeformationspotenzialStreumatrixelemente.V.

Wichtige Punkte