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OghmaNano Simulation von organischen/Perowskit-Solarzellen, OFETs und OLEDs DOWNLOAD Quick Start guide

Auswahl eines Quantenwellenmodells

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Geschätzte Lesezeit: 20 Minuten.

OghmaNano bietet verschiedene Quantenwellenmodelle an, da kein einzelnes Modell für alle Systeme optimal geeignet ist. Ein skalares parabolisches Modell eignet sich ideal für eine schnelle Abschätzung; ein 8-Band-k·p-Modell ist für eine genaue Beschreibung der Valenzeigenschaften und der Verstärkung erforderlich; ein siliziumspezifisches Modell ist für indirekte Bandlücken erforderlich. Auf dieser Seite werden die Modelle verglichen, damit Sie eine fundierte Entscheidung treffen können, anstatt automatisch das komplexeste Modell auszuwählen.

1. Vergleich auf einen Blick

ModellMaterialienLeitungValenzNicht-parabolischAnstrengung; Belastung; Dehnung; Zerrung; StammBand-MixingKosten
ParabolischJede (Schätzung)einzelne Masseeinzelne Masseneinnur Kompensationszahlungen*keiner/keines/keinsehr niedrig
Zinkblende mit acht BandenGaAs, InGaAs, InP, InAs, GaSb ...nicht-parabolischHH+LH+SO gekoppeltjavollständiges Bir–Pikusc–v + Valenzhoch
Zinkblende mit zehn Bandenverdünnte Nitride (GaInNAs)BAC + nicht-parabolischHH+LH+SO gekoppeltjavollständiges Bir–Pikusc–v + N + Valenzhoch
Wurtzit mit 8 BandenGaN, AlN, InN, LegierungenanisotropHH+LH+CH gekoppeltjavoll (\(a_i,D_i\))c–v + Valenzhoch
Si-Δ-TalJa, SiGe (Leitfähigkeit)6 anisotropische Täler—Talmassen\(\Xi_d,\Xi_u\) aufgeteiltTal (durch Dehnung)niedrig
Luttinger-Kohn-Modell mit sechs BandenSi, Ge, SiGe (Valenz)—HH+LH+SO gekoppeltjavollständiges Bir–PikusValenzMittel, Durchschnitt, Medium

*Der parabolische Solver berücksichtigt Bandversätze und (optional) eine starre Verschiebung der Kanten, jedoch nicht die durch die Spannung verursachte Aufspaltung der Valenzbänder.

2. Behandlung durch Wärmeleitung

Bei III–V-Halbleitermaterialien mit direkter Bandlücke wird das Leitungsband gut durch das 8-Band-Modell beschrieben, das durch die explizite Kane-Kopplung eine nicht-parabolische Form erhält. Bei verdünnten Nitriden spaltet sich das Leitungsband zusätzlich durch Band-Antikreuzung auf, was das 10-Band-Modell erforderlich macht. Bei Silizium und SiGe liegen die Leitungsbandminima in den sechs Δ-Tälern, die indirekt und anisotrop sind und nicht durch ein Zonenzentrum-k·p-Modell beschrieben werden können – der Talsolver ist hierbei unerlässlich. Der parabolische Solver behandelt das Leitungsband als eine einzelne, feste Masse, was für eine grobe Abschätzung ausreichend ist, aber nicht für höhere Subbänder oder schmale Bandlücken.

3. Valenzbehandlung

Das Valenzband ist der Bereich, in dem ein einzelnes Massenmodell die größten Schwächen aufweist, da die schweren, leichten und abgespaltenen Löcher immer stark miteinander gekoppelt sind. Jede quantitative Berechnung von Valenzeigenschaften – Löcher-Subbandabstände, Verstärkung oder das TE/TM-Verhältnis – erfordert ein Mehrbandmodell: das 8-Band-Zinkblende- oder Wurtzit-Modell für III–V-Halbleiter oder das Sechs-Band-Luttinger-Kohn-Modell für Materialien der Gruppe IV. Das parabolische Löchermodell sollte nur für eine erste Abschätzung verwendet werden.

4. Kosten und Praktikabilität

Die Rechenkosten steigen mit der Größe der Basis und der Anzahl der \(k_\parallel\)-Punkte. Die skalaren Modelle (parabolisch, Silicon-Valley-Modell) lösen tridiagonale Matrizen und sind kostengünstig. Die Mehrbandmodelle lösen komplexe, hermitesche Matrizen der Dimension \(6N\)–\(10N\) an jedem \(k_\parallel\)-Punkt, wodurch eine vollständige Dispersionsberechnung deutlich teurer ist. Der Shift-Invert-Eigenwertlöser ermöglicht jedoch, dies zu bewältigen, indem er nur die wenigen relevanten Zustände berechnet. Ein sinnvoller Arbeitsablauf besteht darin, zunächst ein skalares Modell zu verwenden, um die Energieniveaus zu bestimmen und die Struktur zu definieren, und dann für die abschließende, quantitative Berechnung auf das geeignete Mehrbandmodell umzuschalten.

5. Auswahl eines Modells

Das richtige Modell ist das einfachste, das die physikalischen Grundlagen der gestellten Frage berücksichtigt. Ein komplexeres Modell ist nicht automatisch korrekter, wenn es mit ungenaueren Parametern gefüttert oder auf ein System angewendet wird, das außerhalb seiner Annahmen liegt. Umgekehrt kann ein einfaches Modell, das innerhalb seines Anwendungsbereichs verwendet wird, sowohl genau als auch schnell sein.

Wichtige Punkte