Simulation von Silizium- und III–V-Halbleiterbauelementen
Die Simulation von Silizium- und III–V-Halbleiterbauelementen umfasst die Modellierung kristalliner Halbleiterbauelemente unter Verwendung gekoppelter elektrostatischen Modelle, Modelle zur Beschreibung des Ladungsträgertransports und der Rekombination. In OghmaNano werden diese Systeme mithilfe von Drift-Diffusions-Modellen gelöst, die beschreiben, wie sich Elektronen, Löcher und elektrische Felder in einem Bauelement unter Spannung und bei Beleuchtung entwickeln.
Silizium bietet das sauberste und bekannteste Referenzsystem: PN-Übergänge, Verarmungszonen, Drift- und Diffusionsströme sowie gut verstandene Rekombinationswege. III–V-Materialien wie GaAs erweitern dieses Konzept auf Verbindungshalbleiter mit unterschiedlichen Bandstrukturen, Beweglichkeiten und Rekombinationsverhalten, wobei die zugrunde liegende Physik jedoch gleich bleibt.
In diesem Kapitel werden diese Systeme zusammengeführt. Ziel ist es nicht, Silizium- und III–V-Bauelemente als voneinander unabhängige Beispiele zu betrachten, sondern zu zeigen, dass sie innerhalb eines einzigen physikalischen und numerischen Rahmens behandelt werden. Sobald dies verstanden ist, kann dieser Ansatz auf komplexere Systeme wie Perowskit- und organische Bauelemente ausgeweitet werden.
Kernidee:
- Verwenden Sie die Silizium-PN-Diode, um das Drift-Diffusions-Phänomen in seiner einfachsten Form zu verstehen.
- Verwenden Sie Silizium-Solarzellen, um Transport, Rekombination und optische Erzeugung miteinander zu verbinden.
- Nutzen Sie den MOS-Kondensator, um die Grundlagen der Elektrostatik und der Feldsteuerung zu verstehen.
- Verwenden Sie Beispiele mit GaAs, um das gleiche Modell auf III–V-Halbleiter auszudehnen.
1. Anleitungen für Silizium-Bauelemente
Die Silicon-Tutorials bieten einen optimalen Einstieg in die Modellierung von Halbleiterbauelementen. Sie veranschaulichen, wie Dotierung, Kontakte, Rekombination und elektrostatische Effekte zusammenwirken, um die gemessene elektrische Reaktion zu erzeugen.
- Silizium-PN-Übergangsdiode – grundlegende Drift-Diffusions-Simulation einer Gleichrichterdiode.
- Solarzelle aus polykristallinem Silizium – Simulation eines photovoltaischen Geräts im industriellen Stil.
- Amorphen Silizium-Solarzelle – Dünnschichtbauelement mit durch Defekte begrenztem Ladungsträgertransport.
- Si 2D NMOS-Kondensator – Elektrostatik, Verarmungszonen und Feldsteuerung in Halbleiterstrukturen.
2. Halbleiterbauelemente der Gruppe III–V
III–V-Halbleiter wie GaAs zeigen, dass das gleiche Drift-Diffusions-Modell auch über Silizium hinaus anwendbar ist. Durch die Veränderung von Materialparametern und Geometrie können Verbundhalbleiterbauelemente simuliert werden, ohne dass der zugrunde liegende Solver geändert werden muss.
3. Die zugrunde liegenden physikalischen Prinzipien
Diese Simulationen basieren auf dem Drift-Diffusions-Transportmodell, das mit der Poisson-Gleichung gekoppelt ist. Das Modell berechnet, wie sich die Trägerdichte, das elektrostatische Potenzial und die Rekombination selbstkonsistent entwickeln. Dies ist die Grundlage für physikalisch fundierte Simulationen von Halbleiterbauelementen.
4. Wo sollten Sie anfangen?
Wenn Sie neu im Bereich der Bauteilesimulation sind, beginnen Sie mit der Silizium-PN-Übergangsdiode. Sie bietet den einfachsten Weg, um das Drift-Diffusions-Modell zu verstehen. Gehen Sie dann je nach Anwendungsbereich zu Solarzellen oder MOS-Strukturen über und schließlich zu III-V-Bauelementen, um den Ansatz zu verallgemeinern.