Referenz zum erweiterten OghmaNano-Simulationsdateiformat

Diese Seite dokumentiert das OghmaNano-sim.json-Dateiformat im Detail: die Struktur von Gerätebeschreibungen, elektrische und optische Materialmodelle, Lua-Skripte, Dotierung, Kontakte, Spannungsbereiche, Netzgenerierung und numerische Einstellungen. Außerdem enthält sie eine durchsuchbare Referenz für Parameter-Tokens und JSON-Schlüssel. Dies ist eine umfassende technische Referenz und keine Einführung in JSON oder eine Anleitung zum Öffnen von Dateien in einem Webbrowser.

Dieses Nachschlagewerk richtet sich sowohl an menschliche Benutzer als auch an KI-Assistenten. Menschliche Benutzer können die Tabellen und Beispiele bei der Bearbeitung von Simulationen verwenden. KI-Assistenten können die dokumentierten Pfade und die markierten Hilfefelder nutzen, um eine bestehende, funktionierende Simulation in eine neue Gerätekonfiguration zu überführen. Die gleiche HTML-Seite dient als Nachschlagewerk für beide Zielgruppen.

Geltungsbereich: Die als verifiziert identifizierten verschachtelten Pfade stammen aus einem funktionierenden Beispiel der OghmaNano-Version 8.1. Der Token-Katalog enthält zusätzlich Namen, die aus dem bereitgestellten Parameter-Wörterbuch übernommen wurden; diese sind jedoch nicht unbedingt in jeder Version oder für jeden Simulationstyp bearbeitbare Pfade.

1. Verwendung dieser Referenz in Verbindung mit einem KI-Assistenten.

Diese technische Dokumentation richtet sich sowohl an menschliche Anwender als auch an KI-Assistenten, die OghmaNano-Simulationen erstellen oder modifizieren. Sie beschreibt die in einem funktionierenden OghmaNano-Beispiel (Version 8.1) verwendeten JSON-Pfade und enthält das bereitgestellte Parameter-Dictionary. Es handelt sich um eine Referenz und nicht um ein ausführbares Schema oder einen Ersatz für eine funktionierende Simulationsdatei. Nicht jede mögliche Gerätekonfiguration oder jedes physikalische Modell wird unterstützt.

Der vollständige Token-Katalog befindet sich unter Abschnitt 11. Viele der Einträge im Wörterbuch sind eher Bezeichnungen für Ausgaben oder GUI-Steuerelemente und nicht direkt bearbeitbare Schlüssel in der bereitgestellten Beispielvorlage; ein Eintrag im Katalog ist allein noch kein Beweis für einen bearbeitbaren JSON-Pfad.

2. Objekte der obersten Ebene und Auswahl der Simulation

Das funktionierende Beispiel enthält auch die obersten Objekte electrical_solver, thermal, exciton, fits, parasitic, hard_limit, perovskite, singlet, circuit, gl, gui_config, world, ml und scans sowie Dokumentmetadaten. Das Vorhandensein und der Inhalt dieser Abschnitte können je nach Version und Simulationstyp variieren. Löschen Sie einen unbekannten Abschnitt nicht einfach deshalb, weil er für das neue Gerät nicht relevant ist.

{
  "sim": { "simmode": "segment0@jv" },
  "sims": {
    "jv": {
      "segments": 1,
      "segment0": {
        "config": { "Vstart": 0.0, "Vstop": 2.2, "Vstep": 0.025 }
      }
    }
  }
}

Der obige Ausschnitt veranschaulicht bestehende Pfade; es handelt sich nicht um eine vollständige Simulationsdatei.

3. Segmente, Kennungen und Datentypen

Sammlungen werden durch ein numerisches Feld segments und eine Reihe von fortlaufend nummerierten Objekten segment0, segment1, … dargestellt. Eine Sammlung, die vier Segmente definiert, muss genau die vier entsprechenden untergeordneten Segmentobjekte enthalten. Objekte können Felder id enthalten, die zur Identifizierung verwendet werden. Beim Kopieren oder Erstellen eines neuen Objekts muss bei Bedarf eine neue, eindeutige ID zugewiesen werden; die IDs unveränderter Objekte bleiben erhalten.

{
  "segments": 2,
  "segment0": { "name": "Layer A", "id": "id0123456789abcdef" },
  "segment1": { "name": "Layer B", "id": "idfedcba9876543210" }
}

4. Epitaxie: Geometrie, Zusammensetzung und Dotierung

Die Definitionen der Schichten werden unter epitaxy.segmentX gespeichert (wobei X bei Null beginnt), während die Kontaktpunkte separat unter epitaxy.contacts.segmentX gespeichert werden. In dem mitgelieferten GaAs-Beispiel ist y0 die Startposition und dy die Schichtdicke, jeweils in Metern. Die Schichtgrenzen sollten durchgehend sein, es sei denn, das Bauelement enthält absichtlich eine physische Lücke.

Eine homogene p-Dotierungsregion weist positive Werte für Na0 und Na1 sowie Nd0 = Nd1 = 0 auf. Eine homogene n-Dotierungsregion verwendet stattdessen Nd0 und Nd1. Eine intrinsische Region kann für alle vier Dotierungswerte den Wert Null verwenden. Bevor Sie Änderungen vornehmen, prüfen Sie, ob in der ausgewählten Ausgangssimulation zusätzliche Dotierungen oder Grenzflächenfelder aktiv sind.

5. Elektrische Lua-Skriptdateien

In dem hier gezeigten Beispiel mit GaAs aktiviert jede Halbleiterschicht ihr elektrisches Lua-Materialmodell mithilfe des Objekts program, das unter shape_dos verschachtelt ist. Der Dateiname befindet sich in default_program_path. Das Inline-Feld program ist in diesem Beispiel eine leere Zeichenkette. Der Pfad zum Skript ist relativ zur Datenbank der elektrischen Materialien angegeben, ohne ein führendes ./ im betrachteten Beispiel.

"shape_dos": {
  "program": {
    "enabled": "True",
    "program": "",
    "default_program_path": "Inorganic/AlGaAs/AlGaAs.lua",
    "font_size": 12
  }
}

Dies veranschaulicht die verschachtelten Felder zur Auswahl von Skripten. In einer echten Ebene sollten alle anderen vorhandenen shape_dos-Felder unverändert bleiben.

Überschreiben von Lua-Materialparametern

OghmaNano ermöglicht es, einzelne Materialparameter, die mit Lua-Skripten berechnet werden, mithilfe von epitaxy.segmentX.shape_dos.db_overrides zu überschreiben. Dadurch können Standardmaterialmodelle verwendet werden, während gleichzeitig spezifische Parameter wie Rekombinationsraten oder Trägerbeweglichkeiten angepasst werden, ohne die globale Materialdatenbank zu verändern.

Um beispielsweise den Koeffizienten für die radiative Rekombination zu überschreiben:

"free_to_free_recombination": 1e-16,
"db_overrides": {
    "free_to_free_recombination": "true",
    "Eg": "false",
    "Xi": "false"
}

6. Datensätze für optische Materialien und Emission

Das optische Datenset für eine epitaktische Schicht wird in epitaxy.segmentX.absorption.nk_data ausgewählt. Die bereitgestellte Liste der optischen Materialien enthält Pfade, die mit /alpha.csv enden; um die in nk_data verwendete Verzeichnisreferenz zu erhalten, entfernen Sie dieses Suffix. Das elektrische Lua-Modell und das optische Datenset sind separate Referenzen und müssen nicht identische Pfade haben.

Der x = 0.315-Datensatz für optische Eigenschaften ist eine Annäherung an die Zusammensetzung eines x = 0.30-AlGaAs-elektrischen Modells, das sich in der Nähe befindet. Beschreiben Sie ihn nicht stillschweigend als eine exakte Übereinstimmung. Verwenden Sie das Wellenlängenraster unter optical.mesh.mesh_l, wenn optische Berechnungen einen geeigneten spektralen Bereich erfordern. Das Beispiel enthält auch optical.mesh.mesh_y für sein optisches räumliches Raster.

Bei einer elektrisch betriebenen LED kann die externe optische Beleuchtung mithilfe der vorhandenen Lichtquellenkonfiguration deaktiviert werden; die Probe enthält optical.light_sources.Psun. Die Schicht enthält außerdem shape_pl.pl_emission_enabled und zugehörige Emittersettings. Die Aktivierung der Emitterausgabe ist an sich kein Beweis dafür, dass das Modell die Form der Spektrallinien, die Physik der spontanen Emission oder den externen Quantenausbeutegrad korrekt berechnet. Bitte prüfen Sie, welche Optionen im gewählten Simulationsmodus unterstützt werden.

7. Kontakte und Polarität der Spannung

Elektrische Kontakte werden unter epitaxy.contacts definiert, und nicht durch eine Änderung der Dotierung einer beliebigen Schicht. Die bereitgestellte Arbeitsdatei enthält zwei Kontakte mit separaten, ineinander verschachtelten contact-Objekten. Das obere Anschlusselement befindet sich an y0 und das untere Anschlusselement an y1. Die tatsächliche Spannungsausrichtung entspricht den applied_voltage_type-Einstellungen an diesen Anschlusselementen.

"contacts": {
  "segments": 2,
  "segment0": {
    "contact": {
      "position": "y0",
      "applied_voltage_type": "change",
      "majority": "hole",
      "minority": "electron",
      "majority_model": "ohmic",
      "minority_model": "ohmic"
    }
  },
  "segment1": {
    "contact": {
      "position": "y1",
      "applied_voltage_type": "ground",
      "majority": "electron",
      "minority": "hole",
      "majority_model": "ohmic",
      "minority_model": "ohmic"
    }
  }
}

Kontaktinformationen: Die ausgelassenen Felder sind im tatsächlichen Arbeitsbeispiel weiterhin erforderlich.

8. Konsistenz der elektrischen und optischen Maschenstruktur

Für das bereitgestellte Drift-Diffusions-Beispiel befindet sich das elektrische y-Gitter unter electrical_solver.mesh.mesh_y. Jedes Gittersegment hat eine len in Metern sowie die Felder points, mul, left_right, id und zugehörige Felder. Das optische räumliche Gitter ist ein separates Objekt unter optical.mesh.mesh_y. Eine Änderung der Schichtdicke garantiert nicht, dass alle Gittereinstellungen aktualisiert wurden.

"mesh_y": {
  "enabled": "True",
  "auto": "True",
  "icon_": "y",
  "segments": 4,
  "segment0": { "len": 2e-7, "points": 30.0 },
  "segment1": { "len": 3e-7, "points": 50.0 },
  "segment2": { "len": 2e-7, "points": 30.0 },
  "segment3": { "len": 1e-7, "points": 20.0 }
}

Die oben dargestellten Felder zeigen die Maschenweiten und die Anzahl der Punkte für eine 800-nm-Vier-Schichten-Anordnung; dies ist kein vollständiges mesh_y-Objekt.

9. Physikalische Interpretation und unbegründete Annahmen

Eine JSON-Datei, die sich auswerten lässt, stellt lediglich die syntaktische Korrektheit sicher. Drift-Diffusions-Transport, Materialeigenschaften, radiative Rekombination und Optik sind separate Modellierungsfragen. Beispielsweise erfordert eine AlGaAs/GaAs-Doppelheterostruktur eine geeignete Ladungsträgerbeschränkung an beiden Grenzflächen und nicht nur eine scheinbar plausible Schichtliste. Überprüfen Sie die Bandlücke, die Elektronenaffinität und die Transportparameter, die von den Materialskripten für die angeforderte Zusammensetzung und Temperatur berechnet werden.

Komplexere Bauelemente wie TOPCon-Solarzellen, MOSFETs, bipolare Transistoren und Quantenwellen-LEDs können den Einsatz von Tunneling, die elektrostatischen Eigenschaften von Oxiden, Mehrfachkontaktierungen, Quanteneinschränkung, Grenzflächenfallen oder zusätzliche Randbedingungen erfordern, die in einer bestimmten Ausgangssimulation möglicherweise nicht unterstützt werden. Wenn die erforderliche physikalische Modellierung nicht durch ein funktionierendes Beispiel oder eine entsprechende Dokumentation nachgewiesen wird, sollte stattdessen die fehlende Funktionalität identifiziert werden, anstatt JSON-Felder zu erfinden. Optische Emissionsberechnungen sollten nicht als kalibrierte Geräteeffizienz dargestellt werden, ohne dass geeignete Modelle für Rekombination und Ladungsträgerextraktion verwendet werden.

10. Prüfliste zur Validierung und Fehlerbehebung

Nachdem Sie eine Simulationsdatei bearbeitet haben, überprüfen Sie die JSON-Syntax, die Struktur aller Segmentkollektionen, die Schlüsseltypen in Bezug auf die Basisdatei sowie alle gerätespezifischen physikalischen Einschränkungen. Das folgende Python-Codefragment beispielsweise überprüft gewöhnliche segments-Kollektionen, ohne dass OghmaNano-APIs erforderlich sind. Es garantiert jedoch nicht, dass OghmaNano das Modell ausführt.

import json
import re
from pathlib import Path

sim = json.loads(Path("sim.json").read_text(encoding="utf-8"))

def check_segments(obj, location="root"):
    if isinstance(obj, dict):
        if isinstance(obj.get("segments"), int):
            count = obj["segments"]
            actual = {
                int(key[7:]) for key in obj
                if re.fullmatch(r"segment[0-9]+", key)
            }
            expected = set(range(count))
            if actual != expected:
                raise ValueError((location, count, sorted(actual)))
        for key, value in obj.items():
            check_segments(value, location + "." + key)

check_segments(sim)
print("JSON and segment counts look consistent")

Wenn der Speicherort oder die Bedeutung eines Tokens im JSON-Format unklar ist, bearbeiten Sie das entsprechende Steuerelement in der grafischen Benutzeroberfläche, speichern Sie die Datei und vergleichen Sie die Dateien vor und nach der Änderung sim.json. Dies ist zuverlässiger, als die Pfade allein anhand der Parameternamen zu erschließen.

11. Vollständige Referenzliste für OghmaNano-JSON-Token (A–Z)

Dies ist die zentrale, durchsuchbare Referenz für OghmaNano-Parameter-Token und JSON-Struktur-Schlüssel. Sie fasst alle 985 Einträge aus dem bereitgestellten Parameter-Wörterbuch mit 382 zusätzlichen Schlüsseln zusammen, die im funktionierenden OghmaNano v8.1 sim.json-Beispiel gefunden wurden. Alle 1.367 Einträge sind alphabetisch geordnet; es gibt keine separate Liste, die für Struktur- oder Materialskripte konsultiert werden muss.

Beschreibungen, Einheiten und deklarierte Optionen für Wörterbucheinträge stammen aus dem bereitgestellten Wörterbuch. Schlüssel, die nur in der laufenden Simulation gefunden werden, werden mit vorsichtigen Beschreibungen versehen, da ihre Bedeutung nicht verifiziert ist. Ein aufgelisteter JSON-Pfad und ein Datentyp sind Beobachtungen aus einem funktionierenden Beispiel und keine Garantie dafür, dass derselbe Name an jedem Ort oder in jeder OghmaNano-Version gültig ist. Einige Einträge sind Ausgabefelder oder Bedienelemente der Benutzeroberfläche und keine bearbeitbaren Eingabewerte für die Simulation. Drei Wörterbucheinträge (Ra[0-9], Rq[0-9] und Rp[0-9]) sind Token-Muster.