Simulación de dispositivos de silicio | Modelos de deriva-difusión, electrostática de MOSFET y células solares de película delgada

OghmaNano ofrece un entorno de simulación basado en la física para el silicio, que abarca dispositivos de unión de silicio cristalino, la electrostática de los dispositivos MOS y las células solares de silicio amorfo en película delgada. En lugar de tratar el silicio como un material genérico único, el software permite elegir el nivel de física adecuado para el problema: transporte completo deriva-difusión + Poisson para los dispositivos de unión, control electrostático de la puerta para los capacitores MOS y modelado acoplado óptico + eléctrico para las estructuras de película delgada iluminadas.

Esto hace que OghmaNano sea útil tanto para... enseñanza de la física de semiconductores según los principios establecidos y para análisis de dispositivos a escala de investigaciónPuede estudiar cómo un perfil de dopaje establece el campo inherente en una unión PN, y cómo un voltaje de puerta curva las bandas en el silicio en una interfaz SiO.₂ interfaz, o cómo la recombinación mediada por defectos limita el voltaje de una célula solar de silicio amorfo. Si desea una visión más amplia del conjunto de herramientas de resolución, consulte página con ejemplos de los modelos de deriva-difusión y el sección sobre la teoría de la deriva-difusión.

Qué puedes simular.

Diodos de unión PN de silicio: simule las curvas de corriente-voltaje en condiciones de oscuridad, las regiones de agotamiento, la separación del nivel cuasi-Fermi y la recombinación SRH centrada en la unión, utilizando un solucionador completo de deriva-difusión.
Capacitores MOS y electrostática de NMOS: análisis del potencial superficial, la distribución del voltaje a través del SiO2 y los fenómenos de acumulación, agotamiento y curvatura de las bandas en estructuras de silicio controladas por la puerta.
Células solares de silicio amorfo en película delgada: modelos de estructuras p/i/n con generación óptica, baja movilidad, recombinación SRH dominada por defectos y comportamiento Suns–Voc.
Física de la recombinación en el silicio: incluir los procesos de Shockley–Read–Hall y recombinación de Auger, y analizar en qué parte del dispositivo actúa cada mecanismo.
Diagnóstico interno del dispositivo: diagramas de bandas, densidades de portadores, perfiles de recombinación, densidades de corriente y parámetros de rendimiento derivados de los archivos de salida.

Silicio cristalino: deriva y difusión en la unión PN.

En el caso de los dispositivos de silicio cristalino, OghmaNano resuelve directamente el sistema de ecuaciones acopladas ecuación de deriva-difusión y ecuación de Poisson. Esto permite ir más allá de las ecuaciones ideales del diodo y analizar la física interna: la región de agotamiento, la curvatura de la banda, las corrientes de electrones y huecos, y cómo la recombinación SRH y la recombinación de Auger modifican la curva de corriente-voltaje en condiciones de oscuridad.

Este flujo de trabajo es especialmente útil para comprender cómo el comportamiento de la unión de silicio depende de dopaje, durante toda la vida; de por vida, nivel de inyeccióny diseño de la zona de contactoEn tutorial sobre la unión PN de silicioOghmaNano se utiliza para analizar cómo la recombinación se mantiene localizada cerca de la unión a baja polarización y se extiende de forma más amplia por todo el dispositivo a alta polarización directa. Además, se relaciona de forma clara con el concepto general. página de destino que utiliza el modelo de deriva-difusión y las páginas con información teórica más detallada sobre SRH y Física de los espectros Auger..

Comience aquí: Tutorial sobre el diodo de unión PN de silicio.

Electroestática del silicio MOS: acumulación, agotamiento y curvatura de la banda.

OghmaNano también puede simular la electrostática de los capacitores MOS, lo que facilita la enseñanza y la exploración de los principios físicos básicos que rigen el funcionamiento de los NMOS. En este flujo de trabajo, el óxido se considera un dieléctrico aislante y el silicio, la región portadora de carga móvil, de modo que se puede examinar cómo la tensión aplicada a la puerta se distribuye entre el óxido y el semiconductor, y cómo esto provoca la acumulación o el agotamiento de la superficie.

Esta es una forma clara y concisa de abordar la física de los dispositivos de silicio, ya que los resultados se relacionan directamente con los conceptos que se encuentran en los libros de texto: potencial superficial, curvatura de la banda, densidad de portadores libres cerca de la interfaz y la distinción entre el control electrostático y el transporte de corriente. Los ejemplos del condensador NMOS son especialmente útiles para las clases, los laboratorios y el estudio individual, y se conectan de forma natural con el marco más amplio del transporte en semiconductores.

Comience aquí: Tutorial sobre el condensador NMOS – Parte A y Parte B.

Silicio amorfo: células solares de película delgada y voltaje limitado por defectos.

OghmaNano también permite la simulación de dispositivos basados en silicio amorfo hidrogenado (a-Si:H), en los que las limitaciones más importantes difieren considerablemente de las del silicio cristalino. En las películas delgadas de a-Si:H, la movilidad de los portadores es menor, el desorden es mayor y la recombinación se controla normalmente mediante procesos SRH mediados por defectos. Se establece un campo interno en una capa absorbente intrínseca, y la generación óptica debe resolverse junto con el problema eléctrico.

Esto convierte al a-Si:H en un caso de referencia muy útil para estudiar la fototensión limitada por la recombinación, la generación óptica en absorbentes delgados y el comportamiento de la relación entre la intensidad de la luz solar y la tensión de circuito abierto. OghmaNano puede calcular el perfil de generación utilizando el solucionador óptico de matriz de transferencia, introducirlo en el modelo eléctrico y, a continuación, obtener la curva de corriente-tensión resultante y el comportamiento de la tensión de circuito abierto. Para conocer la física subyacente de las trampas, consulte también por qué se necesitan trampas en los semiconductores desordenados y teoría SRH fuera del equilibrio.

Comience aquí: Tutorial sobre las células solares de silicio amorfo (a-Si:H).

¿Por qué utilizar OghmaNano para la simulación de silicio?

Una única plataforma, múltiples procesos basados en silicio: se pueden explorar diodos de silicio cristalino, electrostática MOS y silicio amorfo en película delgada, todo ello mediante una interfaz coherente.
No basta con analizar las curvas de rendimiento; es necesario examinar la física interna del dispositivo, es decir, las magnitudes que realmente determinan su comportamiento, como las bandas de energía, los niveles cuasi-Fermi, las densidades de portadores, las corrientes y los mapas de recombinación.
Gran valor didáctico: los ejemplos incluidos se relacionan directamente con los temas estándar sobre dispositivos semiconductores que se imparten en los cursos de electrónica y fotovoltaica.
Flexibilidad en la investigación: ajuste los parámetros de dopaje, los tiempos de vida, las densidades de trampas, las movilidades, las propiedades del óxido y las condiciones de iluminación, así como los modelos ópticos, para crear sus propias simulaciones de dispositivos basados en silicio.

Páginas con teoría y ejemplos relacionados.

Tutoriales guiados sobre el uso de silicio.

Diodo de silicio con unión PN (1D) – corriente inversa en la oscuridad (I–V), regiones de agotamiento, recombinación SRH y efectos Auger.
Condensador NMOS (Parte A) – configuración, malla, modelo electrostático y barrido de la tensión de la puerta.
Condensador NMOS (Parte B) – curvatura de la banda, potencial superficial y redistribución de portadores.
Célula solar de silicio amorfo – modelado de película delgada p/i/n, generación óptica, curva corriente-voltaje (JV) y Suns–Voc.