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OghmaNano Plataforma de simulación multifísica para dispositivos optoelectrónicos y sistemas fotónicos DESCARGAR Quick Start guide

Parámetros de los materiales y cómo se introducen en los solucionadores.

Objetivos de aprendizaje. Después de leer esta página, deberías ser capaz de:

Requisitos previos. Las páginas del modelo que tiene la intención de utilizar; esta página sirve como referencia y debe consultarse junto con las demás.

Tiempo estimado de lectura: 25 minutos.

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. Energías y referencias energéticas

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.
ParámetroSignificadoControlesUnidades
\(E_g\)Banda prohibida fundamentalSeparación de la conducción y la valencia; \(E_c=E_v+E_g\)eV
\(E_v\)Borde de la banda de valencia en la escala común.Energía de valencia diagonal; determina los desplazamientos de banda.eV
\(E_c\)Borde de la banda de conducción (derivado)Conducción diagonaleV
\(E_{v,\text{av}}\)Energía de valencia promediada por el acoplamiento espín-órbita y el campo cristalino.Diagonal interna antes de la separación de SO/CF.eV
\(\Delta_{\text{so}}\)Desdoblamiento por interacción espín-órbitaPosición de la banda separada; acoplamiento SO.eV

2. Masas efectivas

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 \(m_0\)).
ParámetroSignificadoControlesUnidades
\(m_e\)Masa efectiva de los electrones en el borde de la banda.Curvatura de la conducción; parámetro remoto \(A_c\)\(m_0\)
\(m_h\)Masa total del agujero (solucionador parabólico)Curvatura de la valencia en el modelo escalar\(m_0\)
\(m_l\)Masa del valle longitudinal (Si)Concentración a lo largo del eje de un valle.\(m_0\)
\(m_t\)Masa del valle transversal (Si)Concentración de masa a lo largo del eje de un valle.\(m_0\)

3. Parámetros de valencia y de acoplamiento de la estructura cristalina de tipo esfalerita.

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.
ParámetroSignificadoControlesUnidades
\(\gamma_1,\gamma_2,\gamma_3\)Parámetros de LuttingerTérminos cinéticos de valencia \(L, M, N\)sin dimensión
\(E_p\)Energía KaneAcoplamiento de Kane \(P=\sqrt{(\hbar^2/2m_0)E_p}\)eV
\(P\)Elemento de la matriz del momento de KaneAcoplamiento conducción-valenciaeV·m (internamente)

Nota sobre la implementación. Los parámetros de Luttinger que se utilizan en el hamiltoniano de 8 bandas son los valores completos del material; el código realiza la resta \(+E_p/E_g\) internamente al formar \(L\) y \(N\). No realice la resta del acoplamiento de los parámetros de Luttinger en la base de datos del material, ya que esto provocaría errores en las masas de la banda de valencia. Este es un problema común cuando se transfieren parámetros entre códigos que utilizan diferentes convenciones (parámetros de Luttinger completos frente a modificados).

4. Potenciales de deformación y constantes elásticas de la estructura de zincblenda.

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.
ParámetroSignificadoControlesUnidades
\(a_c\)Potencial de deformación hidrostática por conducción.\(a_c\,\mathrm{Tr}\varepsilon\) cambioeV
\(a_v\)Potencial de deformación hidrostática de valenciaBir–Pikus \(P=a_v\mathrm{Tr}\varepsilon\)eV
\(b\)Potencial de deformación por cizallamiento tetragonalBir–Pikus \(Q\); división de las ondas HH/LHeV
\(d\)Potencial de deformación por cizallamiento romboédricoAcoplamiento de cizallamiento Bir-Pikus \(R, S\)eV
\(a\), \(a_{\text{sub}}\)Constantes de red de la capa y del sustratoDeformación por desajuste en el plano.m
\(C_{11}, C_{12}\)Constantes de rigidez elástica\(\varepsilon_{zz}=-2(C_{12}/C_{11})\varepsilon_{xx}\)Pa

5. Parámetros de la wurtzita.

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.
ParámetroSignificadoControlesUnidades
\(A_1\dots A_6\)Parámetros de masa efectiva de la banda de valenciaTérminos cinéticos de valencia \(L_i, M_i, N_i\)sin dimensión
\(\delta_1\)División del campo cristalinoAumenta \(X,Y\) en relación con \(Z\).eV
\(\delta_2, \delta_3\)Parámetros de acoplamiento espín-órbitaAcoplamiento SO de valencia.eV
\(E_{p1}, E_{p2}\)energías de Kane en el eje c y en la base\(P_1\) (S–Z), \(P_2\) (S–X, Y)eV
\(S_1, S_2\)parámetros del eje c y de la masa conductora basalDispersión anisotrópica de la conductividad.sin dimensión
\(a_1, a_2\)potenciales de deformación de la conducción a lo largo del eje c y de la baseDesplazamiento de la tensión por conducción.eV
\(D_1\dots D_6\)Potenciales de deformación de la banda de valenciaDeformación por tensión de valencia (\(D_6\), solo cizallamiento)eV
\(C_{ij}\)Constantes elásticas hexagonalestensor de deformación en el plano cPa

6. Parámetros del valle delta de silicio.

Table 6. Silicon conduction-valley parameters.
ParámetroSignificadoControlesUnidades
\(\Xi_d\)Potencial de deformación dilatacional\(\Xi_d\,\mathrm{Tr}\varepsilon\): desplaza todas las depresiones.eV
\(\Xi_u\)Potencial de deformación uniaxial\(\Xi_u\,\varepsilon_{\text{valley}}\): divide \(\Delta_2/\Delta_4\)eV
\(m_l, m_t\)Masas longitudinales / masas transversalesDispersión anisotrópica del valle.\(m_0\)

7. Parámetros de los materiales de nitruro diluido (con 10 bandas).

Table 7. Band-anticrossing parameters.
ParámetroSignificadoControlesUnidades
\(x_N\)Fracción molar de nitrógeno.Resistencia al acoplamiento \(V_N=\beta_N\sqrt{x_N}\)sin dimensión
\(E_N\)Energía del nivel resonante del nitrógenoDiagonal de nitrógeno \(H_{NN}\)eV
\(\beta_N\)Constante de acoplamiento del nitrógenoAcoplamiento por conducción-nitrógenoeV

8. Parámetros ópticos y de transporte.

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.
ParámetroSignificadoControlesUnidades
\(n_r\)Índice de refracciónObtenga el prefacio.sin dimensión
\(\gamma\)Ancho espectral de Lorentz a la mitad.Ensanchamiento de la forma espectral.eV
\(\rho\)Densidad másica.Prefactor de dispersión acústicakg·m\(^{-3}\)
\(v_s\)Velocidad del sonidoPrefactor de dispersión acústicam·s\(^{-1}\)
\(D\)Potencial de deformación acústicaElemento de la matriz de dispersióneV

Puntos clave