Επεξεργαστής διεπαφής
1. Επισκόπηση
Ο επεξεργαστής διεπαφών ελέγχει τα ηλεκτρονικά φαινόμενα μεταφοράς που συμβαίνουν στα όρια των υλικών. Οι διεπαφές καταγράφονται αυτόματα για κάθε ζεύγος διαδοχικών στρώσεων στη δομή της συσκευής. Από προεπιλογή, οι φορείς φορτίου μπορούν να μετακινηθούν και να διαχυθούν στις διεπαφές σύμφωνα με την κλίση των ζωνών αγωγιμότητας ή σθένους: οι φορείς που κινούνται προς υψηλότερα επίπεδα ενέργειας συναντούν εμπόδια και διασχίζουν τις διεπαφές με δυσκολία, ενώ οι φορείς που κινούνται προς χαμηλότερα επίπεδα ενέργειας περνούν εύκολα. Ο επεξεργαστής διεπαφών προσθέτει σε αυτό το βασικό μοντέλο μεταφοράς μέσω διάχυσης και μετατόπισης, εισάγοντας επιπλέον μηχανισμούς μεταφοράς που μπορούν, για παράδειγμα, να διευκολύνουν δύσκολες μεταβάσεις προς υψηλότερα επίπεδα ενέργειας. Ανοίξτε τον επεξεργαστή κάνοντας κλικ στο εικονίδιο των διεπαφών (κόκκινη, πράσινη, μπλε μπάρα) στην καρτέλα «Ηλεκτρικά».
2. Άμεση διάνοιξη σήραγγας.
Οι άμεσες μέθοδοι ελέγχου σήραγγας επιτρέπουν στα ηλεκτρόνια και τις οπές να διαπερνούν ενεργειακά εμπόδια στις διεπαφές των ημιαγωγών. Το ρεύμα σήραγγας υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την απλοποιημένη έκφραση:
\[ J = A(n-n^{eq})V\exp\left(-B\sqrt{\phi}\right), \]όπου \(A\) και \(B\) είναι παράμετροι προσαρμογής, \(\phi\) είναι το ύψος του φραγμού της διεπαφής και \(V\) είναι η εφαρμοσμένη τάση. Παρέχονται ξεχωριστοί διακόπτες ενεργοποίησης και συντελεστές για τα ηλεκτρόνια και τις οπές, επιτρέποντας τον ανεξάρτητο έλεγχο των ρευμάτων σήραγγας.
3. Οργανική διάβρωση/σκάψιμο σήραγγας.
Το οργανικό μοντέλο σήραγγας παρέχει έναν επιπλέον μηχανισμό μεταφοράς φορέων διαμέσου των διεπαφών των οργανικών ημιαγωγών. Απεικονίζει μια μεταφορά τύπου άλματος ή μια μεταφορά που διευκολύνεται από τη διεπαφή, μέσω ενός φαινομενολογικού ρεύματος που είναι ανάλογο με τη διαφορά στις συγκεντρώσεις των φορέων σε σχέση με την κατάσταση ισορροπίας. Για τα ηλεκτρόνια και τις οπές, τα ρεύματα είναι:
\[ J_n = -qT_e\left[(n_1-n_1^{eq})-(n_0-n_0^{eq})\right], \] \[ J_p = qT_h\left[(p_1-p_1^{eq})-(p_0-p_0^{eq})\right]. \]Εδώ, τα \(T_e\) και \(T_h\) είναι οι συντελεστές μεταφοράς ηλεκτρονίων και οπών, αντίστοιχα. Οι όροι ισορροπίας διασφαλίζουν ότι το πρόσθετο ρεύμα μεταφοράς μηδενίζεται στην θερμική ισορροπία.
Όπως φαίνεται στην ??, η ενότητα «Οργανική Δημιουργία Σήραγγας» του επεξεργαστή διεπαφής παρέχει τις ακόλουθες λειτουργίες:
- Η σήραγγα ηλεκτρονίων (οργανική) — επιτρέπει έναν επιπλέον μηχανισμό μεταφοράς ηλεκτρονίων. Το σχετικό πεδίο T καθορίζει το \(T_e\) σε m3s-1.
- Η σήραγγα δημιουργίας οπών (οργανική) — επιτρέπει έναν επιπλέον μηχανισμό μεταφοράς οπών. Το σχετικό πεδίο T καθορίζει το \(T_h\) σε m3s-1.
Οι μηχανισμοί των ηλεκτρονίων και των οπών μπορούν να ενεργοποιηθούν ανεξάρτητα, επιτρέποντας τον ξεχωριστό έλεγχο των πρόσθετων ρευμάτων διεπαφής τους σε σχέση με τη συμβατική μεταφορά μέσω διάχυσης.
4. Επιδότηση διεπαφών.
Οι παράμετροι ελέγχου της προσθήκης προσμείξεων στη διεπιφάνεια επιτρέπουν την εισαγωγή επιπλέον φορτίου σε μια διεπιφάνεια ημιαγωγού. Μπορούν να καθοριστούν ανεξάρτητες πυκνότητες προσμείξεων στην αριστερή (LHS) και τη δεξιά (RHS) πλευρά του ορίου του υλικού.
Η πρόσθετη φόρτιση τροποποιεί την τοπική πυκνότητα φόρτισης στην εξίσωση του Poisson:
\[ \nabla\cdot(\varepsilon\nabla\phi)=-\rho, \]όπου το \(\rho\) περιλαμβάνει τη συνεισφορά από την προσθήκη προσμίξεων στην επιφάνεια. Η πρόσθετη φόρτιση αλλάζει το τοπικό ηλεκτροστατικό δυναμικό και, κατά συνέπεια, την κάμψη της ενεργειακής ζώνης κοντά στο όριο του υλικού.
Οι θετικές και αρνητικές τιμές ντόπινγκ μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να αναπαραστήσουν διαφορετικές κατανομές φορτίου στην επιφάνεια. Η εφαρμογή αντίθετων φορτίων σε κάθε πλευρά της επιφάνειας μπορεί επίσης να προσεγγίσει ένα επιφανειακό δίπολο. Αυτό είναι χρήσιμο για τη μοντελοποίηση φορτισμένων ελαττωμάτων, επιφανειακών διπόλων και ηλεκτροστατικών τροποποιήσεων στην έγχυση και εξαγωγή φορέων.
Όπως φαίνεται στην εικόνα ??, η ενότητα «Doping» του επεξεργαστή διεπαφής παρέχει τις ακόλουθες λειτουργίες:
- Διόδος διεπιφανειακής διάχυσης LHS – επιτρέπει επιπλέον διάχυση στην αριστερή πλευρά της διεπιφάνειας. Το πεδίο Διάχυση LHS καθορίζει τη συγκέντρωση σε m-3.
- Διόγκωση διεπιφάνειας RHS — επιτρέπει επιπλέον διόγκωση στην δεξιά πλευρά της διεπιφάνειας. Το πεδίο Διόγκωση RHS καθορίζει τη συγκέντρωση σε m-3.
Οι δύο πλευρές μπορούν να ρυθμιστούν ανεξάρτητα, επιτρέποντας την αναπαράσταση ασύμμετρων κατανομών φορτίου στην επιφάνεια. Η καθορισμένη προσθήκη προσδίδεται στα σημεία του πλέγματος που βρίσκονται ακριβώς δίπλα στο όριο του υλικού.
5. Παγίδες διεπιφάνειας SRH
Το OghmaNano περιλαμβάνει την ανασυνδυασμό Shockley–Read–Hall (SRH) μέσω καταστάσεων παγίδευσης που βρίσκονται στις διεπαφές των υλικών. Οι διεπαφιακές παγίδες καθορίζονται ως επιφανειακή πυκνότητα \(N_t\) σε μονάδες m-2.
Ο ρυθμός ανασυνδυασμού υπολογίζεται χρησιμοποιώντας την τυπική εξίσωση SRH:
\[ R_{\mathrm{SRH}} = \frac{np-n_{\mathrm{eq}}p_{\mathrm{eq}}} {\tau_p(n+n_1)+\tau_n(p+p_1)}, \]όπου \(n\) και \(p\) είναι οι τοπικές συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων και οπών, \(n_{\mathrm{eq}}\) και \(p_{\mathrm{eq}}\) είναι οι αντίστοιχες συγκεντρώσεις ισορροπίας και \(n_1\) και \(p_1\) περιγράφουν τη θέση της ενεργειακής στάθμης της παγίδας.
Οι χρόνοι ζωής για την παγίδευση των ηλεκτρονίων και των οπών είναι:
\[ \tau_n = \frac{1}{\sigma_n v_{\mathrm{th},n} N_t}, \qquad \tau_p = \frac{1}{\sigma_p v_{\mathrm{th},p} N_t}, \]όπου \(\sigma_n\) και \(\sigma_p\) είναι οι διατομές σύλληψης των ηλεκτρονίων και των οπών, και \(v_{\mathrm{th},n}\) και \(v_{\mathrm{th},p}\) είναι οι αντίστοιχες θερμικές ταχύτητες.
Η πυκνότητα των παγίδων διεπιφάνειας κατανέμεται ομοιόμορφα και στις δύο περιοχές πλέγματος που βρίσκονται δίπλα στο όριο του υλικού. Για τις αριστερές και δεξιές αποστάσεις πλέγματος \(\Delta x_L\) και \(\Delta x_R\), οι αντίστοιχες τοπικές πυκνότητες παγίδων είναι:
\[ N_{t,L} = \frac{N_{t,\mathrm{interface}}}{2\Delta x_L}, \qquad N_{t,R} = \frac{N_{t,\mathrm{interface}}}{2\Delta x_R}. \]Αυτό έχει ως αποτέλεσμα:
\[ N_{t,L}\Delta x_L + N_{t,R}\Delta x_R = N_{t,\mathrm{interface}}. \]Ο ρυθμός ανασύνθεσης SRH αξιολογείται και στις δύο πλευρές της διεπιφάνειας, χρησιμοποιώντας τις τοπικές συγκεντρώσεις φορέων και τις παραμέτρους του υλικού.
Η ενέργεια της παγίδας ορίζεται σε σχέση με το κέντρο του τοπικού ενεργειακού διαστήματος:
\[ E_t = \frac{E_g}{2} + \Delta E_t, \]όπου \(\Delta E_t\) είναι η τιμή που εισάγεται στο πεδίο Et (σε σχέση με το Eg/2). Οι βοηθητικές συγκεντρώσεις φορέων SRH είναι:
\[ n_1 = n_i \exp\left( \frac{q(E_t-E_g/2)}{k_B T} \right), \qquad p_1 = n_i \exp\left( \frac{q(E_g/2-E_t)}{k_B T} \right). \]Οι παράμετροι στην ενότητα «Ισορροπία παγίδων SRH» του επεξεργαστή διεπαφής είναι οι εξής:
- Η διεπαφή SRH ενεργοποιεί τις παγίδες — ενεργοποιεί ή απενεργοποιεί την ανασυνδυασμό διεπαφής SRH.
- Et (σε σχέση με το Eg/2) — ενέργεια της παγίδας σε σχέση με το κέντρο του τοπικού ενεργειακού διαστήματος, σε eV. Μια τιμή 0 τοποθετεί την παγίδα στο μέσο του ενεργειακού διαστήματος.
- Nt — συνολική πυκνότητα παγίδων διεπιφάνειας σε m-2.
- σn — διατομή σύλληψης ηλεκτρονίου σε m2.
- σp — διατομή σύλληψης οπής σε m2.
Η διεπιφανειακή ανασύνθεση SRH χρησιμοποιείται για τη μοντελοποίηση της ανασύνθεσης που διευκολύνεται από ελαττώματα στα όρια των υλικών, συμπεριλαμβανομένων των διεπιφανειών ημιαγωγού/στρώματος μεταφοράς σε ηλιακά κύτταρα, LED και άλλες πολυεπίπεδες συσκευές. Είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τη μελέτη της παθητικοποίησης της διεπιφάνειας, όπου οι αλλαγές στην πυκνότητα των διεπιφανειακών παγίδων ή στην διατομή σύλληψης τροποποιούν τον ρυθμό της μη ακτινοβόλου ανασύνθεσης.
6. Κινητικότητα διεπαφής
Η ενότητα «Κινητικότητα» επιτρέπει την ανεξάρτητη τροποποίηση των τιμών κινητικότητας των ηλεκτρονίων και των οπών στα όρια των υλικών, ανεξάρτητα από τις ιδιότητες του όγκου του υλικού. Αυτό μπορεί να αναπαραστήσει την ενισχυμένη ή μειωμένη μεταφορά στην επιφάνεια, η οποία προκαλείται από δομική αταξία, μοριακή οργάνωση ή ενεργειακά εμπόδια που δεν επιλύονται ρητά στο μοντέλο διάχυσης-μεταφοράς.
Οι καθορισμένες κινητικότητες διεπιφάνειας αντικαθιστούν τις συμβατικές κινητικότητες με κεντροσυμμετρική διάταξη που χρησιμοποιούνται από τον επιλυτή εξίσωσης διάχυσης-μεταφοράς:
\[ \mu_{n,\mathrm{face}}=\mu_{n,\mathrm{int}}, \qquad \mu_{p,\mathrm{face}}=\mu_{p,\mathrm{int}}. \]Οι αντίστοιχοι συντελεστές διάχυσης κλιμακώνονται με την ίδια αναλογία:
\[ D_{n,\mathrm{face}}^{new} = D_{n,\mathrm{face}}^{old} \frac{\mu_{n,\mathrm{int}}}{\mu_{n,\mathrm{face}}^{old}}, \qquad D_{p,\mathrm{face}}^{new} = D_{p,\mathrm{face}}^{old} \frac{\mu_{p,\mathrm{int}}}{\mu_{p,\mathrm{face}}^{old}}. \]Ο επεξεργαστής διεπαφής παρέχει δύο ανεξάρτητες επιλογές υπερκάλυψης της κινητικότητας:
- Κινητικότητα ηλεκτρονίων διεπιφάνειας — ενεργοποιεί την παράκαμψη της κινητικότητας των ηλεκτρονίων. Το πεδίο Κινητικότητα ηλεκτρονίων καθορίζει την τιμή του σε m2V-1s-1.
- Κινητικότητα οπών στην επιφάνεια επαφής — ενεργοποιεί την δυνατότητα υπερκάλυψης της κινητικότητας των οπών. Το πεδίο "Κινητικότητα οπών" καθορίζει την τιμή της σε m2V-1s-1.
Όταν μια λειτουργία παράκαμψης είναι απενεργοποιημένη, χρησιμοποιείται η συνήθης κινητικότητα με κεντροσυμμετρικό πρότυπο. Η ρύθμιση της ενεργοποιημένης κινητικότητας της διεπιφάνειας σε μηδέν εμποδίζει την συμβατική μετατόπιση και διάχυση αυτού του φορέα μέσω της διεπιφάνειας. Άλλοι ενεργοποιημένοι μηχανισμοί της διεπιφάνειας, συμπεριλαμβανομένης της σήραγγας και της δια-διεπιφανειακής ανασύνθεσης, μπορούν να συνεχίσουν να λειτουργούν ανεξάρτητα.
7. Ανασυνδυασμός μεταξύ διαφορετικών διεπαφών.
Η ενότητα της επανασύνδεσης μεταξύ διεπαφών παρέχει ένα αποτελεσματικό μοντέλο για μια λεπτή στρώση επανασύνδεσης μεταξύ δύο ημιαγωγικών περιοχών. Αυτό είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για τις πολυεπίπεδες ηλιακές κυψέλες, όπου τα ηλεκτρόνια από ένα υποκύτταρο πρέπει να επανασυνδεθούν με τις οπές από το γειτονικό υποκύτταρο για να δημιουργηθεί μια ηλεκτρική σειρά σύνδεση.
Αντί να επιλύει ρητά το στρώμα ανασύνθεσης και την εσωτερική δομή ζωνών του, το μοντέλο επιτρέπει στους φορείς σε αντίθετες πλευρές της διεπιφάνειας να ανασυντεθούν άμεσα. Διατίθενται δύο ανεξάρτητες κατευθύνσεις ανασύνθεσης:
\[ R_{l2r} = K_{l2r} \left( n_Lp_R-n_L^{eq}p_R^{eq} \right) \] \[ R_{r2l} = K_{r2l} \left( n_Rp_L-n_R^{eq}p_L^{eq} \right) \]Εδώ, τα \(n_L\), \(p_L\), \(n_R\) και \(p_R\) είναι οι συγκεντρώσεις φορέων αμέσως δίπλα στην επιφάνεια. Ο υπερδείκτης \(eq\) υποδηλώνει τις τιμές ισορροπίας. Οι συντελεστές \(K_{l2r}\) και \(K_{r2l}\) έχουν μονάδες m4s-1, δίνοντας ροές ανασύνθεσης σε m-2s-1. Οι όροι ισορροπίας εξασφαλίζουν μηδενική καθαρή ανασύνθεση σε θερμική ισορροπία.
Ο επεξεργαστής διεπαφής παρέχει τέσσερις επιλογές:
- Ανασυνδυασμός από αριστερά προς τα δεξιά — επιτρέπει την ανασυνδυασμό μεταξύ των ηλεκτρονίων στην αριστερή πλευρά και των οπών στην δεξιά πλευρά.
- Συντελεστής ανασυνδυασμού από αριστερά προς τα δεξιά — καθορίζει το \(K_{l2r}\) σε m4s-1.
- Ανασυνδυασμός από δεξιά προς αριστερά — επιτρέπει την ανασυνδυασμό μεταξύ των ηλεκτρονίων στα δεξιά και των οπών στα αριστερά.
- Συντελεστής ανασυνδυασμού από δεξιά προς αριστερά — καθορίζει το \(K_{r2l}\) σε m4s-1.
Οι δύο κατευθύνσεις μπορούν να ενεργοποιηθούν ανεξάρτητα, επιτρέποντας την προσαρμογή της διαδικασίας ανασυνδυασμού στις πληθυσμιακές ομάδες φορέων σε κάθε πλευρά της περιοχής σύνδεσης. Οι συντελεστές καθορίζουν την ισχύ της αποτελεσματικής οδού ανασυνδυασμού.
Σε μια ιδανική διασταύρωση ανασυνδυασμού σε σειρά, και οι δύο κινητικότητες της διεπιφάνειας μπορούν να τεθούν στο μηδέν, ώστε να κατασταλεί η συμβατική μεταφορά φορέων μεταξύ των υποκυψελών. Η διασταυρούμενη ανασύνδεση στη διεπιφάνεια παρέχει τότε την ηλεκτρική σύζευξη χωρίς να απαιτείται μια επιπλέον, ηλεκτρικά διακριτή, στρώση ανασύνδεσης.