Προσομοίωση μιας υπέρυθρης διόδου εκπομπής φωτός (LED) GaAs στα 870 nm.

1. Εισαγωγή: πώς λειτουργεί μια υπέρυθρη διόδος εκπομπής φωτός (LED) με βάση το GaAs.

Μια LED που λειτουργεί με θετική πόλωση εισάγει ηλεκτρόνια και οπές σε μια ημιαγωγική περιοχή, όπου μπορούν να συνδυαστούν. Σε ένα υλικό με άμεσο ενεργειακό χάσμα, όπως το GaAs, ένα ηλεκτρόνιο μπορεί να συνδυαστεί με μια οπή και να απελευθερώσει την ενέργειά του ως φωτόνιο. Σε θερμοκρασία περιβάλλοντος, το ενεργειακό χάσμα του GaAs είναι περίπου 1,42 eV, το οποίο αντιστοιχεί σε εκπομπή κοντά στο υπέρυθρο, γύρω στα 870 nm.

\[ E_{\mathrm{ph}}=\frac{hc}{\lambda}\simeq E_g,\qquad \lambda\,[\mathrm{nm}]\simeq\frac{1240}{E_g\,[\mathrm{eV}]}. \]

Αυτή η σχέση δίνει ένα χαρακτηριστικό μήκος κύματος και όχι μια απόλυτα ευκρινή φασματική γραμμή. Τα ηλεκτρόνια και οι οπές καταλαμβάνουν μια κατανομή ενεργειών και το εκπεμπόμενο φως έχει ένα πεπερασμένο φασματικό εύρος. Το φάσμα εκπομπής εξαρτάται επίσης από τη θερμοκρασία, τις παραμέτρους του υλικού και το φασματικό μοντέλο που χρησιμοποιείται στην προσομοίωση.

Η ενεργός στρώση GaAs τοποθετείται ανάμεσα σε στρώσεις Al0,3Ga0,7As με μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα. Αυτές δημιουργούν μια διπλή ετεροδομή: οι μετατοπίσεις στις ζώνες αγωγιμότητας και σθένους βοηθούν στον περιορισμό των φορέων, έτσι ώστε τα ηλεκτρόνια και οι οπές να συναντιούνται στην GaAs και όχι να ανασυνδυάζονται αλλού. Αυτή είναι μια συσκευή αυθόρμητης εκπομπής, όχι μια δίοδος λέιζερ· δεν μοντελοποιείται οπτική ενίσχυση ή κατώφλι λέιζερ. Η φυσική ακολουθία των στρώσεων θα εξεταστεί στην Ενότητα 4.

2. Δημιουργία της προσομοίωσης της υπέρυθρης LED.

Στο κύριο παράθυρο του OghmaNano, επιλέξτε Αρχείο → Νέα προσομοίωση. Ο περιηγητής νέας προσομοίωσης περιέχει παραδείγματα συσκευών οργανωμένα κατά τύπο (δείτε ?? και ??). Ανοίξτε την κατάλληλη κατηγορία παραδείγματος GaAs/LED και κάντε διπλό κλικ στο παράδειγμα "LED 870 νανομέτρων αρσενικούχου γαλλίου". Επιλέξτε έναν φάκελο στον υπολογιστή σας και αποθηκεύστε εκεί την προσομοίωση. Αυτό σας παρέχει ένα τοπικό αντίγραφο για να το εκτελέσετε και να το τροποποιήσετε αργότερα, χωρίς να αλλάξετε το πρότυπο στη βιβλιοθήκη.

Αφού φορτωθεί το παράδειγμα, το OghmaNano εμφανίζει τη συσκευή στο κύριο παράθυρό του. Το κύριο παράθυρο της συσκευής εμφανίζεται στην εικόνα ??. Η προσομοίωση περιέχει ήδη τη στοίβα ημιαγωγών, τις ηλεκτρικές παραμέτρους, τις συνθέσεις κραμάτων και τη διαμόρφωση εκπομπής. Αρχικά, θα εκτελέσουμε αυτήν τη βασική ρύθμιση και μόνο μετά θα εξετάσουμε πώς είναι δομημένη η υπολογιστική διαδικασία.

3. Εκτέλεση της προσομοίωσης.

Κάντε κλικ στο μπλε τριγωνικό κουμπί "Εκτέλεση προσομοίωσης" στην καρτέλα "Αρχείο". Η προσομοίωση εκτελεί μια σειρά ηλεκτρικών υπολογισμών σε διαφορετικές εφαρμοζόμενες τάσεις. Καθώς αυξάνεται η εφαρμοζόμενη τάση, ο επιλυτής μεταφοράς-διάχυσης υπολογίζει το εσωτερικό ηλεκτροστατικό δυναμικό, τις συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων και οπών, τα ρεύματά τους και τους ρυθμούς ανασύνθεσης. Η έξοδος της προσομοίωσης αποθηκεύεται στον φάκελο που επιλέξατε στην Ενότητα 2.

Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας υπολογισμού, ανοίξτε την καρτέλα "Terminal" (δείτε ?? και ??). Αυτή εμφανίζει την πρόοδο του επιλυτή και τα διαγνωστικά μηνύματα. Μια γραμμή εξόδου που αλλάζει συνεχώς είναι φυσιολογική: το πρόγραμμα εκτελεί διαδοχικά τις επαναλήψεις της διαδικασίας προσαρμογής και επιλύει τις συνδεδεμένες εξισώσεις. Όταν ολοκληρωθεί, επιστρέψτε στην καρτέλα "Output" για να ελέγξετε τα αποθηκευμένα αποτελέσματα. Εάν η εκτέλεση αναφέρει κάποιο σφάλμα, η έξοδος στην καρτέλα "Terminal" είναι το πρώτο μέρος όπου πρέπει να αναζητήσετε τις σχετικές διαγνωστικές πληροφορίες.

4. Πρώτα αποτελέσματα: γεωμετρία της συσκευής, ρεύμα και εκπεμπόμενο φως.

Μετά την επιτυχή ολοκλήρωση της προσομοίωσης, η καρτέλα "Έξοδος" εμφανίζει τα αποτελέσματα ως μια συλλογή αρχείων. Η εικόνα στην ?? αποτελεί παράδειγμα των αρχείων που δημιουργούνται από αυτήν την προσομοίωση υπέρυθρων LED. Τα συγκεκριμένα αρχεία που είναι διαθέσιμα μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με τις ρυθμίσεις εξόδου και την έκδοση του λογισμικού.

Η καρτέλα "Έξοδος" περιέχει ένα σύνολο αρχείων CSV και φακέλων. Το OghmaNano μπορεί να τα ανοίξει απευθείας: κάντε διπλό κλικ σε ένα αρχείο CSV για να το εμφανίσετε γραφικά ή κάντε διπλό κλικ σε ένα υποστηριζόμενο αρχείο συσκευής ή στιγμιότυπου για να ξεκινήσετε τον κατάλληλο προβολέα. Ξεκινήστε με το device.csv, το οποίο ανοίγει την τρισδιάστατη προβολή. Αυτή η προβολή διευκολύνει την κατανόηση της χωρικής δομής που απεικονίζεται από το μοντέλο, πριν από την ερμηνεία των ηλεκτρικών καμπυλών.

Η χαρακτηριστική καμπύλη πυκνότητας ρεύματος-τάσης (καμπύλη J–V) δείχνει ότι η δίοδος ενεργοποιείται υπό θετική πόλωση. Σε χαμηλή τάση, σχετικά λίγοι φορείς φορτίου εγχέονται στην ενεργή περιοχή. Καθώς οι φραγμοί της σύνδεσης μειώνονται, το ρεύμα υπό θετική πόλωση αυξάνεται σημαντικά. Η τάση στην οποία εμφανίζεται μια οπτικά απότομη αύξηση δεν είναι μια καθολική σταθερά του υλικού: εξαρτάται από τη διάταξη της συσκευής, τις επαφές, τις παραμέτρους μεταφοράς και την κλίμακα της γραφικής παράστασης. Επιπλέον, σημειώστε ότι ένα μεγάλο ρεύμα δεν σημαίνει απαραίτητα ότι ένα μεγάλο ποσοστό αυτού του ρεύματος παράγει χρήσιμο φως.

4.1 Ένταση φωτός και απόδοση που εξαρτώνται από την τάση.

Στη συνέχεια, ανοίξτε το v_cd_m2.csv για να εξετάσετε την εξάρτηση της φωτεινής απόδοσης από την τάση, όπως απεικονίζεται στο παράδειγμα. Το προκύπτον γράφημα εμφανίζεται στο ?? παρακάτω. Η σχεδιασμένη φωτεινότητα (ή η ποσότητα της φωτεινής απόδοσης που ορίζεται από την προσομοίωση) αυξάνεται καθώς οι εγχυόμενοι φορείς αρχίζουν να ανασυνδυάζονται με ακτινοβολία. Για μια υπέρυθρη συσκευή, θυμηθείτε ότι η φωτόμετρη φωτεινότητα σε cd m−2 σταθμίζει το φως με βάση την ευαισθησία του ανθρώπινου ματιού. Επομένως, δεν είναι η καλύτερη μέτρηση της χρήσιμης οπτικής απόδοσης στα 870 nm: η φασματική ακτινοβόλη ενέργεια ή η ροή φωτονίων είναι πιο ουσιαστικές. Το αρχείο και οι μονάδες του άξονα θα πρέπει να ερμηνεύονται σε αυτό το πλαίσιο.

Ανοίξτε το v_eqe.csv για να δείτε την προσομοιωμένη εξωτερική κβαντική απόδοση (EQE) σε σχέση με την τάση. Για μια LED, η EQE εκφράζει τον αριθμό των φωτονίων που εκπέμπονται από τη συσκευή ανά ηλεκτρόνιο που παρέχεται σε αυτήν. Αυτό διαφέρει από το εσωτερικό ποσοστό των γεγονότων ανασυνδυασμού που δημιουργούν φωτόνια. Καθώς αλλάζει η τάση, οι ανταγωνιστικές ακτινοβολούμενες και μη ακτινοβολούμενες ταχύτητες, η διαρροή φορέων και η οπτική έξοδος μπορούν όλα να επηρεάσουν την EQE. Ως εκ τούτου, η εξάρτησή της από την τάση δεν χρειάζεται να ακολουθεί ακριβώς ούτε την καμπύλη J–V ούτε την καμπύλη της φωτεινότητας εξόδου.

Αυτά τα τρία αποτελέσματα απαντούν σε συναφή αλλά διακριτά ερωτήματα: Πόσο φορτίο εγχέεται; (J–V), πώς μεταβάλλεται η εκπεμπόμενη έξοδος; (η καμπύλη οπτικής απόδοσης ως συνάρτηση της τάσης) και πόσο αποτελεσματικά μετατρέπεται το εγχέομενο φορτίο σε εκπεμπόμενα φωτόνια; (EQE).

5. Διερεύνηση των στρωμάτων, της προσθήκης προσμίξεων και της σύστασης του κράματος.

Επιστρέψτε στο κύριο παράθυρο και ανοίξτε τον επεξεργαστή επιπέδων χρησιμοποιώντας το μπλε κουμπί με τις στοιβασμένες γραμμές στην αριστερή πλευρά της προβολής της δομής της συσκευής. Ο επεξεργαστής εμφανίζει τη σειρά των ημιαγωγικών επιπέδων και τις διαμορφωμένες παχότητές τους. Η συσκευή αναφοράς είναι μια διπλή ετεροδομή GaAs/AlGaAs με την ακόλουθη ονομαστική στοίβα, διαβάζοντας από την κορυφή προς την οπίσθια επαφή.

Αυτές είναι οι προκαθορισμένες ρυθμίσεις του παραδείγματος του εκπαιδευτικού προγράμματος. Ο επεξεργαστής στρώσεων είναι το κύριο σημείο όπου μπορείτε να ελέγξετε τις τιμές στην έκδοση που έχετε φορτώσει. Το AlGaAs με μεγάλο ενεργειακό χάσμα και στις δύο πλευρές του GaAs με μικρότερο ενεργειακό χάσμα δημιουργεί ασυνέχειες στις ενεργειακές ζώνες. Αυτό βοηθά στην τοπική συγκέντρωση των μεταφερόμενων φορέων στο κεντρικό τμήμα. Η οπίσθια στρώση GaAs διευκολύνει την ηλεκτρική επαφή, αν και το GaAs μπορεί επίσης να απορροφήσει το φως που ταξιδεύει προς αυτή την πλευρά της στοίβας, επομένως ο οπτικός και ο ηλεκτρικός σχεδιασμός πρέπει να εξεταστούν από κοινού.

Επιλέξτε την ηλεκτρική ταινία και ανοίξτε την ενότητα "Δόπηση/Ιόντα". Το γράφημα δείχνει πώς οι πυκνότητες των δοτών και των αποδεκτών μεταβάλλονται σε όλη τη συσκευή. Η θετική δόπηση στις περιοχές τύπου n παρέχει ηλεκτρόνια, ενώ η δόπηση αποδεκτών στην περιοχή τύπου p παρέχει οπές. Η μεσαία στρώση GaAs είναι ονομαστικά καθαρή, αλλά δεν είναι απαλλαγμένη από φορείς: υπό τάση προς τα εμπρός, ηλεκτρόνια και οπές εγχέονται σε αυτήν από κάθε πλευρά.

Από την ίδια κορδέλα, ανοίξτε τις επιλογές "Υλικά - Κλίσεις και παραμορφώσεις" για να δείτε τις παραμέτρους σύνθεσης του κράματος στις διαστάσεις x, y και z. Για το AlxGa1−xAs, το κλάσμα αλουμινίου είναι x = 0,30 στα φραγματικά στρώματα και μηδέν στο καθαρό GaAs. Η σύνθεση του υλικού δεν είναι απλώς μια ετικέτα: αλλάζει το ενεργειακό χάσμα του κράματος, την ηλεκτρονιακή συγγένεια και άλλες ηλεκτρικές ιδιότητες που χρησιμοποιούνται από τα σενάρια υλικών. Το επιθυμητό προφίλ x θα πρέπει να συμφωνεί με την ακολουθία των φυσικών στρωμάτων που εμφανίζεται στον Επεξεργαστή Στρωμάτων.

6. Οπτική εξαγωγή: ποια φωτόνια διαφεύγουν;

Ένα φωτόνιο που παράγεται στην ενεργό περιοχή του GaAs δεν εξέρχεται απαραίτητα από την LED. Το GaAs έχει υψηλό δείκτη διάθλασης, επομένως τα φωτόνια που φτάνουν σε μια διεπιφάνεια ημιαγωγού-αέρα υπό επαρκώς κεκλιμένες γωνίες μπορεί να υποστούν ολική εσωτερική ανάκλαση. Οι εσωτερικές ανακλάσεις, η απορρόφηση στον ημιαγωγό και η απορρόφηση στις επαφές μπορούν όλα να μειώσουν τον αριθμό των φωτονίων που εκπέμπονται. Ως εκ τούτου, μια συσκευή μπορεί να έχει υψηλό ρυθμό ακτινοβόλου ανασυνδυασμού, αλλά σχετικά μέτρια εξωτερική εκπομπή.

Ανοίξτε την καρτέλα "Οπτική" και επιλέξτε την προβολή "Οπτική έξοδος". Η έξοδος δείχνει πώς η πιθανότητα διαφυγής ενός παραγόμενου φωτονίου εξαρτάται από τη θέση του μέσα στην στοίβα των στρώσεων. Το διάγραμμα στο ?? παρέχει μια χωρική απεικόνιση, ενώ η σχετική καμπύλη στο ?? δείχνει την πιθανότητα διαφυγής ως συνάρτηση του βάθους της θέσης εκπομπής.

Ένα σημαντικό στοιχείο σε αυτό το παράδειγμα: το αποτέλεσμα της πιθανότητας διαφυγής εμφανίζεται μόνο στην περιοχή όπου το μοντέλο παράγει φως. Θεωρητικά, τα φωτόνια θα μπορούσαν να διαφύγουν ακόμη και αν παράγονταν σε άλλα στρώματα· το γράφημα περιορίζεται στην περιοχή εκπομπής που επιλέγεται από την προσομοίωση, και όχι στο να δηλώνει ότι η διαφυγή είναι φυσικά αδύνατη αλλού. Η πιθανότητα διαφυγής από μόνη της δεν μας δίνει την συνολική εκπεμπόμενη ένταση: πρέπει να συνδυαστεί με την χωρική και φασματική κατανομή των παραγόμενων φωτονίων.

Σε εννοιολογικούς όρους, η εξαγόμενη φωτεινή ροή υπολογίζεται πολλαπλασιάζοντας την ακτινοβολία που παράγεται σε όλη την ενεργή περιοχή με την πιθανότητα διαφυγής. Για μια μονοδιάστατη περιγραφή που εξαρτάται από το βάθος, αυτό μπορεί να γραφτεί σχηματικά ως:

\[ \Phi_{\mathrm{out}}(\lambda) =\int R_{\mathrm{ph}}(z,\lambda)\,P_{\mathrm{esc}}(z,\lambda)\,dz . \]

Αυτή η έκφραση εξηγεί γιατί η αλλαγή του πάχους της στρώσης ή των οπτικών σταθερών μπορεί να επηρεάσει την εκπεμπόμενη ακτινοβολία χωρίς απαραίτητα να αλλάξει ο ρυθμός ηλεκτρικής ανασύνθεσης. Εξηγεί επίσης γιατί είναι σημαντικό το χωρικό προφίλ παραγωγής φωτονίων.

7. Εικόνες από την προσομοίωση: ενεργειακές ζώνες κατά την αλλαγή της τάσης.

Επιστρέψτε στο κύριο παράθυρο, επιλέξτε την ενότητα "Έξοδος" και κάντε διπλό κλικ στον φάκελο "snapshots". Αυτό θα ανοίξει το πρόγραμμα προβολής στιγμιότυπων, όπου μια μπάρα ολίσθησης σας επιτρέπει να μετακινηθείτε μεταξύ των αποτελεσμάτων που υπολογίστηκαν για διαδοχικές εφαρμοζόμενες τάσεις. Μπορείτε επίσης να επιλέξετε ποιες ποσότητες θα εμφανίζονται στο γράφημα, όπως η άκρη της ζώνης αγωγιμότητας, η άκρη της ζώνης σθένους, τα επίπεδα ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές, οι πυκνότητες φορέων, οι συνιστώσες του ρεύματος και οι ρυθμοί ανασύνθεσης.

Ξεκινήστε σχεδιάζοντας την άκρη της ζώνης αγωγιμότητας (EC), την άκρη της ζώνης σθένους (EV) και τα επίπεδα ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές (EFn και EFp). Τα παραδείγματα εικόνων στο ?? δείχνουν πώς συμπεριφέρονται οι ζώνες καθώς αυξάνεται η τάση. Στην ισορροπία, τα επίπεδα Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές συμπίπτουν· υπό εφαρμογή θετικής τάσης, διαχωρίζονται, αντανακλώντας τις μη ισορροπημένες συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων και οπών.

Οι γραφικές παραστάσεις των ενεργειακών ζωνών στις άκρες των ζωνών μπορεί αρχικά να φαίνονται εκπληκτικά επίπεδες στις διεπαφές AlGaAs/GaAs. Αυτή η συγκεκριμένη απεικόνιση δεν περιλαμβάνει τη συνεισφορά των ιδιοτήτων του κράματος που εξαρτώνται από τη σύνθεση κατά την σχεδίαση των εμφανιζόμενων ενεργειακών ζωνών. Τα αρχεία υλικών εξακολουθούν να παρέχουν παραμέτρους που εξαρτώνται από τη σύνθεση στο ηλεκτρικό μοντέλο. Μην ερμηνεύετε μια φαινομενικά απουσία μετατόπισης της ενεργειακής ζώνης σε αυτήν την απεικόνιση ως απόδειξη ότι το μοντέλο αντιμετωπίζει το AlGaAs και το GaAs σαν να έχουν πανομοιότυπες ενεργειακές ζώνες. Ελέγξτε το γράφημα σύνθεσης και τις παραμέτρους υλικών παράλληλα με την απεικόνιση.

7.1 Υποβάθμιση των πληθυσμών φορέων και οι χρησιμοποιούμενες στατιστικές μέθοδοι.

Η τρέχουσα διαμόρφωση αναφοράς χρησιμοποιεί τις στατιστικές Maxwell–Boltzmann για τους φορείς. Αυτό είναι συχνά μια χρήσιμη προσέγγιση για μη εκφυλισμένες ημιαγωγικές περιοχές, αλλά είναι λιγότερο αξιόπιστη όταν η ψευδο-επίπεδο Fermi των ηλεκτρονίων πλησιάζει ή εισέρχεται στη ζώνη αγωγιμότητας, ή η ψευδο-επίπεδο Fermi των οπών πλησιάζει ή εισέρχεται στη ζώνη σθένους. Σε αυτή την περίπτωση, ο πληθυσμός των φορέων γίνεται εκφυλισμένος και οι στατιστικές Fermi–Dirac θα παρείχαν μια πιο φυσικά ακριβή περιγραφή.

Σε συνθήκες ισχυρής έγχυσης, τα διαγράμματα στιγμιαίων μετρήσεων μπορούν επομένως να υποδηλώνουν μια κατανομή φορέων που μοιάζει με αναστροφή ή διαχωρισμό της σχετικής ενεργειακής στάθμης Fermi, αλλά οι αριθμητικές τιμές θα πρέπει να ερμηνεύονται λαμβάνοντας υπόψη αυτόν τον περιορισμό του μοντέλου. Μια αυστηρή προσέγγιση της αναστροφής του πληθυσμού και της μεταφοράς σε συνθήκες υψηλής έγχυσης θα χρησιμοποιούσε ιδανικά τη στατιστική Fermi-Dirac και, όπου είναι σχετικό, πρόσθετη φυσική που περιλαμβάνει αλληλεπιδράσεις πολλών σωματιδίων και οπτική ενίσχυση. Από αυτά τα αποτελέσματα των LED δεν προκύπτει καμία ένδειξη για διεγερμένη εκπομπή ή λειτουργία λέιζερ.

7.2 Ακτινοβολιακή και μη ακτινοβολιακή ανασύνθεση.

Στο πρόγραμμα προβολής στιγμιότυπων, επιλέξτε την ποσότητα ανασύνθεσης ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών. Αυτό αντιπροσωπεύει την άμεση ανασύνθεση ελεύθερων ηλεκτρονίων και οπών, τη διαδικασία που χρησιμοποιείται στο παράδειγμα για τη δημιουργία φωτονίων. Σε ένα απλοποιημένο ομοιογενές μοντέλο, ο καθαρός ρυθμός της μπορεί να γραφτεί ως εξής:

\[ R_{\mathrm{rad}}=B(np-n_i^2), \]

όπου το Β είναι ένας συντελεστής ακτινοβολίας και τα n, p και ni είναι οι πυκνότητες ηλεκτρονίων, οπών και φορέων σε ενδογενή κατάσταση, αντίστοιχα. Ο ρυθμός πρέπει να είναι συγκεντρωμένος στις περιοχές όπου οι πληθυσμοί ηλεκτρονίων και οπών επικαλύπτονται σημαντικά, ειδικά στην ενεργό περιοχή GaAs. Σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό, χρησιμοποιείται ο ρυθμός «ελεύθερο προς ελεύθερο» σε συνδυασμό με το φάσμα εκπομπής GaAs για τον προσδιορισμό της κατανομής των μηκών κύματος των παραγόμενων φωτονίων.

Επιλέξτε επίσης την έξοδο της επανασυνδυασμένης διαδικασίας Auger. Η επανασυνδυασμένη διαδικασία Auger μεταφέρει την ενέργεια της επανασυνδυασμένης διαδικασίας ηλεκτρονίου-οπής σε έναν άλλο φορέα, αντί να εκπέμπει ένα φωτόνιο. Συχνά γίνεται πιο σημαντική σε υψηλές συγκεντρώσεις φορέων και αποτελεί έναν από τους πιθανούς μηχανισμούς μείωσης της απόδοσης σε ισχυρή έγχυση. Η σύγκριση των προφίλ Auger και ελεύθερου προς ελεύθερο αποκαλύπτει πού η εγχυόμενη φόρτιση χρησιμοποιείται για την παραγωγή χρήσιμου φωτός και πού χάνεται μέσω ανταγωνιστικών διαδικασιών.

Μπορείτε επίσης να επιλέξετε την έξοδο φασματικής εκπομπής στο παράθυρο προβολής των στιγμιότυπων. Το διάγραμμα που εμφανίζεται στο ?? επιτρέπει την εξέταση του φάσματος εκπομπής σε διαδοχικά βήματα τάσης. Παρατηρήστε πώς το πλάτος του αλλάζει με την εφαρμοζόμενη τάση, καθώς αυξάνεται η έγχυση φορέων και η ακτινοβόλη ανασυνδυασμού. Μια αλλαγή στην οπτική ένταση δεν συνεπάγεται απαραίτητα μια πανομοιότυπη αλλαγή στο μήκος κύματος της φασματικής κορυφής.

8. Διαμόρφωση του μοντέλου εκπομπής.

Επιστρέψτε στο κύριο παράθυρο της συσκευής και ανοίξτε τις παραμέτρους εκπομπής. Ο επεξεργαστής που εμφανίζεται στην ?? ελέγχει τον τρόπο με τον οποίο η ηλεκτρική ανασυνδυασμός μετατρέπεται σε φάσμα εκπομπής. Σε αυτό το παράδειγμα, η ανασυνδυασμός ελεύθερων ηλεκτρονίων-οπών είναι ενεργοποιημένη ως πηγή εκπομπής και η κατανομή του μήκους κύματος σταθμίζεται χρησιμοποιώντας τα δεδομένα του φάσματος εκπομπής GaAs από τη βάση δεδομένων υλικών.

Αυτή η διάκριση είναι σημαντική. Μια προσομοίωση ηλεκτρικής μεταφοράς-διάχυσης υπολογίζει τον χωρικό ρυθμό με τον οποίο τα ηλεκτρόνια και οι οπές ανασυνδυάζονται· από μόνη της, όμως, δεν καθορίζει ακριβώς πώς κατανέμονται αυτά τα φωτόνια στο μήκος κύματος. Το επιλεγμένο φασματικό προφίλ παρέχει τις απαραίτητες οπτικές πληροφορίες που λείπουν. Η προκύπτουσα εσωτερική φασματική παραγωγή μπορεί στη συνέχεια να συνδυαστεί με την προσομοίωση εξόδου που συζητήθηκε στην Ενότητα 6, προκειμένου να εκτιμηθεί τι εκπέμπεται. Τα φάσματα των υλικών θα πρέπει να επιλέγονται για τη θερμοκρασία της συσκευής και το εκπεμπόμενο υλικό, και όχι να θεωρούνται καθολικά για κάθε δομή GaAs.

9. Σενάρια για ηλεκτρικά υλικά και αντικαταστάσεις παραμέτρων ενεργού στρώσης.

Ανοίξτε τον επεξεργαστή ηλεκτρικών παραμέτρων από το κύριο παράθυρο της συσκευής. Το OghmaNano χρησιμοποιεί παραμέτρους υλικών για να περιγράψει τη μεταφορά, τις ενέργειες ζώνης, τις πυκνότητες καταστάσεων και την ανασυνδυασμό σε κάθε ημιαγωγική περιοχή. Ορισμένες παράμετροι λαμβάνονται αξιολογώντας το σενάριο Lua του υλικού, το οποίο μπορεί να κάνει τις τιμές τους να εξαρτώνται από τη σύνθεση και άλλες μεταβλητές. Ελέγξτε την προβολή σεναρίου που εμφανίζεται στο ?? για να δείτε πώς ορίζονται οι ιδιότητες του ενεργού υλικού.

Η δυνατότητα χρήσης μιας κοινής βάσης δεδομένων υλικών είναι πολύτιμη: μειώνει την επανάληψη και επιτρέπει σε διαφορετικές συσκευές αναφοράς να ξεκινούν από ένα συνεπές σύνολο φυσικών παραμέτρων. Ωστόσο, μια καταχώρηση στη βάση δεδομένων αποτελεί ένα σημείο εκκίνησης, όχι εγγύηση ότι κάθε κατασκευασμένη συσκευή έχει τις ίδιες ιδιότητες. Η διάρκεια ζωής, η πυκνότητα ελαττωμάτων, οι αποτελεσματικοί συντελεστές ανασυνδυασμού και άλλες ποσότητες μπορούν να εξαρτώνται από τη μέθοδο ανάπτυξης, την τάση, τις διεπαφές, τη διάχυση, τη θερμοκρασία και την πειραματική επεξεργασία.

Στο υπερκάλυψη παραμέτρου στην προβολή, το παράδειγμα αντικαθιστά την επιλογή. Συντελεστές ανασύνθεσης Auger στην ενεργό στρώση GaAs. Αυτό επιτρέπει στο μοντέλο να χρησιμοποιεί τιμές που είναι πιο κατάλληλες για αυτή τη συγκεκριμένη συσκευή, χωρίς να αλλάζει τον ορισμό του υλικού για κάθε άλλη προσομοίωση. Ορισμός υπερκάλυψης επιλεγμένο στοιχείο που εμφανίζεται μέσα στο ?? καθορίζει ποιες παράμετροι θα αντικατασταθούν. Οι παράμετροι που δεν έχουν επιλεγεί συνεχίζουν να χρησιμοποιούν τις τιμές που περιέχονται στη βάση δεδομένων υλικών ή στο σενάριο.

Αυτό είναι προτιμότερο από το να τροποποιείται το παγκόσμιο σενάριο υλικών κάθε φορά που μια συσκευή χρειάζεται βαθμονόμηση. Για παράδειγμα, μια μετρημένη LED μπορεί να παρουσιάζει ισχυρότερη απώλεια τύπου Auger από αυτή που προβλέπεται από μια ιδανική παραμετροποίηση αναφοράς. Μια τοπική αντικατάσταση καθιστά αυτή την υπόθεση σαφή και διατηρεί το αρχικό μοντέλο βάσης δεδομένων διαθέσιμο για άλλα έργα. Όταν συγκρίνετε προσομοιώσεις, καταγράψτε τόσο το κοινόχρηστο μοντέλο υλικών όσο και τυχόν τοπικά αντικατεστημένες τιμές: διαφορετικά, δύο συσκευές με την ετικέτα «GaAs» θα μπορούσαν να χρησιμοποιούν διαφορετικές φυσικές υποθέσεις χωρίς να είναι αυτό προφανές.

10. Εξερεύνηση της βάσης δεδομένων υλικών GaAs.

Επιλέξτε την καρτέλα "Βάσεις δεδομένων" στην κύρια κορδέλα και ανοίξτε τη βάση δεδομένων "Υλικά". Μεταβείτε στην περιοχή "Ανόργανα υλικά" και βρείτε το αρσενικούχο γάλλιο (GaAs). Ο φάκελος υλικού παρέχει διάφορες πληροφορίες. Τα δεδομένα οπτικής απορρόφησης περιγράφουν πόσο έντονα το GaAs απορροφά διαφορετικά μήκη κύματος, ενώ το emission.csv καθορίζει το προφίλ του φάσματος εκπομπής που χρησιμοποιείται στο παράδειγμα LED. Το σενάριο gallium arsenide.lua ορίζει τις ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού που χρησιμοποιεί ο επιλυτής.

Το φάσμα στο ?? είναι μια φασματική καμπύλη. Από μόνο του, δεν αποτελεί πρόβλεψη της εκπεμπόμενης ισχύος: αυτό απαιτεί έναν ηλεκτρικό υπολογισμό του ρυθμού ακτινοβολίας και έναν οπτικό υπολογισμό του πόσο από το παραγόμενο φως φτάνει στον εξωτερικό κόσμο. Αντίθετα, το φάσμα απορρόφησης και το σενάριο υλικού Lua περιγράφουν διαφορετικές πτυχές του ίδιου ημιαγωγού. Και τα τρία μπορεί να είναι απαραίτητα για μια συνεπή προσομοίωση ηλεκτρο-οπτικής συσκευής.

11. Συσχέτιση της ανασυνδυασμού, της εσωτερικής απόδοσης και της παραγωγής.

Μπορούμε πλέον να συνθέσουμε την φυσική εικόνα που κρύβεται πίσω από τα διαγράμματα. Το συνολικό ρεύμα που εγχέεται παρέχει φορείς στο εξάρτημα· αυτοί μπορούν να ανασυνδυαστούν μέσω ακτινοβολούμενων ή μη ακτινοβολούμενων καναλιών ή να διαρρεύσουν στις επαφές. Για μια σταθερή, μονοδιάστατη συσκευή με συνεπή καταγραφή του ρεύματος, μια χρήσιμη εκτίμηση της εσωτερικής ακτινοβολούμενης απόδοσης είναι:

\[ \eta_{\mathrm{int}}\simeq \frac{q\int R_{\mathrm{rad}}(z)\,dz}{|J|}, \]

όπου J είναι η πυκνότητα ρεύματος και κάθε ακτινοβολιακό γεγονός θεωρείται ότι παράγει ένα φωτόνιο. Η έκφραση αυτή είναι μια εκτίμηση και όχι μια ακριβής ισότητα, εάν η διαρροή, άλλοι όροι παραγωγής ή ασυνήθιστες οριακές συνθήκες απαιτούν επιπλέον υπολογισμούς. Η εξωτερική κβαντική απόδοση εξαρτάται στη συνέχεια από το ποσοστό των παραγόμενων φωτονίων που μπορούν να διαφύγουν:

\[ \eta_{\mathrm{ext}} \simeq\eta_{\mathrm{int}}\,\eta_{\mathrm{out}}. \]

Σε μια φασματική προσομοίωση, το κλάσμα οπτικής εξόδου μπορεί να εξαρτάται από το μήκος κύματος και τη θέση εκπομπής. Η ηλεκτρική καμπύλη J–V, η στιγμιαία απεικόνιση της ακτινοβόλου ανασύνθεσης, το φάσμα εκπομπής και το διάγραμμα πιθανότητας διαφυγής είναι επομένως συμπληρωματικά και όχι εναλλάξιμα αποτελέσματα. Μια αξιόπιστη προσομοίωση LED θα πρέπει να αξιολογείται σε σχέση με όλα αυτά.

12. Επιπλέον έρευνες

Αφού ολοκληρωθεί επιτυχώς η βασική προσομοίωση, αποθηκεύστε ένα αντίγραφο και τροποποιήστε μία μόνο παράμετρο της συσκευής κάθε φορά. Συγκρίνετε τις ίδιες ποσότητες μετά από κάθε εκτέλεση – καμπύλη J–V, ανασυνδυασμός, φάσματα και EQE – έτσι ώστε μια αλλαγή σε μία καμπύλη να μην παρερμηνευτεί ως γενική βελτίωση.

13. Περίληψη

Σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό, φορτώσαμε και εκτελέσαμε την LED GaAs/AlGaAs μήκους κύματος 870 nm, ανοίξαμε τα γραφήματα J–V, την εξάρτηση της οπτικής απόδοσης από την τάση και τα γραφήματα EQE, και εξετάσαμε την τρισδιάστατη δομή. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήσαμε τους επεξεργαστές στρώσεων, προσμίξεων και κραμάτων για να εξετάσουμε τον ηλεκτρικό σχεδιασμό και τον προβολέα στιγμιότυπων για να παρακολουθήσουμε την κάμψη των ενεργειακών ζωνών και την ανασυνδυασμό κατά τη διάρκεια της μεταβολής της τάσης.

Τα αποτελέσματα απεικονίζουν μια βασική αρχή της μοντελοποίησης LED: η ηλεκτρική έγχυση καθορίζει πόσοι φορείς είναι διαθέσιμοι· ο ανταγωνισμός μεταξύ ακτινοβόλου και μη ακτινοβόλου ανασυνδυασμού καθορίζει πόσα φωτόνια παράγονται· και η οπτική εξαγωγή καθορίζει πόσα φωτόνια εκπέμπονται. Ο επεξεργαστής εκπομπής, οι τοπικές υπερκαλύψεις παραμέτρων και η βάση δεδομένων GaAs δείχνουν πώς αυτές οι φυσικές περιγραφές συνδέονται μεταξύ τους στο OghmaNano. Όταν βελτιώνουμε μια LED, και οι τρεις μηχανισμοί χρήζουν προσοχής.

Για περισσότερες πληροφορίες, ανατρέξτε στις ενότητες ηλεκτρικά υλικά, θεωρία διάχυσης-μεταφοράς και οπτική μοντελοποίηση.