Προσομοίωση Διόδου PIN από Νιτρίδιο Γαλλίου (GaN): Μέθοδος Μεταφοράς-Διάχυσης, Καμπύλες J–V και Μεταφορά σε Υλικά με Ευρύ Φάσμα Ενέργειας.
1. Εισαγωγή
Μια δίοδος PIN από νιτρίδιο γαλλίου (GaN) είναι μια ημιαγωγική συσκευή με μεγάλο ενεργειακό χάσμα, η οποία περιλαμβάνει μια περιοχή τύπου p, μια σχετικά ελαφρά διαμορφωμένη (θεωρητικά ενδογενή) περιοχή και μια περιοχή τύπου n. Σε αντίθεση με μια συνηθισμένη δίοδο PN, μια δίοδος PIN εισάγει σκόπιμα μια σημαντική περιοχή μετατόπισης μεταξύ των διαμορφωμένων ακροδεκτών. Υπό αντίστροφη πόλωση, αυτή η περιοχή μπορεί να υποστηρίξει ένα κατανεμημένο ηλεκτρικό πεδίο· υπό ευθεία πόλωση, τα εγχυόμενα ηλεκτρόνια και οι οπές επιτρέπουν στη δομή να άγει. Αυτές οι ιδιότητες καθιστούν την αρχιτεκτονική PIN σχετική με τις θεμελιώδεις αρχές της ισχυρής ανορθωτικής λειτουργίας, της αντίστροφης ανάσχεσης τάσης και της μηχανικής συσκευών με μεγάλο ενεργειακό χάσμα.
Το GaN έχει ενεργειακό χάσμα περίπου 3,4 eV σε θερμοκρασία δωματίου και μπορεί να αντέξει υψηλά ηλεκτρικά πεδία σε σύγκριση με το πυρίτιο. Ωστόσο, οι πρακτικές δίοδοι ισχύος GaN απαιτούν προσεκτικό έλεγχο του πάχους της στρώσης μεταφοράς φορτίου και της συγκέντρωσης προσμίξεων, της αντίστασης επαφής, των κρυσταλλικών ελαττωμάτων και της οριακής περιοχής. Η περιοχή εγγενούς GaN των 800 nm σε αυτό το παράδειγμα είναι σκόπιμα συμπαγής: διευκολύνει την ανάλυση της κεντρικής ηλεκτροστατικής και της έγχυσης φορέων, αλλά από μόνη της δεν αποτελεί μια τυπική δίοδο ισχύος υψηλής τάσης.
Σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό, χρησιμοποιούνται οι συνδυασμένες εξισώσεις Poisson και μεταφοράς-διάχυσης του OghmaNano για την επίλυση μιας μονοδιάστατης διόδου GaN PIN. Αντί να αντιμετωπίζεται το ρεύμα ως μια ενιαία ποσότητα κυκλώματος, το μοντέλο αναλύει το εσωτερικό προφίλ ζώνης, τα επίπεδα ψευδο-Fermi, τις συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων και οπών και τους ρυθμούς ανασύνθεσης καθώς αλλάζει η τάση πόλωσης. Στόχος είναι να συσχετιστεί μια διαισθητική καμπύλη J–V διόρθωσης με τις φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό του ημιαγωγού.
2. Δημιουργία μιας νέας προσομοίωσης.
Ανοίξτε το OghmaNano και επιλέξτε "Νέα προσομοίωση". Επιλέξτε τις επιδείξεις ημιαγωγών III–V και ανοίξτε το παράδειγμα διόδου GaN PIN. Οι διαθέσιμες κατηγορίες προσομοίωσης και το παράθυρο επιλογής επιδείξεων εμφανίζονται στις Εικόνες ?? και ??. Εάν η επίδειξη είναι ήδη εγκατεστημένη, το άνοιγμά της θα πρέπει να εμφανίσει τη στοίβα στρώσεων στο κύριο παράθυρο της συσκευής.
Η κύρια προβολή προσομοίωσης (??) εμφανίζει μια τρισδιάστατη αναπαράσταση της συσκευής. Παρόλο που η απεικόνιση είναι τρισδιάστατη, το αριθμητικό παράδειγμα που παρουσιάζεται εδώ επιλύει την ηλεκτρική μεταφορά μόνο κατά μήκος της κατεύθυνσης ανάπτυξης της στρώσης. Ανοίξτε τον Επεξεργαστή Στρώσεων για να δείτε την πραγματική πάχος και την αντιστοίχιση υλικού για κάθε περιοχή.
3. Στρωματική δομή και προσθήκη προσμίξεων.
Η ολοκληρωμένη επίδειξη χρησιμοποιεί την ακόλουθη ηλεκτρικά ενεργή ημιαγωγική δομή. Το στρώμα των 800 nm, το οποίο είναι εγγενές, είναι η διαμόρφωση που χρησιμοποιείται για την προσομοίωση που παρουσιάζεται εδώ· παλαιότερες εκδόσεις του παραδείγματος ενδέχεται να περιέχουν ένα στρώμα 400 nm και θα πρέπει να ενημερωθούν πριν επιχειρηθεί η αναπαραγωγή αυτών των αποτελεσμάτων.
| στρώση | πάχος | Ονομαστική συγκέντρωση προσμίξεων. | Σκοπός |
|---|---|---|---|
| p-GaN | 200 νανόμετρα | Δέκτες: 5 × 1017 cm−3 | έγχυση στην πλευρά p και περιοχή ανόδου |
| Εγγενές GaN | 800 νανόμετρα | Δεν υπήρξε καμία σκόπιμη χρήση απαγορευμένων ουσιών. | Ελαφρώς ντοπαρισμένη περιοχή μεταφοράς και περιοχή εξάντλησης. |
| n-GaN | 200 νανόμετρα | Δότες: 5 × 1017 cm−3 | περιοχή σύνδεσης τύπου n |
| n⁺-GaN | 100 νανόμετρα | Δότες: 1 × 1018 cm−3 | Περιοχή οπίσθιας επαφής |
Η ενεργή στοίβα ημιαγωγών έχει πάχος 1,3 µm. Μια ξεχωριστή περιοχή αέρα 200 nm μπορεί να εμφανιστεί στον επεξεργαστή στρώσεων για την οπτικοποίηση της συσκευής και τη γεωμετρία της, αλλά δεν αποτελεί μέρος της ηλεκτρικά ενεργής στοίβας PIN. Και οι τέσσερις ημιαγωγικές περιοχές χρησιμοποιούν GaN, επομένως ο σκοπός των διεπαφών εδώ είναι να αλλάξει η προσθήκη, και όχι η σύνθεση του κράματος ημιαγωγών.
Ανοίξτε τον επεξεργαστή Επαφών (δείτε την παρακάτω εικόνα) για να ελέγξετε την άνοδο και την κάθοδο και, στη συνέχεια, ανοίξτε τον επεξεργαστή Δόπησης (δείτε την παρακάτω εικόνα). Η περιοχή p με δόπηση αποδεκτών και οι περιοχές n/n⁺ με δόπηση δοτών θα πρέπει να εμφανίζονται στις αντίθετες πλευρές μιας ευρείας κεντρικής περιοχής χωρίς δόπηση. Το κέντρο της δομής δεν είναι μια ξεχωριστή ετεροδιάσυνση υλικών: το κύριο χαρακτηριστικό του είναι η χαμηλή σκόπιμη δόπηση.
Στην ιδανική προσέγγιση εξάντλησης, μια περιοχή με χαμηλό καθαρό φορτίο μπορεί να υποστηρίξει ένα ηλεκτρικό πεδίο που εκτείνεται σε μεγάλο μέρος του πάχους της. Η τάση που υποστηρίζεται από μια περιοχή σχετίζεται με το χωρικό ολοκλήρωμα του ηλεκτρικού της πεδίου:
\[V_{\mathrm{region}}=-\int_{y_0}^{y_1} E(y)\,\mathrm{d}y.\]Έτσι, μια ευρύτερη περιοχή με χαμηλή συγκέντρωση προσμίξεων μπορεί να κατανείμει μια εφαρμοσμένη αντίστροφη τάση σε μεγαλύτερη απόσταση. Αυτός είναι ένας από τους κύριους λόγους για τους οποίους οι δομές PIN μελετώνται για την αναχαίτιση της τάσης. Αυτό δεν σημαίνει ότι η τάση διάσπασης μπορεί να ληφθεί απλά πολλαπλασιάζοντας το πάχος με μια υποτιθέμενη κρίσιμη τιμή του ηλεκτρικού πεδίου: οι πραγματικές συσκευές έχουν ανομοιογενή πεδία, υπολειμματικό φορτίο, επαφές και συγκέντρωση του πεδίου στις άκρες.
4. Ηλεκτρικά μοντέλα, επαφές και αριθμητική διαμόρφωση.
4.1 Παράμετροι του υλικού GaN
Ανοίξτε τον επεξεργαστή ηλεκτρικών παραμέτρων για να ελέγξετε τις ρυθμίσεις μεταφοράς και ανασυνδυασμού που χρησιμοποιούνται για κάθε περιοχή GaN. Η προσομοίωση έχει ρυθμιστεί ώστε να φορτώνει τις ιδιότητες GaN από τη βάση δεδομένων υλικών OghmaNano, με τις σχετικές σημαίες αντικατάστασης της βάσης δεδομένων να είναι απενεργοποιημένες. Αυτό είναι προτιμότερο από την ανάθεση αυθαίρετων αποτελεσματικών κινητικότητας, ενεργειακών διακένων ή ηλεκτρικών συγγένειων στο αρχείο JSON της συσκευής. Ελέγξτε τα φορτωμένα δεδομένα υλικού εάν χρειάζεστε μια ποσοτικά αναπαραγώγιμη σύγκριση με το πείραμα.
Στην περίπτωση του GaN, οι κύριοι παράγοντες που πρέπει να ληφθούν υπόψη περιλαμβάνουν το μεγάλο ενεργειακό χάσμα, την κινητικότητα των ηλεκτρονίων και των οπών, τις στατιστικές των ελεύθερων φορέων, την ακτινοβολική ανασύνθεση και την ανασύνθεση που υποβοηθείται από παγίδες. Η ονομαστική συγκέντρωση δεκτών που εμφανίζεται στον επεξεργαστή διόδου δεν πρέπει να ταυτίζεται αυτόματα με την πυκνότητα των ελεύθερων οπών: οι δέκτες Mg στο p-GaN δεν ιονίζονται πλήρως σε θερμοκρασία δωματίου. Πρέπει να εξεταστεί ο βαθμός στον οποίο το ηλεκτρικό μοντέλο διαχειρίζεται την ιονισμό των προσμίξεων, πριν εκχωρηθεί μια φυσική αντίσταση επαφής ή εξαχθεί μια μετρημένη πυκνότητα φορέων.
4.2 Επαφές και οριακές συνθήκες
Στην επίδειξη χρησιμοποιούνται ιδανικές ωμικές επαφές για την άνοδο της π-πλευράς και την κάθοδο της ν-πλευράς. Αυτό απλοποιεί την ερμηνεία, καθώς αποφεύγεται ένα δεύτερο στοιχείο ορθωτικής συμπεριφοράς στην επιφάνεια επαφής μετάλλου/ημιαγωγού. Στις κατασκευασμένες συσκευές GaN, ειδικά στις επαφές p-GaN, η επίτευξη χαμηλής αντίστασης ωμικής συμπεριφοράς μπορεί να είναι δύσκολη και περιλαμβάνει τη στοίβα μετάλλων, την προετοιμασία της επιφάνειας και την προσθήκη προσμίξεων.
4.3 Ηλεκτρικό πλέγμα
Ο επεξεργαστής πλέγματος ηλεκτρικών πεδίων (που φαίνεται παρακάτω) απεικονίζει τη διακριτοποίηση κατά μήκος του πάχους του ημιαγωγού. Όταν αλλάζετε την εσωτερική περιοχή από 400 nm σε 800 nm, βεβαιωθείτε ότι το πλέγμα καλύπτει την ενημερωμένη ενεργή στοίβα των 1,3 µm. Μια αρχική επιλογή περίπου 250–260 σημείων παρέχει απόσταση της τάξης των 5 nm· το λογισμικό μπορεί να επαναδημιουργήσει αυτόματα το πλέγμα ανάλογα με τη διαμόρφωση. Για μια πιο ποσοτική μελέτη, επαναλάβετε την προσομοίωση με ένα πιο λεπτομερές πλέγμα και ελέγξτε ότι η καμπύλη J–V και τα εσωτερικά προφίλ παραμένουν ουσιαστικά αμετάβλητα.
4.4 Μεταφορά και ανασυνδυασμός
Το OghmaNano συνδέει την ηλεκτροστατική εξίσωση Poisson με τις εξισώσεις συνέχειας για τα ηλεκτρόνια και τις οπές. Σε μία διάσταση, οι στατικές εξισώσεις μπορούν να γραφτούν σχηματικά ως εξής:
\[\frac{\mathrm{d}}{\mathrm{d}y}\!\left(\varepsilon\frac{\mathrm{d}\phi}{\mathrm{d}y}\right)=-\rho,\qquad \frac{\mathrm{d}J_n}{\mathrm{d}y}=q(R-G),\qquad \frac{\mathrm{d}J_p}{\mathrm{d}y}=-q(R-G),\]όπου \(\phi\) είναι το ηλεκτροστατικό δυναμικό, \(\rho\) η τοπική πυκνότητα φορτίου, \(J_n\) και \(J_p\) οι πυκνότητες ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών, \(G\) ο ρυθμός δημιουργίας και \(R\) ο καθαρός ρυθμός ανασύνθεσης. Με αυτές τις συμβάσεις προσήμων, η συνολική πυκνότητα ρεύματος \(J_n+J_p\) είναι σταθερή σε μια συγκλίνουσα, σταθερής κατάστασης, μονοδιάστατη συσκευή.
Το μοντέλο ανασυνδυασμού μπορεί να περιλαμβάνει άμεσες ανασυνδυώσεις ζώνης-σε-ζώνη (ελεύθερου σε ελεύθερο) και συνεισφορές Shockley–Read–Hall (SRH). Η σχετική τους σημασία εξαρτάται από την ποιότητα του υλικού, το επίπεδο έγχυσης και τις παραμέτρους του μοντέλου. Η άμεση ενεργειακή διαφορά του GaN καθιστά φυσικά δυνατή την ακτινοβόλο ανασυνδυασμό, αλλά η παρουσία του σε ένα μοντέλο δεν συνεπάγεται ότι μια συγκεκριμένη συσκευή που απεικονίζεται είναι μια αποδοτική LED.
5. Εκτέλεση της προσομοίωσης του σκοτεινού J–V.
Ρυθμίστε την περιοχή της τάσης σάρωσης από -2,0 V έως +5,0 V, με βήματα 0,025 V. Η αρνητική τάση εφαρμόζει αντίστροφη πόλωση στη δομή PIN, ενώ η θετική τάση την οδηγεί σε κατάσταση άμεσης αγωγιμότητας. Η επιθυμητή διαμόρφωση πόλωσης είναι:
"Vstart": -2.0,
"Vstop": 5.0,
"Vstep": 0.025Από το κύριο παράθυρο, επιλέξτε "Εκτέλεση προσομοίωσης". Κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης της προσομοίωσης, χρησιμοποιήστε την καρτέλα "Τερματικό" για να παρακολουθείτε την πρόοδο και τη σύγκλιση. Μετά την ολοκλήρωση, ανοίξτε την καρτέλα "Έξοδος" και επιλέξτε "jv.csv" για να απεικονίσετε την πυκνότητα ρεύματος σε σχέση με την εφαρμοσμένη τάση. Στις παρακάτω εικόνες εμφανίζεται το πρόγραμμα προβολής εξόδου, το τερματικό του επιλυτή και η προκύπτουσα καμπύλη J–V.
Σε αντίστροφη πόλωση, το προσομοιωμένο ρεύμα είναι μικρό σε σχέση με την τιμή του σε θετική πόλωση. Καθώς αυξάνεται η θετική τάση, η ένεση φορέων αυξάνεται ραγδαία και η δίοδος ενεργοποιείται. Σε μεγαλύτερες θετικές τάσεις, η καμπύλη γίνεται πιο γραμμική σε έναν γραμμικό άξονα πυκνότητας ρεύματος, υποδεικνύοντας ότι το ρεύμα επηρεάζεται όλο και περισσότερο από την αγώγιμη μεταφορά και άλλες μη ιδανικές συμπεριφορές στην προσομοιωμένη δομή. Μια εξομάλυνση της κλίσης σε έναν λογαριθμικό άξονα ρεύματος δεν θα πρέπει να ερμηνεύεται αυτόματα ως ένδειξη απόλυτου κορεσμού του ρεύματος: μια κατά προσέγγιση γραμμική αύξηση του ρεύματος εμφανίζεται επίσης σταδιακά πιο επίπεδη σε ένα λογαριθμικό γράφημα.
Για μια απλή σύγκριση με τη θεωρία των διόδων, η χαρακτηριστική καμπύλη χαμηλής έως μέτριας τάσης πόλωσης μπορεί να συσχετιστεί με
\[J\approx J_0\left[\exp\!\left(\frac{qV}{nk_{\mathrm B}T}\right)-1\right],\]όπου \(J_0\) είναι το αποτελεσματικό ρεύμα κορεσμού και \(n\) ο αποτελεσματικός παράγοντας ιδανικότητας. Μια δίοδος PIN μπορεί να αποκλίνει σημαντικά από μια ενιαία ιδανική κατάσταση Shockley, επειδή η ανασυνδυασμός στην περιοχή εξάντλησης, η έγχυση στην εγγενή στρώση, η έγχυση υψηλού επιπέδου και η σειρά αντίστασης μπορούν να επηρεάσουν το ρεύμα. Επομένως, η απλή έκφραση θα πρέπει να θεωρείται ως μια διαγνωστική προσέγγιση και όχι ως η βασική εξίσωση που επιλύει το OghmaNano.
Η αντίστροφη τάση διακοπής δεν είναι ισοδύναμη με την παρατηρούμενη διάσπαση λόγω χιονοστιβάδας. Μια μέτρηση που φτάνει έως τα -2 V ελέγχει μόνο τη συμπεριφορά με μικρή αντίστροφη τάση πόλωσης. Η τάση στην οποία μια κατασκευασμένη συσκευή ισχύος GaN παρουσιάζει διάσπαση εξαρτάται από τη φυσική των υψηλών ηλεκτρικών πεδίων, τα ελαττώματα του υλικού, τις διαδρομές διαρροής, τη γεωμετρία και την οριοθέτηση των άκρων, και δεν μπορεί να εξαχθεί μόνο από αυτή την επίδειξη.
6. Εξέταση των αποτελεσμάτων της εσωτερικής προσομοίωσης.
Μετά την ολοκλήρωση της σειράς μετρήσεων J–V, το εργαλείο προβολής στιγμιότυπων της OghmaNano επιτρέπει την οπτικοποίηση των αποτελεσμάτων με χωρική ανάλυση σε επιλεγμένα σημεία τάσης. Οι παρακάτω εικόνες απεικονίζουν τέσσερις θέσεις εντός της αποθηκευμένης σειράς μετρήσεων, ξεκινώντας από την πρώτη έως την τελευταία επιλεγμένη εικόνα. Οι ονομασίες τους (-0 έως -3) προσδιορίζουν τις θέσεις των εικόνων και όχι τις τιμές τάσης. Για να πραγματοποιήσετε ποσοτικές συγκρίσεις, διαβάστε την πραγματική επιλεγμένη τιμή τάσης από το εργαλείο προβολής στιγμιότυπων.
6.1 Όρια ζωνών και επίπεδα ψευδο-Fermi
Ανοίξτε το πρόγραμμα προβολής στιγμιότυπων και απεικονίστε μαζί τα Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv και Fp.csv. Αυτά αντιστοιχούν στις άκρες των ζωνών αγωγιμότητας και σθένους, καθώς και στις ψευδο-επίπεδα Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές. Οι εικόνες ??–?? δείχνουν την εξέλιξή τους κατά τη διάρκεια της σάρωσης της τάσης.
Σε αντίστροφη πόλωση, αναμένεται ότι μεγάλο μέρος της μεταβολής της δυναμικής θα συμβαίνει στην ελαφρά ντοπαρισμένη περιοχή της ενδογενούς ημιαγωγού, δημιουργώντας μια σχετικά εκτεταμένη κλίση της ενεργειακής ζώνης. Η άμεση πόλωση μειώνει το αποτελεσματικό φράγμα έγχυσης και δημιουργεί μια εξαρτώμενη από την πόλωση διαχωρισμό των επιπέδων των ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές. Οι χωρικές κλίσεις αυτών των επιπέδων είναι σημαντικές επειδή καθορίζουν τη ροή του ρεύματος· η κάμψη της ενεργειακής ζώνης και ο διαχωρισμός των επιπέδων των ψευδο-Fermi θα πρέπει να εξετάζονται μαζί και όχι να ερμηνεύονται ανεξάρτητα.
Ως βασικός φυσικός έλεγχος, η απόσταση μεταξύ των \(E_c\) και \(E_v\) στις στρώσεις GaN θα πρέπει να είναι σύμφωνη με το εύρος ζώνης GaN της βάσης δεδομένων υλικών, και όχι με μια προεπιλεγμένη τιμή που έχει απομείνει από κάποιο άλλο ημιαγωγό. Δεδομένου ότι πρόκειται για μια ομογενή συσκευή PIN, δεν αναμένονται απότομες μεταβολές στο εύρος ζώνης που προκαλούνται από τη σύνθεση στις μεταβάσεις p/i/n.
6.2 Πυκνότητες ηλεκτρονίων και οπών.
Σχεδιάστε τα Q_nfree.csv και Q_pfree.csv (ή τα αποτελέσματα της πυκνότητας των φορέων ηλεκτρονίων και οπών που παρουσιάζει η εγκατεστημένη έκδοση). Σε χαμηλή ένταση έγχυσης, οι πυκνότητες των φορέων πλειονότητας συγκεντρώνονται στις αντίστοιχες περιοχές με προσθήκη προσμίξεων. Η μη προσμειγμένη κεντρική περιοχή περιέχει πολύ χαμηλότερες συγκεντρώσεις ισορροπίας των φορέων. Σε ισχυρή κατάσταση άμεσης πόλωσης, οι εγχυόμενοι φορείς καταλαμβάνουν ένα μεγαλύτερο τμήμα της εγγενούς περιοχής και η ανασυνδυασμός μπορεί να αυξηθεί σημαντικά.
Η απότομη αλλαγή στην ονομαστική πυκνότητα προσμίξεων δεν συνεπάγεται απαραίτητα ένα πανομοιότυπο, απότομο προφίλ ελεύθερων φορέων. Η πυκνότητα των φορέων καθορίζεται με αυτοσυνεπή τρόπο από τις ενέργειες της ζώνης, τα επίπεδα Fermi, την πυκνότητα των καταστάσεων και την ουδετερότητα του φορτίου. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στην πλευρά του p-GaN, εάν το μοντέλο υλικού χρησιμοποιεί μια απλοποιημένη προσέγγιση για την ατελή ιονισμό των δεκτών ιόντων.
6.3 Ανασυνδυασμός στην εσωτερική περιοχή
Δείτε τα διαγράμματα χωρικής ανασύνθεσης στα ίδια σημεία πόλωσης. Τα διαγράμματα ανασύνθεσης σε αυτό το παράδειγμα δείχνουν πώς αναπτύσσεται η περιοχή σημαντικής επικάλυψης και ανασύνθεσης ηλεκτρονίων-οπών καθώς αυξάνεται η άμεση έγχυση. Ερμηνεύστε το ύψος και το πλάτος κάθε σχεδιασμένου προφίλ μαζί: μια μεγάλη τοπική κορυφή δεν είναι απαραίτητα η μεγαλύτερη συνεισφορά στον συνολικό ρυθμό ανασύνθεσης της συσκευής.
Για μια άμεση μετάβαση από ζώνη σε ζώνη, ο συνολικός ρυθμός εκπομπής ακτινοβολίας ακολουθεί συνήθως την ακόλουθη μορφή:
\[R_{\mathrm{rad}}=B\left(np-n_i^2\right),\]όπου \(B\) είναι ο συντελεστής ανασύνθεσης υλικού. Η ανασύνθεση SRH εξαρτάται από τις παραμέτρους των ελαττωμάτων και μπορεί να παρουσιάζει διαφορετική χωρική κατανομή. Για να συγκρίνετε τους μηχανισμούς, σχεδιάστε τους ξεχωριστά, εάν και οι δύο είναι διαθέσιμοι και ενεργοποιημένοι στη φορτωμένη συσκευή. Μην υποθέτετε ότι ένα γράφημα συνολικής ανασύνθεσης χωρίς ετικέτα υποδεικνύει έναν μόνο μικροσκοπικό μηχανισμό.
6.4 Ρυθμοί ανασύνθεσης/συνέχειας ηλεκτρονίων και οπών.
Τα επιπλέον διαγράμματα που απεικονίζουν τις μεταβολές του ρυθμού των ηλεκτρονίων και των οπών είναι χρήσιμα για την ανάλυση των περιοχών όπου οι συγκεντρώσεις των φορέων μεταβάλλονται πιο γρήγορα μέσω ανασυνδυασμού και έγχυσης. Οι τέσσερις εικόνες οθόνης που ακολουθούν δείχνουν πώς αυτά τα υπολογισμένα προφίλ μεταβάλλονται ανάλογα με την τάση. Εάν ο εμφανιζόμενος ρυθμός είναι θετικός ή περιέχει τόσο συνεισφορές δημιουργίας όσο και ανασυνδυασμού, χρησιμοποιήστε την επεξήγηση του διαγράμματος και την κεφαλίδα του αρχείου δεδομένων για να προσδιορίσετε τη σωστή φυσική ερμηνεία πριν συγκρίνετε τις τιμές.
6.5 Η τρέχουσα κατάσταση διατήρησης ως έλεγχος μοντέλου.
Για κάθε σταθερό σημείο λειτουργίας, σχεδιάστε την πυκνότητα ρεύματος ηλεκτρονίων \(J_n\) και την πυκνότητα ρεύματος οπών \(J_p\), εφόσον αυτά τα δεδομένα είναι διαθέσιμα. Κάθε συνιστώσα μπορεί να μεταβάλλεται ανάλογα με τη θέση καθώς οι φορείς φορτίου ανασυνδυάζονται, αλλά το συνολικό \(J_n+J_p\) θα πρέπει να διατηρείται σταθερό σε μια συγκλίνουσα μονοδιάστατη συσκευή, χωρίς πρόσθετους όρους συσσώρευσης φορτίου. Αυτός είναι ένας ιδιαίτερα χρήσιμος έλεγχος, όταν μια μικρή, φαινομενική διακύμανση σε ένα σήμα χαμηλού ρεύματος θα μπορούσε να παρερμηνευτεί ως φυσικό φαινόμενο.
7. Προτεινόμενες ασκήσεις
8. Φυσικές παραδοχές και περιορισμοί.
Αυτό το παράδειγμα προορίζεται ως εκπαιδευτική προσομοίωση ομαδικής διάχυσης-μεταφοράς GaN. Παρέχει μια ουσιαστική πρώτη εικόνα της ηλεκτροστατικής και της έγχυσης φορέων σε μια διάταξη PIN, αλλά δεν αποτελεί βαθμονομημένο εμπορικό μοντέλο συσκευής. Ειδικότερα, τα αποτελέσματα θα πρέπει να ερμηνεύονται με τις ακόλουθες επιφυλάξεις.
- Ιδανικά χαρακτηριστικά επαφών: τα φράγματα επαφής μεταξύ του μετάλλου και του GaN, καθώς και η πρακτική αντίσταση επαφής του p-GaN, δεν έχουν επαληθευτεί ρητά.
- Ονομαστική προσθήκη προσμείξεων: Η ενεργοποίηση των δεκτών τύπου p και η υπολειπόμενη φόρτιση στο φαινομενικά καθαρό GaN μπορούν να αλλάξουν την φυσική κατανομή της φόρτισης.
- Διάσπαση σε υψηλό πεδίο: η σάρωση J–V δεν καθορίζει τη διάσπαση λόγω χιονοστιβάδας, την τάση μπλοκαρίσματος που περιορίζεται από τον όρο τερματισμού ή την αξιοπιστία υπό υψηλή αντίστροφη πόλωση.
- Μονοδιάστατη μεταφορά: το μοντέλο παραλείπει την πλευρική συγκέντρωση ρεύματος, τη διαρροή στις άκρες, τις πλάκες πεδίου και τη γεωμετρία τερματισμού της συσκευής.
- Ελαττώματα και ανασυνδυασμός: οι ρεαλιστικές ποσοτικές προβλέψεις διαρροής και ανασυνδυασμού απαιτούν βαθμονομημένες παραμέτρους ελαττωμάτων του όγκου και της διεπιφάνειας.
- Θερμικά και δυναμικά φαινόμενα: η αυτοθέρμανση, οι μεταβατικές καταστάσεις κατά την αλλαγή και οι επιπτώσεις της αποθήκευσης φορτίου από φορείς μειονοτήτων πρέπει να αξιολογούνται ξεχωριστά, όταν αυτό είναι απαραίτητο.
Αυτοί οι περιορισμοί δεν μειώνουν την αξία του παραδείγματος ως σημείο εκκίνησης. Η διάταξη των στρώσεων και η καμπύλη J–V απεικονίζουν τι συμβαίνει όταν μια περιοχή με χαμηλή συγκέντρωση προσμίξεων εισάγεται σε μια δίοδο ημιαγωγού με μεγάλο ενεργειακό χάσμα. Παρέχουν επίσης μια αναπαραγώγιμη βάση για τη δοκιμή πιο εξελιγμένων μοντέλων μεταφοράς και ανασύνθεσης.
9. Επόμενα βήματα.
Αφού εξετάσουμε τη δίοδο GaN PIN, συγκρίνουμε την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου της με μια συνηθισμένη δίοδο GaN PN και στη συνέχεια διερευνούμε πώς το πάχος της εγγενούς στρώσης και η υπολειπόμενη προσθήκη προσμείκτων επηρεάζουν τη διόρθωση. Σε μια πιο προηγμένη μελέτη, θα μπορούσαμε να εισαγάγουμε βαθμιδωτές καταστάσεις παγίδευσης, μη ιδανικές επαφές και μηχανισμούς μεταφοράς υψηλού πεδίου για να εξετάσουμε τα όρια της απλής εικόνας διάχυσης-παρασυρμού.