Προσομοίωση διόδου PN GaN: Μέθοδος μεταφοράς-διάχυσης, καμπύλες J–V και ανασυνδυασμός.
1. Εισαγωγή
Μια δίοδος PN από νιτρίδιο γαλλίου (GaN) αποτελείται από περιοχές τύπου p και τύπου n του ίδιου ημιαγωγού, οι οποίες ενώνονται για να σχηματίσουν μια ανορθωτική σύνδεση. Τα ηλεκτρόνια και οι οπές ανακατανέμονται στην επιφάνεια επαφής, δημιουργώντας μια περιοχή εξάντλησης και ένα ενσωματωμένο δυναμικό φράγμα. Όταν εφαρμόζεται θετική τάση, το φράγμα μειώνεται και το ρεύμα αυξάνεται απότομα· όταν εφαρμόζεται αντίστροφη τάση, η σύνδεση καταστέλλει την έγχυση φορέων. Η προκύπτουσα ασύμμετρη απόκριση ρεύματος-τάσης αποτελεί την βασική αρχή λειτουργίας ενός ημιαγωγού ανορθωτή.
Το GaN είναι ένας ημιαγωγός III–V με μεγάλο ενεργειακό χάσμα, με ενεργειακό χάσμα σε θερμοκρασία δωματίου περίπου 3,4 eV. Η υψηλή κρίσιμη ηλεκτρική τάση και η χαμηλή εγγενής συγκέντρωση φορέων το καθιστούν ελκυστικό για μετατροπή ισχύος, ηλεκτρική διόρθωση και ηλεκτρονικά υψηλών θερμοκρασιών. Η συμπαγής ομοπροσέγγιση p-GaN/n-GaN σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό παρέχει έναν σαφή τρόπο για να διερευνηθεί πώς το ενσωματωμένο φράγμα ελέγχει τη ροή του ρεύματος και πώς οι ιδιότητες του υλικού GaN επηρεάζουν μια διορθωτική σύνδεση.
Σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό, το OghmaNano χρησιμοποιείται για την εξερεύνηση της ηλεκτρικής ανορθωσης, της μεταφοράς φορέων μέσω της διαδικασίας διάχυσης-παρασυρμού, της κάμψης των ενεργειακών ζωνών και της ανασύνθεσης. Οι συνδυασμένες εξισώσεις Poisson και συνέχειας ηλεκτρονίων/οπών υπολογίζουν το ρεύμα που διαρρέει τη δίοδο, καθώς και τα εσωτερικά προφίλ των φορέων και των ηλεκτροστατικών δυναμικών ως συνάρτηση της θέσης και της εφαρμοσμένης τάσης. Αυτό συνδέει την οικεία χαρακτηριστική καμπύλη J–V με τις φυσικές διεργασίες που λαμβάνουν χώρα στην περιοχή της σύνδεσης.
Οι λεπτές, κάθετα στοιβαγμένες στρώσεις εμφανίζονται στο κύριο παράθυρο της συσκευής OghmaNano (??). Η απεικόνιση είναι τρισδιάστατη, αλλά η ηλεκτρική προσομοίωση που παρουσιάζεται εδώ είναι μονοδιάστατη κατά μήκος της κατεύθυνσης ανάπτυξης της στρώσης.
2. Δημιουργία μιας νέας προσομοίωσης.
Από το κύριο παράθυρο του OghmaNano, επιλέξτε "Νέα προσομοίωση". Στο πρώτο παράθυρο διαλόγου εμφανίζονται οι διαθέσιμες κατηγορίες προσομοίωσης (??). Ανοίξτε την κατηγορία "Παραδείγματα III–V/GaN" και επιλέξτε την επίδειξη της διόδου GaN PN (??). Η ακριβής σειρά των παραδειγμάτων μπορεί να διαφέρει ανάλογα με την έκδοση του OghmaNano.
Αφού φορτώσετε το παράδειγμα, ανοίξτε τον επεξεργαστή στρώσεων από την κορδέλα της συσκευής. Αυτό εμφανίζει τις ημιαγωγικές περιοχές, τα πάχη τους και τις επιλεγμένες εγγραφές της βάσης δεδομένων υλικών. Η συσκευή είναι μια ομοαρμογή PN, με τις στρώσεις p-GaN και n-GaN να σχηματίζουν την ηλεκτρικά ενεργή περιοχή.
3. Εξέταση της δομής της συσκευής, των επαφών και της προσθήκης προσμίξεων.
3.1 Δομή στρώσεων
Η ηλεκτρική στοίβα αποτελείται από τρεις περιοχές GaN. Οι στρώσεις p-GaN και n-GaN σχηματίζουν την περιοχή διόδου· η στρώση n⁺-GaN παρέχει μια περιοχή με υψηλότερη συγκέντρωση προσμίξεων, η οποία βρίσκεται δίπλα στην κάθοδο. το συνολικό πάχος του ημιαγωγού είναι 700 nm., εξαιρουμένου του περιβάλλοντος αέρα που χρησιμοποιείται για την οπτικοποίηση. Ο επεξεργαστής στρώσεων εμφανίζεται στην εικόνα ??.
| στρώση | πάχος | Ονομαστική ντόπαρισμα | ηλεκτρολογικός ρόλος |
|---|---|---|---|
| p-GaN (δοπημένο με μαγνήσιο) | 250 νανόμετρα | \(N_A=5\times10^{17}\,\mathrm{cm^{-3}}\) | Η πλευρά της σύνδεσης PN με πλειονότητα οπών. |
| n-GaN (δοπημένο με Si) | 350 νανόμετρα | \(N_D=5\times10^{17}\,\mathrm{cm^{-3}}\) | Η πλευρά της σύνδεσης PN με πλειονότητα ηλεκτρονίων. |
| n⁺-GaN | 100 νανόμετρα | \(N_D=1\times10^{18}\,\mathrm{cm^{-3}}\) | Περιοχή στην πλευρά της καθόδου με μεγαλύτερη συγκέντρωση προσμίξεων. |
3.2 Επικοινωνία
Στο παράδειγμα χρησιμοποιούνται ιδανικές ωμικές συνοριακές συνθήκες στην πλευρά της ανόδου τύπου p και στην πλευρά της καθόδου τύπου n. Αυτές οι συνοριακές συνθήκες επιτρέπουν την εστίαση στην εσωτερική ηλεκτρική απόκριση της σύνδεσης. Στις κατασκευασμένες διόδους GaN, η αντίσταση επαφής και η ενεργοποίηση των δεκτών Mg επηρεάζουν την πτώση της τάσης και την ένεση ρεύματος· και οι δύο είναι χρήσιμες παράμετροι για πιο προηγμένες μελέτες.
3.3 Προφίλ προσμίξεων και περιοχή εξάντλησης
Ανοίξτε τον επεξεργαστή Doping / Ions από την καρτέλα Electrical για να δείτε τις κατανομές των δεκτών και των δοτών (??). Μια ενιαία απότομη μετάβαση από το p-GaN με προσθήκη δεκτών σε n-GaN με προσθήκη δοτών ορίζει την ενεργό σύνδεση PN. Η περιοχή n⁺ εισάγει ένα δεύτερο βήμα στη συγκέντρωση των δοτών κοντά στην κάθοδο.
Σε κατάσταση θερμικής ισορροπίας, στη διασταύρωση σχηματίζεται μια περιοχή εξάντλησης καθώς οι φορείς φορτίου διαχέονται και αφήνουν πίσω τους ιονισμένα άτομα προσμίξεων. Στο πλαίσιο της προσέγγισης της περιοχής εξάντλησης, το χαρακτηριστικό πλάτος εξαρτάται από τη διηλεκτρική σταθερά, την προσμίξη σε κάθε πλευρά και την τάση που διατηρεί η διασταύρωση. Για μια συμβατική διασταύρωση με απότομη μετάβαση, η γνωστή σχέση είναι:
\[ W \simeq \sqrt{\frac{2\varepsilon_s}{q}\left(\frac{1}{N_A}+\frac{1}{N_D}\right)(V_{\mathrm{bi}}-V)}. \]Εδώ, το \(V\) είναι η εφαρμοσμένη τάση της σύνδεσης, το \(V_{\mathrm{bi}}\) είναι η ενσωματωμένη δυναμική και το \(\varepsilon_s\) είναι η διηλεκτρική σταθερά του GaN. Αυτή η έκφραση παρέχει μια χρήσιμη αναφορά για την ερμηνεία του αυτοσυνεπούς ηλεκτρικού πεδίου που υπολογίζεται από το OghmaNano, ειδικά όταν εξετάζεται πώς η προσθήκη προσμίξεων και η εφαρμοσμένη τάση επηρεάζουν τη σύνδεση.
4. Ηλεκτρικές παράμετροι και μοντέλα υλικών.
4.1 Μοντέλο υλικού GaN Lua
Και οι τρεις ηλεκτρικά ενεργές ημιαγωγικές στρώσεις αναφέρονται στο μοντέλο υλικού Inorganic/GaN/GaN.lua. Η ηλεκτρική βάση δεδομένων υλικών παρέχει ποσότητες όπως το ενεργειακό χάσμα, η ηλεκτροαρνητικότητα, η πυκνότητα των καταστάσεων, η διηλεκτρική σταθερά, οι κινητικότητες και οι παράμετροι ανασυνδυασμού. Στο παράδειγμα JSON, οι σχετικές διακόπτες db_overrides είναι απενεργοποιημένοι, επομένως οι τιμές που χρησιμοποιούνται θα πρέπει να είναι αυτές που επιστρέφονται από το μοντέλο Lua και όχι οι ανενεργές τιμές που εμφανίζονται αλλού στο αποθηκευμένο αρχείο. Το ενεργειακό χάσμα του GaN θα πρέπει να είναι περίπου 3,4 eV σε θερμοκρασία δωματίου· επιβεβαιώστε το στα εμφανιζόμενα προφίλ ζωνών ή στις υπολογισμένες παραμέτρους υλικού.
Τα στιγμιότυπα οθόνης για τις προβολές του επεξεργαστή κώδικα υλικού και παραμέτρων ομαδοποιούνται παρακάτω. Ορισμένα ονόματα αρχείων των αρχικών στιγμιοτύπων οθόνης διατηρούν ιστορικές ετικέτες GaAs/AlGaAs. Ωστόσο, η ενεργή προσομοίωση που περιγράφεται σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα χρησιμοποιεί αποκλειστικά GaN. Στο λογισμικό, ελέγξτε τη διαδρομή υλικού Lua για το GaN και μην συμπεραίνετε το υλικό από το όνομα του αρχείου εικόνας.
4.2 Μεταφορά μέσω φορέων
Το OghmaNano επιλύει την εξίσωση Poisson για τους ημιαγωγούς, μαζί με τις εξισώσεις συνέχειας για τα ηλεκτρόνια και τις οπές, χρησιμοποιώντας εκφράσεις ρεύματος διάχυσης-παρασυρμού. Οι πυκνότητες ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών εξαρτώνται από το τοπικό ηλεκτρικό πεδίο, την κινητικότητα και την κλίση της συγκέντρωσης των φορέων:
\[ J_n=q\mu_n n E+qD_n\frac{dn}{dy},\qquad J_p=q\mu_p p E-qD_p\frac{dp}{dy}. \]Αυτές οι εκφράσεις περιγράφουν δύο συμπληρωματικούς μηχανισμούς: την εκτροπή που οφείλεται στο εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο και τη διάχυση που οφείλεται στις κλίσεις της συγκέντρωσης των φορέων. Σε σταθερή κατάσταση, η αλληλεπίδρασή τους καθορίζει το συνολικό ρεύμα της διόδου. Το μοντέλο επιλύει επίσης τα ψευδο-επίπεδα Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές, και η μεταβολή τους παρέχει μια εναλλακτική άποψη των κινητήριων δυνάμεων των φορέων.
4.3 Ανασυνδυασμός
Τα εγχυόμενα ηλεκτρόνια και οι οπές μπορούν να συνδυαστούν εντός του GaN. Το παράδειγμα περιλαμβάνει τις διαμορφωμένες διαδικασίες συνδυασμού του υλικού, συμπεριλαμβανομένων των όρων Shockley–Read–Hall (SRH) που βασίζονται σε ελαττώματα, όπου αυτά ενεργοποιούνται από τα αντίστοιχα δεδομένα του υλικού. Η συνήθης ιδανική έκφραση SRH είναι η εξής:
\[ R_{\mathrm{SRH}}=\frac{np-n_i^2}{\tau_p(n+n_1)+\tau_n(p+p_1)}. \]Οι χρόνοι ζωής των SRH εξαρτώνται από τις πυκνότητες των παγίδων, τις θερμικές ταχύτητες των φορέων και τις διατομές σύλληψης. Αυτές οι παράμετροι καθορίζουν πόσο αποτελεσματικά ανασυνδυάζονται οι εγχυόμενοι φορείς και, επομένως, επηρεάζουν το σχήμα και το μέγεθος της χαρακτηριστικής καμπύλης ρεύματος-τάσης. Η εξέταση του χωρικού ρυθμού ανασυνδυασμού βοηθά στον εντοπισμό του σημείου όπου συγκεντρώνεται η απώλεια των φορέων εντός της σύνδεσης.
4.4 Αριθμητικό πλέγμα
Το ηλεκτρικό πλέγμα καλύπτει την στοίβα GaN των 700 nm με 150 σημεία κατά μήκος της κατεύθυνσης ανάπτυξης, παρέχοντας μια μέση απόσταση περίπου 4,7 nm. Αυτό αποτελεί μια λογική αρχική ανάλυση για μια επίδειξη διδασκαλίας. Ο επεξεργαστής πλέγματος (??) σας επιτρέπει να ελέγξετε την κατανομή των κόμβων και να την βελτιώσετε κατά την ανάλυση απότομων κλίσεων στην περιοχή εξάντλησης.
5. Εκτέλεση της προσομοίωσης J–V.
Το παράδειγμα έχει ρυθμιστεί για μια διαδοχική αλλαγή της τάσης από 0 V έως +5 V, με βήματα των 0,025 V. Ξεκινήστε την προσομοίωση χρησιμοποιώντας την επιλογή "Εκτέλεση προσομοίωσης". Κατά τη διάρκεια της διαδοχικής αλλαγής, το παράθυρο εξόδου εμφανίζει αριθμητικές πληροφορίες προόδου και σύγκλισης (??). Μετά την ολοκλήρωση, η καρτέλα "Έξοδος" περιέχει τα αποτελέσματα που δημιουργήθηκαν, συμπεριλαμβανομένων των jv.csv και των δεδομένων που σχετίζονται με τη συσκευή.
Ανοίξτε το jv.csv για να ελέγξετε την τρέχουσα πυκνότητα σε σχέση με την εφαρμοσμένη τάση. Η γραμμική προβολή (??) και η λογαριθμική προβολή (??) παρουσιάζουν την ίδια ηλεκτρική απόκριση με συμπληρωματικό τρόπο. Το γραμμικό γράφημα δείχνει πώς αυξάνεται το ρεύμα σε υψηλή τάση προς τα εμπρός· το λογαριθμικό γράφημα καθιστά ευκολότερη την ανίχνευση της έναρξης της ένεσης και της απόκρισης χαμηλού ρεύματος.
5.1 Ερμηνεία της καμπύλης της κατάστασης άμεσης πόλωσης.
Σε χαμηλή τάση άνοδου, το δυναμικό φράγμα περιορίζει σημαντικά την έγχυση φορέων μειονοτήτων, επομένως το καθαρό ρεύμα παραμένει μικρό. Καθώς η εφαρμοσμένη τάση αυξάνεται, το φράγμα της σύνδεσης μειώνεται, τα ηλεκτρόνια και οι οπές διασχίζουν ευκολότερα τη σύνδεση PN και το ρεύμα αυξάνεται ραγδαία. Σε ένα ημιλογαριθμικό γράφημα, μια σχεδόν εκθετική περιοχή περιγράφεται συχνά τοπικά χρησιμοποιώντας την εξίσωση της διόδου.
\[ J\simeq J_0\left[\exp\left(\frac{qV}{n_{\mathrm{id}}k_{\mathrm B}T}\right)-1\right], \]όπου \(J_0\) είναι το αποτελεσματικό ρεύμα κορεσμού και \(n_{\mathrm{id}}\) είναι ο παράγοντας ιδανικότητας. Αυτή η εξίσωση αποτελεί ένα χρήσιμο εργαλείο ερμηνείας, αλλά όχι ένα ανεξάρτητο μοντέλο για ολόκληρη τη συσκευή που προσομοιώνεται. Συγκεκριμένα, μια αλλαγή στην κλίση σε υψηλότερα ρεύματα μπορεί να υποδεικνύει σειρά αντίστασης, φαινόμενα έγχυσης ή αλλαγές στην ανασυνδυασμό. Η έντονη αύξηση του ρεύματος που φαίνεται στις παρεχόμενες εικόνες οθόνης είναι σύμφωνη με την ανορθωτική συμπεριφορά υπό θετική πόλωση, αλλά ένας συγκεκριμένος παράγοντας ιδανικότητας θα πρέπει να αναφέρεται μόνο μετά την προσαρμογή σε ένα κατάλληλο διάστημα τάσης.
5.2 Μελέτη της συμπεριφοράς της διασταύρωσης υπό αντίστροφη πόλωση.
Η βασική καμπύλη J–V εκτείνεται από 0 V έως +5 V και απεικονίζει την εξέλιξη της αγώγιμης κατάστασης. Για μια συμπληρωματική άσκηση, ορίστε μια αρνητική αρχική τάση και εξετάστε την αλλαγή στην κάμψη της ενεργειακής ζώνης, το πλάτος της περιοχής εξάντλησης και την κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου υπό αντίστροφη πόλωση. Αυτό παρέχει μια χρήσιμη σύγκριση με την άμεση έγχυση και απεικονίζει τον τρόπο με τον οποίο η σύνδεση PN ανταποκρίνεται στην πολικότητα της εφαρμοσμένης τάσης.
6. Εξέταση στιγμιότυπων προσομοίωσης: ζώνες, πυκνότητες φορέων, ρεύματα και ανασυνδυασμός.
Η προβολή στιγμιότυπων παρέχει εσωτερικά δεδομένα σε επιλεγμένα σημεία κατά μήκος της διαδρομής τάσης. Οι τέσσερις εικόνες σε κάθε ομάδα που ακολουθεί αντιστοιχούν σε διαδοχικά επιλεγμένες θέσεις στην αποθηκευμένη διαδρομή· φέρουν την ετικέτα «στιγμιότυπο 0–3» και όχι τις ακριβείς τιμές τάσης, επειδή η θέση του ρυθμιστικού από μόνη της δεν καθορίζει την τιμή της τάσης πόλωσης. Η επιλεγμένη εφαρμοσμένη τάση εμφανίζεται στην προβολή και θα πρέπει να διαβάζεται απευθείας για ποσοτική ερμηνεία.
6.1 Ζώνες αγωγιμότητας και σθένους· επίπεδα ψευδο-Fermi
Ανοίξτε τα αρχεία Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv και Fp.csv από τα δεδομένα της στιγμιαίας λήψης. Οι άκρες της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους περιγράφουν το ηλεκτροστατικό φράγμα της σύνδεσης. Τα επίπεδα ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές δείχνουν πώς οι πληθυσμοί των φορέων αποκλίνουν από την ισορροπία. Στο μηδενικό δυναμικό, το επίπεδο Fermi ισορροπίας θα πρέπει να είναι κοινό σε όλη τη συνδεδεμένη συσκευή, ενώ η εφαρμοζόμενη τάση προς τα εμπρός δημιουργεί μια αυξανόμενη απόκλιση μεταξύ των ηλεκτροχημικών δυναμικών των φορέων.
Σε μια ομοαρμογή GaN, και οι δύο πλευρές χρησιμοποιούν τον ίδιο ημιαγωγό, επομένως η μεταβολή της ζώνης ενέργειας στην περιοχή της σύνδεσης P-N οφείλεται κυρίως στην ηλεκτροστατική κάμψη της ζώνης. Συγκρίνετε το φράγμα κοντά στην διεπιφάνεια p-n σε χαμηλή τάση με το προφίλ μετά την αύξηση της εμπρόσθιας ένεσης. Το βήμα των δοτών n/n⁺ μπορεί να επηρεάσει την τοπική κάμψη χωρίς να αλλάξει το θεμελιώδες ενεργειακό χάσμα του GaN.
6.2 Πυκνότητες φορέων ηλεκτρονίων και οπών.
Τα αποθηκευμένα προφίλ πυκνότητας ελεύθερων ηλεκτρονίων και ελεύθερων οπών (Q_nfree.csv και Q_pfree.csv) παρέχουν μια άμεση εικόνα των πλειοψηφικών και μειονοτικών φορέων. Στην πρώτη χρονική στιγμή, τα ηλεκτρόνια κυριαρχούν στην πλευρά τύπου n και οι οπές κυριαρχούν στην πλευρά τύπου p, με σημαντικές αλλαγές κοντά στην περιοχή εξάντλησης. Υπό εφαρμογή θετικής τάσης, η έγχυση μειονοτικών φορέων αυξάνει τον πληθυσμό των φορέων και στις δύο πλευρές της σύνδεσης, αλλάζοντας τελικά το χωρικό σχήμα των προφίλ πυκνότητας.
Η λογαριθμική κλίμακα πυκνότητας είναι ιδιαίτερα χρήσιμη κατά τη σύγκριση των μειονοτικών και πλειονοτικών φορέων, οι οποίοι μπορεί να διαφέρουν κατά πολλές τάξεις μεγέθους. Μην εξισώνετε την ονομαστική συγκέντρωση αποδεκτών Mg με τη συγκέντρωση ελεύθερων οπών χωρίς να λαμβάνετε υπόψη την ιοντοποίηση των αποδεκτών· η ατελής ενεργοποίηση του Mg είναι ένα σημαντικό χαρακτηριστικό του πειραματικού p-GaN.
6.3 Πυκνότητες ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών.
Σχεδιάστε τα διαγράμματα Jn.csv και Jp.csv για να εξετάσετε τον τρόπο κατανομής του ρεύματος μεταξύ των ηλεκτρονίων και των οπών. Σε σταθερή κατάσταση, τα ρεύματα ηλεκτρονίων και οπών μπορούν να ανταλλάσσουν «βάρος» κατά μήκος της συσκευής καθώς τα φορείς φορτίου ανασυνδυάζονται. Υπό την επιβολή των συμβάσεων προσήμων, το συνολικό ηλεκτρικό ρεύμα τους θα πρέπει να είναι περίπου ανεξάρτητο της θέσης όταν δεν υπάρχει καθαρή συσσώρευση φορτίου.
Η εικόνα που απεικονίζει χαμηλά ρεύματα περιέχει ευκρινή αριθμητικά χαρακτηριστικά. Μια τέτοια δομή μπορεί να προκύψει όταν μικρά ρεύματα υπολογίζονται από αντίθετες ροές μεταφοράς και διάχυσης ή όταν μια απότομη μετάβαση δεν υπολογίζεται επαρκώς. Δεν θα πρέπει να ερμηνεύεται αυτόματα ως μια φυσική αύξηση του ρεύματος. Αξιολογήστε τη σύγκλιση του επιλυτή και συγκρίνετε το συνολικό ρεύμα που διαρρέει τη συσκευή πριν διατυπώσετε οποιαδήποτε ποσοτική αξίωση.
6.4 Μηχανισμοί ανασυνδυασμού
Οι στιγμιότυπα ανασύνθεσης συνδυάζουν τις ανασυνθέσεις μεταξύ ελεύθερων φορέων και τις ανασυνθέσεις που σχετίζονται με το SRH (R_nfree_to_pfree.csv και R_ss_srh.csv στην αποθηκευμένη ακολουθία στιγμιότυπων). Σε χαμηλή ένταση, η ανασύνθεση που μεσολαβείται από ελαττώματα μπορεί να είναι συγκεντρωμένη γύρω από τη συμβολή, όπου και οι δύο τύποι φορέων είναι διαθέσιμοι· σε ισχυρότερη τάση προς τα εμπρός, η χωρική κατανομή της ανασύνθεσης διευρύνεται καθώς αυξάνονται οι πληθυσμοί των μειονοτικών φορέων. Η έκταση και η σχετική κλίμακα αυτών των καναλιών εξαρτώνται από τις αριθμητικές παραμέτρους του υλικού και δεν πρέπει να συμπεραίνονται μόνο από το ύψος της κορυφής.
Συγκρίνοντας τα προφίλ ανασύνθεσης σε διαφορετικές τιμές θετικής πόλωσης, μπορούμε να διαπιστώσουμε πού τα εγχυόμενα ηλεκτρόνια και οι οπές αλληλεπιδρούν με τον πιο έντονο τρόπο. Αυτές οι χωρικές πληροφορίες συμπληρώνουν την καμπύλη J–V και βοηθούν στην αντιστοίχιση των αλλαγών στο ρεύμα με τις συγκεντρώσεις των φορέων μέσα στη δίοδο.
6.5 Προφίλ ρυθμού των ηλεκτρονίων και των οπών.
Οι τιμές παραγωγής ηλεκτρονίων και οπών (R_n.csv και R_p.csv) παρέχουν επιπλέον διαγνωστικές πληροφορίες σχετικά με την τοπική ισορροπία των φορέων. Τα πρόσημα και τα επιμέρους στοιχεία τους θα πρέπει να ερμηνεύονται σύμφωνα με τις συμβάσεις εξόδου της OghmaNano. Συγκρίνετε τις απότομες ιδιότητες χαμηλής τάσης με τις ευρύτερες κατανομές υπό ισχυρότερη έγχυση· η φυσική ερμηνεία θα πρέπει να επικεντρώνεται στις συνεπείς τάσεις και όχι στην ερμηνεία κάθε στενής αριθμητικής απόκλισης ως ξεχωριστού μηχανισμού.
7. Ασκήσεις και ερμηνεία.
8. Υποθέσεις του μοντέλου και περαιτέρω ανάλυση.
Η προσομοίωση χρησιμοποιεί ένα μονοδιάστατο, σταθερής κατάστασης μοντέλο μεταφοράς-διάχυσης για μια συμπαγή στοίβα ημιαγωγού GaN μήκους 700 nm, με ωμικές συνοριακές συνθήκες στις επαφές. Αυτή η διατύπωση είναι ιδιαίτερα χρήσιμη για τη διερεύνηση του τρόπου με τον οποίο η προσθήκη προσμίξεων στη δίοδο, οι παράμετροι του υλικού και η ανασυνδυασμός επηρεάζουν την εσωτερική δομή ζωνών και την απόκριση J–V. Μελέτες ολοκληρωμένων διατάξεων συσκευών ισχύος μπορούν να βασιστούν σε αυτό το μοντέλο ενσωματώνοντας τη γεωμετρία της συσκευής, την αντίσταση επαφής και τη θερμική συμπεριφορά.
Η στρώση p-GaN χαρακτηρίζεται από μια ονομαστική πυκνότητα δεκτών Mg. Επειδή οι δέκτες Mg στο GaN είναι σχετικά βαθιοί, η ηλεκτρική τους ενεργοποίηση και η επακόλουθη πυκνότητα οπών απαιτούν προσοχή. Οι λεπτομέρειες εξαρτώνται από το μοντέλο υλικού που χρησιμοποιείται για τη στατιστική των φορέων και την ιοντοποίηση των προσμικτικών στοιχείων. Ομοίως, τα ελαττώματα της διεπιφάνειας, οι ογκομετρικές παγίδες, οι κινητικότητες των φορέων και οι συντελεστές ανασύνθεσης επηρεάζουν την υπολογιζόμενη ηλεκτρική απόκριση.
Η σάρωση από 0 έως 5 V παρέχει μια λεπτομερή εικόνα της αγώγιμης κατάστασης, από την έναρξη της έγχυσης φορέων έως την περιοχή υψηλότερου ρεύματος. Η επέκταση της σάρωσης στην αντίστροφη πόλωση παρέχει μια επιπλέον χρήσιμη κατεύθυνση για την ανάλυση της συμπεριφοράς της περιοχής εξάντλησης και του ηλεκτρικού πεδίου. Οι πιο προηγμένες μελέτες για συσκευές ισχύος μπορεί επίσης να περιλαμβάνουν επιπτώσεις υψηλού πεδίου και την εξάρτηση της τάσης αποκλεισμού από τη γεωμετρία.
Για ποσοτικές προβλέψεις σε επίπεδο έρευνας, ελέγξτε τις αξιολογημένες ιδιότητες του υλικού GaN, επιθεωρήστε τα υπολείμματα του επιλυτή και τη συνέχεια του ρεύματος, βελτιώστε το χωρικό πλέγμα και συγκρίνετε με πειραματικές μετρήσεις ή δεδομένα από τη βιβλιογραφία για μια δομή που ταιριάζει από κοντά. Αυτοί οι έλεγχοι βοηθούν στην επέκταση του εισαγωγικού μοντέλου προς μια ποσοτική σύγκριση με κατασκευασμένες συσκευές.
9. Επόμενα βήματα.
Αφού ολοκληρωθεί η αρχική μέτρηση J–V, η επόμενη χρήσιμη διερεύνηση είναι η μεταβολή της τύπου p και n πρόσμειξης και η σύγκριση της επακόλουθης καμπύλωσης της ενεργειακής ζώνης και της συμπεριφοράς της περιοχής εξάντλησης. Μια συμπληρωματική μελέτη είναι η εισαγωγή μιας κεντρικής περιοχής με χαμηλή πρόσμειξη και η σύγκριση των αρχιτεκτονικών GaN PN και PIN. Αυτές οι αλλαγές δείχνουν πώς ο σχεδιασμός των στρώσεων επηρεάζει την ηλεκτροστατική, την άμεση έγχυση και τις δυνατότητες υποστήριξης αντίστροφης τάσης.