Προσομοίωση μιας φωτοδιόδου PIN InGaAs/InP με μήκος κύματος 1550 nm.
Σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό, χρησιμοποιούμε το OghmaNano για να προσομοιώσουμε μια φωτοδίοδο PIN InGaAs/InP στα 1550 nm, έναν ημιαγωγό φωτοανιχνευτή που έχει σχεδιαστεί για να μετατρέπει το φως στο εγγύς υπέρυθρο σε ηλεκτρικό ρεύμα. Οι φωτοδίοδοι InGaAs χρησιμοποιούνται ευρέως στις οπτικές επικοινωνίες με οπτικές ίνες, στην οπτική ανίχνευση, στις τηλεπικοινωνίες και στην ανίχνευση στο εγγύς υπέρυθρο, ιδιαίτερα σε μήκη κύματος γύρω στα 1310 nm και 1550 nm. Η συσκευή που εξετάζεται εδώ, η οποία απεικονίζεται στην ??, αποτελείται από μια απορροφητική στρώση InGaAs με στενό εύρος ζώνης, η οποία βρίσκεται ανάμεσα σε στρώσεις ημιαγωγού InP με ευρύτερο εύρος ζώνης. Στα 1550 nm, η InGaAs απορροφά αποτελεσματικά τους προσπίπτοντες φωτόνιους, ενώ η InP είναι σε μεγάλο βαθμό διαφανής, επιτρέποντας στο φως να φτάσει στην απορροφητική περιοχή.
Η συσκευή χρησιμοποιεί μια δομή p–i–n, στην οποία μια ονομαστικά ενδογενής στρώση InGaAs τοποθετείται μεταξύ των στρώσεων p-τύπου και n-τύπου InP. Το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο, σε συνδυασμό με μια εφαρμοσμένη αντίστροφη τάση, διαχωρίζει τα ηλεκτρόνια και τις οπές που παράγονται από το φως και τα μεταφέρει προς τις ηλεκτρικές επαφές. Αυτό παράγει ένα μετρήσιμο φωτορεύμα, το οποίο είναι ανάλογο με την εισερχόμενη οπτική ισχύ εντός του γραμμικού εύρους λειτουργίας της συσκευής. Η δομή παρέχει ένα χρήσιμο παράδειγμα μοντελοποίησης ετεροσύνδεσης ημιαγωγών III–V, συνδυάζοντας την οπτική απορρόφηση, τη μεταφορά φορέων φορτίου και την ευθυγράμμιση των ενεργειακών ζωνών των ημιαγωγών σε μια ενιαία συσκευή.
Θα ξεκινήσουμε φορτώνοντας μια προδιαμορφωμένη προσομοίωση φωτοδιόδου InGaAs/InP από τη βιβλιοθήκη παραδειγμάτων του OghmaNano, γεγονός που θα μας επιτρέψει να μελετήσουμε τη συσκευή χωρίς να την κατασκευάσουμε από την αρχή. Χρησιμοποιώντας οπτική μοντελοποίηση με τη μέθοδο της μήτρας μεταφοράς και προσομοίωση διάχυσης-παρασυρμού, θα υπολογίσουμε τη χωρική κατανομή της οπτικής παραγωγής, θα εξετάσουμε τα διαγράμματα της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους και θα διερευνήσουμε πώς η αντίστροφη τάση επηρεάζει το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο και τη συλλογή φορέων. Στη συνέχεια, θα συγκρίνουμε τα χαρακτηριστικά ρεύματος-τάσης (J–V) σε σκοτεινές και φωτεινές συνθήκες και θα υπολογίσουμε την φωτοευαισθησία της φωτοδιόδου σε A/W. Τέλος, θα εξερευνήσουμε πώς η αλλαγή του πάχους του απορροφητή, του μήκους κύματος της φωτεινής ακτινοβολίας και της εφαρμοσμένης τάσης επηρεάζουν την απόδοση της συσκευής.
1. Εισαγωγή: Φωτοδίοδοι InGaAs και ανίχνευση στα 1550 nm.
Μια φωτοδίοδος PIN από InGaAs μετατρέπει την προσπίπτουσα ακτινοβολία της εγγύς υπέρυθρης περιοχής σε ηλεκτρικό ρεύμα, απορροφώντας φωτόνια και παράγοντας ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Αυτές οι συσκευές χρησιμοποιούνται ευρέως στις οπτικές επικοινωνίες μέσω οπτικών ινών, στις τηλεπικοινωνίες και στην υπέρυθρη ανίχνευση, ιδιαίτερα σε μήκη κύματος 1310 nm και 1550 nm. Σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό, επικεντρωνόμαστε σε μια φωτοδίοδο που έχει σχεδιαστεί για την ανίχνευση ακτινοβολίας 1550 nm, ενός από τα κύρια μήκη κύματος που χρησιμοποιούνται στα σύγχρονα οπτικά συστήματα επικοινωνίας.
Η επιλογή των ημιαγωγικών υλικών είναι ιδιαίτερα σημαντική για τις φωτοδιόδους που λειτουργούν σε αυτό το μήκος κύματος. Για να απορροφηθεί ένα φωτόνιο μέσω μιας άμεσης μετάπτωσης από ζώνη σε ζώνη, η ενέργειά του πρέπει να είναι τουλάχιστον ίση με το ενεργειακό χάσμα του ημιαγωγού. Η ενέργεια ενός φωτονίου δίνεται από:
\[ E_{\mathrm{ph}}=\frac{hc}{\lambda} \approx 0.80\ \mathrm{eV} \qquad (\lambda=1550\ \mathrm{nm}). \]
Όπως απεικονίζεται στο ??, το ινδικό φωσφίδιο (InP) έχει ενεργειακό χάσμα περίπου 1,34 eV σε θερμοκρασία δωματίου. Δεδομένου ότι η ενέργεια ενός φωτονίου 1550 nm είναι μικρότερη από αυτό το ενεργειακό χάσμα, δεν μπορεί να διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο απευθείας από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Ως εκ τούτου, το InP είναι σε μεγάλο βαθμό διαφανές σε αυτό το μήκος κύματος, γεγονός που το καθιστά κατάλληλο για τα στρώματα που επιτρέπουν στο φως να εισέλθει στη φωτοδίοδο.
Αντίθετα, το In0.53Ga0.47As, το οποίο είναι συμβατό ως προς τη δομή του κρυσταλλικού πλέγματος, έχει πολύ μικρότερο ενεργειακό χάσμα, περίπου 0,74–0,75 eV. Ένα φωτόνιο 1550 nm έχει επομένως αρκετή ενέργεια για να διεγείρει ένα ηλεκτρόνιο στη ζώνη αγωγιμότητας, αφήνοντας πίσω μια οπή στη ζώνη σθένους. Αυτή η διαδικασία δημιουργεί τα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών που παράγουν την ηλεκτρική απόκριση της φωτοδιόδου. Τα διαφορετικά ενεργειακά χάσματα του InP και του InGaAs επιτρέπουν επομένως στη συσκευή να συνδυάσει διαφανείς ημιαγώγιμες στρώσεις με μια περιοχή InGaAs που απορροφά έντονα. Οι ακριβείς προσομοιωμένες άκρες ζώνης εξαρτώνται από τις παραμέτρους υλικού που επιλέγονται στο OghmaNano.
Η συσκευή χρησιμοποιεί μια ημιαγωγική δομή τύπου p–i–n, η οποία αποτελείται από ημιαγωγό τύπου p InP, έναν ονομαστικά ενδογενή απορροφέα InGaAs και ημιαγωγό τύπου n InP. Η σχετικά χαμηλή προσθήκη προσμίξεων στην ενδογενή περιοχή επιτρέπει στην περιοχή εξάντλησης να επεκταθεί σε μεγάλο μέρος του απορροφέα. Η εφαρμογή μιας αντίστροφης τάσης αυξάνει το ηλεκτρικό πεδίο εντός αυτής της περιοχής, ωθώντας τα φωτοπαραγόμενα ηλεκτρόνια και τις οπές προς τις αντίθετες επαφές. Το προκύπτον φωτορεύμα παρέχει μια μέτρηση της εισερχόμενης οπτικής έντασης.
2. Άνοιγμα της προκαθορισμένης προσομοίωσης και κατανόηση της δομής της.
Για να ξεκινήσετε, ανοίξτε το OghmaNano και κάντε κλικ στην επιλογή "Νέα προσομοίωση" στην καρτέλα "Αρχείο". Αυτό θα ανοίξει τη βιβλιοθήκη προσομοιώσεων, όπως φαίνεται στην εικόνα ??. Κάντε διπλό κλικ στην επιλογή "Δείγματα GaAs" για να ανοίξετε τα διαθέσιμα παραδείγματα συσκευών ημιαγωγών III–V (??). Επιλέξτε την επιλογή "InGaAs/InP PIN φωτοδίοδος (1550 nm)", επιλέξτε έναν προορισμό και κάντε κλικ στην επιλογή "Αποθήκευση". Το OghmaNano θα δημιουργήσει μια νέα προσομοίωση που θα περιέχει την πλήρη δομή της φωτοδιόδου, τις παραμέτρους υλικών, τις ρυθμίσεις οπτικού φωτισμού και τις ηλεκτρικές ρυθμίσεις προσομοίωσης.
Το πλεονέκτημα της έναρξης με μια προκαθορισμένη ρύθμιση είναι ότι η συσκευή είναι έτοιμη για προσομοίωση χωρίς να χρειάζεται να κατασκευαστεί από την αρχή. Μόλις φορτωθεί, το κύριο παράθυρο του OghmaNano εμφανίζει τη φωτοδίοδο InGaAs/InP στην καρτέλα «Δομή συσκευής» (??). Τα πράσινα βέλη αντιπροσωπεύουν την εισερχόμενη ακτινοβολία, ενώ τα έγχρωμα στρώματα απεικονίζουν τη δομή του ημιαγωγού. Αυτό το παράδειγμα χρησιμοποιεί ένα μονοδιάστατο ηλεκτρικό μοντέλο μιας επίπεδης φωτοδιόδου, με τη συσκευή να απεικονίζεται σε τρεις διαστάσεις για λόγους οπτικοποίησης.
2.1 Δομή της συσκευής και ημιαγωγικές στρώσεις
Η φωτοδίοδος αποτελείται από τέσσερις ημιαγωγικές στρώσεις, διατεταγμένες από την επιφάνεια που εκτίθεται στο φως έως την οπίσθια επαφή. Η συσκευή περιέχει έναν ενδογενή απορροφητή InGaAs πάχους 2 µm, τοποθετημένο μεταξύ στρώσεων InP τύπου p και τύπου n. Η στρώση InP με το μεγαλύτερο ενεργειακό χάσμα επιτρέπει στο φως των 1550 nm να φτάσει στον απορροφητή InGaAs, ενώ παράλληλα παρέχει την ημιαγωγική δίοδο και τις περιοχές ηλεκτρικής επαφής. Η δομή των στρώσεων συνοψίζεται παρακάτω.
| στρώση | Υλικό | πάχος | Ντόπινγκ (m−3) | Λειτουργία |
|---|---|---|---|---|
| p+ | InP | 200 νανόμετρα | 1 × 1024 δέκτες | περιοχή παραθύρου και επαφής τύπου p |
| εγώ | In0,53Ga0,47As | 2,0 μικρόμετρα | Μη προσμιγμένος | Οπτική απορρόφηση και δημιουργία φορέων φορτίου. |
| ν | InP | 200 νανόμετρα | 3 × 1022 δωρητές | περιοχή σύνδεσης τύπου-n |
| ν+ | InP | 100 νανόμετρα | 1 × 1024 δωρητές | Περιοχή οπίσθιας επαφής με υψηλή συγκέντρωση προσμίξεων. |
Για να ελέγξετε τη δομή, κάντε κλικ στο Επεξεργαστής επιπέδων κουμπί στην αριστερή πλευρά Δομή της συσκευής επεξεργαστής??) εμφανίζει το πάχος, το οπτικό υλικό και τον τύπο προσομοίωσης κάθε στρώσης. Σε αυτό το παράδειγμα, οι οπτικές ιδιότητες του InP και του InGaAs λαμβάνονται από το Οπτικά μοντέλα υλικών Adachi στην OghmaNano. βάση δεδομένων υλικώνΑυτά παρέχουν τον δείκτη διάθλασης και τον συντελεστή απορρόφησης, οι οποίοι εξαρτώνται από το μήκος κύματος και χρησιμοποιούνται από τον οπτικό επιλυτή.
Ο απορροφητής InGaAs είναι υπεύθυνος για τη μετατροπή των προσπιπτόντων φωτονίων στα 1550 nm σε ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών. Η σχετικά μικρή ενεργειακή του διαφορά επιτρέπει την απορρόφηση αυτού του υπέρυθρου φωτός, ενώ οι περιβάλλοντες στρώσεις InP έχουν μεγαλύτερη ενεργειακή διαφορά και είναι σε μεγάλο βαθμό διαφανείς στο μήκος κύματος λειτουργίας. Ο απορροφητής είναι ονομαστικά μη ντοπαρισμένος, γεγονός που επιτρέπει τη δημιουργία ενός σημαντικού ηλεκτρικού πεδίου κατά μήκος του όταν η φωτοδίοδος είναι υπό αντίστροφη πόλωση. Αυτό το πεδίο διαχωρίζει τα φωτοπαραγόμενα ηλεκτρόνια και τις οπές και τα μεταφέρει προς τις αντίθετες επαφές.
2.2 Προφίλ προσμίξεων, σύνθεση του κράματος και ηλεκτρικές παράμετροι του υλικού.
Οι ηλεκτρικές ιδιότητες της φωτοδιόδου PIN InGaAs/InP εξαρτώνται σε μεγάλο βαθμό από τις συγκεντρώσεις προσμίξεων, τη σύνθεση του ημιαγωγού και τις παραμέτρους του υλικού. Ανοίξτε την ηλεκτρική κορδέλα και επιλέξτε την ενότητα "Προσμίξεις/Ιόντα" για να εξετάσετε το προφίλ προσμίξεων (??). Η στρώση p+ InP περιέχει μια συγκέντρωση αποδεκτών 1 × 1024 m−3, ενώ η περιοχή n-τύπου InP περιέχει 3 × 1022 m−3 δότες. Η επαφή n+ InP είναι πιο έντονα προσμειγμένη, με 1 × 1024 m−3 δότες.
Παρατηρήστε ότι η κεντρική περιοχή InGaAs δεν περιέχει σκόπιμα προσθήκη προσμίξεων. Η προκύπτουσα διάταξη p–i–n προκαλεί την επέκταση της περιοχής εξάντλησης κυρίως μέσω του απορροφητή InGaAs. Αυτό είναι επιθυμητό για τις φωτοδιόδους, επειδή το ηλεκτρικό πεδίο βοηθά στον διαχωρισμό των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που παράγονται από το φως και στη μεταφορά των φορέων προς τις αντίστοιχες επαφές τους, πριν αυτά ανασυνδυαστούν. Επομένως, το προφίλ προσμίξεων διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στον καθορισμό του ενσωματωμένου ηλεκτρικού πεδίου, της συλλογής φορέων και των χαρακτηριστικών αντίστροφης πόλωσης της συσκευής.
Ο απορροφητής InGaAs είναι ένα τριμερές ημιαγωγικό κράμα και όχι μια απλή ένωση. Η σύνθεσή του είναι In0.53Ga0.47As, η οποία είναι κατά προσέγγιση συμβατή με το πλέγμα του InP. Για να ελέγξετε τη σύνθεση του κράματος, ανοίξτε τον επεξεργαστή Κλίσεων/Τάσεων από την καρτέλα Ηλεκτρικά (??).
Το διάγραμμα δείχνει τη μεταβλητή σύνθεσης x να έχει τιμή 0,53 σε όλη την περιοχή της στρώσης InGaAs και μηδέν εκτός αυτής. Σε αυτό το παράδειγμα, η x αντιπροσωπεύει το κλάσμα του ινδίου, ενώ το κλάσμα του γαλλίου είναι 1 − x = 0,47. Η σύνθεση είναι ομοιόμορφη σε όλη την απορροφητική στρώση, αν και το OghmaNano επιτρέπει επίσης τον ορισμό κλίσεων σύνθεσης. Η αλλαγή της σύνθεσης του κράματος επηρεάζει τις ιδιότητες του υλικού, όπως το ενεργειακό χάσμα, την κινητικότητα των φορέων και την ευθυγράμμιση των ζωνών ημιαγωγών, και μπορεί επομένως να επηρεάσει τόσο την οπτική απορρόφηση όσο και την ηλεκτρική αγωγιμότητα.
Εκτός από την προσθήκη προσμίξεων και τη σύνθεση του κράματος, η ηλεκτρική συμπεριφορά της φωτοδιόδου εξαρτάται από τις παραμέτρους του ημιαγωγικού υλικού, όπως το ενεργειακό χάσμα, η ηλεκτραρνητικότητα, οι αποτελεσματικές πυκνότητες των ενεργειακών επιπέδων, οι κινητικότητες των φορέων και οι συντελεστές ανασύνθεσης. Αυτές καθορίζουν τις μετατοπίσεις της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους στις ετεροσυνδέσεις InP/InGaAs και επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα με την οποία τα ηλεκτρόνια και οι οπές κινούνται μέσα στη συσκευή.
Για να ελέγξετε αυτές τις ιδιότητες, επιστρέψτε στο κύριο παράθυρο του OghmaNano, επιλέξτε την καρτέλα "Δομή συσκευής" και κάντε κλικ στην επιλογή "Ηλεκτρικές παράμετροι" στην αριστερή γραμμή εργαλείων. Αυτό ανοίγει το Επεξεργαστής ηλεκτρικών παραμέτρων (??). Ο επεξεργαστής περιέχει μια ξεχωριστή καρτέλα για κάθε ημιαγωγική στρώση, επιτρέποντας την ανεξάρτητη εξέταση των ιδιοτήτων των περιοχών p+ InP, εγγενούς InGaAs, n-type InP και n+ InP.
Σε αυτό το παράδειγμα, οι ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού λαμβάνονται από τη βάση δεδομένων ηλεκτρικών υλικών της OghmaNano. Αντί απλώς να αποθηκεύει σταθερές αριθμητικές τιμές, η βάση δεδομένων περιέχει μοντέλα υλικών Lua που υπολογίζουν τις ιδιότητες των ημιαγωγών ως συναρτήσεις μεταβλητών, όπως η θερμοκρασία και η σύνθεση του κράματος. Ο επεξεργαστής κώδικα εμφανίζει το σενάριο Lua που σχετίζεται με το επιλεγμένο υλικό, ενώ η καρτέλα Παράμετροι επιτρέπει την επιθεώρηση των αντίστοιχων αριθμητικών ιδιοτήτων του υλικού.
Ένα από τα πλεονεκτήματα της χρήσης της βάσης δεδομένων ηλεκτρικών υλικών είναι ότι οι ιδιότητες των ημιαγωγών μπορούν να εξαρτώνται από τη θερμοκρασία και τη σύνθεση του κράματος, αντί να αντιμετωπίζονται ως σταθερές τιμές. Για παράδειγμα, το μοντέλο υλικού InP που παρουσιάζεται στο ?? υπολογίζει το εύρος της ζώνης απαγόρευσης, το οποίο εξαρτάται από τη θερμοκρασία, χρησιμοποιώντας την εξίσωση Varshni:
\[ E_g(T)=E_g(0)-\frac{\alpha T^2}{T+\beta} \]
Εδώ, το \(E_g(0)\) είναι το ενεργειακό χάσμα στη θερμοκρασία του απόλυτου μηδενός, ενώ τα \(\alpha\) και \(\beta\) είναι παράμετροι που εξαρτώνται από το υλικό. Το μοντέλο υλικού InP χρησιμοποιεί αυτή τη σχέση για να υπολογίσει ένα ενεργειακό χάσμα περίπου 1,35 eV στους 300 K. Το μοντέλο υλικού InGaAs μπορεί επίσης να περιγράψει ιδιότητες που εξαρτώνται από τη σύνθεση, επιτρέποντας στις αλλαγές στο κλάσμα του ινδίου να επηρεάσουν την προσομοιωμένη δομή ζωνών του ημιαγωγού.
Αυτές οι υλικές σχέσεις είναι ιδιαίτερα σημαντικές για τις ετεροσυνδέσεις ημιαγωγών III–V. Οι διαφορές στην ενεργειακή ζώνη και στην ηλεκτρονιακή συγγένεια μεταξύ του InP και του InGaAs δημιουργούν ασυνέχειες στις ζώνες αγωγιμότητας και σθένους. Αυτές οι διαφορές στις ενεργειακές ζώνες μπορούν να επηρεάσουν την έγχυση, την εξαγωγή και την ανασύνθεση των φορέων. Θα εξετάσουμε τα προκύπτοντα διαγράμματα ζωνών αργότερα σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό.
💡 Συμβουλή: Το OghmaNano επιτρέπει την αντικατάσταση των μεμονωμένων ηλεκτρικών παραμέτρων των υλικών με τιμές που καθορίζονται χειροκίνητα. Όταν μια παράμετρος αντικαθίσταται, δεν ακολουθεί πλέον το αντίστοιχο μοντέλο υλικού Lua. Για παράδειγμα, η αντικατάσταση του ενεργειακού χάσματος του InGaAs με μια σταθερή τιμή σημαίνει ότι η αλλαγή της σύνθεσης του κράματος δεν θα ενημερώσει αυτόματα αυτό το ενεργειακό χάσμα. Απενεργοποιήστε την αντικατάσταση για να επαναφέρετε τη σχέση με τη βάση δεδομένων υλικών.
3. Εκτέλεση της προσομοίωσης και εξέταση των χαρακτηριστικών της καμπύλης J–V.
Για να εκτελέσετε την προσομοίωση της φωτοδιόδου PIN InGaAs/InP, κάντε κλικ στο μπλε κουμπί. Εκτέλεση προσομοίωσης. κουμπί μέσα στο Αρχείο κορδέλα, ή πατήστε F9Άνοιξε το. Τερματικός σταθμός Κάντε κλικ στην καρτέλα για να παρακολουθήσετε την πρόοδο του υπολογισμού.??). Το παράδειγμα έχει ήδη διαμορφωθεί με τις κατάλληλες ημιαγωγικές στρώσεις, παραμέτρους υλικών και οπτικό φωτισμό, επομένως δεν απαιτείται καμία επιπλέον ρύθμιση πριν από την εκτέλεσή του.
Το OghmaNano αρχικά εκτελεί μια οπτική προσομοίωση, προσδιορίζοντας πώς απορροφάται η προσπίπτουσα ακτινοβολία των 1550 nm στις ημιαγωγικές στρώσεις και υπολογίζοντας την επακόλουθη δημιουργία ζευγών ηλεκτρονίων-οπών. Μόλις ολοκληρωθεί η οπτική προσομοίωση, το πρόγραμμα ξεκινά μια σάρωση τάσης-ρεύματος (J–V), εφαρμόζοντας μια σειρά από τάσεις στην φωτοδίοδο και υπολογίζοντας την επακόλουθη πυκνότητα ηλεκτρικού ρεύματος.
Σε κάθε εφαρμοζόμενη τάση, το OghmaNano επιλύει την εξίσωση Poisson μαζί με τις εξισώσεις μεταφοράς-διάχυσης και συνέχειας για τα ηλεκτρόνια και τις οπές. Ο ρυθμός οπτικής δημιουργίας παρέχει την πηγή των φωτοπαραγόμενων φορέων εντός του ηλεκτρικού μοντέλου. Για περισσότερες πληροφορίες, δείτε την ενότητα θεωρία της μοντελοποίησης μεταφοράς-διάχυσης και την ενότητα οπτικό μοντέλο μήτρας μεταφοράς.
Η οθόνη εμφανίζει την τάση που εφαρμόζεται στις επάνω και κάτω επαφές, καθώς και την υπολογιζόμενη πυκνότητα ρεύματος σε A m−2. Η τιμή που φέρει την ένδειξη top= υποδεικνύει την τάση που εφαρμόζεται στην επάνω επαφή, ενώ η btm= υποδεικνύει την τάση στην κάτω επαφή, η οποία διατηρείται στα 0 V. Η ποσότητα f()= είναι το αριθμητικό υπόλοιπο του ηλεκτρικού επιλυτή, υποδεικνύοντας πόσο ακριβώς η υπολογιζόμενη λύση ικανοποιεί τις εξισώσεις των ημιαγωγών.
Σε αυτό το παράδειγμα, η τάση μεταβάλλεται από περίπου -2 V έως +0,5 V, καλύπτοντας τόσο τη λειτουργία με αντίστροφη πόλωση όσο και τη λειτουργία με κανονική πόλωση. Παρατηρήστε ότι η πυκνότητα του φωτεινού ρεύματος παραμένει περίπου σταθερή στα -6,12 A m−2 σε μεγάλο μέρος της περιοχής με αντίστροφη πόλωση. Αυτό είναι χαρακτηριστικό μιας φωτοδιόδου PIN, όταν τα φωτοπαραγόμενα ηλεκτρόνια και οι οπές συλλέγονται αποτελεσματικά από το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο.
Καθώς η εφαρμοσμένη τάση γίνεται θετική, το ρεύμα της διόδου αυξάνεται ραγδαία, υπερβαίνοντας τελικά το φωτορεύμα (??). Μόλις ολοκληρωθεί ο υπολογισμός, επιλέξτε την καρτέλα "Έξοδος" (??). Αυτή εμφανίζει τα αρχεία που δημιουργήθηκαν από την προσομοίωση, συμπεριλαμβανομένων των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών J–V, των οπτικών αποτελεσμάτων, των πληροφοριών προσομοίωσης και των χωρικά διαλυμένων στιγμιότυπων.
jv.csv για να εξετάσετε τη χαρακτηριστική καμπύλη ρεύματος-τάσης ή ανοίξτε το snapshots για να ελέγξετε τις ηλεκτρικές ποσότητες που έχουν αναλυθεί χωρικά.3.1 Ανάλυση της φωτεινής καμπύλης J–V
Για να εξετάσετε την ηλεκτρική συμπεριφορά της φωτοδιόδου, κάντε διπλό κλικ στο jv.csv στην καρτέλα "Έξοδος". Αυτό θα ανοίξει το διάγραμμα της χαρακτηριστικής καμπύλης της φωτεινής πυκνότητας ρεύματος σε σχέση με την τάση (??). Το διάγραμμα δείχνει την πυκνότητα ρεύματος που διαρρέει τη συσκευή ως συνάρτηση της εφαρμοσμένης τάσης. Το αρνητικό ρεύμα υπό αντίστροφη πόλωση ακολουθεί τη σύμβαση σημείων που χρησιμοποιεί η OghmaNano.
Η φωτεινή καμπύλη J–V παρουσιάζει δύο διακριτές περιοχές. Υπό αντίστροφη πόλωση, η πυκνότητα ρεύματος παραμένει περίπου σταθερή στα −6,12 A m−2. Αυτό υποδεικνύει ότι η αύξηση της αντίστροφης τάσης παράγει σχετικά μικρή επιπλέον φωτορροή, γεγονός που συνάδει με την αποτελεσματική συλλογή των φωτοπαραγόμενων φορέων.
Σε κατάσταση άμεσης πόλωσης, το ρεύμα αυξάνεται ραγδαία καθώς ηλεκτρόνια και οπές εγχέονται διαμέσου της σύνδεσης. Η επακόλουθη εκθετική αύξηση είναι χαρακτηριστική της συμπεριφοράς μιας ημιαγωγικής διόδου. Αν και η ίδια συσκευή μπορεί να λειτουργεί είτε σε άμεση είτε σε αντίστροφη πόλωση, οι φωτοδίοδοι που χρησιμοποιούνται για οπτική ανίχνευση συνήθως λειτουργούν σε αντίστροφη πόλωση, προκειμένου να βελτιωθεί η συλλογή φορέων και η ταχύτητα απόκρισης.
3.2 Σύγκριση των χαρακτηριστικών καμπυλών J–V υπό συνθήκες φωτισμού και σκοτεινού περιβάλλοντος.
Μπορούμε πλέον να διερευνήσουμε πόσο από το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλείται από το φως που προσπίπτει. Για να το κάνουμε αυτό, θα επαναλάβουμε την προσομοίωση με το φως απενεργοποιημένο και θα συγκρίνουμε τα προκύπτοντα χαρακτηριστικά J–V στην σκοτεινή και φωτεινή κατάσταση. Τα δύο αποτελέσματα εμφανίζονται στις εικόνες ?? και ??.
Επιλέξτε την οπτική ταινία στο κύριο παράθυρο του OghmaNano (??). Εντοπίστε το στοιχείο ελέγχου με την ετικέτα "Ένταση φωτός (ήλιων)". Παρόλο που η διεπαφή χρησιμοποιεί τη λέξη "ήλιοι", αυτό το στοιχείο ελέγχου λειτουργεί ως πολλαπλασιαστής για το επιλεγμένο φάσμα της πηγής φωτός. Δεν σημαίνει απαραίτητα ότι η συσκευή φωτίζεται με ηλιακό φως.
Για παράδειγμα, το τυπικό ηλιακό φάσμα AM1.5G έχει μια ολοκληρωμένη ακτινοβολία περίπου 1000 W m−2. Εάν επιλεγεί αυτό το φάσμα, ένας πολλαπλασιαστής 1,0 αντιστοιχεί σε μία ηλιακή μονάδα. Ωστόσο, η φωτοδίοδος InGaAs/InP που χρησιμοποιούμε χρησιμοποιεί ένα φάσμα λέιζερ 1550 nm αντί για ηλιακό φως. Εάν το φάσμα λέιζερ έχει μια ολοκληρωμένη ακτινοβολία 10 W m−2, ένας πολλαπλασιαστής 1,0 παράγει μια πυκνότητα οπτικής ισχύος που προσπίπτει στα 10 W m−2, και όχι 1000 W m−2.
Για να υπολογίσουμε το σκοτεινή χαρακτηριστική καμπύλη J–V, αλλαγή Ένταση φωτός (σε μονάδες «ήλιου») από 1. 0 έως 0.0Αυτό απενεργοποιεί τη δημιουργία οπτικού σήματος από την επιλεγμένη πηγή φωτός. Κάντε κλικ. Εκτέλεση προσομοίωσης. ξανά ή πατήστε F9και περιμένετε να ολοκληρωθεί ο υπολογισμός.
Επιστρέψτε στην καρτέλα "Έξοδος" και κάντε διπλό κλικ στο jv.csv για να εξετάσετε την χαρακτηριστική καμπύλη τάσης-ρεύματος (J–V) στο σκοτάδι. Παρατηρήστε ότι το αντίστροφο ρεύμα είναι πλέον πολύ μικρότερο από ό,τι υπό συνθήκες φωτισμού. Η συσκευή εξακολουθεί να παρουσιάζει την γνωστή εκθετική αύξηση του ρεύματος προς τα εμπρός, αλλά το ρεύμα που παράγεται από το φως δεν υπάρχει πλέον.
Η διαφορά μεταξύ του φωτορρεύματος και του σκοτεινού ρεύματος δίνει την πυκνότητα του φωτορρεύματος που παράγεται από την απορρόφηση των προσπίπτοντων φωτονίων:
\[ J_{\mathrm{ph}}(V) = J_{\mathrm{light}}(V)-J_{\mathrm{dark}}(V). \]
Εδώ, το \(J_{\mathrm{light}}\) είναι η πυκνότητα ρεύματος υπό φωτισμό, ενώ το \(J_{\mathrm{dark}}\) είναι η πυκνότητα ρεύματος που υπολογίζεται χωρίς φωτισμό, στην ίδια εφαρμοσμένη τάση. Το πρόσημο του φωτορεύματος εξαρτάται από τη σύμβαση του ρεύματος, επομένως χρησιμοποιείται το μέτρο του κατά τον υπολογισμό της φωτοευαισθησίας.
Το φωτορεύμα είναι κατά προσέγγιση ανάλογο της προσπίπτουσας οπτικής ισχύος όταν ο ανιχνευτής λειτουργεί στην γραμμική περιοχή του. Ως εκ τούτου, μια φωτοδίοδος μπορεί να μετρήσει τις αλλαγές στην οπτική ένταση παρακολουθώντας το παραγόμενο ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτή η σχέση ποσοτικοποιείται από την απόκριση της φωτοδιόδου, την οποία θα υπολογίσουμε αργότερα στο πλαίσιο αυτού του εκπαιδευτικού υλικού.
Το πολύ μικρό σκοτεινό ρεύμα που προβλέπεται από αυτή την προσομοίωση αντικατοπτρίζει τους φυσικούς μηχανισμούς που περιλαμβάνονται στο μοντέλο. Οι πραγματικές φωτοδίοδοι InGaAs/InP μπορεί να παρουσιάζουν επιπλέον σκοτεινό ρεύμα που προκαλείται από ογκογενή δημιουργία-ανασύνθεση, ελαττώματα διεπιφάνειας, διαρροή επιφάνειας και δημιουργία φορέων που ενισχύεται από το ηλεκτρικό πεδίο. Ως εκ τούτου, το υπολογισμένο σκοτεινό ρεύμα δεν θα πρέπει να ερμηνεύεται αυτόματα ως το σκοτεινό ρεύμα μιας κατασκευασμένης συσκευής.
Πείραμα: Αλλάξτε την ένταση του φωτισμού. Επαναφέρετε τον πολλαπλασιαστή της έντασης του φωτός στην τιμή 1.0 και καταγράψτε την αντίστροφη πυκνότητα ρεύματος στα -2 V. Επαναλάβετε τον υπολογισμό με πολλαπλασιαστές 0.5 και 2.0. Πώς αλλάζει το φωτορεύμα;
Εμφάνιση επεξήγησης.
Για μια φωτοδίοδο που λειτουργεί στην γραμμική της περιοχή, το φωτορεύμα είναι κατά προσέγγιση ανάλογο με την προσπίπτουσα οπτική ισχύ. Επομένως, η μείωση της φωτεινότητας στο μισό θα πρέπει κατά προσέγγιση να μειώσει το φωτορεύμα στο μισό, ενώ η διπλάσια φωτεινότητα θα πρέπει κατά προσέγγιση να το διπλασιάσει. Το συνολικό ρεύμα περιλαμβάνει επίσης το σκοτεινό ρεύμα, επομένως η σύγκριση θα πρέπει να γίνεται χρησιμοποιώντας το \(J_{\mathrm{light}}-J_{\mathrm{dark}}\). Σημαντικές αποκλίσεις από αυτή τη συμπεριφορά μπορεί να υποδεικνύουν μη γραμμική ανασυνδυασμό, αλλαγές στη συλλογή φορέων ή άλλα φυσικά φαινόμενα.
3.3 Εξέταση των πληροφοριών της προσομοίωσης.
sim_info.dat. Το OghmaNano αναφέρει μια σειρά ηλεκτρικών ποσοτήτων, αν και οι φωτοβολταϊκές παράμετροι, όπως ο συντελεστής πλήρωσης και η απόδοση μετατροπής ισχύος, δεν είναι γενικά σχετικές για τις φωτοδιόδους που λειτουργούν με αντίστροφη πόλωση.Εκτός από την καμπύλη J–V, το OghmaNano δημιουργεί ένα αρχείο με όνομα sim_info.dat, το οποίο μπορεί να ανοιχτεί από την καρτέλα "Έξοδος" (??). Αυτό το αρχείο περιέχει μια περίληψη των ηλεκτρικών ποσοτήτων που υπολογίστηκαν κατά τη διάρκεια της προσομοίωσης, συμπεριλαμβανομένων των χαρακτηριστικών τάσεων, των πυκνοτήτων ρεύματος, των συγκεντρώσεων φορέων, των κινητικοτήτων και άλλων παραμέτρων της συσκευής.
Ορισμένες από τις ποσότητες που εμφανίζονται σε αυτό το αρχείο, όπως η πυκνότητα ρεύματος βραχυκυκλώματος, η τάση ανοικτού κυκλώματος, ο συντελεστής πληρότητας και η απόδοση μετατροπής ισχύος, προορίζονται κυρίως για φωτοβολταϊκές προσομοιώσεις. Αν και το OghmaNano μπορεί να υπολογίζει αυτές τις ποσότητες για μια φωτοδίοδο, συνήθως δεν χρησιμοποιούνται για τον χαρακτηρισμό της απόδοσης ενός οπτικού ανιχνευτή με αντίστροφη πόλωση. Για τις φωτοδιόδους, οι πιο σημαντικοί δείκτες απόδοσης περιλαμβάνουν την ευαισθησία, την εξωτερική κβαντική απόδοση, το ρεύμα σκοτεινής λειτουργίας και την φασματική απόκριση.
Στις επόμενες ενότητες, θα εξετάσουμε το προφίλ οπτικής παραγωγής, τα διαγράμματα ενεργειακών ζωνών και τη μεταφορά φορέων μέσα στην φωτοδίοδο InGaAs/InP. Στη συνέχεια, θα χρησιμοποιήσουμε το υπολογισμένο φωτορεύμα και την εισερχόμενη οπτική ισχύ για να προσδιορίσουμε την απόκριση της συσκευής στα 1550 nm.
4. Μελέτη της οπτικής απορρόφησης και αλλαγή του μήκους κύματος της ακτινοβολίας.
Στην προηγούμενη ενότητα, εξετάσαμε την ηλεκτρική απόκριση της φωτοδιόδου InGaAs/InP υπό φωτισμό. Τώρα, θα διερευνήσουμε πώς το φως διαδίδεται μέσα από τα ημιαγωγικά στρώματα και πού απορροφώνται τα προσπίπτοντα φωτόνια. Θα αλλάξουμε επίσης το μήκος κύματος του φωτισμού για να δείξουμε γιατί η συσκευή είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για ανίχνευση στην περιοχή του κοντινού υπέρυθρου.
Το παράδειγμα είναι διαμορφωμένο με έναν λέιζερ 1550 nm, ο οποίος αντιστοιχεί σε ένα μήκος κύματος που χρησιμοποιείται συνήθως στις οπτικές οπτικές επικοινωνίες. Σε αυτό το μήκος κύματος, η ενέργεια του φωτονίου είναι περίπου 0,80 eV. Αυτή η τιμή είναι χαμηλότερη από το ενεργειακό χάσμα του InP (περίπου 1,35 eV), αλλά υψηλότερη από αυτό του In0,53Ga0,47As που ταιριάζει με το πλέγμα (περίπου 0,75 eV). Ως αποτέλεσμα, τα στρώματα InP είναι σε μεγάλο βαθμό διαφανή στο προσπίπτον φως, επιτρέποντάς του να φτάσει στον απορροφητή InGaAs.
4.1 Παρατήρηση της οπτικής απορρόφησης και της δημιουργίας φορέων φορτίου
Για να εξετάσετε την οπτική συμπεριφορά της συσκευής, επιστρέψτε στην κύρια οθόνη του OghmaNano και επιλέξτε την καρτέλα "Οπτικά". Κάντε κλικ στην επιλογή "Μετασχηματισμός Πίνακα" για να ανοίξετε τον επεξεργαστή προσομοίωσης οπτικών ιδιοτήτων. Αυτό το παράθυρο εμφανίζει τα αποτελέσματα της οπτικής υπολογιστικής διαδικασίας και σας επιτρέπει να εξετάσετε τον τρόπο με τον οποίο το φως αλληλεπιδρά με τις ημιαγωγικές στρώσεις.
Επιλέξτε την καρτέλα "Κατανομή των απορροφημένων φωτονίων" (??). Αυτή εμφανίζει την κατανομή των απορροφημένων φωτονίων ως συνάρτηση του μήκους κύματος και της θέσης εντός της συσκευής. Ο οριζόντιος άξονας αντιπροσωπεύει τη θέση στις ημιαγωγικές στρώσεις, ενώ ο κάθετος άξονας αντιπροσωπεύει το μήκος κύματος του προσπίπτοντος φωτός. Η χρωματική κλίμακα υποδεικνύει την τοπική πυκνότητα των απορροφημένων φωτονίων.
Παρατηρήστε ότι τα απορροφηθέντα φωτόνια συγκεντρώνονται γύρω από τα 1550 nm, γεγονός που αντιστοιχεί στο στενό φάσμα του λέιζερ. Η απορρόφηση συμβαίνει κυρίως μέσα στην στρώση InGaAs και όχι στο «παράθυρο» InP. Αυτό ακριβώς επιδιώκουμε σε μια φωτοδίοδο InGaAs/InP που έχει σχεδιαστεί για ανίχνευση στην περιοχή του κοντινού υπέρυθρου.
Επιλέξτε τώρα την καρτέλα «Ρυθμός δημιουργίας» (??). Αυτή εμφανίζει τον χωρικά διαλυμένο ρυθμό δημιουργίας, G(y), σε μονάδες m−3 s−1. Ο ρυθμός δημιουργίας περιγράφει τον αριθμό των ζευγών ηλεκτρονίων-οπών που δημιουργούνται ανά μονάδα όγκου ανά δευτερόλεπτο.
Το διάγραμμα απεικονίζει επίσης τη δομή της ημιαγωγικής στρώσης και τις ενέργειες της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους των υλικών, επιτρέποντας να συσχετιστεί άμεσα το προφίλ οπτικής δημιουργίας με τις ετεροσυνδέσεις InP/InGaAs. Παρατηρήστε την απότομη αύξηση της δημιουργίας στην αρχή της στρώσης InGaAs, ακολουθούμενη από μια σταδιακή μείωση καθώς το φως διαδίδεται μέσα από τον απορροφητή.
Οι ταλαντώσεις στο προφίλ παραγωγής προέρχονται από οπτικές παρεμβολές εντός της πολυεπίπεδης δομής. Το φως που ανακλάται στις διεπαφές των ημιαγωγών παρεμβάλλεται με το φως που διαδίδεται προς τα εμπρός, δημιουργώντας διακυμάνσεις στην οπτική ένταση και, κατά συνέπεια, στην παραγωγή φορέων. Για έναν δείκτη διάθλασης περίπου 3,5, η χαρακτηριστική περίοδος παρεμβολής είναι \(\lambda/(2n)\), η οποία αντιστοιχεί σε περίπου 220 nm σε μήκος κύματος 1550 nm.
Το επιλεγμένο φάσμα λέιζερ μπορεί επίσης να εξεταστεί επιστρέφοντας στην κύρια οθόνη του OghmaNano και κάνοντας κλικ στην επιλογή "Πηγές Φωτός" στην καρτέλα "Οπτικά". Αυτό ανοίγει τον επεξεργαστή πηγών φωτός (??). Η επιλεγμένη πηγή είναι το λέιζερ 1550 nm, με έναν πολλαπλασιαστή έντασης 1,0. Κάντε κλικ στην επιλογή "Ανακατασκευή" για να εμφανιστεί το φάσμα. Παρατηρήστε την στενή κορυφή που βρίσκεται στο κέντρο των 1550 nm, η οποία εξηγεί γιατί η απορρόφηση συμβαίνει σε ένα τόσο στενό εύρος μηκών κύματος.
Το OghmaNano υπολογίζει το οπτικό πεδίο εντός της συσκευής χρησιμοποιώντας τη μέθοδο της μεταφοράς μήτρας, λαμβάνοντας υπόψη την ανάκλαση, τη μετάδοση και την συμβολή στις διεπαφές των ημιαγωγών. Η απορροφούμενη οπτική ενέργεια στη συνέχεια μετατρέπεται σε έναν χωρικά διαλυμένο ρυθμό δημιουργίας, ο οποίος μεταβιβάζεται στον ηλεκτρικό επιλυτή διάχυσης-μεταφοράς.
Για μονοχρωματική φωτεινότητα, ο ρυθμός δημιουργίας μπορεί να συσχετιστεί με την τοπική οπτική ακτινοβολία μέσω της εξίσωσης:
\[ G(y,\lambda)= \frac{\alpha(\lambda)I(y,\lambda)}{hc/\lambda}, \]
όπου \(\alpha\) είναι ο συντελεστής απορρόφησης, \(I\) είναι η τοπική οπτική ακτινοβολία, \(h\) είναι η σταθερά του Planck και \(c\) είναι η ταχύτητα του φωτός. Για μια πηγή που περιέχει πολλαπλά μήκη κύματος, οι συνεισφορές ενσωματώνονται σε όλο το φάσμα. Περισσότερες λεπτομέρειες είναι διαθέσιμες στην τεκμηρίωση του οπτικού μοντέλου μεταφοράς μήτρας.
4.2 Αλλαγή του μήκους κύματος του φωτισμού
Θα εξετάσουμε τώρα τι συμβαίνει όταν αλλάζει σημαντικά το μήκος κύματος της φωτεινής πηγής. Επιστρέψτε στον επεξεργαστή της φωτεινής πηγής και εντοπίστε το αναπτυσσόμενο μενού "Φάσμα" στην καρτέλα "Φωτεινή πηγή". Αλλάξτε το επιλεγμένο φάσμα από "1550nm-laser" σε "thorlabs/565nm", το οποίο αντιπροσωπεύει μια πράσινη LED.
Αφήστε τον συντελεστή της πηγής στην τιμή 1.0 και κάντε κλικ στην επιλογή "Αναδημιουργία" για να δημιουργηθεί το νέο φάσμα (??). Παρατηρήστε ότι η LED εκπέμπει φως σε ένα πολύ ευρύτερο εύρος μηκών κύματος σε σύγκριση με το λέιζερ, με μια μέγιστη εκπομπή περίπου στα 565 nm.
Κλείστε τον επεξεργαστή της πηγής φωτός και επιστρέψτε στον επεξεργαστή οπτικής προσομοίωσης κάνοντας κλικ στην επιλογή "Μεταφορά Πίνακα" στην κύρια καρτέλα "Οπτική". Κάντε κλικ στην επιλογή "Εκτέλεση οπτικής προσομοίωσης" για να υπολογίσετε ξανά την οπτική απορρόφηση χρησιμοποιώντας τη νέα πηγή φωτός. Επιλέξτε την καρτέλα "Κατανομή φωτονίων που απορροφήθηκαν" για να εξετάσετε το αποτέλεσμα (??).
Το πρότυπο απορρόφησης είναι πλέον πολύ διαφορετικό. Στα 565 nm, η ενέργεια των φωτονίων είναι περίπου 2,19 eV, η οποία είναι μεγαλύτερη από το ενεργειακό χάσμα του InP. Ως αποτέλεσμα, το προσπίπτον φως απορροφάται έντονα εντός του παράθυρου p+ InP, κοντά στην επιφάνεια που φωτίζεται. Πολύ λίγο φως φτάνει στον ενδογενή απορροφητή InGaAs.
Πείραμα: Συγκρίνετε το φωτορεύμα σε διαφορετικά μήκη κύματος. Επιλέξτε την LED των 565 nm και εκτελέστε ξανά την ηλεκτρική προσομοίωση J–V, συγκρίνοντας το ρεύμα αντίστροφης πόλωσης με αυτό που προκύπτει από τη χρήση του λέιζερ των 1550 nm.
Για να πραγματοποιηθεί μια ουσιαστική ποσοτική σύγκριση, βεβαιωθείτε πρώτα ότι οι δύο πηγές φωτός έχουν την ίδια συνολική πυκνότητα οπτικής ισχύος που προσπίπτει στην επιφάνεια. Διαφορετικά, οι διαφορές στο φωτορεύμα μπορεί απλώς να αντικατοπτρίζουν διαφορές στην ένταση του φωτισμού.
Εμφάνιση επεξήγησης.
Το παράθυρο InP είναι σε μεγάλο βαθμό διαφανές στα 1550 nm, επιτρέποντας στα φωτόνια να φτάσουν στον απορροφητή InGaAs, όπου οι φωτοπαραγόμενοι φορείς συλλέγονται αποτελεσματικά. Στα 565 nm, τα περισσότερα φωτόνια απορροφώνται εντός του παραθύρου InP, όπου η ανασυνδυασμός μπορεί να μειώσει τη συλλογή των φορέων. Ως εκ τούτου, αναμένεται ότι το φωτορεύμα θα είναι μικρότερο στα 565 nm για συγκρίσιμη εισερχόμενη οπτική ισχύ.
Πριν συνεχίσετε, επαναφέρετε την πηγή φωτός στην τιμή των 1550 nm (λέιζερ) και κάντε κλικ στην επιλογή "Ανανέωση". Αυτό διασφαλίζει ότι οι επόμενες προσομοιώσεις θα χρησιμοποιούν την αρχική φωτεινότητα των 1550 nm.
7. Εξέταση των διαγραμμάτων των ενεργειακών ζωνών.
Μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε το OghmaNano για να εξετάσουμε πώς οι ενεργειακές ζώνες μεταβάλλονται ανάλογα με την εφαρμοσμένη τάση και τον φωτισμό. Από το κύριο παράθυρο, επιλέξτε την καρτέλα "Έξοδος" και κάντε διπλό κλικ στο snapshots για να ανοίξετε το πρόγραμμα προβολής των στιγμιότυπων προσομοίωσης. Κάντε κλικ στο κουμπί "+" για να προσθέσετε καμπύλες και χρησιμοποιήστε τις αναπτυσσόμενες λίστες "Αρχείο για σχεδίαση" για να επιλέξετε τα Ec.csv (άκρο της ζώνης αγωγιμότητας), Ev.csv (άκρο της ζώνης σθένους), Fn.csv (επίπεδο σχεδόν Fermi των ηλεκτρονίων) και Fp.csv (επίπεδο σχεδόν Fermi των οπών). Η ρυθμιστική μπάρα κάτω από το γράφημα σάς επιτρέπει να μετακινηθείτε μεταξύ των διαφορετικών εφαρμοσμένων τάσεων.
7.1 Ενεργειακές ζώνες στο σκοτάδι
Αρχικά, εξετάστε τα αποτελέσματα με την απενεργοποιημένη πηγή φωτός. Τα τρία διαγράμματα που ακολουθούν απεικονίζουν τη συσκευή στις τιμές −0,6 V, 0 V και +0,45 V. Στην τιμή 0 V, η συσκευή βρίσκεται σε θερμική ισορροπία: τα επίπεδα Fermi των ηλεκτρονίων και των οπών συμπίπτουν και παραμένουν επίπεδα σε όλη τη συσκευή. Αυτό σημαίνει ότι δεν υπάρχει καθαρή ροή ηλεκτρονίων ή οπών, παρόλο που οι ζώνες αγωγιμότητας και σθένους έχουν κλίση στην εγγενή περιοχή InGaAs.
Η κλίση των ζωνών αντιπροσωπεύει το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο, το οποίο προκύπτει από τη σύνδεση μεταξύ των περιοχών τύπου p και τύπου n. Στην ισορροπία, τα ρεύματα μεταφοράς και διάχυσης αλληλοαναιρούνται, με αποτέλεσμα μηδενικό συνολικό ρεύμα. Παρατηρήστε επίσης τις απότομες μεταβολές στις ζώνες αγωγιμότητας και σθένους στις διεπαφές InP/InGaAs. Αυτά είναι οι μετατοπίσεις ζωνών ετεροσύνδεσης, που προκαλούνται από διαφορές στα ενεργειακά χάσματα και τις ηλεκτρονιακές συγγένειες των δύο ημιαγωγών.
Υπό αντίστροφη πόλωση (−0,6 V), οι ενεργειακές ζώνες γίνονται πιο απότομες, υποδεικνύοντας ένα ισχυρότερο ηλεκτρικό πεδίο. Τα ψευδο-επίπεδα Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές διαχωρίζονται επειδή οι επαφές διατηρούνται σε διαφορετικά ηλεκτροχημικά δυναμικά. Οι κλίσεις τους υποδεικνύουν τις κινητήριες δυνάμεις για τη μεταφορά ηλεκτρονίων και οπών: ένα ψευδο-επίπεδο Fermi που είναι επίπεδο αντιστοιχεί σε μηδενικό ρεύμα για αυτόν τον φορέα, ενώ μια κλίση υποδεικνύει ότι ρέει ρεύμα.
Σε κατάσταση άμεσης πόλωσης (+0,45 V), η εφαρμοσμένη τάση αντιτίθεται στην ενσωματωμένη δυναμική και οι ζώνες ενέργειας γίνονται πιο επίπεδες. Η μειωμένη δυναμική φραγμού επιτρέπει την έγχυση ηλεκτρονίων και οπών στη συμβολή. Αυτό προκαλεί την ταχεία αύξηση του ρεύματος που παρατηρείται στην περιοχή της άμεσης πόλωσης της καμπύλης J–V.
7.2 Ενεργειακές ζώνες υπό φωτισμό.
Επαναφέρετε τη λειτουργία της λέιζερ στα 1550 nm, ρυθμίστε τον πολλαπλασιαστή φωτισμού στο 1,0 και εκτελέστε ξανά την προσομοίωση. Ανοίξτε ξανά το snapshots από την καρτέλα "Έξοδος" και χρησιμοποιήστε τη ρυθμιστική μπάρα για να εξετάσετε τα αποτελέσματα του φωτισμού. Τα τρία γραφήματα που ακολουθούν δείχνουν τιμές −1,8 V, 0 V και +0,45 V.
Η σημαντική διαφορά υπό φωτισμό είναι ότι τα απορροφηθέντα φωτόνια παράγουν επιπλέον ηλεκτρόνια και οπές στην στρώση InGaAs. Αυτοί οι φορείς φορτίου απομακρύνονται από τη θερμική ισορροπία, με αποτέλεσμα να διαχωρίζονται τα επίπεδα ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές. Αυτός ο διαχωρισμός αντικατοπτρίζει τις διαφορετικές συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων και οπών: το \(F_n\) περιγράφει τη συγκέντρωση ηλεκτρονίων, ενώ το \(F_p\) περιγράφει τη συγκέντρωση οπών.
Στα −1,8 V, το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο ωθεί τα ηλεκτρόνια και τις οπές που παράγονται από το φως προς τις αντίθετες επαφές. Παρατηρήστε ότι τα επίπεδα ψευδο-Fermi έχουν διαφορετικές κλίσεις σε όλο τον απορροφητή, αντανακλώντας τη μεταφορά ηλεκτρονίων και οπών μέσω της συσκευής. Το πεδίο επιτρέπει στη φωτοδίοδο να συλλέγει αποτελεσματικά τους φορείς, εξηγώντας το σχεδόν σταθερό αντίστροφο φωτορεύμα που παρατηρήθηκε προηγουμένως.
Στα 0 V υπό φωτισμό, οι ζώνες διατηρούν την ενσωματωμένη κλίση τους, αλλά τα επίπεδα των ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές δεν συμπίπτουν πλέον σε κάθε σημείο. Σε αντίθεση με την περίπτωση της σκοτεινής ισορροπίας, η συσκευή παράγει και συλλέγει φορείς, δημιουργώντας φωτορεύμα ακόμη και χωρίς εξωτερική εφαρμοσμένη τάση. Επομένως, τα επίπεδα των ψευδο-Fermi αποκαλύπτουν ότι η συσκευή δεν βρίσκεται πλέον σε θερμική ισορροπία.
Υπό συνθήκες άμεσης πόλωσης (+0,45 V), οι ενεργειακές ζώνες γίνονται σχεδόν επίπεδες σε όλη την περιοχή απορρόφησης InGaAs. Το ασθενέστερο ηλεκτρικό πεδίο μειώνει τη συλλογή φορέων που οφείλεται στην ολίσθηση, ενώ η έγχυση και η διάχυση των φορέων γίνονται όλο και πιο σημαντικές. Τα επίπεδα ψευδο-Fermi παραμένουν διαχωρισμένα, αντανακλώντας τις μη ισορροπημένες συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων και οπών υπό την εφαρμοζόμενη τάση.
Το σημαντικότερο σημείο είναι ότι οι κλίσεις των ενεργειακών ζωνών αποκαλύπτουν το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο, ενώ τα επίπεδα ψευδο-Fermi αποκαλύπτουν πώς τα ηλεκτρόνια και οι οπές αντιδρούν στην φωτεινή ακτινοβολία και στην εφαρμοσμένη τάση. Μαζί, αυτές οι ποσότητες εξηγούν πώς η φωτοδίοδος παράγει και μεταφέρει ηλεκτρικό ρεύμα.
8. Υπολογισμός της φωτοευαισθησίας μιας φωτοδιόδου.
Ένα από τα σημαντικότερα χαρακτηριστικά μιας φωτοδιόδου είναι η απόκρισή της, η οποία περιγράφει το ηλεκτρικό ρεύμα που παράγεται ανά μονάδα προσπίπτουσας οπτικής ισχύος. Υπολογίζεται από τη διαφορά μεταξύ της έντασης ρεύματος όταν είναι εκτεθειμένη στο φως και της έντασης ρεύματος όταν είναι στο σκοτάδι:
\[ R = \frac{|J_{\mathrm{light}}-J_{\mathrm{dark}}|} {P_{\mathrm{in}}} \qquad [\mathrm{A/W}]. \]
Εδώ, το \(P_{\mathrm{in}}\) είναι η πυκνότητα της οπτικής ισχύος που προσπίπτει σε W m−2. Για την προσομοίωσή μας, η πυκνότητα του φωτορεύματος υπό αντίστροφη πόλωση είναι περίπου 6,12 A m−2. Υποθέτοντας μια πυκνότητα ακτινοβολίας λέιζερ που προσπίπτει ίση με 10 W m−2 και αμελητέο σκοτεινό ρεύμα, η φωτοευαισθησία είναι περίπου 0,61 A/W.
Στα 1550 nm, η θεωρητική μέγιστη φωτοευαισθησία για ένα συλλεγμένο ηλεκτρόνιο ανά προσπίπτον φωτόνιο είναι περίπου 1,25 A/W. Η υπολογιζόμενη από εμάς τιμή αντιστοιχεί επομένως σε μια εξωτερική κβαντική απόδοση περίπου 49%. Η διαφορά από την ιδανική τιμή μπορεί να προκύψει από οπτικές ανακλάσεις, ατελή απορρόφηση και απώλειες κατά τη συλλογή των φορέων.
Δοκιμάστε να αλλάξετε το πάχος της απορροφητικής στρώσης InGaAs και να επαναλάβετε τον υπολογισμό. Πώς αλλάζει η φωτοευαισθησία;
10. Επιπλέον έρευνες.
Μόλις η φωτοδίοδος αναφοράς αρχίσει να λειτουργεί, η αλλαγή μιας παραμέτρου κάθε φορά μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό των τμημάτων της συσκευής που ελέγχουν την απόκρισή της.
Πείραμα 1: Αλλάξτε το πάχος του απορροφητή. Αυξήστε και μειώστε το πάχος του InGaAs, διατηρώντας σταθερή την οπτική είσοδο. Τι συμβαίνει στο προφίλ δημιουργίας και στο φωτορεύμα υπό αντίστροφη πόλωση;
Εμφάνιση επεξήγησης.
Ένας πιο παχύς απορροφητής μπορεί να απορροφήσει ένα μεγαλύτερο ποσοστό της εισερχόμενης ακτινοβολίας, αλλά το οπτικό πρότυπο παρεμβολής και οι ιδιότητες συλλογής φορέων φορτίου αλλάζουν επίσης. Το φωτορεύμα δεν είναι απαραίτητο να αυξάνεται σε άμεση αναλογία με το πάχος.
Πείραμα 2: Αλλάξτε την αντίστροφη τάση. Συγκρίνετε το προφίλ του ηλεκτρικού πεδίου και το φωτορεύμα στις τιμές 0 V, −0,5 V και −2 V.
Εμφάνιση επεξήγησης.
Η αντίστροφη πόλωση συνήθως αυξάνει το ηλεκτρικό πεδίο στον απορροφητή και βελτιώνει την εξαγωγή των φορέων. Όταν η απόδοση συλλογής πλησιάζει τη μονάδα, η περαιτέρω αύξηση της αντίστροφης πόλωσης μπορεί να μην παράγει σημαντική επιπλέον φωτορρέουσα ένταση.
Πείραμα 3: Αλλάξτε το μήκος κύματος της φωτεινής ακτινοβολίας. Συγκρίνετε την απόκριση της συσκευής κοντά στα 1550 nm με μια μεγαλύτερη τιμή μήκους κύματος που πλησιάζει το όριο απορρόφησης του InGaAs.
Εμφάνιση επεξήγησης.
Καθώς η ενέργεια των φωτονίων πλησιάζει το ενεργειακό χάσμα, ο συντελεστής απορρόφησης μειώνεται γενικά και τα φωτόνια διεισδύουν βαθύτερα στη συσκευή. Η προκύπτουσα φωτοευαισθησία εξαρτάται από το πόσο φως απορροφάται και από το πόσο αποτελεσματικά συλλέγονται οι δημιουργημένοι φορείς.
Πείραμα 4: Εξετάστε τη μεταφορά στη διεπιφάνεια. Αλλάξτε την ευθυγράμμιση των ηλεκτρικών ζωνών εντός ενός εύλογου φυσικού εύρους και ελέγξτε τα επίπεδα των ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές κοντά σε κάθε διεπιφάνεια InP/InGaAs.
Εμφάνιση επεξήγησης.
Οι μετατοπίσεις των ζωνών αγωγιμότητας και σθένους επηρεάζουν τη μεταφορά φορέων στα ετεροσύνδετα. Ένα μεγάλο φράγμα εξαγωγής μπορεί να προκαλέσει συσσώρευση φορέων και πρόσθετη απώλεια τάσης, ακόμη και όταν η οπτική απορρόφηση είναι ισχυρή.
8. Υπολογισμός της εξωτερικής κβαντικής απόδοσης (EQE)
Η εξωτερική κβαντική απόδοση (EQE) περιγράφει το ποσοστό των προσπίπτοντων φωτονίων που συμβάλλουν στο ηλεκτρικό ρεύμα. Σε αντίθεση με την καμπύλη J–V, η οποία μετρά την απόκριση σε μια συγκεκριμένη πηγή φωτός, η EQE δείχνει πόσο αποτελεσματικά ανιχνεύει η φωτοδίοδος το φως σε διαφορετικά μήκη κύματος.
Για να υπολογίσετε το EQE, πρώτα αλλάξτε την πηγή φωτισμού σε ένα ευρύ φάσμα. Από το κύριο παράθυρο του OghmaNano, επιλέξτε την καρτέλα "Optical" και κάντε κλικ στο "Light Sources" (το εικονίδιο του φάρου). Στον επεξεργαστή πηγής φωτός, αλλάξτε το φάσμα σε AM1.5G και κάντε κλικ στο "Rebuild" (??). Απαιτείται ένα ευρύ φάσμα επειδή θέλουμε να υπολογίσουμε την απόκριση της φωτοδίοδου σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος, και όχι μόνο στα 1550 nm.
Στη συνέχεια, επιστρέψτε στο κύριο παράθυρο και επιλέξτε το Τύπος προσομοίωσης κορδέλα και κλικ EQE (??). Κάντε κλικ. Εκτέλεση προσομοίωσης.ή πατήστε F9Το OghmaNano υπολογίζει την απόκριση σε διαδοχικά μήκη κύματος, προκειμένου να προσδιορίσει πόσο αποτελεσματικά τα προσπίπτοντα φωτόνια μετατρέπονται σε συλλεγόμενο φορτίο.
Μόλις ολοκληρωθεί η προσομοίωση, ανοίξτε την καρτέλα "Έξοδος" (??). Τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν την εξωτερική κβαντική απόδοση (EQE) και την εσωτερική κβαντική απόδοση (IQE), καθώς και επιπλέον αρχεία εξόδου που περιγράφουν την οπτική απόκριση. Κάντε διπλό κλικ στο eqe.csv για να εμφανίσετε την EQE ως συνάρτηση του μήκους κύματος (??).
eqe.csv για να δείτε την απόδοση ως συνάρτηση του μήκους κύματος.
Η υπολογιζόμενη τιμή EQE φτάνει περίπου το 98% γύρω στα 850 nm και παραμένει σχετικά υψηλή σε ένα ευρύ φάσμα μηκών κύματος. Στο επιθυμητό μήκος κύματος λειτουργίας των 1550 nm, η τιμή EQE είναι περίπου 70–75%. Η μείωση σε μεγαλύτερα μήκη κύματος συμβαίνει επειδή η ενέργεια των φωτονίων πλησιάζει το ενεργειακό χάσμα του InGaAs, μειώνοντας την οπτική απορρόφηση εντός του απορροφητή.
Η EQE εξαρτάται επίσης από τις συνθήκες φωτισμού. Οι ημιαγωγικές συσκευές μπορούν να παρουσιάσουν μη γραμμική συμπεριφορά μέσω της ανασύνθεσης και της μεταφοράς φορέων, επομένως η υπολογιζόμενη απόδοση μπορεί να αλλάξει ανάλογα με την οπτική ένταση. Αν και εδώ χρησιμοποιούμε το AM1.5G για να παρέχουμε ευρυζωνικό φωτισμό, για μια συγκεκριμένη εφαρμογή φωτοανιχνευτή, είναι προτιμότερο να αξιολογείται η EQE χρησιμοποιώντας οπτικές εντάσεις που αντιπροσωπεύουν τις αναμενόμενες συνθήκες λειτουργίας.
Η σχέση μεταξύ της εξωτερικής κβαντικής απόδοσης (EQE) και της φωτοευαισθησίας της φωτοδιόδου είναι η εξής:
\[ R(\lambda)=\mathrm{EQE}(\lambda)\frac{q\lambda}{hc}. \]
Στα 1550 nm, μια τιμή EQE 75% αντιστοιχεί σε μια φωτοευαισθησία περίπου 0,94 A/W. Αυτό παρέχει έναν χρήσιμο τρόπο σύνδεσης της προσομοιωμένης φασματικής απόκρισης με το ηλεκτρικό φωτορεύμα που υπολογίστηκε νωρίτερα στο εκπαιδευτικό υλικό.
9. Σύνοψη και συμπεράσματα.
Σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό, χρησιμοποιήσαμε το OghmaNano για να προσομοιώσουμε μια φωτοδίοδο PIN InGaAs/InP, η οποία έχει σχεδιαστεί για οπτική ανίχνευση στα 1550 nm. Ξεκινώντας από μια προδιαμορφωμένη συσκευή, εξετάσαμε τη δομή των ημιαγωγών, το προφίλ προσμίξεων, τη σύνθεση του κράματος και τις ηλεκτρικές παραμέτρους του υλικού.
Στη συνέχεια, υπολογίσαμε τις χαρακτηριστικές καμπύλες J–V για τις σκοτεινές και φωτεινές συνθήκες, μελετήσαμε την οπτική απορρόφηση και τη δημιουργία φορέων, και εξετάσαμε πώς οι ενεργειακές ζώνες και τα επίπεδα quasi-Fermi μεταβάλλονται ανάλογα με την εφαρμοσμένη τάση και τον φωτισμό. Συγκρίνοντας ένα λέιζερ 1550 nm με μια LED 565 nm, καταδείξαμε πώς το «παράθυρο» InP επιτρέπει στο σχεδόν υπέρυθρο φως να φτάσει στον απορροφητή InGaAs, ενώ ταυτόχρονα απορροφά μεγάλο μέρος του ορατού φωτός.
Τέλος, υπολογίσαμε την εξωτερική κβαντική απόδοση (EQE) ως συνάρτηση του μήκους κύματος και εξετάσαμε τη σχέση της με την φωτοευαισθησία της φωτοδιόδου. Συνολικά, αυτές οι προσομοιώσεις δείχνουν πώς το OghmaNano συνδυάζει υπολογισμούς οπτικής μήτρας μεταφοράς με ηλεκτρική μοντελοποίηση διάχυσης-μεταφοράς για να προβλέψει τη συμπεριφορά των ημιαγωγών φωτοανιχνευτών.
Μπορείτε πλέον να πειραματιστείτε αλλάζοντας το πάχος του απορροφητή, τη σύνθεση του κράματος, τις συγκεντρώσεις προσμίξεων ή το μήκος κύματος της ακτινοβολίας, προκειμένου να διερευνήσετε πώς αυτές οι παράμετροι επηρεάζουν την απόδοση της φωτοδιόδου.
Για περισσότερες πληροφορίες σχετικά με την εισαγωγή προσαρμοσμένων φασμάτων λέιζερ και LED, ανατρέξτε στη Βάση Δεδομένων Οπτικών Φασμάτων. Η Βάση Δεδομένων Ηλεκτρικών Υλικών περιγράφει τον τρόπο με τον οποίο μπορούν να οριστούν οι ιδιότητες των ημιαγωγικών υλικών χρησιμοποιώντας σενάρια Lua.