Προσομοίωση διόδου PN InP: Μηχανισμός μεταφοράς-διάχυσης, ανορθωτική συμπεριφορά και ανασυνδυασμός φορέων.
1. Εισαγωγή: μια ανορθωτική δίοδος InP.
Το φωσφίδιο του ινδίου (InP) είναι ένας ημιαγωγός τύπου III-V με άμεσο ενεργειακό χάσμα, ο οποίος χρησιμοποιείται ως βάση για ηλεκτρονικές συσκευές υψηλής ταχύτητας και ολοκληρωμένες φωτονικές τεχνολογίες. Μια δίοδος PN είναι μία από τις απλούστερες και πιο κατατοπιστικές δομές συσκευών: μια περιοχή τύπου p συναντά μια περιοχή τύπου n, δημιουργώντας ένα ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο και ένα δυναμικό φράγμα που ελέγχει την κίνηση των ηλεκτρονίων και των οπών. Η δίοδος άγει έντονα υπό άμεση πόλωση και καταστέλλει την έγχυση φορέων υπό αντίστροφη πόλωση, παράγοντας ηλεκτρική ορθοδιόρθωση.
Το InP έχει ενεργειακό χάσμα σε θερμοκρασία δωματίου περίπου 1,34 eV και σχετικά υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων. Αυτές οι ιδιότητες καθιστούν τη μεταφορά σε μια σύνδεση InP σημαντική για την ηλεκτρονική των σύνθετων ημιαγωγών και για την κατανόηση των διεπαφών ημιαγωγών που χρησιμοποιούνται σε πλατφόρμες συσκευών που βασίζονται στο InP. Το παράδειγμα σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό επιδεικνύει τη λειτουργία μιας συμπαγούς ομοπροσύνδεσης p-InP/n-InP με μια στρώση n⁺ στην πλευρά της επαφής.
Αντί να εφαρμόζει απλώς την καμπύλη J–V σε μια ιδανική εξίσωση διόδου, η OghmaNano επιλύει τις συνδυασμένες εξισώσεις Poisson και μεταφοράς-διάχυσης. Τα προκύπτοντα δεδομένα αποκαλύπτουν τόσο το ρεύμα στα άκρα όσο και την εσωτερική κατανομή των ενεργειών της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους, τις πυκνότητες των ηλεκτρονίων και των οπών, τα επίπεδα ψευδο-Fermi και την ανασυνδυασμό. Αυτό μας επιτρέπει να εξηγήσουμε γιατί η δίοδος λειτουργεί ως ανορθωτής, αντί απλώς να παρατηρούμε ότι το κάνει.
Το κύριο παράθυρο προσομοίωσης, που εμφανίζεται στην εικόνα ??, απεικονίζει την κατακόρυφα διαστρωμένη συσκευή InP. Αν και η γεωμετρία απεικονίζεται σε τρεις διαστάσεις, το ηλεκτρικό πρόβλημα που επιλύεται εδώ είναι μονοδιάστατο κατά μήκος της κατεύθυνσης ανάπτυξης.
2. Δημιουργία μιας νέας προσομοίωσης.
Στο κύριο παράθυρο του OghmaNano, επιλέξτε "Νέα προσομοίωση". Ανοίγει το παράθυρο επιλογής προσομοίωσης, όπου εμφανίζονται οι διαθέσιμες κατηγορίες παραδειγμάτων (??). Ανοίξτε τις επιδείξεις III–V/InP και επιλέξτε το παράδειγμα διόδου InP PN (??). Η ακριβής θέση του παραδείγματος μπορεί να διαφέρει ανάλογα με την έκδοση του OghmaNano.
Αφού ανοίξει το παράδειγμα, επιλέξτε την καρτέλα "Δομή συσκευής" και ανοίξτε τον επεξεργαστή στρώσεων. Ελέγξτε τις ονομασίες των στρώσεων, τα πάχη τους και τα σχετικά ηλεκτρικά μοντέλα υλικών πριν εκτελέσετε την προσομοίωση. Οι παρακάτω ενότητες εξηγούν τη συμβολή κάθε περιοχής στη συνολική απόκριση της διόδου.
3. Εξέταση της δομής της συσκευής, των επαφών και της προσθήκης προσμίξεων.
3.1 Δομή της ημιαγωγικής στρώσης
Η ηλεκτρική συσκευή περιέχει τρεις στρώσεις InP με συνολικό πάχος ημιαγωγού 700 nm. Οι στρώσεις p-InP και n-InP σχηματίζουν την ομοπροσέγγιση, ενώ η περιοχή n⁺-InP παρέχει μια περιοχή στην πλευρά της καθόδου με μεγαλύτερη συγκέντρωση προσμίξεων. Η διάταξη των στρώσεων είναι ορατή στον επεξεργαστή (??).
| στρώση | πάχος | Ονομαστική ντόπαρισμα | Ρόλος |
|---|---|---|---|
| p-InP | 250 νανόμετρα | \(N_A=5\times10^{17}\,\mathrm{cm^{-3}}\) | Περιοχή με πλειονότητα οπών και πλευρά ανόδου. |
| n-InP | 350 νανόμετρα | \(N_D=5\times10^{17}\,\mathrm{cm^{-3}}\) | Περιοχή με πλειονότητα ηλεκτρονίων που σχηματίζει τη συμβολή. |
| n⁺-InP | 100 νανόμετρα | \(N_D=1\times10^{18}\,\mathrm{cm^{-3}}\) | Στρώση στην πλευρά της καθόδου με υψηλότερη συγκέντρωση προσμίξεων. |
Η περιοχή αέρα των 200 nm που εμφανίζεται στον επεξεργαστή δομής αποτελεί μέρος της οπτικής διάταξης και της περιβάλλουσας γεωμετρίας, και όχι μέρος της ηλεκτρικής στοίβας ημιαγωγών. Επομένως, το πάχος της δεν συμπεριλαμβάνεται στο συνολικό πάχος της ηλεκτρικής συσκευής, το οποίο είναι 700 nm.
3.2 Ντόπαρισμα και ενσωματωμένη ηλεκτροστατική.
Ανοίξτε την ενότητα "Ηλεκτρικές Ιδιότητες" → "Εμβολισμός / Ιόντα" για να δείτε τις συγκεντρώσεις των δοτών και των αποδεκτών (??). Η καθαρή αλλαγή του εμβολισμού αλλάζει πρόσημο στη διεπαφή μεταξύ του p-InP και του n-InP, περίπου 250 nm από την κορυφή της ηλεκτρικά ενεργού στοίβας ημιαγωγών. Η δεύτερη αλλαγή, μεταξύ του n-InP και του n⁺-InP, τροποποιεί την πυκνότητα των ηλεκτρονίων προς την κάθοδο, αλλά δεν δημιουργεί μια άλλη σύνδεση PN.
Στην κατάσταση ισορροπίας, τα ηλεκτρόνια τείνουν να διαχέονται από την περιοχή τύπου n στην περιοχή τύπου p, ενώ οι οπές διαχέονται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Τα εκτεθειμένα ιονισμένα άτομα προσμίξεων δημιουργούν ένα ηλεκτρικό πεδίο που αντιτίθεται σε περαιτέρω διάχυση. Η προκύπτουσα περιοχή εξάντλησης και το εσωτερικό δυναμικό φράγμα αποτελούν τη βάση της ιδιότητας διόδου.
\[ \frac{d}{dy}\left(\varepsilon\frac{d\phi}{dy}\right)=-\rho(y), \qquad \rho(y)=q\,[p-n+N_D^+-N_A^-]. \]Εδώ, το \(\phi\) είναι το ηλεκτροστατικό δυναμικό, το \(\varepsilon\) η διηλεκτρική διαπερατότητα και το \(\rho\) η τοπική πυκνότητα φορτίου. Τα ιονισμένα πρόσμικτα και οι κινητοί φορείς φορτίου καθορίζουν το τοπικό ηλεκτρικό πεδίο, ενώ η εφαρμοσμένη τάση αλλάζει το αποτελεσματικό φράγμα για την έγχυση φορέων.
3.3 Ηλεκτρικές επαφές
Το μοντέλο χρησιμοποιεί μια ομική επαφή με πλειονότητα οπών στην άνοδο και μια ομική επαφή με πλειονότητα ηλεκτρονίων στην κάθοδο. Αυτές οι οριακές συνθήκες είναι κατάλληλες για τη μελέτη της συμπεριφοράς της σύνδεσης χωρίς να εισάγεται ένα επιπλέον φράγμα έγχυσης στις επαφές. Στις κατασκευασμένες συσκευές, η μεταλλική επικάλυψη των επαφών και η επεξεργασία καθορίζουν πόσο κοντά πλησιάζουν οι επαφές στην ιδανική ομική συμπεριφορά.
4. Μοντέλα υλικών και παράμετροι μεταφοράς.
4.1 Υλικά μοντέλα Lua: από πού προέρχονται οι παράμετροι InP.
Ένα από τα σημαντικά χαρακτηριστικά αυτού του παραδείγματος διόδου InP είναι ότι οι ηλεκτρικές παράμετροι του υλικού ορίζονται χρησιμοποιώντας μοντέλα υλικών Lua. Αυτό δημιουργεί μια σαφή σύνδεση μεταξύ των φυσικών ιδιοτήτων ενός ημιαγωγού και της λύσης διάχυσης-μεταφοράς. Οι περιοχές p-InP, n-InP και n⁺-InP αναφέρονται όλες στον ίδιο ορισμό υλικού, Inorganic/InP/InP.lua. Η διαφορετική ηλεκτρική συμπεριφορά τους προκύπτει κυρίως από το προφίλ προσμίξεων και όχι από την ανάθεση τριών άσχετων συνόλων σταθερών υλικού.
Για να εξετάσετε το μοντέλο, ανοίξτε την ενότητα Δομή συσκευής → Ηλεκτρικές παράμετροι (ο επεξεργαστής ηλεκτρικών υλικών) και επιλέξτε μία από τις στρώσεις InP. Η καρτέλα Επεξεργαστής κώδικα εμφανίζει το σενάριο υλικού Lua που σχετίζεται με αυτήν την περιοχή· η καρτέλα Παράμετροι εμφανίζει τις υπολογισμένες ιδιότητες του υλικού. Αυτές οι δύο προβολές θα πρέπει να χρησιμοποιούνται μαζί. Ο κώδικας καθορίζει τον τρόπο με τον οποίο λαμβάνονται οι ιδιότητες, ενώ οι υπολογισμένες τιμές αποκαλύπτουν τι λαμβάνει στην πραγματικότητα ο ηλεκτρικός επιλυτής.
Inorganic/InP/InP.lua.Οι εικόνες στα ?? και ?? δείχνουν πώς γίνεται η πρόσβαση στον επεξεργαστή κώδικα. Η διαμόρφωση των επιπέδων της προσομοίωσης καθορίζει το υλικό μοντέλο που χρησιμοποιείται: σε αυτό το παράδειγμα, κάθε ενεργή περιοχή συνδέεται με το αρχείο Lua InP. Τα ονόματα των αρχείων εικόνας προέρχονται από την ακολουθία λήψης στιγμιότυπων οθόνης και δεν καθορίζουν ποιος ημιαγωγός προσομοιώνεται.
Στην παρεχόμενη προσομοίωση, οι διακόπτες db_overrides έχουν ρυθμιστεί στην τιμή false για τις βασικές παραμέτρους μεταφοράς και ζώνης. Ως εκ τούτου, το OghmaNano έχει διαμορφωθεί ώστε να λαμβάνει τις αντίστοιχες τιμές από τη βάση δεδομένων υλικών/το μοντέλο Lua, αντί να χρησιμοποιεί τις προκαθορισμένες τιμές που είναι αποθηκευμένες αλλού στο αρχείο JSON. Αυτό είναι σημαντικό κατά τον έλεγχο της διαμόρφωσης: οι πραγματικές τιμές που εμφανίζονται στην καρτέλα Παράμετροι είναι πιο κατατοπιστικές από τις αποθηκευμένες προεπιλεγμένες τιμές σε ένα ανενεργό πεδίο αντικατάστασης.
4.2 Δομή ζωνών, πυκνότητα καταστάσεων και κινητικότητα.
Οι πρώτες ποσότητες που πρέπει να ελεγχθούν στην καρτέλα «Αξιολογημένες παράμετροι» είναι το ενεργειακό χάσμα \(E_g\) και η συγγένεια των ηλεκτρονίων \(\chi\). Το ενεργειακό χάσμα καθορίζει τη διαφορά μεταξύ της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους, ενώ η συγγένεια των ηλεκτρονίων προσδιορίζει τη θέση της άκρης της ζώνης αγωγιμότητας σε σχέση με μια αναφορά ενεργειακού κενού. Για το InP, το ενεργειακό χάσμα σε θερμοκρασία δωματίου είναι περίπου \(1.34\,\mathrm{eV}\). Ένας χρήσιμος αρχικός έλεγχος συνέπειας είναι αν η διαφορά μεταξύ των \(E_c\) και \(E_v\) στο προκύπτον διάγραμμα ζωνών συμφωνεί με το αξιολογημένο ενεργειακό χάσμα.
Οι αποτελεσματικές πυκνότητες καταστάσεων της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους, \(N_c\) και \(N_v\) αντίστοιχα, επηρεάζουν τη σχέση μεταξύ της συγκέντρωσης φορέων και της θέσης του επιπέδου quasi-Fermi. Επομένως, συμβάλλουν στις ισορροπημένες συγκεντρώσεις ηλεκτρονίων και οπών, καθώς και στην απόκριση κατά την εφαρμογή θετικής τάσης. Η σχετική διηλεκτρική σταθερά \(\varepsilon_r\) εισέρχεται στην εξίσωση Poisson και επηρεάζει το ηλεκτροστατικό δυναμικό και το πλάτος της περιοχής εξάντλησης. Αυτές οι ποσότητες θα πρέπει να εξετάζονται ως ένα συνεπές σύνολο και όχι ως ανεξάρτητες αριθμητικές παράμετροι ρύθμισης.
Οι κινητικότητες των ηλεκτρονίων και των οπών, \(\mu_n\) και \(\mu_p\) αντίστοιχα, καθορίζουν την απόκριση της μετατόπισης των φορέων σε ένα ηλεκτρικό πεδίο· η διάχυση εξαρτάται επιπλέον από τις κλίσεις της πυκνότητας των φορέων. Στο μονοδιάστατο μοντέλο, οι πυκνότητες ρεύματος γράφονται ως εξής:
\[ J_n=q\mu_n nE+qD_n\frac{dn}{dy},\qquad J_p=q\mu_p pE-qD_p\frac{dp}{dy}. \]Εδώ, τα \(n\) και \(p\) είναι οι τοπικές πυκνότητες ηλεκτρονίων και οπών, το \(E\) είναι το ηλεκτρικό πεδίο και τα \(D_n\) και \(D_p\) είναι οι συντελεστές διάχυσης. Οι δύο συνιστώσες του ρεύματος μπορούν να διαφέρουν σημαντικά σε όλη τη διόδο, ακόμη και όταν το συνολικό σταθερό ρεύμα είναι κατά προσέγγιση ανεξάρτητο της θέσης. Για αυτόν τον λόγο, στις επόμενες ενότητες εξετάζονται τα \(J_n\) και \(J_p\) παράλληλα με τα προφίλ πυκνότητας φορέων.
4.3 Πώς να ελέγξετε και να συγκρίνετε τις ρυθμίσεις των υλικών
Στον ηλεκτρικό επεξεργαστή, επιλέξτε το p-InP και εξετάστε τον κώδικα Lua και τις υπολογισμένες παραμέτρους του. Στη συνέχεια, μεταβείτε στο n-InP και τέλος στο n⁺-InP. Συγκρίνετε το μοντέλο υλικού που έχει εκχωρηθεί, το ενεργειακό χάσμα, τη συγγένεια των ηλεκτρονίων, τις κινητικότητες, τις αποτελεσματικές πυκνότητες καταστάσεων, τη διηλεκτρική σταθερά και τους συντελεστές ανασύνθεσης. Για αυτή την ομοπροσέγγιση, το ίδιο βασικό μοντέλο InP χρησιμοποιείται και στις τρεις περιοχές· η κύρια σκόπιμη αλλαγή μεταξύ των περιοχών είναι η συγκέντρωση αποδεκτών ή δοτών.
Είναι χρήσιμο να διαχωρίσουμε δύο έννοιες: το υλικό μοντέλο περιγράφει τις ιδιότητες του InP, ενώ το προφίλ προσμίξεων καθορίζει ποιοι φορείς φορτίου κυριαρχούν τοπικά και πού βρίσκεται η σύνδεση. Αυτή η διάκριση γίνεται ιδιαίτερα χρήσιμη όταν μεταβαίνουμε από μια ομοαρμογή PN σε μια ετεροαρμογή με βάση το InP, όπου οι διαφορές μεταξύ των υλικών μοντέλων μπορούν να δημιουργήσουν και αυτές διαφορές στις ζώνες ενέργειας. Σε αυτή τη δίοδο, η κάμψη της ζώνης αγωγιμότητας και της ζώνης σθένους που παρατηρείται στις στιγμιαίες εικόνες αντικατοπτρίζει κυρίως την ηλεκτροστατική συμπεριφορά στην περιοχή p/n.
Για μια μελέτη με αναπαραγώγιμα αποτελέσματα, διατηρήστε το μοντέλο υλικού Lua σταθερό κατά την αλλαγή των συγκεντρώσεων προσμίξεων. Αντίθετα, εάν ερευνάτε την ευαισθησία του αποτελέσματος στην κινητικότητα ή στον συντελεστή ανασύνθεσης, αλλάξτε σκόπιμα αυτήν την παράμετρο του υλικού και συγκρίνετε την προκύπτουσα καμπύλη J–V, τις πυκνότητες φορέων και τα εσωτερικά προφίλ ρεύματος. Ο επεξεργαστής παραμέτρων και οι προβολές κώδικα Lua παρέχουν τη σύνδεση μεταξύ των φυσικών υποθέσεων εισόδου και της προσομοιωμένης εξόδου.
4.4 Παράμετροι ανασυνδυασμού
Οι περιοχές InP περιλαμβάνουν την ανασυνδυωτική διαδικασία Shockley–Read–Hall (SRH) και ένα κανάλι ανασυνδυωτικής διαδικασίας ελεύθερων φορέων, όπως ορίζεται στο χρησιμοποιούμενο μοντέλο υλικού. Η ανασυνδυωτική διαδικασία SRH περιγράφει την παγίδευση ηλεκτρονίων και οπών με τη βοήθεια ελαττωμάτων· η ανασυνδυωτική διαδικασία ελεύθερων φορέων είναι ιδιαίτερα σημαντική στο InP με άμεσο ενεργειακό χάσμα, επειδή οι μεταπτώσεις ηλεκτρονίων-οπών μπορούν να συμβούν με εκπομπή ακτινοβολίας. Στην παρούσα άσκηση, και οι δύο είναι χρήσιμες ως διαδικασίες απώλειας φορέων που τροποποιούν το ηλεκτρικό ρεύμα.
\[ R_{\mathrm{rad}}=B\left(np-n_i^2\right), \qquad R_{\mathrm{SRH}}=\frac{np-n_i^2}{\tau_p(n+n_1)+\tau_n(p+p_1)}. \]Ο συντελεστής \(B\), οι χρόνοι ζωής της παγίδας \(\tau_n\) και \(\tau_p\) και οι βοηθητικές πυκνότητες \(n_1\) και \(p_1\) καθορίζουν το μέγεθος κάθε διαδικασίας. Το βασικό διαγνωστικό στοιχείο σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα είναι ο τρόπος με τον οποίο η χωρική κατανομή της ανασύνθεσης αλλάζει καθώς η τάση ωθεί περισσότερα ηλεκτρόνια και οπές στην ίδια περιοχή.
4.5 Πλέγμα και αριθμητική λύση
Ο ηλεκτρικός υπολογισμός χρησιμοποιεί ένα μονοδιάστατο πλέγμα 150 σημείων σε μήκος 700 nm, το οποίο αντιστοιχεί σε μια μέση απόσταση περίπου 4,7 nm. Οι συνδεδεμένες μη γραμμικές εξισώσεις επιλύονται χρησιμοποιώντας την επανάληψη Newton και τον αραιό γραμμικό επιλυτή UMFPACK. Αυτό το πλέγμα αποτελεί ένα χρήσιμο σημείο εκκίνησης για την εξέταση της περιοχής σύνδεσης και των περιοχών σχεδόν ουδέτερου φορτίου.
Η έξοδος περιλαμβάνει πληροφορίες σύγκλισης και προφίλ συσκευών που εξαρτώνται από τη μεροληψία. Ένας καλός πρώτος έλεγχος είναι να αναζητήσετε μια ομαλή καμπύλη J–V και στη συνέχεια να επιβεβαιώσετε ότι τα ρεύματα ηλεκτρονίων και οπών συμμορφώνονται με τη συνολική σταθερή κατάσταση διατήρησης του ρεύματος. Ο επεξεργαστής πλέγματος εμφανίζεται στο ??.
5. Εκτέλεση της προσομοίωσης και ερμηνεία της καμπύλης J–V.
Επιστρέψτε στο κύριο παράθυρο και επιλέξτε «Εκτέλεση προσομοίωσης». Το OghmaNano εφαρμόζει διαδοχικά διαφορετικές τιμές τάσης και αποθηκεύει τη λύση που προκύπτει σε κάθε σημείο. Το αποθηκευμένο αρχείο παραδείγματος χρησιμοποιεί μια διαδοχική εφαρμογή τάσης από 0 έως 3 V, με βήματα των 25 mV. Το τερματικό καταγράφει την πρόοδο του επιλυτή κατά τη διάρκεια της διαδοχικής εφαρμογής, ενώ η καρτέλα «Έξοδος» παρέχει πρόσβαση στα δεδομένα που προκύπτουν.
Όταν ολοκληρωθεί η προσομοίωση, τα αποτελέσματα εμφανίζονται στην καρτέλα "Έξοδος" (??). Ανοίξτε το jv.csv για να απεικονίσετε τη σχέση μεταξύ της πυκνότητας ρεύματος και της εφαρμοσμένης τάσης. Τα στιγμιότυπα οθόνης περιλαμβάνουν τόσο μια γραμμική απεικόνιση της καμπύλης J–V (??) όσο και μια λογαριθμική απεικόνιση του ρεύματος (??).
5.1 Κατανόηση των χαρακτηριστικών
Σε χαμηλή εφαρμοσμένη τάση, το ενσωματωμένο φράγμα της σύνδεσης περιορίζει σημαντικά την έγχυση φορέων. Η αύξηση της τάσης άνοδου μειώνει αυτό το φράγμα, έτσι τα ηλεκτρόνια και οι οπές εισέρχονται ευκολότερα στην αντίθετη πλευρά και το συνολικό ρεύμα αυξάνεται. Στο ενδιάμεσο εύρος, το ρεύμα είναι συχνά κατά προσέγγιση εκθετικό ως προς την τάση· σε μεγαλύτερα ρεύματα, η μεταφορά και οι απώλειες αντίστασης μπορούν να τροποποιήσουν την κλίση.
\[ J\approx J_0\left[\exp\!\left(\frac{qV}{nk_{\mathrm B}T}\right)-1\right]. \]Αυτή η ιδανική έκφραση διόδου παρέχει μια χρήσιμη αναφορά για την ανάλυση ενός κατά προσέγγιση εκθετικού διαστήματος, αλλά δεν υπαγορεύεται από το μοντέλο μεταφοράς-διάχυσης. Ο παράγοντας ιδανικότητας \(n\) και ο συντελεστής \(J_0\) θα πρέπει να εξαχθούν μόνο σε ένα κατάλληλο διάστημα πόλωσης· μπορούν να αλλάξουν ανάλογα με την ανασυνδυασμό, την αντίσταση σειράς και τη συμπεριφορά της επαφής.
Το λογαριθμικό διάγραμμα βοηθά στον εντοπισμό της έναρξης σημαντικού ρεύματος και των αλλαγών στην κλίση. Το γραμμικό διάγραμμα διευκολύνει την ερμηνεία του μεγέθους και της μορφής του ρεύματος υψηλής έντασης. Για την πιο σαφή εικόνα της λειτουργίας της διόδου, εξετάστε και τα δύο διαγράμματα μαζί με τα εσωτερικά προφίλ ζωνών και πυκνότητας φορέων.
6. Εσωτερική δομή: πώς λειτουργεί η δίοδος.
Ο φάκελος "snapshots" περιέχει χωρικά προφίλ που έχουν αποθηκευτεί σε επιλεγμένα σημεία κατά τη διάρκεια της σάρωσης J–V. Οι παρεχόμενες εικόνες οθόνης δείχνουν τέσσερις θέσεις κατά τη διάρκεια αυτής της σάρωσης. Παρουσιάζουν μια εξέλιξη από χαμηλή ένταση προς ισχυρότερη εμπρόσθια πόλωση. Οι τέσσερις εικόνες σε κάθε ομάδα αντιστοιχούν στις ίδιες επιλεγμένες θέσεις του ρυθμιστικού, επιτρέποντας την άμεση σύγκριση των διαφόρων φυσικών ποσοτήτων.
6.1 Ζώνες αγωγιμότητας και σθένους και επίπεδα ψευδο-Fermi.
Ανοίξτε το πρόγραμμα προβολής στιγμιότυπων και επιλέξτε τις επιλογές Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv και Fp.csv. Αυτές αντιστοιχούν στην ακμή της ζώνης αγωγιμότητας, στην ακμή της ζώνης σθένους, στο επίπεδο σχετικής ενέργειας των ηλεκτρονίων και στο επίπεδο σχετικής ενέργειας των οπών. Η χωρική τους απόσταση και οι κλίσεις τους αποκαλύπτουν το δυναμικό φράγμα, την απόκριση στην εφαρμοσμένη τάση και την απόκλιση από την ισορροπία.
Σε χαμηλή ένταση έγχυσης, οι άκρες της ζώνης κάμπτονται κατά μήκος της διασταύρωσης ως αποτέλεσμα του ενσωματωμένου ηλεκτροστατικού πεδίου. Καθώς αυξάνεται η τάση προς τα εμπρός, το αποτελεσματικό φράγμα μειώνεται και τα ψευδο-επίπεδα Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές διαχωρίζονται καθώς οι φορείς φορτίου κινούνται μέσα από τη συσκευή. Το σημαντικό σημείο είναι ότι το InP παραμένει το ίδιο ημιαγωγό και στις δύο πλευρές της διασταύρωσης: τα μεταβαλλόμενα προφίλ αντικατοπτρίζουν την ηλεκτροστατική και την έγχυση φορέων που καθορίζονται από τη διάδοσή του.
Η σύγκριση μεταξύ των ?? και ?? απεικονίζει πώς η τάση πόλωσης επηρεάζει την εσωτερική δομή ζωνών. Συγκεκριμένα, τα επίπεδα ψευδο-Fermi παρέχουν μια άμεση μέθοδο διάγνωσης της μη ισορροπημένης κατάστασης που δημιουργείται κατά τη σταθερή αγωγιμότητα.
6.2 Πυκνότητες ηλεκτρονίων και οπών.
Στη συνέχεια, απεικονίστε τα διαγράμματα Q_nfree.csv και Q_pfree.csv, τα οποία δείχνουν την χωρική κατανομή των ελεύθερων ηλεκτρονίων και των οπών. Σε χαμηλή τάση, τα ηλεκτρόνια επικρατούν στην πλευρά τύπου n και οι οπές στην πλευρά τύπου p. Οι πυκνότητές τους μειώνονται σημαντικά γύρω από τη συμβολή, γεγονός που αντικατοπτρίζει την περιοχή εξάντλησης.
Καθώς αυξάνεται η τάση άμεσης πόλωσης, μειονοτικοί φορείς φορτίου εγχέονται στις αντίθετες πλευρές. Αυτό αυξάνει την επικάλυψη των πληθυσμών ηλεκτρονίων και οπών και αλλάζει το σχήμα και των δύο προφίλ πυκνότητας. Σε υψηλότερα επίπεδα έγχυσης, οι πληθυσμοί ελεύθερων φορέων φορτίου σε όλη τη διασταύρωση διαφέρουν σημαντικά από τις τιμές τους σε χαμηλή τάση πόλωσης.
Συγκρίνετε τη μετατόπιση της πυκνότητας με τη θέση της μετάπτωσης της προσθήκης προσμείκτων και, στη συνέχεια, με τις θέσεις όπου παρατηρείται έντονη κάμψη της ενεργειακής ζώνης. Αυτό συνδέει τους φορείς που παρέχονται από την επαφή με το ηλεκτροστατικό φράγμα που δημιουργείται από τη σύνδεση PN.
6.3 Πυκνότητες ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών.
Σχεδιάστε τα Jn.csv και Jp.csv. Αυτά τα διαγράμματα δείχνουν τις συνεισφορές των ηλεκτρονίων και των οπών στο ηλεκτρικό ρεύμα που διαρρέει τη συσκευή. Τα επιμέρους στοιχεία μπορεί να διαφέρουν ανάλογα με τη θέση, επειδή η ανασυνδυασμός μεταφέρει φορείς μεταξύ των πληθυσμών ηλεκτρονίων και οπών, αλλά το συνολικό ρεύμα σε σταθερή κατάσταση θα πρέπει να παραμένει περίπου σταθερό όταν δεν συσσωρεύεται καθαρό φορτίο.
Σε πολύ χαμηλά επίπεδα ρεύματος, η αλληλεπίδραση μεταξύ των όρων μετατόπισης και διάχυσης μπορεί να οδηγήσει σε θορυβώδη ή έντονα δομημένα προφίλ ρεύματος. Οι εικόνες οθόνης που λαμβάνονται σε χαμηλή τάση δείχνουν αυτή τη συμπεριφορά πιο έντονα από τις εικόνες που λαμβάνονται σε υψηλότερα επίπεδα ρεύματος. Είναι χρήσιμο να εξετάζονται τα προφίλ σε κατάλληλη κλίμακα και να συγκρίνεται το συνολικό ρεύμα με την τελική τιμή J–V πριν από την ερμηνεία των λεπτών αριθμητικών χαρακτηριστικών.
6.4 Προφίλ ανασυνδυασμού
Η ανασυνδυασμός καθορίζει πού απομακρύνονται τα εγχυόμενα ηλεκτρόνια και οι οπές από τους αντίστοιχους πληθυσμούς φορέων. Ανοίξτε το πρόγραμμα προβολής στιγμιότυπων με τα R_nfree_to_pfree.csv και R_ss_srh.csv για να συγκρίνετε τις άμεσες διαδρομές ανασυνδυασμού και τις διαδρομές που διευκολύνονται από ελαττώματα, αντίστοιχα. Και οι δύο διαδικασίες εξαρτώνται από τη διαθεσιμότητα ηλεκτρονίων και οπών, επομένως οι χωρικές τους κατανομές εξελίσσονται καθώς αλλάζουν οι πληθυσμοί των εγχυόμενων φορέων.
Στην αρχή της αγωγιμότητας, η ανασύνθεση μπορεί να συγκεντρωθεί κοντά στη διασταύρωση, όπου οι πληθυσμοί ηλεκτρονίων και οπών αλληλεπικαλύπτονται. Με ισχυρότερη εμπρόσθια έγχυση, η αλληλεπικάλυψη επεκτείνεται σε ένα μεγαλύτερο μέρος του ημιαγωγού και τα προφίλ ανασύνθεσης μπορούν να γίνουν πιο ευρέα. Συγκρίνετε τη θέση και το πλάτος των κορυφών ανασύνθεσης με τις πυκνότητες φορέων στην ίδια τάση πόλωσης.
Όταν συγκρίνετε τα δύο κανάλια, λάβετε υπόψη τόσο τη μέγιστη τιμή όσο και το χωρικό ολοκλήρωμα. Μια απότομη τοπική κορυφή δεν χρειάζεται να κυριαρχεί στην ολοκληρωμένη ανασυνδυασμό, εάν ένα άλλο κανάλι είναι ενεργό σε πολύ μεγαλύτερο όγκο. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό όταν συσχετίζετε τα προφίλ ανασυνδυασμού με το συνολικό ηλεκτρικό ρεύμα.
6.5 Προφίλ καθαρής συχνότητας δημιουργίας ηλεκτρονίων και οπών.
Οι εικόνες που φέρουν τις ετικέτες R_n.csv και R_p.csv παρέχουν επιπλέον πληροφορίες σχετικά με τους όρους που εισάγονται στις εξισώσεις συνέχειας των ηλεκτρονίων και των οπών. Αυτές μπορούν να αναδείξουν πού η ισορροπία των τοπικών όρων παραγωγής, σύλληψης και ανασυνδυασμού είναι πιο έντονη. Ερμηνεύστε τα πρόσημά τους σύμφωνα με τη σύμβαση σχεδίασης που χρησιμοποιεί το OghmaNano.
Συνολικά, η δομή των ενεργειακών ζωνών, οι πυκνότητες των φορέων, τα ρεύματα και τα προφίλ ρυθμού παρέχουν μια ολοκληρωμένη εξήγηση της χαρακτηριστικής καμπύλης της διόδου: το ενσωματωμένο φράγμα ελέγχει την έγχυση, η εφαρμοσμένη τάση τροποποιεί την εσωτερική ηλεκτροστατική και η μεταφορά και η ανασύνθεση καθορίζουν το τελικό σταθερό ρεύμα.
7. Ασκήσεις και ερμηνεία.
8. Ερμηνεία του μοντέλου και περαιτέρω ανάλυση.
Σε αυτό το παράδειγμα χρησιμοποιείται ένα μονοδιάστατο, σταθερής κατάστασης μοντέλο μεταφοράς-διάχυσης InP, μια συμπαγής στοίβα ημιαγωγών p/n/n⁺ και ιδανικά ωμικά άκρα. Είναι κατάλληλο για την επίδειξη του τρόπου με τον οποίο προκύπτει η ηλεκτρική διόρθωση από το φράγμα της σύνδεσης και πώς αυτή η συμπεριφορά συνδέεται με τις χωρικές κατανομές των φορέων. Πιο σύνθετες μελέτες συσκευών μπορούν να εισαγάγουν μετρημένα χαρακτηριστικά επαφής, βελτιωμένες παραμέτρους υλικού, μεταβολές θερμοκρασίας και πρόσθετες γεωμετρικές λεπτομέρειες.
Οι ιδιότητες του υλικού InP λαμβάνονται από το επιλεγμένο μοντέλο Lua. Για ποσοτικές μελέτες, επιβεβαιώστε τις υπολογισμένες τιμές του ενεργειακού χάσματος, της ηλεκτρονιακής συγγένειας, της κινητικότητας και των συντελεστών ανασύνθεσης στον επεξεργαστή υλικών ή στα δεδομένα εξόδου. Ελέγξτε τη διατήρηση του ρεύματος και τα υπολείμματα του επιλυτή και επαναλάβετε αντιπροσωπευτικά σημεία πόλωσης με ένα πιο λεπτομερές πλέγμα για να διασφαλίσετε τη αριθμητική σταθερότητα.
Στο παρεχόμενο παράδειγμα, η τυπική σάρωση εκτείνεται από 0 έως 3 V. Ένα χρήσιμο επόμενο πείραμα είναι να συμπεριληφθεί ένα μικρό εύρος αντίστροφης πόλωσης, ώστε να καταστεί δυνατή η άμεση σύγκριση της αγωγιμότητας κατά την ευθεία πόλωση και της διαρροής κατά την αντίστροφη πόλωση. Το εύρος της αντίστροφης πόλωσης και τα χαρακτηριστικά διαρροής που είναι φυσικά σημαντικά εξαρτώνται από τη συσκευή και από τους μηχανισμούς που περιλαμβάνονται στην προσομοίωση.
Για περαιτέρω ανάλυση, τροποποιήστε τις συγκεντρώσεις προσμίξεων μία κάθε φορά. Η αύξηση της ονομαστικής συγκέντρωσης προσμίξεων συνήθως μειώνει την περιοχή εξάντλησης και αλλάζει την ισορροπημένη ηλεκτροστατική· η αλλαγή των συντελεστών ανασύνθεσης επηρεάζει το ρεύμα που εξαρτάται από την ένεση. Αυτές είναι χρήσιμες, ελεγχόμενες συγκρίσεις επειδή τα υλικά και η γεωμετρία της στρώσης μπορούν να παραμείνουν σταθερά.
9. Επόμενα βήματα.
Η δίοδος InP PN αποτελεί ένα χρήσιμο σημείο εκκίνησης για πιο εξελιγμένες ημιαγωγικές δομές που βασίζονται στο InP. Μια φυσική επέκταση είναι η εισαγωγή μιας περιοχής με χαμηλή συγκέντρωση προσμίξεων και η σύγκριση της ηλεκτροστατικής και της συμπεριφοράς μεταφοράς μιας σύνδεσης PN και PIN. Μια άλλη κατεύθυνση είναι η εξέταση ετεροδομών που περιλαμβάνουν InGaAs/InP, όπου οι διαφορές στη σύνθεση εισάγουν πρόσθετες μετατοπίσεις ζώνης και νέα συμπεριφορά έγχυσης φορέων.