Προσομοίωση διόδου PN (1D): Καμπύλη τάσης-ρεύματος (I–V) πυριτίου, διάχυση-παρασυρμός και ανασυνδυασμός SRH.
1. Εισαγωγή
Η δίοδος πυριτίου PN είναι η τυπική ημιαγωγική συσκευή. Εμφανίζεται ρητά ως διακριτό εξάρτημα και σιωπηρά σε σχεδόν κάθε ενσωματωμένο ηλεκτρονικό σύστημα, από ανορθωτές ισχύος έως λογικά και αναλογικά κυκλώματα. Ένα αντιπροσωπευτικό παράδειγμα εφαρμογής παρουσιάζεται στο ??, όπου οι συνδέσεις PN ενσωματώνονται σε ένα ολοκληρωμένο κύκλωμα και δεν χρησιμοποιούνται ως αυτόνομες συσκευές.
Αν και η συσκευή που προσομοιώνεται σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα είναι απλή, θα πρέπει να θεωρείται ως μια στοιχειώδης δομική μονάδα. Οι ίδιες αρχές φυσικής των συνδέσεων διέπουν τις συσκευές που συνδέονται ως δίοδοι, τις συνδέσεις των τρανζίστορ και τις δομές απομόνωσης εντός των ολοκληρωμένων τεχνολογιών πυριτίου. Η πολυεπίπεδη δομή διέγερσης που χρησιμοποιείται εδώ απεικονίζεται σχηματικά στο ??.
Σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα, θα προσομοιώσετε μια δίοδο PN από πυρίτιο σε μία διάσταση χρησιμοποιώντας τον συνδυασμένο επιλυτή μεταφοράς-διάχυσης + Poisson της OghmaNano. Αντί να βασίζεστε αποκλειστικά στην ιδανική εξίσωση Shockley, αυτή η προσέγγιση επιλύει το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο, την περιοχή εξάντλησης και τις χωρικές κατανομές των πυκνοτήτων και των ρευμάτων των φορέων.
Η ρητή αντιμετώπιση του φυσική της ανασύνθεσης—ιδιαίτερα Σοκλέι–Ριντ–Χολ (SRH) ανασυνδυασμός – καθιστά δυνατή τη σύνδεση των αλλαγών στην προσθήκη προσμίξεων και στον χρόνο ζωής με τις αλλαγές στη συμπεριφορά κατά την ενεργοποίηση και στην ιδανικότητα. Θα δημιουργήσετε μια σκοτεινή καμπύλη I–V, θα εξετάσετε τις ζώνες αγωγιμότητας και τις σχετικές στάθμες Fermi υπό τάση και στη συνέχεια θα εκτελέσετε μια διαγωνισμός διάρκειας ζωής για να εντοπιστούν τα καθεστώτα όπου η απόκριση της διόδου περιορίζεται από την ανασυνδυασμό.
2. Δημιουργία μιας νέας προσομοίωσης.
Για να ξεκινήσετε, δημιουργήστε μια νέα προσομοίωση από το κύριο παράθυρο του OghmaNano. Κάντε κλικ στο κουμπί "Νέα προσομοίωση" στη γραμμή εργαλείων. Αυτό θα ανοίξει το παράθυρο διαλόγου επιλογής τύπου προσομοίωσης (δείτε ??).
Στο παράθυρο διαλόγου τύπου προσομοίωσης, κάντε διπλό κλικ στο "Si demos" και, στη συνέχεια, επιλέξτε το παράδειγμα της πυριτικής σύνδεσης/διόδου (δείτε ??). Το OghmaNano θα φορτώσει μια προκαθορισμένη δομή πυριτικής σύνδεσης, την οποία θα αντιμετωπίσουμε ως μια δίοδο PN.
Η δομή της συσκευής με τις παραμέτρους που έχουν εισαχθεί εμφανίζεται στο κύριο παράθυρο προσομοίωσης (δείτε ??). Παρόλο που το ηλεκτρικό πρόβλημα που επιλύεται σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα είναι μονοδιάστατο, η τρισδιάστατη προβολή παρέχει μια σαφή απεικόνιση της κάθετης στοίβας στρώσεων και των περιοχών που συμμετέχουν στη μεταφορά και την ανασυνδυασμό φορέων.
Η δίοδος υλοποιείται ως μια ακολουθία κάθετα στοιβαγμένων στρώσεων πυριτίου, η οποία αποτελείται από μια περιοχή p+ με υψηλή συγκέντρωση προσμίξεων, μια περιοχή p με χαμηλότερη συγκέντρωση προσμίξεων, μια περιοχή n με χαμηλή συγκέντρωση προσμίξεων και μια περιοχή n+ με υψηλή συγκέντρωση προσμίξεων. Αυτή η δομή αναφέρεται ρητά στον Επεξεργαστή Στρώσεων (δείτε ??), όπου σε κάθε στρώση εκχωρείται ένα πάχος, ένα υλικό και ένας ηλεκτρικός ρόλος.
Τα κεντρικά στρώματα p και n σχηματίζουν την ενεργή σύνδεση PN. Σε κατάσταση ισορροπίας, αναπτύσσεται μια περιοχή εξάντλησης σε αυτή τη διεπιφάνεια, δημιουργώντας το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο που ελέγχει τον διαχωρισμό και τη μεταφορά των φορέων. Τα λεπτά, έντονα ντοπαρισμένα στρώματα p+ και n+ λειτουργούν ως περιοχές επαφής χαμηλής αντίστασης, διασφαλίζοντας ότι η εφαρμοσμένη τάση πέφτει κυρίως στην περιοχή της σύνδεσης και όχι στις επαφές.
Στις επόμενες ενότητες, αυτή η δομή θα αντιμετωπιστεί ως μια μονοδιάστατη συσκευή: όλες οι παραλλαγές θα εξεταστούν κατά μήκος της κατεύθυνσης ανάπτυξης, ενώ οι πλευρικές παραλλαγές θα παραμεληθούν. Παρά αυτή την απλοποίηση, το μοντέλο αποτυπώνει τις βασικές ηλεκτροστατικές ιδιότητες, τη μεταφορά φορέων και τη φυσική της ανασύνθεσης, οι οποίες καθορίζουν τη συμπεριφορά των πυριτίων διόδων PN σε σκοτεινές συνθήκες, όταν ενσωματώνονται σε πρακτικές ηλεκτρονικές συσκευές.
3. Εξέταση του προφίλ χρήσης απαγορευμένων ουσιών.
Το προφίλ προσθήκης προσδιορίζει την ένωση πυριτίου PN και, κατά συνέπεια, καθορίζει τις θεμελιώδεις ηλεκτροστατικές ιδιότητες της διόδου. Καθορίζει τη θέση της ένωσης, την ενσωματωμένη τάση, το πλάτος της περιοχής εξάντλησης και το εσωτερικό ηλεκτρικό πεδίο που αναπτύσσεται σε κατάσταση ισορροπίας και υπό εφαρμογή τάσης.
Για να δείτε τη διαμόρφωση της προσθήκης, ανοίξτε τον επεξεργαστή "Προσθήκη / Ιόντα" από την καρτέλα "Ηλεκτρικά" (δείτε ??). Ο επεξεργαστής εμφανίζει την χωρική κατανομή των ιονισμένων δοτών και αποδεκτών ως συνάρτηση του βάθους (δείτε ??).
Σε αυτό το εκπαιδευτικό υλικό, η δίοδος κατασκευάζεται χρησιμοποιώντας ένα συμβατικό προφίλ προσμίξεων πυριτίου τύπου p+/p/n/n+. Οι κεντρικές περιοχές p και n είναι μέτρια προσμειγμένες και σχηματίζουν την ενεργό σύνδεση PN, όπου αναπτύσσεται η περιοχή εξάντλησης και το ενσωματωμένο ηλεκτρικό πεδίο.
Οι λεπτές, έντονα ντοπαρισμένες περιοχές p+ και n+ λειτουργούν ως περιοχές επαφής χαμηλής αντίστασης. Ο ρόλος τους είναι να παρέχουν καλή ηλεκτρική έγχυση και εξαγωγή φορέων, διασφαλίζοντας παράλληλα ότι το μεγαλύτερο μέρος της εφαρμοσμένης τάσης πέφτει στην ίδια τη δίοδο και όχι στις επαφές.
Για τους σκοπούς αυτού του εκπαιδευτικού προγράμματος, ο βασικός έλεγχος είναι απλώς ότι η συσκευή περιέχει μία περιοχή που είναι κυρίως ντοπαρισμένη με αποδεκτές προσμείξεις και μία περιοχή που είναι κυρίως ντοπαρισμένη με δότη προσμείξεις, με μια σαφή μετάβαση μεταξύ τους. Οι ακριβείς αριθμητικές τιμές των συγκεντρώσεων ντοπαρίσματος επηρεάζουν κυρίως το πλάτος της περιοχής εξάντλησης και την ενσωματωμένη ένταση του ηλεκτρικού πεδίου, τα οποία θα εξεταστούν έμμεσα μέσω των χαρακτηριστικών της διόδου σε σκοτεινό περιβάλλον (I–V) στις επόμενες ενότητες.
4. Εξέταση ηλεκτρικών παραμέτρων και μηχανισμών ανασύνθεσης.
Οι παράμετροι των ηλεκτρικών υλικών ορίζονται για κάθε περιοχή ξεχωριστά και ελέγχουν τη μεταφορά φορέων, την ανασυνδυασμό και την ηλεκτροστατική σε όλη τη δίοδο. Ανοίξτε τον επεξεργαστή παραμέτρων ηλεκτρικής ενέργειας από το κύριο παράθυρο μέσω Δομή συσκευής → Ηλεκτρικές παράμετροι. Κάθε στρώση στην στοίβα της συσκευής έχει τη δική της καρτέλα παραμέτρων. Σε αυτό το σεμινάριο, χρησιμοποιούμε το ίδιο μοντέλο πυριτίου σε όλες τις τέσσερις περιοχές, αλλά τις ερμηνεύουμε διαφορετικά: οι περιοχές p+ και n+ λειτουργούν ως περιοχές επαφής χαμηλής αντίστασης, ενώ οι περιοχές p και n σχηματίζουν την ενεργό ένωση.
Οι εικόνες ??–?? απεικονίζουν τον επεξεργαστή ηλεκτρικών παραμέτρων για κάθε περιοχή (p+, p, n, n+). Σε αυτή την επίδειξη, η κινητικότητα των ηλεκτρονίων και των οπών έχει οριστεί περίπου σε 0,135 και 0,048 m2V−1s−1, αντίστοιχα (βλ., για παράδειγμα, ??). Αυτές οι τιμές είναι τυπικές για τον κρυσταλλικό πυρίτιο: είναι πολύ υψηλότερες από αυτές που βρίσκονται σε μη διατεταγμένα ή υλικά με περιορισμούς λόγω ελαττωμάτων, όπως το άμορφο πυρίτιο ή πολλά ημιαγωγά που επεξεργάζονται σε διάλυμα, αλλά χαμηλότερες από αυτές που βρίσκονται σε υλικά III–V με υψηλή κινητικότητα, όπως το GaAs. Ως αποτέλεσμα, η συμπεριφορά της διόδου σε αυτό το εκπαιδευτικό πρόγραμμα ελέγχεται κυρίως από την ηλεκτροστατική της σύνδεσης και την ανασύνθεση, και όχι από τους περιορισμούς μεταφοράς στο όγκο του υλικού.
Οι αποτελεσματικές πυκνότητες καταστάσεων που χρησιμοποιούνται εδώ είναι επίσης ορατές στον επεξεργαστή (π.χ. ??): η αποτελεσματική πυκνότητα καταστάσεων των ελεύθερων ηλεκτρονίων ορίζεται περίπου σε 2,8×1025 m−3 και η αποτελεσματική πυκνότητα καταστάσεων των ελεύθερων οπών σε 1,04×1025 m−3. Αυτές οι παράμετροι καθορίζουν τις στατιστικές των φορέων και τις ισορροπημένες συγκεντρώσεις φορέων για μια δεδομένη δομή ζωνών και επηρεάζουν έμμεσα τη συμπεριφορά της ανασύνθεσης και της έγχυσης μέσω των \(n\) και \(p\).
Ανασυνδυασμός Shockley–Read–Hall (SRH)
Σοκλέι–Ριντ–Χολ (SRH)η ανασύνθεση περιλαμβάνει την ανασύνθεση που προκαλείται από ελαττώματα μέσω ηλεκτρονικών καταστάσεων στο ενεργειακό χάσμα. Στο OghmaNano, αυτό ελέγχεται μέσω του... ισορροπημένη παγίδα SRH οι παράμετροι που εμφανίζονται στον επεξεργαστή (δείτε) ??): ενέργεια παγίδας \(E_t\) (σε σχέση με το μέσο διάστημα), μια πυκνότητα παγίδων \(N_t\)και τις διατομές σύλληψης ηλεκτρονίων και οπών. \(\sigma_n\) και \(\sigma_p\)Για τις παραμέτρους που παρουσιάζονται εδώ, η ενέργεια της παγίδας βρίσκεται κοντά στο μέσο του ενεργειακού χάσματος.\(E_t \approx 0\)), η πυκνότητα των παγίδων είναι \(N_t \approx 10^{21}\,\mathrm{m^{-3}}\)και οι διατομές σύλληψης είναι \(\sigma_n \approx \sigma_p \approx 10^{-21}\,\mathrm{m^2}\).
Αυτές οι μικροσκοπικές παράμετροι καθορίζουν τις διάρκειες ζωής των SRH μέσω
\[ \tau_n = \frac{1}{\sigma_n v_{\mathrm{th}} N_t}, \qquad \tau_p = \frac{1}{\sigma_p v_{\mathrm{th}} N_t}, \]όπου \(v_{\mathrm{th}}\) είναι η ταχύτητα των θερμικών φορέων. Η αύξηση της πυκνότητας των παγίδων ή των διατομών σύλληψης μειώνει επομένως τον χρόνο ζωής των φορέων και ενισχύει την ανασύνθεση.
Στη μορφή της εξίσωσης μεταφοράς-διάχυσης, ο προκύπτων ρυθμός ανασύνθεσης SRH είναι:
\[ R_{\mathrm{SRH}} = \frac{np - n_i^2} {\tau_p (n + n_1) + \tau_n (p + p_1)} . \]Στα επόμενα τμήματα, όταν «επεξεργάζεστε τη διάρκεια ζωής», ουσιαστικά τροποποιείτε την ισχύ της επανασυνδυασμένης διαδικασίας που υποβοηθείται από παγίδες και η οποία κωδικοποιείται από τις παραμέτρους \(N_t\), \(\sigma_n\) και \(\sigma_p\). Η μεγαλύτερη επίδραση παρατηρείται όταν η επανασυνδυασμένη διαδικασία στην περιοχή εξάντλησης και κοντά σε αυτήν ελέγχει τον πληθυσμό των εισαγόμενων φορέων, οδηγώντας σε συμπεριφορά υπό τάση προς τα εμπρός που περιορίζεται από την επανασυνδυασμένη διαδικασία.
Ανασυνδυασμός Auger
Ανασυνδυασμός Auger είναι ένας μηχανισμός απώλειας που εμφανίζεται σε υψηλές συγκεντρώσεις φορέων και, ως εκ τούτου, είναι πιο σημαντικός στις περιοχές επαφής p+ και n+ με υψηλή προσμείκτηση. Στον επεξεργαστή παραμέτρων, καθορίζονται οι συντελεστές Auger \(C_n\) και \(C_p\) (βλ. ?? και ??). Για αυτή την επίδειξη με βάση το πυρίτιο, οι συντελεστές είναι της τάξης του \(C_n \approx 2.8\times10^{-31}\,\mathrm{m^6\,s^{-1}}\) και \(C_p \approx 9.9\times10^{-32}\,\mathrm{m^6\,s^{-1}}\), οι οποίες είναι τυπικές τιμές για το κρυσταλλικό πυρίτιο.
Ο ρυθμός ανασυνδυασμού Auger δίνεται από:
\[ R_{\mathrm{Auger}} = C_n n^2 p + C_p p^2 n . \]Στην πράξη, ο Μηχανισμός ανασύνθεσης Auger περιορίζει τη συσσώρευση φορέων σε υψηλά επίπεδα εισαγωγής και διασφαλίζει ότι οι περιοχές επαφής λειτουργούν ως αποτελεσματικές «παγίδες» για τους φορείς, χωρίς να κυριαρχούν στη φυσική της ανασύνθεσης στην ίδια τη μέτριας κλίσης περιοχή.
Ηλεκτροστατική και παράμετροι ζωνών ενέργειας.
Τέλος, η δομή των ενεργειακών ζωνών και οι ηλεκτροστατικές παράμετροι που χρησιμοποιούνται για τον ορισμό του πυριτίου είναι ορατές σε κάθε καρτέλα περιοχής (π.χ. ??): η συγγένεια των ηλεκτρονίων έχει οριστεί περίπου σε \(\chi \approx 4.05\,\mathrm{eV}\), το ενεργειακό χάσμα σε \(E_g \approx 1.12\,\mathrm{eV}\) και η σχετική διηλεκτρική σταθερά σε \(\varepsilon_r \approx 11.7\).
5. Εκτέλεση της προσομοίωσης, παρατήρηση σκοτεινών καμπυλών I–V και εξαγωγή παραμέτρων.
Αφού καθοριστεί η δομή της συσκευής, το προφίλ προσμίξεων και οι ηλεκτρικές παράμετροι, η προσομοίωση της διόδου μπορεί να εκτελεστεί απευθείας από το κύριο παράθυρο. Κάντε κλικ στην επιλογή "Εκτέλεση προσομοίωσης" για να ξεκινήσετε τον επιλυτή. Κατά τη διάρκεια της εκτέλεσης, οι πληροφορίες σύγκλισης για κάθε σημείο πόλωσης καταγράφονται στην κονσόλα, επιτρέποντάς σας να παρακολουθείτε τη σταθερότητα και την πρόοδο του επιλυτή (δείτε ??).
jv.csv είναι το κύριο αποτέλεσμα που μας ενδιαφέρει.
Για να ελέγξετε τα χαρακτηριστικά της διόδου, ανοίξτε την καρτέλα "Έξοδος" και κάντε διπλό κλικ στο jv.csv (δείτε ??). Για μια σωστά διαμορφωμένη πυριτική δίοδο, η καμπύλη I–V θα πρέπει να είναι ομαλή και μονοτονική. Στην αντίστροφη πόλωση, το ρεύμα παραμένει μικρό και εξαρτάται ασθενώς από την τάση, αντανακλώντας τον κορεσμό που περιορίζεται από την ανασύνθεση. Στην ευθεία πόλωση, το ρεύμα αυξάνεται γρήγορα με την εφαρμοζόμενη τάση, γεγονός που αντιστοιχεί στην έγχυση φορέων στην περιοχή PN.
Το σχήμα της περιοχής θετικής πόλωσης περιέχει χρήσιμες φυσικές πληροφορίες. Σε ένα ημιλογαριθμικό γράφημα, η κλίση της εκθετικής περιοχής μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό ενός παράγοντα ιδανικότητας, ο οποίος υποδεικνύει εάν το ρεύμα κυριαρχείται από τη διάχυση (\(n \approx 1\)) ή από διαδικασίες που περιορίζονται από την ανασύνθεση (\(n \approx 2\)). Η προεκτεινόμενη τομή αυτής της περιοχής παρέχει μια εκτίμηση του αντίστροφου ρεύματος κορεσμού, το οποίο συνδέεται άμεσα με τις παραμέτρους ανασύνθεσης SRH και Auger που συζητούνται στην Ενότητα 4.
Ως γενικός κανόνας, ελέγχετε πάντα την καμπύλη I–V πριν ερμηνεύσετε οποιεσδήποτε παράγωγες ποσότητες. Οι ασυνέχειες, οι απροσδόκητες συμβάσεις προσήμων ή οι μη φυσικές απότομες μεταβολές στο ρεύμα συνήθως υποδεικνύουν προβλήματα με τις οριακές συνθήκες, τα βήματα πόλωσης, τις ρυθμίσεις ανασύνθεσης ή τη σύγκλιση του επιλυτή. Για μια απλή πυριτική δίοδο PN, όπως αυτή, η σκοτεινή καμπύλη I–V θα πρέπει να είναι φυσικά κατανοητή και εύκολη στην ερμηνεία.
6. Εξέταση στιγμιότυπων προσομοίωσης: ζώνες, ανασυνδυασμός και ροή ρεύματος.
Κατά τη διάρκεια μιας σάρωσης I–V, το OghmaNano αποθηκεύει την εσωτερική λύση των εξισώσεων διάχυσης-μεταφοράς σε κάθε σημείο πόλωσης στον κατάλογο "snapshots". Αυτά τα αρχεία αποκαλύπτουν τις προβλέψεις του επιλυτή εντός της διόδου: κάμψη των ενεργειακών ζωνών, διαχωρισμό του επιπέδου quasi-Fermi, δραστηριότητα ανασύνθεσης και μεταφορά ρεύματος. Η εξέταση αυτών των ποσοτήτων είναι απαραίτητη για την κατανόηση του γιατί εμφανίζεται μια συγκεκριμένη χαρακτηριστική καμπύλη I–V.
Σε αυτή την ενότητα, εξετάζουμε τρία χαρακτηριστικά σημεία πόλωσης: μια αντίστροφη πόλωση κοντά στην ισορροπία (−0,1 V), μια μέτρια εμπρόσθια πόλωση κοντά στο σημείο ενεργοποίησης (≈0,45 V) και μια υψηλή εμπρόσθια πόλωση (0,8 V). Συνολικά, αυτές οι στιγμιαίες μετρήσεις απεικονίζουν τη μετάβαση από την κατάσταση ισορροπίας, μέσω της μεταφοράς που περιορίζεται από την έγχυση, στην κατάσταση λειτουργίας με υψηλή έγχυση.
6.1 Όρια ζωνών και επίπεδα ψευδο-Fermi
Για να αναπαράγετε τα διαγράμματα ζωνών, ανοίξτε το πρόγραμμα προβολής στιγμιότυπων και προσθέστε τα αρχεία Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv και Fp.csv. Αυτά αντιστοιχούν στην άκρη της ζώνης αγωγιμότητας, στην άκρη της ζώνης σθένους, στο επίπεδο σχεδόν Fermi των ηλεκτρονίων και στο επίπεδο σχεδόν Fermi των οπών, αντίστοιχα.
Στα −0,1 V (Εικόνα ??), η δίοδος βρίσκεται κοντά στην κατάσταση ισορροπίας. Η κάμψη των ενεργειακών ζωνών αντικατοπτρίζει το ενσωματωμένο δυναμικό που επιβάλλεται από το προφίλ προσμίξεων και τα επίπεδα των ψευδο-Fermi είναι σχεδόν επίπεδα και συμπίπτουν, υποδεικνύοντας αμελητέα καθαρή ροή ρεύματος. Η περιοχή εξάντλησης είναι σαφώς ορατή ως η περιοχή με την έντονη καμπύλωση των ενεργειακών ζωνών στη συμβολή. Στα ≈0,45 V (Εικόνα ??), η εφαρμογή θετικής τάσης μειώνει το φράγμα της συμβολής. Τα επίπεδα των ψευδο-Fermi για τα ηλεκτρόνια και τις οπές διαχωρίζονται στην περιοχή εξάντλησης, γεγονός που αποτελεί την εσωτερική ένδειξη της έγχυσης φορέων. Αυτός ο διαχωρισμός των επιπέδων των ψευδο-Fermi είναι άμεσα υπεύθυνος για την εκθετική αύξηση του ρεύματος που παρατηρείται στην καμπύλη I–V. Στα 0,8 V (Εικόνα ??), η συμβολή βρίσκεται σε βαθιά κατάσταση θετικής πόλωσης. Το φράγμα καταστέλλεται έντονα, τα επίπεδα των ψευδο-Fermi είναι ευρέως διαχωρισμένα και η συσκευή λειτουργεί σε μια κατάσταση υψηλής έγχυσης, όπου οι πυκνότητες των φορέων είναι μεγάλες σε μεγάλο μέρος της δομής.
6.2 Ανασυνδυασμός Shockley–Read–Hall
Για να εξετάσουμε την ανασύνθεση, απεικονίστε το R_ss_srh.csv, το οποίο δείχνει τον χωρικά επιλυμένο ρυθμό ανασύνθεσης Shockley–Read–Hall στο εσωτερικό της διόδου. Οι τρεις γραφικές παραστάσεις που ακολουθούν αντιστοιχούν στα ίδια σημεία πόλωσης που χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση του διαγράμματος ζωνών: −0,1 V, ≈0,45 V και 0,8 V. Το κύριο σημείο στο οποίο πρέπει να εστιάσουμε δεν είναι η απόλυτη τιμή του ρυθμού ανασύνθεσης, αλλά το πώς αλλάζει η χωρική του κατανομή ανάλογα με την εφαρμοσμένη τάση.
Στα −0,1 V (Εικόνα ??), η δίοδος βρίσκεται κοντά στην κατάσταση ισορροπίας. Τα ηλεκτρόνια κυριαρχούν στην πλευρά τύπου n και οι οπές κυριαρχούν στην πλευρά τύπου p, επομένως η σημαντική ανασύνθεση μπορεί να συμβεί μόνο στη στενή περιοχή γύρω από τη συμβολή, όπου και οι δύο τύποι φορέων είναι παρόντες ταυτόχρονα. Ως αποτέλεσμα, ο ρυθμός ανασύνθεσης SRH εντοπίζεται έντονα στο κέντρο της συσκευής, συμπίπτοντας με την περιοχή εξάντλησης. Στα ≈0,45 V (Εικόνα ??), η εφαρμογή θετικής τάσης εισάγει φορείς διαμέσου της συμβολής και αυξάνει το τοπικό γινόμενο των πυκνοτήτων ηλεκτρονίων και οπών. Η κορυφή της ανασύνθεσης αυξάνεται σημαντικά σε μέγεθος, αλλά παραμένει χωρικά περιορισμένη στην κεντρική περιοχή της συσκευής. Αυτό υποδεικνύει ότι, σε αυτό το εύρος τάσης, η ανασύνθεση SRH εξακολουθεί να είναι κυρίως μια διαδικασία που επικεντρώνεται στη συμβολή και ελέγχεται από την επικάλυψη των φορέων εντός και κοντά στην περιοχή εξάντλησης. Στα 0,8 V (Εικόνα ??), η συμπεριφορά αλλάζει ποιοτικά. Η εισαγωγή φορέων είναι αρκετά ισχυρή ώστε τόσο τα ηλεκτρόνια όσο και οι οπές να είναι παρόντα σε υψηλές συγκεντρώσεις σε μεγάλο μέρος της διόδου. Ο ρυθμός ανασύνθεσης SRH δεν περιορίζεται πλέον στη συμβολή, αλλά εξαπλώνεται σε ένα μεγάλο μέρος της συσκευής. Αυτή η χωρική διεύρυνση σηματοδοτεί την έναρξη συνθηκών υψηλής εισαγωγής, όπου η ανασύνθεση δεν περιορίζεται πλέον σε μια στενή κεντρική περιοχή.
Η μετάβαση από μια έντονα τοπικοποιημένη περιοχή ανασύνθεσης σε ένα χωρικά εκτεταμένο προφίλ ανασύνθεσης παρέχει μια σαφή εσωτερική εικόνα του τρόπου με τον οποίο η δίοδος μεταβαίνει από την κατάσταση ισορροπίας, μέσω της λειτουργίας με περιορισμό της περιοχής σύνδεσης, σε μια κατάσταση όπου η ανασύνθεση συμβαίνει σε όλη τη δομή. Αυτή η εξέλιξη αντικατοπτρίζει τις αλλαγές που παρατηρούνται στα διαγράμματα ζωνών και αποτελεί τη βάση για την αλλαγή στην κλίση της χαρακτηριστικής καμπύλης I–V προς τα εμπρός.
6.3 Πυκνότητες ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών.
Τέλος, ελέγξτε τα ρεύματα μεταφοράς φορτίου σχεδιάζοντας τα Jn.csv και Jp.csv, τα οποία απεικονίζουν αντίστοιχα τις χωρικά διαλυμένες πυκνότητες ρεύματος ηλεκτρονίων και οπών. Αυτά τα διαγράμματα παρέχουν μια άμεση εικόνα του τρόπου με τον οποίο η φόρτιση μεταφέρεται μέσω της διόδου υπό διαφορετικές συνθήκες πόλωσης και του τρόπου με τον οποίο η συσκευή μεταβαίνει από την κατάσταση ισορροπίας στην σταθερή κατάσταση αγωγιμότητας.
Στα −0,1 V (Εικόνα ??), η δίοδος βρίσκεται κοντά στην κατάσταση ισορροπίας και το πραγματικό φυσικό ρεύμα είναι εξαιρετικά μικρό. Οι ροές ηλεκτρονίων και οπών είναι σχεδόν ισορροπημένες σε όλη τη συσκευή, επομένως το καθαρό ρεύμα προκύπτει από τη διαφορά δύο σχεδόν ίσων ποσοτήτων. Σε αυτό το καθεστώς, το αριθμητικό πρόβλημα είναι εγγενώς κακώς διατυπωμένο και αναμένονται μικρές ταλαντώσεις ή φαινομενικός θόρυβος στα προφίλ ρεύματος. Αυτά τα χαρακτηριστικά έχουν αριθμητική προέλευση και δεν αντιστοιχούν σε πραγματική μεταφορά φορέων. Στα ≈0,45 V (Εικόνα ??), η εφαρμογή θετικής τάσης προκαλεί την έγχυση φορέων διαμέσου της σύνδεσης. Το ρεύμα των ηλεκτρονίων κυριαρχεί στην πλευρά n και το ρεύμα των οπών κυριαρχεί στην πλευρά p, αλλά και τα δύο ρεύματα είναι συνεχόμενα σε όλη τη συσκευή, αντανακλώντας τη σταθερή διατήρηση του φορτίου. Η πυκνότητα ρεύματος αυξάνεται ραγδαία σε σύγκριση με την κατάσταση κοντά στην ισορροπία, αλλά παραμένει χωρικά δομημένη κοντά στη σύνδεση, σύμφωνα με τη μεταφορά που περιορίζεται από την έγχυση και ελέγχεται από την ανασύνθεση. Στα 0,8 V (Εικόνα ??), η δίοδος λειτουργεί σε βαθιά θετική τάση. Οι πυκνότητες των φορέων είναι υψηλές σε όλη τη δομή και τόσο το ρεύμα των ηλεκτρονίων όσο και το ρεύμα των οπών γίνονται μεγάλα, ομαλά και σχεδόν ομοιόμορφα στις ημιουδέτερες περιοχές. Σε αυτό το καθεστώς, η συσκευή συμπεριφέρεται ως ένα στοιχείο με υψηλή αγωγιμότητα, με το ρεύμα να περιορίζεται κυρίως από τη μεταφορά και την ανασύνθεση και όχι από την έγχυση στο φράγμα.
Συνολικά, αυτά τα διαγράμματα της πυκνότητας ρεύματος παρέχουν μια συνεπή εσωτερική εικόνα της λειτουργίας της διόδου: από την σχεδόν τέλεια εξουδετέρωση των ροών ηλεκτρονίων και οπών στην ισορροπία, μέσω της αγωγιμότητας προς τα εμπρός που περιορίζεται από την ένεση, έως τη σταθερή μεταφορά υψηλού ρεύματος σε μεγάλη τάση προς τα εμπρός.
6.4 Ανασυνδυασμός Auger σε περιοχές με υψηλή συγκέντρωση προσμίξεων.
Η ανασυνδυωμένη διαδικασία Auger μπορεί να εξεταστεί με τη δημιουργία γραφήματος του R_auger.csv, το οποίο απεικονίζει τον τοπικό ρυθμό ανασυνδυωμένης διαδικασίας Auger ως συνάρτηση της θέσης. Σε αντίθεση με την ανασυνδυωμένη διαδικασία SRH, η οποία είναι ισχυρότερη εκεί όπου τα ηλεκτρόνια και οι οπές συνυπάρχουν σε συγκρίσιμες πυκνότητες, η ανασυνδυωμένη διαδικασία Auger εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την πυκνότητα των φορέων και, ως εκ τούτου, γίνεται κυρίαρχη σε περιοχές με υψηλή συγκέντρωση προσμίξεων.
Σε πολύ χαμηλές τάσεις πόλωσης (Σχήμα ??), η επανασυνδυασμός Auger είναι ήδη ορατός στις στρώσεις επαφής p+ και n+. Αυτό συμβαίνει ακόμη και κοντά στην κατάσταση ισορροπίας επειδή αυτές οι περιοχές είναι σκόπιμα έντονα ντοπαρισμένες, με αποτέλεσμα να έχουν συγκεντρώσεις φορέων που είναι αρκετά υψηλές ώστε οι τριμερείς (Auger) διεργασίες να κυριαρχούν τοπικά.
Καθώς η δίοδος τίθεται σε κατάσταση άμεσης πόλωσης (Σχήμα ??), ο ρυθμός ανασυνδυασμού Auger αυξάνεται ραγδαία, αλλά παραμένει τοπικά περιορισμένος στις περιοχές επαφής. Αυτός ο τοπικός περιορισμός αντικατοπτρίζει την ισχυρή εξάρτηση του ανασυνδυασμού Auger από την πυκνότητα: παρόλο που οι φορείς φορτίου εγχέονται διαμέσου της σύνδεσης, οι υψηλότερες πυκνότητες φορέων εξακολουθούν να βρίσκονται στις εκφυλισμένες στρώσεις επαφής.
Σε υψηλή τάση άνοδος (Σχήμα ??), η επανασυνδυασμός Auger γίνεται εξαιρετικά μεγάλος στις επαφές, υπερβαίνοντας σημαντικά την επανασυνδυασμό SRH σε μέγεθος. Αυτή η συμπεριφορά είναι αναμενόμενη και φυσικά ορθή. Ο ρόλος της επανασυνδυασμού Auger εδώ δεν είναι να περιορίσει άμεσα το ρεύμα της σύνδεσης, αλλά να αποτρέψει την μη ρεαλιστική συσσώρευση φορέων σε περιοχές όπου η πυκνότητα των φορέων θα αυξανόταν απεριόριστα υπό συνθήκες υψηλής έγχυσης.
Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι, παρόλο που ο ρυθμός ανασύνθεσης Auger είναι αριθμητικά πολύ μεγαλύτερος από τον ρυθμό SRH, δεν κυριαρχεί στην ιδανικότητα της διόδου ή στη συμπεριφορά κατά την ενεργοποίηση. Αυτά τα χαρακτηριστικά εξακολουθούν να ελέγχονται κυρίως από την ανασύνθεση εντός και κοντά στην περιοχή εξάντλησης. Αντίθετα, η ανασύνθεση Auger λειτουργεί ως μηχανισμός σταθεροποίησης σε υψηλές πυκνότητες στις στρώσεις επαφής, διασφαλίζοντας ρεαλιστική συμπεριφορά σε μεγάλα ρεύματα.