Editor dei parametri elettriciEditor dei parametri elettrici
1. Introduzione1. Introduzione
In OghmaNano, l’editor dei parametri elettrici fornisce l’interfaccia per definire le proprietà di trasporto e di ricombinazione degli strati elettricamente attivi. Per accedervi, fare clic sul pulsante Parametri elettrici nella scheda Struttura del dispositivo della finestra principale di simulazione (vedere ??). Una volta aperto, l’editor dei parametri elettrici visualizza una serie di campi di input in cui è possibile specificare le principali grandezze, come la mobilità dei portatori di carica, la densità degli stati, le costanti di ricombinazione e le proprietà fondamentali del materiale, come il gap di banda e la permittività (vedere ??). È importante notare che nell’editor dei parametri elettrici appariranno solo gli strati contrassegnati come attivi nell’editor degli strati. Se uno strato non è impostato come attivo, le sue proprietà elettriche non possono essere modificate, poiché i processi di deriva-diffusione e di ricombinazione non vengono calcolati in quelle regioni.In OghmaNano, l’editor dei parametri elettrici fornisce l’interfaccia per definire le proprietà di trasporto e di ricombinazione degli strati elettricamente attivi. Per accedervi, fare clic sul pulsante Parametri elettrici nella scheda Struttura del dispositivo della finestra principale di simulazione (vedere ??). Una volta aperto, l’editor dei parametri elettrici visualizza una serie di campi di input in cui è possibile specificare le principali grandezze, come la mobilità dei portatori di carica, la densità degli stati, le costanti di ricombinazione e le proprietà fondamentali del materiale, come il gap di banda e la permittività (vedere ??). È importante notare che nell’editor dei parametri elettrici appariranno solo gli strati contrassegnati come attivi nell’editor degli strati. Se uno strato non è impostato come attivo, le sue proprietà elettriche non possono essere modificate, poiché i processi di deriva-diffusione e di ricombinazione non vengono calcolati in quelle regioni.
2. Elettrostatica2. Elettrostatica
La figura ?? mostra l’editor dei parametri elettrici, senza che siano attivate ulteriori funzioni di risoluzione. In questa configurazione, le equazioni di deriva-diffusione sono disattivate, ma l’equazione di Poisson continua a essere risolta. L’interfaccia visualizza quindi solo i parametri necessari per l’elettrostatica: l’affinità elettronica (χ), il divario di energia (Eg) e la permittività relativa (εr). Queste quantità definiscono come il potenziale si distribuisce all’interno del dispositivo.La figura ?? mostra l’editor dei parametri elettrici, senza che siano attivate ulteriori funzioni di risoluzione. In questa configurazione, le equazioni di deriva-diffusione sono disattivate, ma l’equazione di Poisson continua a essere risolta. L’interfaccia visualizza quindi solo i parametri necessari per l’elettrostatica: l’affinità elettronica (χ), il divario di energia (Eg) e la permittività relativa (εr). Queste quantità definiscono come il potenziale si distribuisce all’interno del dispositivo.
3. Equazioni di deriva-diffusione e ricombinazione in assenza di vincoli.3. Equazioni di deriva-diffusione e ricombinazione in assenza di vincoli.
?? mostra lo stesso editor con il pulsante «Abilita diffusione per deriva» premuto. Quando viene attivato, il risolutore per la diffusione per deriva viene abilitato e diventa disponibile un insieme più ampio di parametri fisici. Questi includono la mobilità degli elettroni, la mobilità delle lacune, le densità di stati effettive e la costante di velocità di ricombinazione dei portatori liberi. Gli utenti possono anche selezionare il tipo di statistica dei portatori liberi, come Maxwell-Boltzmann o Fermi-Dirac, a seconda del sistema di materiali utilizzato.?? mostra lo stesso editor con il pulsante «Abilita diffusione per deriva» premuto. Quando viene attivato, il risolutore per la diffusione per deriva viene abilitato e diventa disponibile un insieme più ampio di parametri fisici. Questi includono la mobilità degli elettroni, la mobilità delle lacune, le densità di stati effettive e la costante di velocità di ricombinazione dei portatori liberi. Gli utenti possono anche selezionare il tipo di statistica dei portatori liberi, come Maxwell-Boltzmann o Fermi-Dirac, a seconda del sistema di materiali utilizzato.
All’interno della sezione che descrive il processo di deriva-diffusione, la ricombinazione radiativa tra elettroni e lacune libere è controllata da una singola costante di ricombinazione \(k\). La velocità locale di ricombinazione tra elettroni e lacune libere è data da:All’interno della sezione che descrive il processo di deriva-diffusione, la ricombinazione radiativa tra elettroni e lacune libere è controllata da una singola costante di ricombinazione \(k\). La velocità locale di ricombinazione tra elettroni e lacune libere è data da:
\( R = k \left( n p - n_{\mathrm{eq}} p_{\mathrm{eq}} \right) \) \( R = k \left( n p - n_{\mathrm{eq}} p_{\mathrm{eq}} \right) \)
In questo caso, \(n\) e \(p\) rappresentano le densità locali di elettroni liberi e di lacune, calcolate tramite il risolutore dell’equazione di deriva-diffusione; \(n_{\mathrm{eq}}\) e \(p_{\mathrm{eq}}\) sono le corrispondenti densità di portatori di carica all’equilibrio, e \(k\) è la costante di velocità di ricombinazione radiativa. Questa formulazione garantisce che la velocità di ricombinazione netta sia nulla all’equilibrio (\(np = n_{\mathrm{eq}}p_{\mathrm{eq}}\)) e che la ricombinazione aumenti quando il dispositivo viene portato fuori dall’equilibrio tramite l’iniezione e il trasporto di portatori di carica.In questo caso, \(n\) e \(p\) rappresentano le densità locali di elettroni liberi e di lacune, calcolate tramite il risolutore dell’equazione di deriva-diffusione; \(n_{\mathrm{eq}}\) e \(p_{\mathrm{eq}}\) sono le corrispondenti densità di portatori di carica all’equilibrio, e \(k\) è la costante di velocità di ricombinazione radiativa. Questa formulazione garantisce che la velocità di ricombinazione netta sia nulla all’equilibrio (\(np = n_{\mathrm{eq}}p_{\mathrm{eq}}\)) e che la ricombinazione aumenti quando il dispositivo viene portato fuori dall’equilibrio tramite l’iniezione e il trasporto di portatori di carica.
4. Trappole per il controllo delle nascite basate sull’equilibrio4. Trappole per il controllo delle nascite basate sull’equilibrio
La figura ?? mostra l’editor dei parametri elettrici, con i relativi controlli per la ricombinazione ben visibili. Attivando le trappole di equilibrio SRH, si abilitano i campi di input per specificare i parametri di un singolo livello di difetto di equilibrio utilizzato nel modello di ricombinazione di Shockley-Read-Hall (SRH) in condizioni stazionarie.La figura ?? mostra l’editor dei parametri elettrici, con i relativi controlli per la ricombinazione ben visibili. Attivando le trappole di equilibrio SRH, si abilitano i campi di input per specificare i parametri di un singolo livello di difetto di equilibrio utilizzato nel modello di ricombinazione di Shockley-Read-Hall (SRH) in condizioni stazionarie.
In questa formulazione, la ricombinazione è mediata da un singolo livello di trappola con energia \(E_t\) rispetto al centro della banda proibita, una densità di trappole \(N_t\) e sezioni d’urto per la cattura di elettroni e lacune \(\sigma_n\) e \(\sigma_p\). Si assume che questi parametri descrivano una popolazione di difetti identici in grado di catturare sia elettroni che lacune.In questa formulazione, la ricombinazione è mediata da un singolo livello di trappola con energia \(E_t\) rispetto al centro della banda proibita, una densità di trappole \(N_t\) e sezioni d’urto per la cattura di elettroni e lacune \(\sigma_n\) e \(\sigma_p\). Si assume che questi parametri descrivano una popolazione di difetti identici in grado di catturare sia elettroni che lacune.
\[ R_{\mathrm{SRH}} = \frac{np - n_{\mathrm{eq}} p_{\mathrm{eq}}} {\tau_p (n + n_1) + \tau_n (p + p_1)} \] \[ R_{\mathrm{SRH}} = \frac{np - n_{\mathrm{eq}} p_{\mathrm{eq}}} {\tau_p (n + n_1) + \tau_n (p + p_1)} \]
In questo caso, \(n\) e \(p\) rappresentano rispettivamente la densità locale degli elettroni e delle lacune, mentre \(n_{\mathrm{eq}}\) e \(p_{\mathrm{eq}}\) indicano i loro valori di equilibrio. Esprimere il numeratore in questa forma garantisce che la velocità di ricombinazione netta sia esattamente nulla all’equilibrio.In questo caso, \(n\) e \(p\) rappresentano rispettivamente la densità locale degli elettroni e delle lacune, mentre \(n_{\mathrm{eq}}\) e \(p_{\mathrm{eq}}\) indicano i loro valori di equilibrio. Esprimere il numeratore in questa forma garantisce che la velocità di ricombinazione netta sia esattamente nulla all’equilibrio.
I tempi di vita efficaci dei portatori di carica \(\tau_n\) e \(\tau_p\) sono ricavati dalla densità delle trappole e dalle sezioni d’urto di cattura, come indicato di seguito.I tempi di vita efficaci dei portatori di carica \(\tau_n\) e \(\tau_p\) sono ricavati dalla densità delle trappole e dalle sezioni d’urto di cattura, come indicato di seguito.
\[ \tau_n = \frac{1}{\sigma_n v_{\mathrm{th}} N_t}, \qquad \tau_p = \frac{1}{\sigma_p v_{\mathrm{th}} N_t}, \] \[ \tau_n = \frac{1}{\sigma_n v_{\mathrm{th}} N_t}, \qquad \tau_p = \frac{1}{\sigma_p v_{\mathrm{th}} N_t}, \]
dove \(v_{\mathrm{th}}\) rappresenta la velocità termica. Le quantità ausiliarie SRH \(n_1\) e \(p_1\) sono definite in relazione all’energia della trappola rispetto al punto di riferimento a metà della banda proibita:dove \(v_{\mathrm{th}}\) rappresenta la velocità termica. Le quantità ausiliarie SRH \(n_1\) e \(p_1\) sono definite in relazione all’energia della trappola rispetto al punto di riferimento a metà della banda proibita:
\[ n_1 = n_i \exp\!\left(\frac{E_t - E_{\mathrm{ref}}}{kT}\right), \qquad p_1 = n_i \exp\!\left(\frac{E_{\mathrm{ref}} - E_t}{kT}\right), \] \[ n_1 = n_i \exp\!\left(\frac{E_t - E_{\mathrm{ref}}}{kT}\right), \qquad p_1 = n_i \exp\!\left(\frac{E_{\mathrm{ref}} - E_t}{kT}\right), \]
con \(E_{\mathrm{ref}} = E_g/2\) e \(n_i = \sqrt{n_{\mathrm{eq}} p_{\mathrm{eq}}}\). Un livello energetico di trappola pari a \(E_t = 0\) corrisponde quindi a un difetto a metà banda proibita, mentre valori positivi e negativi spostano la trappola rispettivamente verso la banda di conduzione o la banda di valenza.con \(E_{\mathrm{ref}} = E_g/2\) e \(n_i = \sqrt{n_{\mathrm{eq}} p_{\mathrm{eq}}}\). Un livello energetico di trappola pari a \(E_t = 0\) corrisponde quindi a un difetto a metà banda proibita, mentre valori positivi e negativi spostano la trappola rispettivamente verso la banda di conduzione o la banda di valenza.
Figura ?? illustra la definizione dell’energia della trappola in relazione al punto di riferimento a metà della banda proibita. In questo modello semplificato di equilibrio SRH, viene considerato un solo livello di difetto. Il segno di \(E_t\) determina se la trappola si trova più vicino alla banda di conduzione.\(E_t > 0\)) o più vicino alla banda di valenza (\(E_t < 0\)). More general descriptions involving multiple trap levels and explicit capture-emission dynamics are discussed in the modello dinamico di cattura. Figura ?? illustra la definizione dell’energia della trappola in relazione al punto di riferimento a metà della banda proibita. In questo modello semplificato di equilibrio SRH, viene considerato un solo livello di difetto. Il segno di \(E_t\) determina se la trappola si trova più vicino alla banda di conduzione.\(E_t > 0\)) o più vicino alla banda di valenza (\(E_t < 0\)). More general descriptions involving multiple trap levels and explicit capture-emission dynamics are discussed in the modello dinamico di cattura.
Questa implementazione corrisponde al modello classico di equilibrio SRH. Non include meccanismi espliciti di intrappolamento ed emissione, che vengono gestiti separatamente nell’ambito dell’opzione «trappole SRH dinamiche».Questa implementazione corrisponde al modello classico di equilibrio SRH. Non include meccanismi espliciti di intrappolamento ed emissione, che vengono gestiti separatamente nell’ambito dell’opzione «trappole SRH dinamiche».
5. Ricombinazione di Auger5. Ricombinazione di Auger
La figura ?? mostra l’editor dei parametri elettrici con il pulsante «Abilita Auger» disattivato. Quando il pulsante viene attivato, si abilitano i campi relativi al coefficiente di Auger \(C_n\) e \(C_p\) (unità di misura: \(\mathrm{m^6\,s^{-1}}\)), che definiscono i parametri per la ricombinazione a tre portatori in condizioni di elevata iniezione/elevata densità di portatori.La figura ?? mostra l’editor dei parametri elettrici con il pulsante «Abilita Auger» disattivato. Quando il pulsante viene attivato, si abilitano i campi relativi al coefficiente di Auger \(C_n\) e \(C_p\) (unità di misura: \(\mathrm{m^6\,s^{-1}}\)), che definiscono i parametri per la ricombinazione a tre portatori in condizioni di elevata iniezione/elevata densità di portatori.
\[ R_{\mathrm{Auger}} = \left(C_n\,n + C_p\,p\right)\left(np - n_{\mathrm{eq}}p_{\mathrm{eq}}\right) \] \[ R_{\mathrm{Auger}} = \left(C_n\,n + C_p\,p\right)\left(np - n_{\mathrm{eq}}p_{\mathrm{eq}}\right) \]
In questo caso, \(n\) e \(p\) rappresentano rispettivamente la densità locale di elettroni e di lacune, mentre \(n_{\mathrm{eq}}\) e \(p_{\mathrm{eq}}\) indicano i loro valori di equilibrio. Esprimere il termine di guida come \(\left(np - n_{\mathrm{eq}}p_{\mathrm{eq}}\right)\) garantisce che la velocità di ricombinazione Auger netta sia nulla all’equilibrio. Poiché il fattore moltiplicativo varia in funzione della densità dei portatori di carica, la ricombinazione Auger viene utilizzata principalmente per compensare le perdite in condizioni di elevata densità (ad esempio, in regioni fortemente dopate o in presenza di un’elevata iniezione di carica).In questo caso, \(n\) e \(p\) rappresentano rispettivamente la densità locale di elettroni e di lacune, mentre \(n_{\mathrm{eq}}\) e \(p_{\mathrm{eq}}\) indicano i loro valori di equilibrio. Esprimere il termine di guida come \(\left(np - n_{\mathrm{eq}}p_{\mathrm{eq}}\right)\) garantisce che la velocità di ricombinazione Auger netta sia nulla all’equilibrio. Poiché il fattore moltiplicativo varia in funzione della densità dei portatori di carica, la ricombinazione Auger viene utilizzata principalmente per compensare le perdite in condizioni di elevata densità (ad esempio, in regioni fortemente dopate o in presenza di un’elevata iniezione di carica).
6. Distribuzioni più complesse degli stati.6. Distribuzioni più complesse degli stati.
Per impostazione predefinita, il modello dinamico di Shockley-Read-Hall (SRH) presuppone una distribuzione esponenziale degli stati di trappola. Tuttavia, studi sperimentali hanno dimostrato che la densità degli stati (DoS) nei semiconduttori disordinati spesso non è puramente esponenziale. In alcuni studi, la distribuzione si avvicina a una distribuzione gaussiana; in altri, è meglio descriverla come una combinazione di componenti gaussiane ed esponenziali; e nei casi più complessi, sono necessarie funzioni completamente diverse. In tutte le situazioni, la forma esatta della DoS dipende fortemente dalla posizione energetica degli stati all’interno del bandgap.Per impostazione predefinita, il modello dinamico di Shockley-Read-Hall (SRH) presuppone una distribuzione esponenziale degli stati di trappola. Tuttavia, studi sperimentali hanno dimostrato che la densità degli stati (DoS) nei semiconduttori disordinati spesso non è puramente esponenziale. In alcuni studi, la distribuzione si avvicina a una distribuzione gaussiana; in altri, è meglio descriverla come una combinazione di componenti gaussiane ed esponenziali; e nei casi più complessi, sono necessarie funzioni completamente diverse. In tutte le situazioni, la forma esatta della DoS dipende fortemente dalla posizione energetica degli stati all’interno del bandgap.
La figura 8 mostra i parametri elettrici disponibili per definire la densità degli stati (DoS) di una distribuzione di trappole di Shockley-Read-Hall. Se il tipo di DoS viene modificato da esponenziale a complesso e si fa clic sul pulsante «Modifica», viene visualizzata l’interfaccia mostrata nella figura ??. Qui, gli utenti possono definire distribuzioni energetiche arbitrarie degli stati di trappola, tra cui distribuzioni gaussiane, esponenziali, lorentziane o combinazioni di queste funzioni.La figura 8 mostra i parametri elettrici disponibili per definire la densità degli stati (DoS) di una distribuzione di trappole di Shockley-Read-Hall. Se il tipo di DoS viene modificato da esponenziale a complesso e si fa clic sul pulsante «Modifica», viene visualizzata l’interfaccia mostrata nella figura ??. Qui, gli utenti possono definire distribuzioni energetiche arbitrarie degli stati di trappola, tra cui distribuzioni gaussiane, esponenziali, lorentziane o combinazioni di queste funzioni.
Modello empirico di ricombinazione con dipendenza dalla potenza di λModello empirico di ricombinazione con dipendenza dalla potenza di λ
In alcuni casi, soprattutto quando si adattano equazioni empiriche per la velocità di reazione ai dati sperimentali, può essere utile generalizzare la legge di ricombinazione introducendo una dipendenza di tipo potenza. Questo viene realizzato nella seguente forma:In alcuni casi, soprattutto quando si adattano equazioni empiriche per la velocità di reazione ai dati sperimentali, può essere utile generalizzare la legge di ricombinazione introducendo una dipendenza di tipo potenza. Questo viene realizzato nella seguente forma:
\[R_{\mathrm{free}} = k_{r} \big(n_{f}p_{f} - n_{0}p_{0}\big)^{\tfrac{\lambda+1}{2}} \label{equ:freetofree_lambda}\] \[R_{\mathrm{free}} = k_{r} \big(n_{f}p_{f} - n_{0}p_{0}\big)^{\tfrac{\lambda+1}{2}} \label{equ:freetofree_lambda}\]
L’esponente \(\lambda\) funge da parametro regolabile che modifica l’ordine effettivo di ricombinazione, consentendo al modello di riprodurre le tendenze sperimentali, come i fattori di idealità apparenti superiori a uno. Questa opzione può essere attivata tramite l’impostazione «Abilita la potenza \(\lambda\) nella ricombinazione libera» nella finestra di configurazione dell’editor dei parametri elettrici. In genere, questa opzione è disattivata.L’esponente \(\lambda\) funge da parametro regolabile che modifica l’ordine effettivo di ricombinazione, consentendo al modello di riprodurre le tendenze sperimentali, come i fattori di idealità apparenti superiori a uno. Questa opzione può essere attivata tramite l’impostazione «Abilita la potenza \(\lambda\) nella ricombinazione libera» nella finestra di configurazione dell’editor dei parametri elettrici. In genere, questa opzione è disattivata.