Editor dell’interfaccia.Editor dell’interfaccia.
1. Panoramica1. Panoramica
L’editor delle interfacce controlla i fenomeni di trasporto elettronico che si verificano ai confini dei materiali. Le interfacce vengono elencate automaticamente per ogni coppia di strati adiacenti nella struttura del dispositivo. Per impostazione predefinita, le cariche possono muoversi per deriva e diffusione attraverso le interfacce in base al gradiente delle bande di conduzione o di valenza: le cariche che si muovono in direzione di un aumento di energia incontrano delle barriere e le attraversano con maggiore difficoltà, mentre le cariche che si muovono in direzione di una diminuzione di energia le attraversano più facilmente. L’editor delle interfacce amplia questo modello di base di deriva e diffusione introducendo meccanismi di trasporto aggiuntivi che possono, ad esempio, facilitare transizioni in salita altrimenti difficili. Per aprire l’editor, fare clic sull’icona Interfacce (barre rosse, verdi e blu) nella barra multifunzione Elettrica.L’editor delle interfacce controlla i fenomeni di trasporto elettronico che si verificano ai confini dei materiali. Le interfacce vengono elencate automaticamente per ogni coppia di strati adiacenti nella struttura del dispositivo. Per impostazione predefinita, le cariche possono muoversi per deriva e diffusione attraverso le interfacce in base al gradiente delle bande di conduzione o di valenza: le cariche che si muovono in direzione di un aumento di energia incontrano delle barriere e le attraversano con maggiore difficoltà, mentre le cariche che si muovono in direzione di una diminuzione di energia le attraversano più facilmente. L’editor delle interfacce amplia questo modello di base di deriva e diffusione introducendo meccanismi di trasporto aggiuntivi che possono, ad esempio, facilitare transizioni in salita altrimenti difficili. Per aprire l’editor, fare clic sull’icona Interfacce (barre rosse, verdi e blu) nella barra multifunzione Elettrica.
2. Scavo diretto2. Scavo diretto
I meccanismi di tunneling diretto consentono agli elettroni e alle lacune di attraversare le barriere di potenziale alle interfacce dei semiconduttori. La corrente di tunneling viene calcolata utilizzando la seguente formula semplificata:I meccanismi di tunneling diretto consentono agli elettroni e alle lacune di attraversare le barriere di potenziale alle interfacce dei semiconduttori. La corrente di tunneling viene calcolata utilizzando la seguente formula semplificata:
\[ J = A(n-n^{eq})V\exp\left(-B\sqrt{\phi}\right), \]dove \(A\) e \(B\) sono parametri di adattamento, \(\phi\) è l’altezza della barriera di interfaccia e \(V\) è la tensione applicata. Sono previsti interruttori e coefficienti di attivazione separati per gli elettroni e le lacune, il che consente di controllare in modo indipendente le rispettive correnti di tunneling.dove \(A\) e \(B\) sono parametri di adattamento, \(\phi\) è l’altezza della barriera di interfaccia e \(V\) è la tensione applicata. Sono previsti interruttori e coefficienti di attivazione separati per gli elettroni e le lacune, il che consente di controllare in modo indipendente le rispettive correnti di tunneling.
3. Scavo organico3. Scavo organico
Il modello di tunneling organico prevede un meccanismo aggiuntivo di trasferimento di carica attraverso le interfacce dei semiconduttori organici. Esso descrive un trasporto di tipo «salto» o assistito dall’interfaccia, attraverso una corrente fenomenologica proporzionale alla differenza nelle concentrazioni di carica rispetto all’equilibrio. Per gli elettroni e le lacune, le correnti sono:Il modello di tunneling organico prevede un meccanismo aggiuntivo di trasferimento di carica attraverso le interfacce dei semiconduttori organici. Esso descrive un trasporto di tipo «salto» o assistito dall’interfaccia, attraverso una corrente fenomenologica proporzionale alla differenza nelle concentrazioni di carica rispetto all’equilibrio. Per gli elettroni e le lacune, le correnti sono:
\[ J_n = -qT_e\left[(n_1-n_1^{eq})-(n_0-n_0^{eq})\right], \] \[ J_p = qT_h\left[(p_1-p_1^{eq})-(p_0-p_0^{eq})\right]. \]In questo caso, \(T_e\) e \(T_h\) rappresentano rispettivamente i coefficienti di trasferimento degli elettroni e delle lacune. I termini relativi all’equilibrio garantiscono che la corrente di trasporto aggiuntiva si annulli quando il sistema è in equilibrio termico.In questo caso, \(T_e\) e \(T_h\) rappresentano rispettivamente i coefficienti di trasferimento degli elettroni e delle lacune. I termini relativi all’equilibrio garantiscono che la corrente di trasporto aggiuntiva si annulli quando il sistema è in equilibrio termico.
Come illustrato in ??, la sezione «Organic tunneling» dell’editor dell’interfaccia offre i seguenti elementi di controllo:Come illustrato in ??, la sezione «Organic tunneling» dell’editor dell’interfaccia offre i seguenti elementi di controllo:
- Effetto tunnel degli elettroni (materiali organici): consente un ulteriore meccanismo di trasferimento di elettroni. Il campo T associato specifica \(T_e\) in m³/s.Effetto tunnel degli elettroni (materiali organici): consente un ulteriore meccanismo di trasferimento di elettroni. Il campo T associato specifica \(T_e\) in m³/s.
- Il tunneling di lacune (organico) consente l’attivazione di un ulteriore meccanismo di trasferimento di lacune. Il relativo campo T specifica \(T_h\) in m3/s.Il tunneling di lacune (organico) consente l’attivazione di un ulteriore meccanismo di trasferimento di lacune. Il relativo campo T specifica \(T_h\) in m3/s.
I meccanismi relativi agli elettroni e alle lacune possono essere attivati in modo indipendente, consentendo di controllare separatamente le correnti di interfaccia aggiuntive rispetto al trasporto convenzionale per deriva e diffusione.I meccanismi relativi agli elettroni e alle lacune possono essere attivati in modo indipendente, consentendo di controllare separatamente le correnti di interfaccia aggiuntive rispetto al trasporto convenzionale per deriva e diffusione.
4. Drogaggio dell’interfaccia4. Drogaggio dell’interfaccia
I controlli di drogaggio dell’interfaccia consentono di introdurre una carica aggiuntiva nell’interfaccia di un semiconduttore. È possibile specificare densità di drogaggio indipendenti sul lato sinistro (LHS) e sul lato destro (RHS) del confine del materiale.I controlli di drogaggio dell’interfaccia consentono di introdurre una carica aggiuntiva nell’interfaccia di un semiconduttore. È possibile specificare densità di drogaggio indipendenti sul lato sinistro (LHS) e sul lato destro (RHS) del confine del materiale.
La carica aggiuntiva modifica la densità di carica locale nell’equazione di Poisson:La carica aggiuntiva modifica la densità di carica locale nell’equazione di Poisson:
\[ \nabla\cdot(\varepsilon\nabla\phi)=-\rho, \]dove \(\rho\) include il contributo dovuto alla drogatura dell’interfaccia. La carica aggiuntiva modifica il potenziale elettrostatico locale e, di conseguenza, la curvatura delle bande energetiche in prossimità del confine del materiale.dove \(\rho\) include il contributo dovuto alla drogatura dell’interfaccia. La carica aggiuntiva modifica il potenziale elettrostatico locale e, di conseguenza, la curvatura delle bande energetiche in prossimità del confine del materiale.
I valori positivi e negativi del drogaggio possono essere utilizzati per rappresentare diverse distribuzioni di carica all’interfaccia. Applicando cariche opposte su entrambi i lati dell’interfaccia, è possibile approssimare un dipolo interfacciale. Questo è utile per modellare difetti carichi, dipoli interfacciali e modifiche elettrostatiche all’iniezione e all’estrazione di portatori di carica.I valori positivi e negativi del drogaggio possono essere utilizzati per rappresentare diverse distribuzioni di carica all’interfaccia. Applicando cariche opposte su entrambi i lati dell’interfaccia, è possibile approssimare un dipolo interfacciale. Questo è utile per modellare difetti carichi, dipoli interfacciali e modifiche elettrostatiche all’iniezione e all’estrazione di portatori di carica.
Come illustrato in ??, la sezione relativa al doping nell’editor dell’interfaccia offre i seguenti strumenti:Come illustrato in ??, la sezione relativa al doping nell’editor dell’interfaccia offre i seguenti strumenti:
- Dopaggio dell’interfaccia LHS: consente di effettuare un ulteriore dopaggio sul lato sinistro dell’interfaccia. Il campo «Doping LHS» specifica la concentrazione in m-3.Dopaggio dell’interfaccia LHS: consente di effettuare un ulteriore dopaggio sul lato sinistro dell’interfaccia. Il campo «Doping LHS» specifica la concentrazione in m-3.
- Dopaggio dell’interfaccia RHS: consente di effettuare un ulteriore dopaggio sul lato destro dell’interfaccia. Il campo «Doping RHS» specifica la concentrazione in m-3.Dopaggio dell’interfaccia RHS: consente di effettuare un ulteriore dopaggio sul lato destro dell’interfaccia. Il campo «Doping RHS» specifica la concentrazione in m-3.
Le due superfici possono essere configurate in modo indipendente, consentendo di rappresentare distribuzioni di carica asimmetriche sull’interfaccia. Il livello di drogaggio specificato viene applicato ai punti della griglia immediatamente adiacenti al confine del materiale.Le due superfici possono essere configurate in modo indipendente, consentendo di rappresentare distribuzioni di carica asimmetriche sull’interfaccia. Il livello di drogaggio specificato viene applicato ai punti della griglia immediatamente adiacenti al confine del materiale.
5. Trappole di interfaccia nei materiali semiconduttori a eterostruttura (SRH)5. Trappole di interfaccia nei materiali semiconduttori a eterostruttura (SRH)
OghmaNano include il processo di ricombinazione di Shockley–Read–Hall (SRH) attraverso stati di trappola localizzati sulle interfacce dei materiali. Le trappole sulle interfacce sono specificate come densità superficiale \(N_t\) espressa in unità di m-2.OghmaNano include il processo di ricombinazione di Shockley–Read–Hall (SRH) attraverso stati di trappola localizzati sulle interfacce dei materiali. Le trappole sulle interfacce sono specificate come densità superficiale \(N_t\) espressa in unità di m-2.
Il tasso di ricombinazione viene calcolato utilizzando la formula standard di SRH:Il tasso di ricombinazione viene calcolato utilizzando la formula standard di SRH:
\[ R_{\mathrm{SRH}} = \frac{np-n_{\mathrm{eq}}p_{\mathrm{eq}}} {\tau_p(n+n_1)+\tau_n(p+p_1)}, \]dove \(n\) e \(p\) rappresentano le concentrazioni locali di elettroni e lacune, \(n_{\mathrm{eq}}\) e \(p_{\mathrm{eq}}\) sono le corrispondenti concentrazioni di equilibrio e \(n_1\) e \(p_1\) descrivono la posizione energetica dello stato di trappola.dove \(n\) e \(p\) rappresentano le concentrazioni locali di elettroni e lacune, \(n_{\mathrm{eq}}\) e \(p_{\mathrm{eq}}\) sono le corrispondenti concentrazioni di equilibrio e \(n_1\) e \(p_1\) descrivono la posizione energetica dello stato di trappola.
I tempi di decadimento per la cattura di elettroni e lacune sono:I tempi di decadimento per la cattura di elettroni e lacune sono:
\[ \tau_n = \frac{1}{\sigma_n v_{\mathrm{th},n} N_t}, \qquad \tau_p = \frac{1}{\sigma_p v_{\mathrm{th},p} N_t}, \]dove \(\sigma_n\) e \(\sigma_p\) rappresentano le sezioni d’urto per la cattura di elettroni e lacune, e \(v_{\mathrm{th},n}\) e \(v_{\mathrm{th},p}\) rappresentano le corrispondenti velocità termiche.dove \(\sigma_n\) e \(\sigma_p\) rappresentano le sezioni d’urto per la cattura di elettroni e lacune, e \(v_{\mathrm{th},n}\) e \(v_{\mathrm{th},p}\) rappresentano le corrispondenti velocità termiche.
La densità dei difetti all’interfaccia è distribuita uniformemente tra i due punti della griglia adiacenti al confine del materiale. Per le distanze tra i punti della griglia a sinistra e a destra, \(\Delta x_L\) e \(\Delta x_R\), le corrispondenti densità locali dei difetti sono:La densità dei difetti all’interfaccia è distribuita uniformemente tra i due punti della griglia adiacenti al confine del materiale. Per le distanze tra i punti della griglia a sinistra e a destra, \(\Delta x_L\) e \(\Delta x_R\), le corrispondenti densità locali dei difetti sono:
\[ N_{t,L} = \frac{N_{t,\mathrm{interface}}}{2\Delta x_L}, \qquad N_{t,R} = \frac{N_{t,\mathrm{interface}}}{2\Delta x_R}. \]Questo produce:Questo produce:
\[ N_{t,L}\Delta x_L + N_{t,R}\Delta x_R = N_{t,\mathrm{interface}}. \]Il tasso di ricombinazione SRH viene valutato su entrambi i lati dell’interfaccia, utilizzando le concentrazioni locali di portatori di carica e i parametri dei materiali.Il tasso di ricombinazione SRH viene valutato su entrambi i lati dell’interfaccia, utilizzando le concentrazioni locali di portatori di carica e i parametri dei materiali.
L’energia della trappola è definita in relazione al centro della banda proibita locale:L’energia della trappola è definita in relazione al centro della banda proibita locale:
\[ E_t = \frac{E_g}{2} + \Delta E_t, \]dove \(\Delta E_t\) è il valore inserito nel campo Et (rispetto a Eg/2). Le concentrazioni ausiliarie del vettore SRH sono:dove \(\Delta E_t\) è il valore inserito nel campo Et (rispetto a Eg/2). Le concentrazioni ausiliarie del vettore SRH sono:
\[ n_1 = n_i \exp\left( \frac{q(E_t-E_g/2)}{k_B T} \right), \qquad p_1 = n_i \exp\left( \frac{q(E_g/2-E_t)}{k_B T} \right). \]I parametri presenti nella sezione «Trappole di equilibrio SRH» dell’editor dell’interfaccia sono:I parametri presenti nella sezione «Trappole di equilibrio SRH» dell’editor dell’interfaccia sono:
- Interfaccia SRH: abilitazione delle trappole di superficie: consente di attivare o disattivare la ricombinazione di superficie tramite l’interfaccia SRH.Interfaccia SRH: abilitazione delle trappole di superficie: consente di attivare o disattivare la ricombinazione di superficie tramite l’interfaccia SRH.
- Et (rispetto a Eg/2): energia della trappola rispetto al centro della banda proibita locale, espressa in elettronvolt (eV). Un valore di 0 indica che la trappola si trova a metà della banda proibita.Et (rispetto a Eg/2): energia della trappola rispetto al centro della banda proibita locale, espressa in elettronvolt (eV). Un valore di 0 indica che la trappola si trova a metà della banda proibita.
- Nt: densità totale delle trappole di interfaccia, espressa in m⁻².Nt: densità totale delle trappole di interfaccia, espressa in m⁻².
- σn: sezione d'urto per la cattura di elettroni, espressa in m².σn: sezione d'urto per la cattura di elettroni, espressa in m².
- σp: sezione d’urto per la cattura di elettroni in un difetto (lacuna), espressa in m².σp: sezione d’urto per la cattura di elettroni in un difetto (lacuna), espressa in m².
La ricombinazione all’interfaccia SRH viene utilizzata per modellare la ricombinazione assistita da difetti ai confini dei materiali, comprese le interfacce tra semiconduttori e strati di trasporto nelle celle solari, nei LED e in altri dispositivi multistrato. È particolarmente utile per studiare la passivazione delle interfacce, dove le variazioni nella densità delle trappole superficiali o nella sezione d’urto di cattura modificano la velocità di ricombinazione non radiativa.La ricombinazione all’interfaccia SRH viene utilizzata per modellare la ricombinazione assistita da difetti ai confini dei materiali, comprese le interfacce tra semiconduttori e strati di trasporto nelle celle solari, nei LED e in altri dispositivi multistrato. È particolarmente utile per studiare la passivazione delle interfacce, dove le variazioni nella densità delle trappole superficiali o nella sezione d’urto di cattura modificano la velocità di ricombinazione non radiativa.
6. Mobilità dell’interfaccia6. Mobilità dell’interfaccia
La sezione relativa alla mobilità consente di modificare in modo indipendente i valori della mobilità degli elettroni e delle lacune in corrispondenza del confine tra due materiali, indipendentemente dalle proprietà del materiale sfuso. Questo può rappresentare un aumento o una diminuzione del trasporto interfacciale causato da disordini strutturali, dall’organizzazione molecolare o da barriere energetiche che non sono esplicitamente considerate nel modello di deriva-diffusione.La sezione relativa alla mobilità consente di modificare in modo indipendente i valori della mobilità degli elettroni e delle lacune in corrispondenza del confine tra due materiali, indipendentemente dalle proprietà del materiale sfuso. Questo può rappresentare un aumento o una diminuzione del trasporto interfacciale causato da disordini strutturali, dall’organizzazione molecolare o da barriere energetiche che non sono esplicitamente considerate nel modello di deriva-diffusione.
Le mobilità dell’interfaccia specificate sostituiscono le mobilità convenzionali, calcolate considerando una struttura cristallina a facce centrate, utilizzate dal risolutore basato sul modello di deriva-diffusione:Le mobilità dell’interfaccia specificate sostituiscono le mobilità convenzionali, calcolate considerando una struttura cristallina a facce centrate, utilizzate dal risolutore basato sul modello di deriva-diffusione:
\[ \mu_{n,\mathrm{face}}=\mu_{n,\mathrm{int}}, \qquad \mu_{p,\mathrm{face}}=\mu_{p,\mathrm{int}}. \]I corrispondenti coefficienti di diffusione sono calcolati applicando lo stesso fattore di scala:I corrispondenti coefficienti di diffusione sono calcolati applicando lo stesso fattore di scala:
\[ D_{n,\mathrm{face}}^{new} = D_{n,\mathrm{face}}^{old} \frac{\mu_{n,\mathrm{int}}}{\mu_{n,\mathrm{face}}^{old}}, \qquad D_{p,\mathrm{face}}^{new} = D_{p,\mathrm{face}}^{old} \frac{\mu_{p,\mathrm{int}}}{\mu_{p,\mathrm{face}}^{old}}. \]L’editor dell’interfaccia offre due opzioni indipendenti per modificare le impostazioni di movimento:L’editor dell’interfaccia offre due opzioni indipendenti per modificare le impostazioni di movimento:
- Mobilità degli elettroni all’interfaccia: consente di modificare il valore della mobilità degli elettroni. Il campo «Mobilità degli elettroni» specifica il valore in m2V-1s-1.Mobilità degli elettroni all’interfaccia: consente di modificare il valore della mobilità degli elettroni. Il campo «Mobilità degli elettroni» specifica il valore in m2V-1s-1.
- Mobilità delle lacune all’interfaccia: consente di modificare il valore della mobilità delle lacune. Il campo «Mobilità delle lacune» specifica il valore in m2V-1s-1.Mobilità delle lacune all’interfaccia: consente di modificare il valore della mobilità delle lacune. Il campo «Mobilità delle lacune» specifica il valore in m2V-1s-1.
Quando una funzione di override è disattivata, viene utilizzata la normale mobilità centrata sulla superficie. Impostando a zero la mobilità di un’interfaccia abilitata, si impedisce la normale deriva e diffusione del portatore di carica attraverso l’interfaccia. Altri meccanismi di interfaccia abilitati, tra cui l’effetto tunnel e la ricombinazione inter-interfacciale, possono comunque operare in modo indipendente.Quando una funzione di override è disattivata, viene utilizzata la normale mobilità centrata sulla superficie. Impostando a zero la mobilità di un’interfaccia abilitata, si impedisce la normale deriva e diffusione del portatore di carica attraverso l’interfaccia. Altri meccanismi di interfaccia abilitati, tra cui l’effetto tunnel e la ricombinazione inter-interfacciale, possono comunque operare in modo indipendente.
7. Ricombinazione tra diverse interfacce7. Ricombinazione tra diverse interfacce
La sezione relativa alla ricombinazione tra diverse interfacce fornisce un modello efficace di uno strato sottile in cui avviene la ricombinazione tra due regioni semiconduttrici. Questo è particolarmente utile per le celle solari tandem, in cui gli elettroni di una sottocella devono ricombinarsi con le lacune della sottocella adiacente per creare una connessione elettrica in serie.La sezione relativa alla ricombinazione tra diverse interfacce fornisce un modello efficace di uno strato sottile in cui avviene la ricombinazione tra due regioni semiconduttrici. Questo è particolarmente utile per le celle solari tandem, in cui gli elettroni di una sottocella devono ricombinarsi con le lacune della sottocella adiacente per creare una connessione elettrica in serie.
Invece di definire esplicitamente lo strato di ricombinazione e la sua struttura a bande interna, il modello consente ai portatori di carica sui lati opposti dell’interfaccia di ricombinarsi direttamente. Sono disponibili due direzioni di ricombinazione indipendenti:Invece di definire esplicitamente lo strato di ricombinazione e la sua struttura a bande interna, il modello consente ai portatori di carica sui lati opposti dell’interfaccia di ricombinarsi direttamente. Sono disponibili due direzioni di ricombinazione indipendenti:
\[ R_{l2r} = K_{l2r} \left( n_Lp_R-n_L^{eq}p_R^{eq} \right) \] \[ R_{r2l} = K_{r2l} \left( n_Rp_L-n_R^{eq}p_L^{eq} \right) \]In questo caso, \(n_L\), \(p_L\), \(n_R\) e \(p_R\) rappresentano le concentrazioni dei portatori di carica immediatamente adiacenti all’interfaccia. L’apice \(eq\) indica i valori di equilibrio. I coefficienti \(K_{l2r}\) e \(K_{r2l}\) sono espressi in unità di misura m4s-1 e forniscono i flussi di ricombinazione in m-2s-1. I termini di equilibrio garantiscono che la ricombinazione netta sia nulla nello stato di equilibrio termico.In questo caso, \(n_L\), \(p_L\), \(n_R\) e \(p_R\) rappresentano le concentrazioni dei portatori di carica immediatamente adiacenti all’interfaccia. L’apice \(eq\) indica i valori di equilibrio. I coefficienti \(K_{l2r}\) e \(K_{r2l}\) sono espressi in unità di misura m4s-1 e forniscono i flussi di ricombinazione in m-2s-1. I termini di equilibrio garantiscono che la ricombinazione netta sia nulla nello stato di equilibrio termico.
L’editor dell’interfaccia utente offre quattro strumenti:L’editor dell’interfaccia utente offre quattro strumenti:
- Ricombinazione da sinistra a destra: consente la ricombinazione tra gli elettroni presenti a sinistra e le lacune presenti a destra.Ricombinazione da sinistra a destra: consente la ricombinazione tra gli elettroni presenti a sinistra e le lacune presenti a destra.
- Coefficiente di ricombinazione da sinistra a destra: specifica \(K_{l2r}\) in m4s-1.Coefficiente di ricombinazione da sinistra a destra: specifica \(K_{l2r}\) in m4s-1.
- Ricombinazione da destra a sinistra: consente la ricombinazione tra gli elettroni presenti a destra e le lacune presenti a sinistra.Ricombinazione da destra a sinistra: consente la ricombinazione tra gli elettroni presenti a destra e le lacune presenti a sinistra.
- Coefficiente di ricombinazione da destra a sinistra: specifica \(K_{r2l}\) in m4s-1.Coefficiente di ricombinazione da destra a sinistra: specifica \(K_{r2l}\) in m4s-1.
Le due direzioni possono essere attivate in modo indipendente, consentendo di adattare il processo di ricombinazione alle popolazioni di vettori presenti su entrambi i lati della giunzione. I coefficienti determinano l’intensità del percorso di ricombinazione effettivo.Le due direzioni possono essere attivate in modo indipendente, consentendo di adattare il processo di ricombinazione alle popolazioni di vettori presenti su entrambi i lati della giunzione. I coefficienti determinano l’intensità del percorso di ricombinazione effettivo.
In una giunzione di ricombinazione tandem idealizzata, entrambe le mobilità interfacciali possono essere impostate a zero per sopprimere il trasporto convenzionale di carica tra le sottocellule. La ricombinazione inter-interfacciale fornisce quindi l’accoppiamento elettrico senza richiedere uno strato di ricombinazione elettricamente attivo aggiuntivo.In una giunzione di ricombinazione tandem idealizzata, entrambe le mobilità interfacciali possono essere impostate a zero per sopprimere il trasporto convenzionale di carica tra le sottocellule. La ricombinazione inter-interfacciale fornisce quindi l’accoppiamento elettrico senza richiedere uno strato di ricombinazione elettricamente attivo aggiuntivo.