Simulazione di un diodo eterogiunzione AlGaAs/GaAs: allineamento delle bande, curve J–V e trasporto delle cariche.Simulazione di un diodo eterogiunzione AlGaAs/GaAs: allineamento delle bande, curve J–V e trasporto delle cariche.

1. Introduzione: perché simulare un’eterogiunzione AlGaAs/GaAs?1. Introduzione: perché simulare un’eterogiunzione AlGaAs/GaAs?

Un diodo eterogiunzione AlGaAs/GaAs è un diodo a semiconduttore formato nel punto in cui si incontrano due diversi materiali del gruppo III–V: l’arseniuro di alluminio-gallio (AlxGa1−xAs) e l’arseniuro di gallio (GaAs). A differenza di un diodo PN convenzionale al GaAs, questo dispositivo combina una variazione nella concentrazione di impurità con una variazione nella struttura a bande del semiconduttore. La giunzione presenta quindi sia un potenziale elettrostatico intrinseco sia una differenza di livello tra la banda di conduzione e la banda di valenza.Un diodo eterogiunzione AlGaAs/GaAs è un diodo a semiconduttore formato nel punto in cui si incontrano due diversi materiali del gruppo III–V: l’arseniuro di alluminio-gallio (AlxGa1−xAs) e l’arseniuro di gallio (GaAs). A differenza di un diodo PN convenzionale al GaAs, questo dispositivo combina una variazione nella concentrazione di impurità con una variazione nella struttura a bande del semiconduttore. La giunzione presenta quindi sia un potenziale elettrostatico intrinseco sia una differenza di livello tra la banda di conduzione e la banda di valenza.

In questo tutorial, analizzeremo una giunzione p-Al0,30Ga0,70As / n-GaAs utilizzando il risolutore monodimensionale di Poisson e di diffusione-deriva di OghmaNano. La regione AlGaAs, caratterizzata da una banda proibita più ampia, si incontra con la regione GaAs, caratterizzata da una banda proibita più stretta; la loro interfaccia modifica l'iniezione di elettroni e lacune e fornisce una semplice introduzione all'allineamento delle bande in una eterogiunzione. L'intera struttura a semiconduttore ha uno spessore di soli 700 nm, il che la rende adatta alla visualizzazione dei profili di trasporto interni.In questo tutorial, analizzeremo una giunzione p-Al0,30Ga0,70As / n-GaAs utilizzando il risolutore monodimensionale di Poisson e di diffusione-deriva di OghmaNano. La regione AlGaAs, caratterizzata da una banda proibita più ampia, si incontra con la regione GaAs, caratterizzata da una banda proibita più stretta; la loro interfaccia modifica l'iniezione di elettroni e lacune e fornisce una semplice introduzione all'allineamento delle bande in una eterogiunzione. L'intera struttura a semiconduttore ha uno spessore di soli 700 nm, il che la rende adatta alla visualizzazione dei profili di trasporto interni.

Le eterostrutture AlGaAs/GaAs sono elementi fondamentali nell’elettronica e nell’optoelettronica dei semiconduttori del gruppo III–V, e vengono utilizzate in dispositivi a eterogiunzione, strati fotovoltaici e strutture emettitrici di luce. L’esempio specifico che presentiamo è una dimostrazione di un diodo/raddrizzatore: non viene proposto come un fotodiodo ottimizzato, un diodo laser o un componente commerciale ad alta velocità. Utilizzeremo il modello per mettere in relazione una caratteristica misurabile della corrente di dispersione in funzione della tensione (J–V) con il diagramma a bande microscopico e la fisica dei processi di ricombinazione.Le eterostrutture AlGaAs/GaAs sono elementi fondamentali nell’elettronica e nell’optoelettronica dei semiconduttori del gruppo III–V, e vengono utilizzate in dispositivi a eterogiunzione, strati fotovoltaici e strutture emettitrici di luce. L’esempio specifico che presentiamo è una dimostrazione di un diodo/raddrizzatore: non viene proposto come un fotodiodo ottimizzato, un diodo laser o un componente commerciale ad alta velocità. Utilizzeremo il modello per mettere in relazione una caratteristica misurabile della corrente di dispersione in funzione della tensione (J–V) con il diagramma a bande microscopico e la fisica dei processi di ricombinazione.

La schermata principale è visualizzata in ??. Il resto della guida segue lo stesso schema degli altri esempi di diodi OghmaNano: caricare il dispositivo, esaminare i suoi input, eseguire una simulazione e interpretare i risultati.La schermata principale è visualizzata in ??. Il resto della guida segue lo stesso schema degli altri esempi di diodi OghmaNano: caricare il dispositivo, esaminare i suoi input, eseguire una simulazione e interpretare i risultati.

2. Creazione di una nuova simulazione2. Creazione di una nuova simulazione

Dalla finestra principale di OghmaNano, selezionare «Nuova simulazione». Il browser delle dimostrazioni raggruppa esempi correlati relativi ai semiconduttori. Aprire le dimostrazioni GaAs/III–V e selezionare l’esempio del diodo eterogiunzione AlGaAs/GaAs, oppure caricare direttamente il progetto di esempio fornito, se l’etichetta del menu differisce tra le diverse versioni. Le due sezioni del browser sono illustrate nelle immagini ?? e ??.Dalla finestra principale di OghmaNano, selezionare «Nuova simulazione». Il browser delle dimostrazioni raggruppa esempi correlati relativi ai semiconduttori. Aprire le dimostrazioni GaAs/III–V e selezionare l’esempio del diodo eterogiunzione AlGaAs/GaAs, oppure caricare direttamente il progetto di esempio fornito, se l’etichetta del menu differisce tra le diverse versioni. Le due sezioni del browser sono illustrate nelle immagini ?? e ??.

Una volta aperto l’esempio, esaminate la pila verticale nella visualizzazione del dispositivo. Sebbene la visualizzazione sia tridimensionale, questo tutorial illustra la conduzione elettrica monodimensionale attraverso lo spessore dello strato. Il modello non tiene conto dell’accumulo di corrente laterale o delle reali geometrie dei contatti metallici.Una volta aperto l’esempio, esaminate la pila verticale nella visualizzazione del dispositivo. Sebbene la visualizzazione sia tridimensionale, questo tutorial illustra la conduzione elettrica monodimensionale attraverso lo spessore dello strato. Il modello non tiene conto dell’accumulo di corrente laterale o delle reali geometrie dei contatti metallici.

3. Analisi della struttura a strati, della composizione delle leghe e del processo di drogaggio.3. Analisi della struttura a strati, della composizione delle leghe e del processo di drogaggio.

3.1 Struttura a strati3.1 Struttura a strati

Aprire l’editor dei livelli dalla barra multifunzione del dispositivo. Il diodo attivo è costituito da tre strati semiconduttori, con una zona di aria al di sopra di essi, utilizzata per la rappresentazione del dispositivo. Il problema elettrico riguarda lo strato semiconduttore di 700 nm piuttosto che la zona di aria di 200 nm.Aprire l’editor dei livelli dalla barra multifunzione del dispositivo. Il diodo attivo è costituito da tre strati semiconduttori, con una zona di aria al di sopra di essi, utilizzata per la rappresentazione del dispositivo. Il problema elettrico riguarda lo strato semiconduttore di 700 nm piuttosto che la zona di aria di 200 nm.

La giunzione p-AlGaAs/n-GaAs rappresenta sia la giunzione metallurgica PN sia l’interfaccia tra i materiali. La giunzione n-GaAs/n+-GaAs è una transizione di drogaggio all’interno del GaAs, e non una seconda eterogiunzione. Di seguito sono mostrati insieme l’editor di livelli (??) e la configurazione dei contatti (??).La giunzione p-AlGaAs/n-GaAs rappresenta sia la giunzione metallurgica PN sia l’interfaccia tra i materiali. La giunzione n-GaAs/n+-GaAs è una transizione di drogaggio all’interno del GaAs, e non una seconda eterogiunzione. Di seguito sono mostrati insieme l’editor di livelli (??) e la configurazione dei contatti (??).

3.2 Impurezze e composizione di alluminio3.2 Impurezze e composizione di alluminio

Aprire l’editor Doping/Ioni dalla barra multifunzione «Elettrico». Il lato in AlGaAs drogato con accettori e il lato in GaAs drogato con donatori formano la giunzione raddrizzante (??). Il tipo di drogaggio cambia all’interfaccia tra i materiali, creando un campo elettrico intrinseco. La regione n+ aumenta la concentrazione di elettroni vicino al catodo.Aprire l’editor Doping/Ioni dalla barra multifunzione «Elettrico». Il lato in AlGaAs drogato con accettori e il lato in GaAs drogato con donatori formano la giunzione raddrizzante (??). Il tipo di drogaggio cambia all’interfaccia tra i materiali, creando un campo elettrico intrinseco. La regione n+ aumenta la concentrazione di elettroni vicino al catodo.

A questo punto, aprire l’editor per la composizione/i gradienti della lega. La lega AlGaAs ha una frazione molare di alluminio pari a x = 0,30, mentre GaAs corrisponde a x = 0. Il brusco cambiamento nella composizione (??) è una delle ragioni principali per cui il diagramma dei bordi di banda presenta una discontinuità, oltre alla normale flessione della banda elettrostatica.A questo punto, aprire l’editor per la composizione/i gradienti della lega. La lega AlGaAs ha una frazione molare di alluminio pari a x = 0,30, mentre GaAs corrisponde a x = 0. Il brusco cambiamento nella composizione (??) è una delle ragioni principali per cui il diagramma dei bordi di banda presenta una discontinuità, oltre alla normale flessione della banda elettrostatica.

3.3 Perché l’interfaccia è importante.3.3 Perché l’interfaccia è importante.

A temperatura ambiente, il GaAs presenta un divario di energia di circa 1,42 eV, mentre l’Al0,30Ga0,70As ha un divario di energia maggiore, generalmente intorno a 1,8 eV, a seconda dei parametri di composizione della lega. In una giunzione eterostrutturale, la differenza totale del divario di energia è distribuita tra le discontinuità delle bande di conduzione e di valenza:A temperatura ambiente, il GaAs presenta un divario di energia di circa 1,42 eV, mentre l’Al0,30Ga0,70As ha un divario di energia maggiore, generalmente intorno a 1,8 eV, a seconda dei parametri di composizione della lega. In una giunzione eterostrutturale, la differenza totale del divario di energia è distribuita tra le discontinuità delle bande di conduzione e di valenza:

In questo caso, i simboli che indicano lo sfasamento rappresentano l’ampiezza dei corrispondenti gradini. I loro valori numerici sono determinati dal modello del materiale e dalle ipotesi relative all’allineamento delle bande, e non solo dal profilo di drogaggio. Quando si esaminano in seguito i bordi delle bande simulati, è importante distinguere uno sfasamento netto, legato al materiale, dalla variazione graduale delle bande causata dalla carica spaziale.In questo caso, i simboli che indicano lo sfasamento rappresentano l’ampiezza dei corrispondenti gradini. I loro valori numerici sono determinati dal modello del materiale e dalle ipotesi relative all’allineamento delle bande, e non solo dal profilo di drogaggio. Quando si esaminano in seguito i bordi delle bande simulati, è importante distinguere uno sfasamento netto, legato al materiale, dalla variazione graduale delle bande causata dalla carica spaziale.

4. Parametri dei materiali elettrici, interfacce e fenomeni di ricombinazione.4. Parametri dei materiali elettrici, interfacce e fenomeni di ricombinazione.

4.1 Il database dei materiali e i modelli Lua4.1 Il database dei materiali e i modelli Lua

Aprire l’editor dei parametri elettrici per ciascun livello. In questo esempio, viene utilizzato Inorganic/AlGaAs/AlGaAs.lua per la lega di tipo p e Inorganic/GaAs/GaAs.lua per entrambe le regioni di GaAs di tipo n. Il modello AlGaAs Lua (??) e i relativi parametri (??) possono essere confrontati con il modello GaAs (??) e i relativi parametri (??).Aprire l’editor dei parametri elettrici per ciascun livello. In questo esempio, viene utilizzato Inorganic/AlGaAs/AlGaAs.lua per la lega di tipo p e Inorganic/GaAs/GaAs.lua per entrambe le regioni di GaAs di tipo n. Il modello AlGaAs Lua (??) e i relativi parametri (??) possono essere confrontati con il modello GaAs (??) e i relativi parametri (??).

La simulazione è configurata in modo da acquisire i valori fondamentali dei materiali – tra cui il bandgap, l’affinità elettronica, la mobilità dei portatori di carica, le densità di stati effettive e i parametri di ricombinazione – dal database dei materiali Lua, anziché imporre modifiche locali. Questo è particolarmente importante per l’AlGaAs, poiché i suoi parametri dipendono dalla composizione della lega. Consultare i valori visualizzati sullo schermo forniti dal modello, anziché interpretare eventuali valori di riserva inattivi presenti nel file di progetto come le proprietà effettive del materiale.La simulazione è configurata in modo da acquisire i valori fondamentali dei materiali – tra cui il bandgap, l’affinità elettronica, la mobilità dei portatori di carica, le densità di stati effettive e i parametri di ricombinazione – dal database dei materiali Lua, anziché imporre modifiche locali. Questo è particolarmente importante per l’AlGaAs, poiché i suoi parametri dipendono dalla composizione della lega. Consultare i valori visualizzati sullo schermo forniti dal modello, anziché interpretare eventuali valori di riserva inattivi presenti nel file di progetto come le proprietà effettive del materiale.

4.2 Allineamento delle bande e impostazioni dell’interfaccia4.2 Allineamento delle bande e impostazioni dell’interfaccia

Aprire l’editor di interfacce, come mostrato in ??. Questo esempio rappresenta un’interfaccia discontinua. In un modello di base che considera la deriva e la diffusione, l’iniezione di portatori dipende dalle discontinuità nelle bande di conduzione e di valenza, dalle statistiche dei portatori e dal trattamento del confine dell’interfaccia. I campioni reali possono presentare, inoltre, stati di interfaccia, disordine nelle leghe, emissione termoionica, effetto tunnel o imperfezioni indotte dalla lavorazione; tali effetti non devono essere considerati come inclusi semplicemente perché è presente un’eterogiunzione.Aprire l’editor di interfacce, come mostrato in ??. Questo esempio rappresenta un’interfaccia discontinua. In un modello di base che considera la deriva e la diffusione, l’iniezione di portatori dipende dalle discontinuità nelle bande di conduzione e di valenza, dalle statistiche dei portatori e dal trattamento del confine dell’interfaccia. I campioni reali possono presentare, inoltre, stati di interfaccia, disordine nelle leghe, emissione termoionica, effetto tunnel o imperfezioni indotte dalla lavorazione; tali effetti non devono essere considerati come inclusi semplicemente perché è presente un’eterogiunzione.

4.3 Ricombinazione indotta dalla radiazione e da difetti.4.3 Ricombinazione indotta dalla radiazione e da difetti.

A questa composizione, il GaAs e l’Al0,30Ga0,70As sono materiali a banda proibita diretta, quindi, in presenza di iniezione di portatori, può verificarsi una ricombinazione radiativa senza necessità di stimolazione esterna. Un modello comune è il seguente:A questa composizione, il GaAs e l’Al0,30Ga0,70As sono materiali a banda proibita diretta, quindi, in presenza di iniezione di portatori, può verificarsi una ricombinazione radiativa senza necessità di stimolazione esterna. Un modello comune è il seguente:

dove B è un coefficiente che dipende dal materiale, e n e p sono le densità locali dei portatori di carica liberi. La configurazione di ingresso consente inoltre il processo di ricombinazione di Shockley-Read-Hall (SRH) a un singolo livello nelle tre regioni attive del semiconduttore. Un'espressione idealizzata è la seguente:dove B è un coefficiente che dipende dal materiale, e n e p sono le densità locali dei portatori di carica liberi. La configurazione di ingresso consente inoltre il processo di ricombinazione di Shockley-Read-Hall (SRH) a un singolo livello nelle tre regioni attive del semiconduttore. Un'espressione idealizzata è la seguente:

SRH descrive la ricombinazione assistita da trappole ed è sensibile ai parametri delle trappole forniti dai modelli scelti. In questo esempio, la ricombinazione di Auger è disattivata. Non si dovrebbe concludere che un singolo processo di ricombinazione sia predominante senza confrontarne l’entità con quella degli altri processi attivati nelle stesse condizioni di polarizzazione.SRH descrive la ricombinazione assistita da trappole ed è sensibile ai parametri delle trappole forniti dai modelli scelti. In questo esempio, la ricombinazione di Auger è disattivata. Non si dovrebbe concludere che un singolo processo di ricombinazione sia predominante senza confrontarne l’entità con quella degli altri processi attivati nelle stesse condizioni di polarizzazione.

L’anodo e il catodo utilizzano condizioni al contorno ohmiche idealizzate. Queste condizioni contribuiscono a isolare i fenomeni fisici che si verificano nella giunzione eterostrutturale, ma non permettono di prevedere il comportamento di uno specifico schema di metallizzazione o la sua resistenza di contatto.L’anodo e il catodo utilizzano condizioni al contorno ohmiche idealizzate. Queste condizioni contribuiscono a isolare i fenomeni fisici che si verificano nella giunzione eterostrutturale, ma non permettono di prevedere il comportamento di uno specifico schema di metallizzazione o la sua resistenza di contatto.

5. Esecuzione della simulazione J–V in condizioni di scarsa illuminazione.5. Esecuzione della simulazione J–V in condizioni di scarsa illuminazione.

Torna alla finestra principale della simulazione e fai clic su «Avvia simulazione». Il file di input specifica una variazione della tensione da -0,1 V a +2,5 V, con incrementi di 0,025 V, senza illuminazione ottica intenzionale. OghmaNano risolve le equazioni di Poisson e di continuità per elettroni e lacune, accoppiate tra loro, in successivi punti di polarizzazione.Torna alla finestra principale della simulazione e fai clic su «Avvia simulazione». Il file di input specifica una variazione della tensione da -0,1 V a +2,5 V, con incrementi di 0,025 V, senza illuminazione ottica intenzionale. OghmaNano risolve le equazioni di Poisson e di continuità per elettroni e lacune, accoppiate tra loro, in successivi punti di polarizzazione.

Durante il calcolo, passate alla scheda «Terminale» per monitorare l’avanzamento del processo di risoluzione, quindi, al termine, aprite la finestra «Risultati». La finestra di visualizzazione dei risultati (??) e il terminale (??) illustrano le diverse fasi. Le schermate del terminale vengono acquisite a intervalli di tempo diversi, e non a intervalli regolari basati su parametri elettrici fissi.Durante il calcolo, passate alla scheda «Terminale» per monitorare l’avanzamento del processo di risoluzione, quindi, al termine, aprite la finestra «Risultati». La finestra di visualizzazione dei risultati (??) e il terminale (??) illustrano le diverse fasi. Le schermate del terminale vengono acquisite a intervalli di tempo diversi, e non a intervalli regolari basati su parametri elettrici fissi.

Fate doppio clic su jv.csv per aprire la curva simulata della densità di corrente in funzione della tensione (??). La caratteristica di rettifica dovrebbe mostrare una corrente relativamente debole con una modesta polarizzazione inversa e una corrente diretta sempre più elevata all’aumentare dell’iniezione. Per questa particolare eterogiunzione, l’inizio e la forma dettagliata dipendono dagli spostamenti di banda, dai parametri dei materiali e dai tassi di ricombinazione, e non solo dal divario di banda del GaAs.Fate doppio clic su jv.csv per aprire la curva simulata della densità di corrente in funzione della tensione (??). La caratteristica di rettifica dovrebbe mostrare una corrente relativamente debole con una modesta polarizzazione inversa e una corrente diretta sempre più elevata all’aumentare dell’iniezione. Per questa particolare eterogiunzione, l’inizio e la forma dettagliata dipendono dagli spostamenti di banda, dai parametri dei materiali e dai tassi di ricombinazione, e non solo dal divario di banda del GaAs.

L’equazione che descrive il comportamento ideale di un diodo può essere utile come strumento di interpretazione locale:L’equazione che descrive il comportamento ideale di un diodo può essere utile come strumento di interpretazione locale:

Tuttavia, il fattore di idealità n o la corrente di saturazione J0, ottenuti tramite adattamento dei dati, dovrebbero essere ricavati solo da un intervallo di tensione appropriato. La resistenza in serie, l’iniezione elevata e il trasporto attraverso un’eterogiunzione possono causare deviazioni rispetto a una semplice legge esponenziale. L’immagine fornita è a scopo illustrativo e non costituisce una verifica sperimentale indipendente.Tuttavia, il fattore di idealità n o la corrente di saturazione J0, ottenuti tramite adattamento dei dati, dovrebbero essere ricavati solo da un intervallo di tensione appropriato. La resistenza in serie, l’iniezione elevata e il trasporto attraverso un’eterogiunzione possono causare deviazioni rispetto a una semplice legge esponenziale. L’immagine fornita è a scopo illustrativo e non costituisce una verifica sperimentale indipendente.

6. Analisi delle immagini generate dalla simulazione: cosa succede all’interno del diodo?6. Analisi delle immagini generate dalla simulazione: cosa succede all’interno del diodo?

OghmaNano salva i risultati elettrici risolti spazialmente durante la scansione J–V. Aprire la finestra di visualizzazione delle immagini e utilizzare il cursore per confrontare le posizioni di polarizzazione selezionate. Le quattro immagini in ogni riga qui sotto corrispondono rispettivamente all'inizio, a circa un terzo, a circa due terzi e alla fine della scansione salvata. Le etichette da 0 a 3 indicano le posizioni degli screenshot, non i valori di tensione in volt; utilizzare l'indicatore di polarizzazione della finestra di visualizzazione per ottenere i valori esatti per una determinata esecuzione.OghmaNano salva i risultati elettrici risolti spazialmente durante la scansione J–V. Aprire la finestra di visualizzazione delle immagini e utilizzare il cursore per confrontare le posizioni di polarizzazione selezionate. Le quattro immagini in ogni riga qui sotto corrispondono rispettivamente all'inizio, a circa un terzo, a circa due terzi e alla fine della scansione salvata. Le etichette da 0 a 3 indicano le posizioni degli screenshot, non i valori di tensione in volt; utilizzare l'indicatore di polarizzazione della finestra di visualizzazione per ottenere i valori esatti per una determinata esecuzione.

6.1 Banda di conduzione, banda di valenza e livelli di quasi-Fermi6.1 Banda di conduzione, banda di valenza e livelli di quasi-Fermi

Rappresentare graficamente Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv e Fp.csv insieme. La prima immagine del diagramma a bande (??) mostra il bordo della banda di conduzione Ec e il bordo della banda di valenza Ev, evidenziando sia il potenziale elettrostatico uniforme sia la brusca discontinuità di banda all’interfaccia tra i materiali AlGaAs/GaAs. I livelli quasi-Fermi degli elettroni e delle lacune rivelano le deviazioni dall’equilibrio e la distribuzione dei portatori iniettati.Rappresentare graficamente Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv e Fp.csv insieme. La prima immagine del diagramma a bande (??) mostra il bordo della banda di conduzione Ec e il bordo della banda di valenza Ev, evidenziando sia il potenziale elettrostatico uniforme sia la brusca discontinuità di banda all’interfaccia tra i materiali AlGaAs/GaAs. I livelli quasi-Fermi degli elettroni e delle lacune rivelano le deviazioni dall’equilibrio e la distribuzione dei portatori iniettati.

Confronta la prima e l’ultima immagine. In condizioni di polarizzazione diretta, la barriera di giunzione si modifica e i livelli quasi-Fermi si separano. Non confondere un brusco cambiamento ai bordi della banda all’interfaccia con un rumore numerico: una vera eterogiunzione può presentare bordi di banda discontinui anche quando il potenziale elettrostatico rimane continuo.Confronta la prima e l’ultima immagine. In condizioni di polarizzazione diretta, la barriera di giunzione si modifica e i livelli quasi-Fermi si separano. Non confondere un brusco cambiamento ai bordi della banda all’interfaccia con un rumore numerico: una vera eterogiunzione può presentare bordi di banda discontinui anche quando il potenziale elettrostatico rimane continuo.

6.2 Densità di elettroni e lacune6.2 Densità di elettroni e lacune

In questo progetto, rappresentare graficamente i valori di concentrazione degli elettroni liberi e delle lacune libere, indicati rispettivamente con Q_nfree.csv e Q_pfree.csv. Il lato in p-AlGaAs è costituito da materiale con prevalenza di lacune, mentre il lato in GaAs è costituito da materiale con prevalenza di elettroni. Aumentando la polarizzazione diretta, si immettono portatori di minoranza attraverso la giunzione, modificando la distribuzione spaziale dei portatori. Come illustrano i risultati relativi alla densità dei portatori (??), un confine netto tra i materiali modifica gli stati elettronici disponibili e l’allineamento delle bande, pertanto il profilo della densità dei portatori non deve necessariamente assomigliare a quello di una giunzione PN omogenea in GaAs.In questo progetto, rappresentare graficamente i valori di concentrazione degli elettroni liberi e delle lacune libere, indicati rispettivamente con Q_nfree.csv e Q_pfree.csv. Il lato in p-AlGaAs è costituito da materiale con prevalenza di lacune, mentre il lato in GaAs è costituito da materiale con prevalenza di elettroni. Aumentando la polarizzazione diretta, si immettono portatori di minoranza attraverso la giunzione, modificando la distribuzione spaziale dei portatori. Come illustrano i risultati relativi alla densità dei portatori (??), un confine netto tra i materiali modifica gli stati elettronici disponibili e l’allineamento delle bande, pertanto il profilo della densità dei portatori non deve necessariamente assomigliare a quello di una giunzione PN omogenea in GaAs.

6.3 Correnti di elettroni e di lacune6.3 Correnti di elettroni e di lacune

Rappresentate graficamente Jn.csv e Jp.csv per separare i contributi degli elettroni e delle lacune alla corrente totale. In condizioni di stato stazionario, le due componenti possono ridistribuirsi in funzione della posizione man mano che elettroni e lacune si ricombinano, mentre la somma delle densità di corrente elettrica, considerate con il loro segno, dovrebbe rimanere approssimativamente costante in assenza di ulteriori sorgenti di corrente. È necessario verificare che eventuali picchi locali o variazioni rapide vicino all’eterogiunzione nei grafici della corrente di portatori (??) corrispondano alla struttura a griglia e al diagramma delle bande.Rappresentate graficamente Jn.csv e Jp.csv per separare i contributi degli elettroni e delle lacune alla corrente totale. In condizioni di stato stazionario, le due componenti possono ridistribuirsi in funzione della posizione man mano che elettroni e lacune si ricombinano, mentre la somma delle densità di corrente elettrica, considerate con il loro segno, dovrebbe rimanere approssimativamente costante in assenza di ulteriori sorgenti di corrente. È necessario verificare che eventuali picchi locali o variazioni rapide vicino all’eterogiunzione nei grafici della corrente di portatori (??) corrispondano alla struttura a griglia e al diagramma delle bande.

Le simulazioni di correnti deboli possono essere particolarmente sensibili. È preferibile valutare l’andamento generale e la continuità della corrente piuttosto che attribuire ogni piccola oscillazione a un meccanismo fisico di trasporto. In caso di ampie discrepanze, perfezionare la griglia e verificare la convergenza del risolutore prima di trarre conclusioni.Le simulazioni di correnti deboli possono essere particolarmente sensibili. È preferibile valutare l’andamento generale e la continuità della corrente piuttosto che attribuire ogni piccola oscillazione a un meccanismo fisico di trasporto. In caso di ampie discrepanze, perfezionare la griglia e verificare la convergenza del risolutore prima di trarre conclusioni.

6.4 Ricombinazione radiativa e ricombinazione di Shockley-Read-Hall6.4 Ricombinazione radiativa e ricombinazione di Shockley-Read-Hall

Esaminare R_nfree_to_pfree.csv (ricombinazione radiativa da banda di conduzione a banda di valenza) e R_ss_srh.csv (ricombinazione SRH a un singolo livello). Le schermate che mostrano i processi di ricombinazione (??) visualizzano questi canali insieme. In condizioni di iniezione, la velocità assoluta di ricombinazione può aumentare notevolmente; la sua posizione è determinata dalla sovrapposizione dei portatori liberi, dalle proprietà del materiale e dai parametri di trappola scelti.Esaminare R_nfree_to_pfree.csv (ricombinazione radiativa da banda di conduzione a banda di valenza) e R_ss_srh.csv (ricombinazione SRH a un singolo livello). Le schermate che mostrano i processi di ricombinazione (??) visualizzano questi canali insieme. In condizioni di iniezione, la velocità assoluta di ricombinazione può aumentare notevolmente; la sua posizione è determinata dalla sovrapposizione dei portatori liberi, dalle proprietà del materiale e dai parametri di trappola scelti.

Prestate particolare attenzione alle caratteristiche presenti all’interfaccia tra il materiale p-AlGaAs e il materiale n-GaAs. Una caratteristica localizzata può avere un significato fisico, ma la sua sola ampiezza non dimostra la presenza di trappole all’interfaccia: nell’esercizio in questione vengono utilizzati modelli di materiali sfusi e i parametri SRH configurati. Confrontate il contributo complessivo e la distribuzione spaziale di entrambi i processi prima di stabilire quale sia il meccanismo di perdita predominante.Prestate particolare attenzione alle caratteristiche presenti all’interfaccia tra il materiale p-AlGaAs e il materiale n-GaAs. Una caratteristica localizzata può avere un significato fisico, ma la sua sola ampiezza non dimostra la presenza di trappole all’interfaccia: nell’esercizio in questione vengono utilizzati modelli di materiali sfusi e i parametri SRH configurati. Confrontate il contributo complessivo e la distribuzione spaziale di entrambi i processi prima di stabilire quale sia il meccanismo di perdita predominante.

6.5 Profili della velocità di movimento degli elettroni e delle lacune.6.5 Profili della velocità di movimento degli elettroni e delle lacune.

I risultati distinti relativi a R_n.csv e R_p.csv mostrano gli equilibri di velocità legati agli elettroni e alle lacune utilizzati nella simulazione. Questi grafici (??) forniscono un ulteriore controllo per verificare dove i portatori di carica vengono rimossi o ridistribuiti durante la scansione. Interpretare i segni e i componenti rappresentati nei grafici in base alle rispettive intestazioni dei dati, anziché presumere che tutte le curve rappresentino un singolo tasso di ricombinazione positivo.I risultati distinti relativi a R_n.csv e R_p.csv mostrano gli equilibri di velocità legati agli elettroni e alle lacune utilizzati nella simulazione. Questi grafici (??) forniscono un ulteriore controllo per verificare dove i portatori di carica vengono rimossi o ridistribuiti durante la scansione. Interpretare i segni e i componenti rappresentati nei grafici in base alle rispettive intestazioni dei dati, anziché presumere che tutte le curve rappresentino un singolo tasso di ricombinazione positivo.

6.6 Mobilità dei portatori di carica6.6 Mobilità dei portatori di carica

L’output relativo alla mobilità offre un modo per analizzare i parametri di trasporto in funzione della posizione. Ci si aspetta che si verifichino variazioni nell’interfaccia, poiché i modelli AlGaAs e GaAs non devono necessariamente restituire lo stesso valore di mobilità. L’esempio di schermata relativa alla mobilità (??) mostra una delle posizioni di visualizzazione salvate; non costituisce una prova di un particolare effetto di mobilità dipendente dal campo.L’output relativo alla mobilità offre un modo per analizzare i parametri di trasporto in funzione della posizione. Ci si aspetta che si verifichino variazioni nell’interfaccia, poiché i modelli AlGaAs e GaAs non devono necessariamente restituire lo stesso valore di mobilità. L’esempio di schermata relativa alla mobilità (??) mostra una delle posizioni di visualizzazione salvate; non costituisce una prova di un particolare effetto di mobilità dipendente dal campo.

7. Esercizi: mettere in relazione le differenze di potenziale nella banda con il comportamento del diodo.7. Esercizi: mettere in relazione le differenze di potenziale nella banda con il comportamento del diodo.

8. Presupposti e limiti dell’esempio8. Presupposti e limiti dell’esempio

Questo è un esempio didattico semplificato e idealizzato in una dimensione. I valori di spessore del semiconduttore e di concentrazione di drogaggio sono plausibili per una struttura epitassiale III–V, ma l’esempio di per sé non definisce un prodotto realizzabile o ottimizzato in termini di prestazioni. Il calcolo presuppone contatti ohmici idealizzati, una struttura uniforme in direzione laterale, un’interfaccia netta tra i materiali e le proprietà di trasporto/ricombinazione fornite dai modelli selezionati.Questo è un esempio didattico semplificato e idealizzato in una dimensione. I valori di spessore del semiconduttore e di concentrazione di drogaggio sono plausibili per una struttura epitassiale III–V, ma l’esempio di per sé non definisce un prodotto realizzabile o ottimizzato in termini di prestazioni. Il calcolo presuppone contatti ohmici idealizzati, una struttura uniforme in direzione laterale, un’interfaccia netta tra i materiali e le proprietà di trasporto/ricombinazione fornite dai modelli selezionati.

L’interfaccia AlGaAs/GaAs può comportare fenomeni di trasporto aggiuntivi nei dispositivi reali; i contatti pratici, i difetti, la ricombinazione superficiale, il disordine dell’lega, l’auto-riscaldamento e gli effetti del substrato possono anche alterare le caratteristiche misurate. In questa configurazione, la ricombinazione di Auger è disattivata e la simulazione consiste in una misurazione elettrica effettuata al buio, e non nella previsione dell’efficienza di un LED, di una fotodiodo o di una cella solare calibrati. La convalida quantitativa richiede dati sperimentali e parametri dei materiali verificati in modo indipendente.L’interfaccia AlGaAs/GaAs può comportare fenomeni di trasporto aggiuntivi nei dispositivi reali; i contatti pratici, i difetti, la ricombinazione superficiale, il disordine dell’lega, l’auto-riscaldamento e gli effetti del substrato possono anche alterare le caratteristiche misurate. In questa configurazione, la ricombinazione di Auger è disattivata e la simulazione consiste in una misurazione elettrica effettuata al buio, e non nella previsione dell’efficienza di un LED, di una fotodiodo o di una cella solare calibrati. La convalida quantitativa richiede dati sperimentali e parametri dei materiali verificati in modo indipendente.

9. Prossimi passi9. Prossimi passi

Dopo aver riprodotto la curva J–V e individuato l’eterogiunzione nel diagramma a bande, il calcolo più utile da effettuare è un confronto controllato della composizione della lega: si fa variare la frazione di alluminio, mantenendo costanti il drogaggio e lo spessore, e si monitorano il salto nella banda di conduzione, il salto nella banda di valenza e la corrente in polarizzazione diretta. Un test su un’omogiunzione GaAs fornisce un utile punto di riferimento.Dopo aver riprodotto la curva J–V e individuato l’eterogiunzione nel diagramma a bande, il calcolo più utile da effettuare è un confronto controllato della composizione della lega: si fa variare la frazione di alluminio, mantenendo costanti il drogaggio e lo spessore, e si monitorano il salto nella banda di conduzione, il salto nella banda di valenza e la corrente in polarizzazione diretta. Un test su un’omogiunzione GaAs fornisce un utile punto di riferimento.

Per maggiori dettagli su come OghmaNano memorizza la configurazione del dispositivo e i parametri del modello dei materiali, consultare la documentazione sul formato di file avanzato di Oghma.Per maggiori dettagli su come OghmaNano memorizza la configurazione del dispositivo e i parametri del modello dei materiali, consultare la documentazione sul formato di file avanzato di Oghma.