Edytor interfejsu.

1. Wprowadzenie/Przegląd

Edytor interfejsów steruje zjawiskami transportu elektronów zachodzącymi na granicach materiałów. Interfejsy są automatycznie wyświetlane dla każdej pary sąsiadujących warstw w strukturze urządzenia. Domyślnie nośniki ładunku mogą przemieszczać się i dyfundować przez interfejsy zgodnie z gradientem pasma przewodnictwa lub walencyjnego: nośniki przemieszczające się w kierunku wyższej energii napotykają bariery i przechodzą przez nie z mniejszą łatwością, natomiast nośniki przemieszczające się w kierunku niższej energii przechodzą przez nie swobodnie. Edytor interfejsów rozszerza ten podstawowy model dryfu i dyfuzji, wprowadzając dodatkowe mechanizmy transportu, które mogą na przykład ułatwiać trudne przejścia w kierunku wyższej energii. Otwórz edytor, klikając ikonę Interfejsów (czerwone, zielone, niebieskie paski) na pasku narzędzi Electrical.

2. Parametry

• Bezpośredni tunelowanie (elektronów/dziur) – umożliwia bezpośrednie kwantowe tunelowanie nośników przez barierę na granicy. Opiera się na modelu opisanym w sekcji dotyczącej teorii: \[ J = A(n-n^{eq})V \exp\left(-B\sqrt{\phi}\right), \], gdzie \(A\) ma jednostki m·s\(^{-1}\)·V\(^{-1}\), \(B\) jest bezwymiarowy (parametr dopasowujący), \(\phi\) to wysokość bariery, \(V\) przyłożone napięcie, a \(d\) grubość granicy. Dostępne są oddzielne przełączniki dla elektronów i dziur, z których każdy ma własne wartości A/B.
• Tunelowanie w materiałach organicznych – szczególny przypadek, który ma zastosowanie w organicznych heterozłączach, gdzie nośniki ładunku przemieszczają się do zlokalizowanych w obszarze złącza stanów pułapkowych. Jak opisano w sekcji poświęconej teorii, prąd tunelowy wyraża się wzorem: \[ J_p = q T_{h}\left((p_{1}-p_{1}^{eq})-(p_{0}-p_{0}^{eq})\right), \] dla dziur i \[ J_n = -q T_{e}\left((n_{1}-n_{1}^{eq})-(n_{0}-n_{0}^{eq})\right), \] dla elektronów, gdzie \(T_h\) i \(T_e\) to stałe szybkości, które można ustawić za pomocą przełączników w edytorze.
• Domieszkowanie warstwy granicznej (LHS/RHS) – polega na nałożeniu warstwy ładunku o grubości odpowiadającej jednej siatce na lewą (LHS) lub prawą (RHS) stronę warstwy granicznej. Wartości mogą być dodatnie lub ujemne, co umożliwia symulację akumulacji lub redukcji ładunku na powierzchni. Jest to przydatne do modelowania ładunku uwięzionego na granicach lub zmian napięcia progowego w tranzystorach OFET.

3. Pułapki na granicy półprzewodnika i warstwy izolacyjnej (SRH).

OghmaNano uwzględnia rekombinację Shockleya–Reada–Halla (SRH) poprzez stany pułapkowe zlokalizowane na granicach międzyfazowych materiałów. Gęstość powierzchniowa stanów pułkowych na granicy międzyfazowej oznaczana jest jako \(N_t\) i wyrażana w jednostkach m-2.

Częstotliwość rekombinacji obliczana jest za pomocą standardowego wzoru SRH:

gdzie \(n\) i \(p\) oznaczają lokalne stężenia elektronów i dziur, \(n_{\mathrm{eq}}\) i \(p_{\mathrm{eq}}\) oznaczają odpowiednie stężenia w stanie równowagi, a \(n_1\) i \(p_1\) opisują położenie energetyczne stanu pułapki.

Czas życia elektronu i dziury wynosi:

gdzie \(\sigma_n\) i \(\sigma_p\) oznaczają odpowiednio efektywne przekroje dla wychwytu elektronów i dziur, a \(v_{\mathrm{th},n}\) i \(v_{\mathrm{th},p}\) oznaczają odpowiadające im prędkości termiczne.

Gęstość pułapek na granicy warstw jest równomiernie rozłożona wzdłuż dwóch punktów siatki, przylegających do granicy materiału. Dla lewej i prawej siatki \(\Delta x_L\) i \(\Delta x_R\) odpowiednie lokalne gęstości pułapek wynoszą:

W efekcie otrzymujemy:

Współczynnik rekombinacji SRH jest oceniany po obu stronach interfejsu, wykorzystując lokalne stężenia nośników ładunku i parametry materiałowe.

Energia pułapki jest określana w odniesieniu do środka lokalowej przerwy energetycznej:

gdzie \(\Delta E_t\) to wartość wprowadzona w polu Et (w odniesieniu do Eg/2). Pomocnicze stężenia nośników SRH wynoszą:

Parametry w sekcji „Pułapki równowagowe SRH” edytora interfejsu to:

• Włączono pułapki na granicy struktury SRH – umożliwia lub wyłącza rekombinację SRH na granicy struktury.
• Et (w odniesieniu do Eg/2) – energia pułapki w odniesieniu do środka lokalnej przerwy energetycznej, wyrażona w eV. Wartość 0 oznacza, że pułapka znajduje się w połowie przerwy energetycznej.
• Nt — całkowita gęstość stanów pułapkowych na powierzchni, wyrażona w m⁻².
• σn — przekrój czynny dla wychwytu elektronu, wyrażony w m².
• σp — przekrój czynny dla wychwytu elektronu w jednostkach m².

Modelowanie rekombinacji na granicy faz SRH jest wykorzystywane do opisu rekombinacji wspomaganej przez defekty na granicach materiałów, w tym na granicach między warstwą półprzewodnika a warstwą transportową w ogniwach słonecznych, diodach LED i innych urządzeniach wielowarstwowych. Jest to szczególnie przydatne do badania pasywacji powierzchni, gdzie zmiany w gęstości pułapek na granicy lub w przekroju czynnym wpływają na szybkość rekombinacji niefotonowej.

4. Zastosowanie w symulacjach.

Procesy zachodzące na powierzchni mają istotny wpływ na przewodzenie prądu i właściwości elementów elektronicznych:

• Efekt tunelowy dominuje, gdy bariery są cienkie lub gdy możliwe jest przeskakiwanie elektronów wspomagane przez pułapki na granicach między organicznymi materiałami.
• Domieszkowanie warstwy granicznej naśladuje obecność naładowanych defektów lub celowe modyfikacje warstwy granicznej, zmieniając lokalne zakrzywienie pasm energetycznych i bariery wstrzykiwania nośników.

Dzięki połączeniu tych mechanizmów, edytor interfejsu umożliwia modelowanie realistycznych właściwości fizycznych urządzeń w organicznych i hybrydowych heterostrukturach, począwszy od tunelowania wspomaganego przez pułapki w diodach OLED, aż po efekty związane z ładunkiem na powierzchni w tranzystorach OFET.