Strona główna Przykłady Zrzuty ekranu Instrukcja obsługi Logo Bluesky. YouTube ☰
OghmaNano Platforma do symulacji wielofizycznych procesów zachodzących w optoelektronicznych urządzeniach i systemach fotonicznych. POBIERZ Przewodnik szybkiego uruchomienia

Parametry materiałowe i sposób ich wprowadzania do programów obliczeniowych.

Cele edukacyjne. Po przeczytaniu tej strony powinieneś/powinnaś być w stanie:

Wymagania wstępne: strony z modelami, których zamierzasz użyć; niniejsza strona służy jako materiał pomocniczy, który należy czytać równolegle z nimi.

Szacowany czas czytania: 25 minut.

Every quantum-well solver is only as good as the material parameters it is given. This page explains what each parameter means physically, which Hamiltonian term it controls, its units and the common sign or convention traps — rather than listing numerical values, which belong in the material database and in the compilations cited on the references page. Parameters are grouped by the solver that uses them.

1. Źródła energii i odniesienia do energii

The most common source of error is the energy reference. OghmaNano measures energies from the structure valence-band maximum (placed at zero), and each material's valence edge \(E_v\) is supplied on a common absolute scale so that band offsets are correct. The multiband solvers derive the conduction edge as \(E_c = E_v + E_g\) and, internally, an average valence energy that the spin-orbit and crystal-field terms then split back to the physical band edge.

Table 1. Band energies and references.
ParametrZnaczenieElementy sterujące / SterowanieJednostki
\(E_g\)Podstawowa przerwa energetycznaRozdzielenie pasm przewodnictwa i walencyjnych; \(E_c=E_v+E_g\)eV
\(E_v\)Brzeg pasma walencyjnego na wspólnej skali.Energia wiązania wzdłuż przekątnej; określa przesunięcia pasm energetycznych.eV
\(E_c\)Krawędź pasma przewodnictwa (wyprowadzona).Przekątna przewodnictwa.eV
\(E_{v,\text{av}}\)Uśredniona energia orbitali walencyjnych, uwzględniająca sprzężenie spinowo-orbitalne i pole krystaliczne.Wewnętrzna przekątna przed podziałem SO/CFeV
\(\Delta_{\text{so}}\)Podział poziomów energii spowodowany sprzężeniem spinowo-orbitalnymPozycja oddzielonej sekcji; sprzężenie SOeV

2. Efektywne masy

The band-edge electron mass fixes the conduction curvature and, in the multiband models, is used to back out the remote-band parameter. Hole masses appear directly only in the parabolic solver; in the k·p models the valence masses are encoded in the Luttinger (or wurtzite \(A_i\)) parameters instead. Silicon's valleys are anisotropic and need two masses each.

Table 2. Effective masses (in units of the free-electron mass \(m_0\)).
ParametrZnaczenieElementy sterujące / SterowanieJednostki
\(m_e\)Efektywna masa elektronu na krawędzi pasma energetycznego.Krzywizna przewodnictwa; parametr zdalny \(A_c\)\(m_0\)
\(m_h\)Całkowita masa (rozwiązanie oparte na paraboli)Krzywizna walencyjna w modelu skalarnym.\(m_0\)
\(m_l\)Długotrwale utrzymująca się masa w dolinie (Si)Masa zgromadzona wzdłuż osi doliny.\(m_0\)
\(m_t\)Masa doliny poprzecznej (Si)Masa rozłożona wzdłuż osi doliny.\(m_0\)

3. Parametry walencyjne i sprzężenia w strukturze cynku blende.

The Luttinger parameters describe the coupled heavy-, light- and split-off holes; the Kane energy sets the conduction–valence coupling. In the 8-band model OghmaNano combines these into the internal \(A_c, L, M, N, P\) parameters, renormalising \(L\) and \(N\) (and, in the standard mode, \(A_c\)) to avoid double-counting the explicit Kane coupling.

Table 3. Zincblende valence and Kane parameters.
ParametrZnaczenieElementy sterujące / SterowanieJednostki
\(\gamma_1,\gamma_2,\gamma_3\)Parametry LuttingeraKinetyczne składniki walencyjne \(L, M, N\)bezwymiarowy
\(E_p\)Energia Kane'aZłącze Kane'a \(P=\sqrt{(\hbar^2/2m_0)E_p}\)eV
\(P\)Element macierzy pędu Kane'aSprzężenie przewodnictwa z wartościowościąeV·m (wewnętrznie)

Uwaga dotycząca implementacji. Parametry Luttingera używane w 8-pasmowym hamiltonianie to pełne wartości dla materiału w stanie objętościowym; kod wewnętrznie wykonuje operację odejmowania \(+E_p/E_g\) podczas tworzenia \(L\) i \(N\). Nie należy wcześniej odejmować wartości sprzężenia od parametrów Luttingera w bazie danych materiałów, w przeciwnym razie wartości mas pasm walencyjnych będą nieprawidłowe. Jest to częsta przyczyna rozbieżności podczas przenoszenia parametrów między różnymi kodami, które wykorzystują różne konwencje (pełne lub zmodyfikowane parametry Luttingera).

4. Potencjały deformacji struktury cynku i stałe sprężystości

Strain enters through the deformation potentials and requires the elastic constants and lattice constants to compute the strain tensor. The conduction and valence hydrostatic potentials combine into the gap deformation potential; the shear potentials \(b\) and \(d\) split the valence bands.

Table 4. Zincblende strain parameters.
ParametrZnaczenieElementy sterujące / SterowanieJednostki
\(a_c\)Potencjał odkształceń hydrostatycznych związany z przewodnictwem.\(a_c\,\mathrm{Tr}\varepsilon\) zmianaeV
\(a_v\)Potencjał deformacji hydrostatycznej walencyjnejBir-Pikus \(P=a_v\mathrm{Tr}\varepsilon\)eV
\(b\)Potencjał odkształceń ścinających o tetragonalnej symetriiBir–Pikus \(Q\); podział na HH/LHeV
\(d\)Potencjał odkształceń ścinających w strukturze romboedrycznejSprzęgło Bir-Pikus \(R, S\)eV
\(a\), \(a_{\text{sub}}\)Stałe sieci krystalicznej warstwy i podłożaNapór wynikający z różnicy w rozszerzalności cieplnej w płaszczyźnie.m
\(C_{11}, C_{12}\)Współczynniki sztywności materiałów sprężystych\(\varepsilon_{zz}=-2(C_{12}/C_{11})\varepsilon_{xx}\)Tata

5. Parametry wurtzytu

Wurtzite needs more parameters because of its lower symmetry: six valence parameters, three splitting energies, two Kane energies, two conduction-mass parameters and separate hydrostatic and shear deformation potentials.

Table 5. Wurtzite parameters.
ParametrZnaczenieElementy sterujące / SterowanieJednostki
\(A_1\dots A_6\)Efektywna masa nośników w strukturze walencyjnejKinetyczne składniki walencyjne \(L_i, M_i, N_i\)bezwymiarowy
\(\delta_1\)Rozszczepienie pól krystalicznychPodwyżki \(X,Y\) w stosunku do \(Z\)eV
\(\delta_2, \delta_3\)Parametry sprzężenia spin-orbitaOddziaływanie spin-orbita w walencjieV
\(E_{p1}, E_{p2}\)Energia Kane'a wzdłuż osi c i w płaszczyźnie podstawowej\(P_1\) (S–Z), \(P_2\) (S–X, Y)eV
\(S_1, S_2\)parametry dotyczące przewodzenia wzdłuż osi c i masy podstawowejAnizotropowa dyspersja przewodnościbezwymiarowy
\(a_1, a_2\)potencjały deformacji przewodnictwa wzdłuż osi c i w płaszczyźnie podstawyZmiana naprężeń spowodowana przewodzeniem ciepłaeV
\(D_1\dots D_6\)Potencjały deformacji walencyjnychNaprężenie walencyjne\(D_6\) tylko ścinanie.eV
\(C_{ij}\)Sześciokątne stałe sprężystościtensor odkształceń w płaszczyźnie cTata

6. Parametry doliny Δ w krzemie

Table 6. Silicon conduction-valley parameters.
ParametrZnaczenieElementy sterujące / SterowanieJednostki
\(\Xi_d\)Potencjał deformacji rozszerzeniowej\(\Xi_d\,\mathrm{Tr}\varepsilon\): przesuwa wszystkie doliny.eV
\(\Xi_u\)Potencjał deformacji jednoosiowej\(\Xi_u\,\varepsilon_{\text{valley}}\): dzieli \(\Delta_2/\Delta_4\)eV
\(m_l, m_t\)Masy o przebiegu wzdłużnym / poprzecznymAnizotropowa dyspersja doliny energetycznej\(m_0\)

7. Parametry związków azotu (10-pasma)

Table 7. Band-anticrossing parameters.
ParametrZnaczenieElementy sterujące / SterowanieJednostki
\(x_N\)Ułamek molowy azotuWytrzymałość połączenia \(V_N=\beta_N\sqrt{x_N}\)bezwymiarowy
\(E_N\)Energia rezonansowych poziomów azotuPrzekątna azotu \(H_{NN}\)eV
\(\beta_N\)Stała sprzężenia azotuPołączenie przewodnictwa elektrycznego z azotem.eV

8. Parametry optyczne i transportowe

The gain and scattering calculations need a few further inputs: the refractive index and Lorentzian broadening for gain, and the mass density, sound velocity and acoustic deformation potential for scattering. These are properties of the medium and the phonons rather than of the band structure.

Table 8. Optical and transport parameters.
ParametrZnaczenieElementy sterujące / SterowanieJednostki
\(n_r\)Współczynnik załamania światłaUzyskaj prefiks.bezwymiarowy
\(\gamma\)Lorentzowska połowa szerokości liniiPoszerzenie linii widmowejeV
\(\rho\)Gęstość masyWspółczynnik wstępny rozpraszania akustycznegokg·m\(^{-3}\)
\(v_s\)Prędkość dźwiękuWspółczynnik wstępny rozpraszania akustycznegom·s\(^{-1}\)
\(D\)Potencjał akustycznej deformacjiElement macierzy rozpraszaniaeV

Najważniejsze punkty.