Symulacja działania urządzeń półprzewodnikowych na bazie krzemu i związków III–V.
Symulacja urządzeń półprzewodnikowych na bazie krzemu i związków III–V polega na modelowaniu krystalicznych urządzeń półprzewodnikowych z wykorzystaniem sprzężonych metod elektrostatyki, transportu nośników i rekombinacji. W programie OghmaNano systemy te są rozwiązywane za pomocą modeli dryfu i dyfuzji, które uwzględniają, w jaki sposób elektrony, dziury i pola elektryczne zmieniają się w urządzeniu pod wpływem napięcia i oświetlenia.
Krzem jest materiałem, który zapewnia najczystszy i najbardziej znany system odniesienia: złącza PN, obszary zubożone, prądy dryfowe i dyfuzyjne oraz dobrze poznane mechanizmy rekombinacji. Materiały z grupy III–V, takie jak GaAs, rozszerzają tę koncepcję na związki półprzewodnikowe o odmiennych strukturach pasmowych, ruchliwościach i właściwościach rekombinacyjnych, ale opierają się na tych samych podstawowych zasadach fizycznych.
W tym rozdziale przedstawiono te systemy w sposób zintegrowany. Celem nie jest traktowanie elementów krzemowych i elementów z materiałów grupy III–V jako niezwiązanych ze sobą przykładów, lecz wykazanie, że rozwiązania dla nich można znaleźć w ramach jednego fizycznego i numerycznego modelu. Po zrozumieniu tego, można zastosować tę samą metodę do bardziej złożonych systemów, takich jak elementy perowskitowe i organiczne.
Główna idea:
- Wykorzystaj krzemową diodę PN, aby zrozumieć zjawisko dryfu i dyfuzji w jego najprostszej formie.
- Wykorzystaj krzemowe ogniwa słoneczne do połączenia procesów transportu, rekombinacji i generacji optycznej.
- Wykorzystaj kondensator MOS do zrozumienia zasad elektrostatyki i kontroli pola elektrycznego.
- Wykorzystaj przykłady dotyczące arsenku galu, aby rozszerzyć tę samą koncepcję na półprzewodniki z grupy III–V.
1. Samouczki dotyczące urządzeń krzemowych
Samouczki dotyczące krzemu stanowią najlepszy punkt wyjścia do nauki modelowania elementów półprzewodnikowych. Pokazują one, w jaki sposób domieszkowanie, kontakty, rekombinacja i elektrostatyka współdziałają ze sobą, generując mierzalne właściwości elektryczne.
- Dioda półprzewodnikowa złączona PN – podstawowa symulacja zjawisk dryfu i dyfuzji w złączu prostowniczym.
- Ogniwo słoneczne z krzemu polikrystalicznego – symulacja fotowoltaicznego urządzenia o charakterze przemysłowym.
- Ogniwo słoneczne wykonane z amorficznego krzemu – cienkowarstwowe urządzenie, w którym transport ładunku jest ograniczony przez defekty.
- Dwuwymiarowy kondensator NMOS – elektrostatyka, obszar wyczerpania i kontrola pola w strukturach półprzewodnikowych.
2. Półprzewodnikowe elementy elektroniczne z materiałów grupy III–V
Półprzewodniki III–V, takie jak GaAs, pokazują, że ten sam model dyfuzji i dryfu może być stosowany również w przypadku materiałów innych niż krzem. Zmiana parametrów materiałowych i geometrii pozwala na symulację urządzeń półprzewodnikowych złożonych, bez konieczności modyfikacji podstawowego algorytmu obliczeniowego.
3. Podstawy fizyczne
Te symulacje opierają się na modelu transportu, uwzględniającym dryf i dyfuzję, połączonym z równaniem Poissona. Model ten rozwiązuje problem zmian gęstości nośników ładunku, potencjału elektrostatycznego i procesów rekombinacji w sposób spójny. Stanowi to podstawę fizycznie wiernych symulacji urządzeń półprzewodnikowych.
4. Od czego należy zacząć?
Jeśli dopiero zaczynasz przygodę z symulacją urządzeń, zacznij od prostego półprzewodnikowego elementu PN. Pozwoli to na najłatwiejsze zrozumienie zasad modelowania dryfu i dyfuzji. Następnie, w zależności od konkretnego zastosowania, przejdź do symulacji ogniw słonecznych lub struktur MOS, a na końcu do urządzeń z materiałów grupy III–V, aby uogólnić podejście.