Dokumentacja dotycząca zaawansowanego formatu plików symulacyjnych OghmaNano

Na tej stronie szczegółowo opisano format pliku OghmaNano sim.json: strukturę definicji urządzeń, modele materiałów elektrycznych i optycznych, skrypty Lua, domieszkowanie, kontakty, zakresy zmian napięcia, siatkowanie i ustawienia numeryczne. Zawiera również możliwość przeszukiwania bazy danych tokenów parametrów i kluczy JSON. Jest to zaawansowana dokumentacja techniczna, a nie wprowadzenie do JSON ani instrukcja dotycząca otwierania plików w przeglądarce internetowej.

Niniejsza dokumentacja jest przeznaczona zarówno dla użytkowników, jak i dla asystentów AI. Użytkownicy mogą korzystać z tabel i przykładów podczas edycji symulacji. Asystenci AI mogą wykorzystywać udokumentowane ścieżki i zaznaczone pola pomocy podczas przekształcania istniejącej, działającej symulacji w nową wersję. Ta sama strona HTML służy jako dokumentacja dla obu grup odbiorców.

Zakres: Zidentyfikowane i zweryfikowane ścieżki pochodzą z działającego przykładu OghmaNano w wersji 8.1. Katalog tokenów zawiera również nazwy pobrane z dostarczonego słownika parametrów; nie wszystkie z nich muszą być edytowalnymi ścieżkami w każdej wersji lub typie symulacji.

1. Korzystanie z tego materiału jako źródła informacji dla asystenta AI.

Niniejsza dokumentacja techniczna jest przeznaczona zarówno dla użytkowników, jak i dla asystentów AI, którzy tworzą lub modyfikują symulacje OghmaNano. Opisuje ona ścieżki JSON, które występują w działającym przykładzie OghmaNano w wersji 8.1, i zawiera dostarczony słownik parametrów. Jest to dokumentacja referencyjna, a nie schemat wykonywalny ani substytut działającego pliku symulacji. Nie wszystkie możliwe struktury urządzeń lub modele fizyczne są obsługiwane.

Pełny katalog tokenów znajduje się w sekcja 11. Wiele wpisów w słowniku to etykiety dla danych wyjściowych lub elementów interfejsu graficznego, a nie bezpośrednio edytowalne klucze w dostarczonym przykładzie; sam wpis w katalogu nie stanowi dowodu na możliwość edycji ścieżki JSON.

2. Obiekty najwyższego poziomu i wybór symulacji

Przykładowy plik zawiera również obiekty najwyższego poziomu: electrical_solver, thermal, exciton, fits, parasitic, hard_limit, perovskite, singlet, circuit, gl, gui_config, world, ml i scans, a także metadane dokumentu. Obecność i zawartość tych sekcji mogą się różnić w zależności od wersji i typu symulacji. Nie należy usuwać nieznanej sekcji tylko dlatego, że nie jest ona istotna dla nowego urządzenia.

{
  "sim": { "simmode": "segment0@jv" },
  "sims": {
    "jv": {
      "segments": 1,
      "segment0": {
        "config": { "Vstart": 0.0, "Vstop": 2.2, "Vstep": 0.025 }
      }
    }
  }
}

Powyższy fragment przedstawia istniejące ścieżki; nie jest to kompletny plik symulacyjny.

3. Podział kolekcji, identyfikatorów i typów danych.

Kolekcje są reprezentowane przez pole numeryczne segments oraz kolejne obiekty oznaczone numerami segment0, segment1 itd. Kolekcja, która deklaruje cztery segmenty, musi zawierać dokładnie cztery odpowiadające im segmenty podrzędne. Obiekty mogą zawierać pola id, które służą do ich identyfikacji. Podczas kopiowania lub tworzenia nowego obiektu należy przypisać mu nowy, unikalny identyfikator, jeśli jest to wymagane; identyfikatory obiektów, które nie uległy zmianie, należy zachować.

{
  "segments": 2,
  "segment0": { "name": "Layer A", "id": "id0123456789abcdef" },
  "segment1": { "name": "Layer B", "id": "idfedcba9876543210" }
}

4. Epitaksja: geometria, skład i domieszkowanie.

Definicje warstw są przechowywane w obszarze epitaxy.segmentX (gdzie X zaczyna się od zera), natomiast informacje o kontaktach są przechowywane oddzielnie w obszarze epitaxy.contacts.segmentX. W dostarczonym przykładzie dotyczącym arsenku galu (GaAs), y0 oznacza początkową pozycję, a dy grubość warstwy, obie wartości podawane są w metrach. Należy zachować ciągłość granic warstw, chyba że urządzenie celowo zawiera fizyczną przerwę.

Jednorodna warstwa typu p ma dodatnie wartości Na0 i Na1 oraz Nd0 = Nd1 = 0. W jednolitej warstwie typu n stosuje się zamiast tego wartości Nd0 i Nd1. W warstwie wewnętrznej można ustawić wartość zero dla wszystkich czterech parametrów domieszkowania. Przed wprowadzeniem zmian należy sprawdzić, czy w wybranej symulacji początkowej aktywne są dodatkowe domieszki lub pola na granicy.

5. Skrypty Lua dotyczące materiałów elektrycznych.

W przedstawionym przykładzie z arsenkiem galu, każda warstwa półprzewodnikowa aktywuje swój model materiału elektrycznego Lua, korzystając z obiektu program, który jest zagnieżdżony w obiekcie shape_dos. Nazwa pliku znajduje się w default_program_path. W tym przykładzie pole program jest pustym ciągiem znaków. Ścieżka do skryptu jest określona względem bazy danych materiałów elektrycznych, bez początkowego ./ w obserwowanym przykładzie.

"shape_dos": {
  "program": {
    "enabled": "True",
    "program": "",
    "default_program_path": "Inorganic/AlGaAs/AlGaAs.lua",
    "font_size": 12
  }
}

To pokazuje, jak działają zagnieżdżone pola wyboru skryptu. W rzeczywistej warstwie pozostaw wszystkie pozostałe istniejące pola shape_dos bez zmian.

Nadpisywanie parametrów materiałów w Lua.

OghmaNano umożliwia nadpisywanie indywidualnych parametrów materiałów, obliczanych za pomocą skryptów Lua, za pomocą epitaxy.segmentX.shape_dos.db_overrides. Dzięki temu można stosować standardowe modele materiałów, jednocześnie dostosowując określone parametry, takie jak współczynniki rekombinacji lub mobilność nośników, bez modyfikowania globalnej bazy danych materiałów.

Na przykład, aby zmienić wartość współczynnika rekombinacji radiacyjnej:

"free_to_free_recombination": 1e-16,
"db_overrides": {
    "free_to_free_recombination": "true",
    "Eg": "false",
    "Xi": "false"
}

6. Zestawy danych dotyczące materiałów optycznych i emisji.

Zbiór danych optycznych dla warstwy epitaksjalnej jest wybierany w epitaxy.segmentX.absorption.nk_data. Dostarczona lista materiałów optycznych zawiera ścieżki kończące się na /alpha.csv; aby uzyskać odniesienie do katalogu używanego w nk_data, należy usunąć ten sufiks. Elektryczny model Lua i zbiór danych optycznych to oddzielne odniesienia i nie muszą mieć identycznych ścieżek.

Zestaw danych optycznych x = 0.315 stanowi przybliżenie składu, które można wykorzystać w pobliżu modelu elektrycznego x = 0.30 AlGaAs. Nie należy go opisywać w sposób sugerujący, że jest to dokładne odwzorowanie. Podczas obliczeń optycznych, gdy wymagany jest odpowiedni zakres spektralny, należy użyć siatki długości fal określonej w optical.mesh.mesh_l. W przykładzie zawarto również optical.mesh.mesh_y, czyli siatkę przestrzenną dla celów optycznych.

W przypadku diody LED zasilanej elektrycznie, zewnętrzne oświetlenie optyczne można wyłączyć, wykorzystując istniejącą konfigurację źródła światła; próbka zawiera optical.light_sources.Psun. Warstwa zawiera również shape_pl.pl_emission_enabled oraz powiązane ustawienia emisji. Samo włączenie emisji nie jest dowodem na to, że model poprawnie symuluje kształt linii widmowej, fizykę emisji spontanicznej lub zewnętrzną efektywność kwantową. Należy sprawdzić, które opcje są obsługiwane w wybranym trybie symulacji.

7. Połączenia i polaryzacja napięcia

Połączenia elektryczne są definiowane zgodnie z epitaxy.contacts, a nie poprzez zmianę domieszkowania dowolnej warstwy. Dostarczony plik zawiera dwa połączenia, z oddzielnymi, zagnieżdżonymi obiektami contact. Jego górny zacisk znajduje się w punkcie y0, a dolny w punkcie y1. Rzeczywista polaryzacja napięcia jest określona przez ustawienia applied_voltage_type w tych zaciskach.

"contacts": {
  "segments": 2,
  "segment0": {
    "contact": {
      "position": "y0",
      "applied_voltage_type": "change",
      "majority": "hole",
      "minority": "electron",
      "majority_model": "ohmic",
      "minority_model": "ohmic"
    }
  },
  "segment1": {
    "contact": {
      "position": "y1",
      "applied_voltage_type": "ground",
      "majority": "electron",
      "minority": "hole",
      "majority_model": "ohmic",
      "minority_model": "ohmic"
    }
  }
}

Fragment dotyczący danych kontaktowych: pominięte pola są nadal wymagane w rzeczywistym, działającym przykładzie.

8. Spójność elektrycznej i optycznej siatki.

W przypadku dostarczonego przykładu modelu dryfu i dyfuzji, siatka elektryczna w osi Y znajduje się w sekcji electrical_solver.mesh.mesh_y. Każdy segment siatki ma wartość len w metrach, points, mul, left_right, id oraz powiązane pola. Siatka optyczna w przestrzeni jest innym obiektem, znajdującym się w sekcji optical.mesh.mesh_y. Zmiana grubości warstwy nie gwarantuje, że wszystkie ustawienia siatki zostaną zaktualizowane.

"mesh_y": {
  "enabled": "True",
  "auto": "True",
  "icon_": "y",
  "segments": 4,
  "segment0": { "len": 2e-7, "points": 30.0 },
  "segment1": { "len": 3e-7, "points": 50.0 },
  "segment2": { "len": 2e-7, "points": 30.0 },
  "segment3": { "len": 1e-7, "points": 20.0 }
}

Przedstawione powyżej schematy ilustrują długości elementów siatki i liczbę punktów dla czterowarstwowego urządzenia o długości fali 800 nm; nie jest to kompletny mesh_y obiekt.

9. Fizyczna interpretacja i nieuzasadnione założenia.

Plik JSON, który można zinterpretować, sprawdza jedynie poprawność składniową. Modelowanie transportu poprzez dryf i dyfuzję, właściwości materiałów, rekombinację radiacyjną i optykę to odrębne zagadnienia. Na przykład, podwójna struktura heterospójowa AlGaAs/GaAs wymaga odpowiedniego ograniczenia nośników na obu granicach, a nie tylko listy warstw, która wygląda na prawdopodobną. Sprawdź przerwę energetyczną, powinowactwo elektronowe i parametry transportu, które są obliczane przez skrypty materiałowe dla określonego składu i temperatury.

Bardziej zaawansowane urządzenia, takie jak ogniwa słoneczne TOPCon, tranzystory MOSFET, tranzystory bipolarne i diody LED z warstwą kwantową, mogą wymagać zjawisk tunelowych, analizy elektrostatyki warstw tlenkowych, wielowyprowadzeniowych kontaktów, zjawisk kwantowego uwięzienia, pułapek na granicy faz lub dodatkowych warunków brzegowych, których dane symulacje początkowe mogą nie uwzględniać. Jeśli wymagane zjawiska fizyczne nie są zademonstrowane za pomocą działającego przykładu lub dokumentacji źródłowej, należy zidentyfikować lukę, zamiast wymyślać nowe pola JSON. Obliczenia emisji optycznej nie powinny być prezentowane jako skalibrowana wydajność urządzenia bez odpowiednich modeli rekombinacji i ekstrakcji.

10. Lista kontrolna weryfikacji i rozwiązywania problemów

Po edycji pliku symulacji należy sprawdzić poprawność składni JSON, strukturę wszystkich kolekcji segmentów, typy kluczy w odniesieniu do pliku bazowego oraz wszelkie specyficzne dla danego urządzenia ograniczenia fizyczne. Na przykład, poniższy fragment kodu w języku Python sprawdza zwykłe kolekcje segments bez konieczności korzystania z interfejsów API OghmaNano. Nie gwarantuje to jednak, że OghmaNano uruchomi model.

import json
import re
from pathlib import Path

sim = json.loads(Path("sim.json").read_text(encoding="utf-8"))

def check_segments(obj, location="root"):
    if isinstance(obj, dict):
        if isinstance(obj.get("segments"), int):
            count = obj["segments"]
            actual = {
                int(key[7:]) for key in obj
                if re.fullmatch(r"segment[0-9]+", key)
            }
            expected = set(range(count))
            if actual != expected:
                raise ValueError((location, count, sorted(actual)))
        for key, value in obj.items():
            check_segments(value, location + "." + key)

check_segments(sim)
print("JSON and segment counts look consistent")

Jeśli lokalizacja lub znaczenie danego tokenu w formacie JSON jest niejasne, zmodyfikuj odpowiedni element w interfejsie graficznym, zapisz plik i porównaj wersję przed i po sim.json. To podejście jest bardziej wiarygodne niż próba odgadnięcia ścieżek na podstawie samych nazw parametrów.

11. Pełna dokumentacja tokenów JSON w formacie OghmaNano (od A do Z)

To jest jedyne, umożliwiające wyszukiwanie źródło informacji dotyczące tokenów parametrów OghmaNano i kluczy strukturalnych JSON. Zawiera ono wszystkie 985 wpisów z dostarczonego słownika parametrów oraz 382 dodatkowe klucze, które występują w działającym przykładzie OghmaNano w wersji 8.1 sim.json. Wszystkie 1367 wpisów zostało ułożone alfabetycznie; nie ma oddzielnej listy, z której można by czerpać informacje na temat struktury lub skryptów materiałowych.

Opisy, jednostki i zadeklarowane opcje dla elementów leksykalnych pochodzą z dostarczonego słownika. Klucze znalezione tylko w działającej symulacji są dołączane wraz z ostrożnymi opisami, gdy znaczenie nie zostało potwierdzone. Podana ścieżka JSON i typ danych to obserwacje z działającego przykładu, a nie obietnica, że ta sama nazwa jest ważna w każdym miejscu lub w każdej wersji OghmaNano. Niektóre elementy leksykalne są polami wyjściowymi lub elementami interfejsu użytkownika, a nie edytowalnymi danymi wejściowymi symulacji. Trzy wpisy słownikowe (Ra[0-9], Rq[0-9] i Rp[0-9]) to wzorce elementów leksykalnych.