Symulacja diody heterozłączowej AlGaAs/GaAs: dopasowanie pasm energetycznych, charakterystyki prądowo-napięciowe i transport nośników.Symulacja diody heterozłączowej AlGaAs/GaAs: dopasowanie pasm energetycznych, charakterystyki prądowo-napięciowe i transport nośników.
1. Wprowadzenie: dlaczego warto symulować heterozłącze AlGaAs/GaAs?1. Wprowadzenie: dlaczego warto symulować heterozłącze AlGaAs/GaAs?
Dioda heterozłączowa AlGaAs/GaAs to dioda półprzewodnikowa, która powstaje w miejscu połączenia dwóch różnych materiałów z grupy III–V: arsenku glinu i galu (AlxGa1−xAs) oraz arsenku galu (GaAs). W przeciwieństwie do konwencjonalnej diody PN z arsenku galu, to urządzenie łączy w sobie zmianę domieszkowania ze zmianą struktury pasmowej półprzewodnika. W związku z tym, w złączu występują zarówno wewnętrzny potencjał elektrostatyczny, jak i przesunięcia między pasmem przewodnictwa i pasmem walencyjnym.Dioda heterozłączowa AlGaAs/GaAs to dioda półprzewodnikowa, która powstaje w miejscu połączenia dwóch różnych materiałów z grupy III–V: arsenku glinu i galu (AlxGa1−xAs) oraz arsenku galu (GaAs). W przeciwieństwie do konwencjonalnej diody PN z arsenku galu, to urządzenie łączy w sobie zmianę domieszkowania ze zmianą struktury pasmowej półprzewodnika. W związku z tym, w złączu występują zarówno wewnętrzny potencjał elektrostatyczny, jak i przesunięcia między pasmem przewodnictwa i pasmem walencyjnym.
W tym samouczku analizujemy złącze p-Al0,30Ga0,70As / n-GaAs, wykorzystując jednowymiarowy solver równania Poissona i równania dyfuzji opracowany przez OghmaNano. Obszar AlGaAs o szerszej przerwie energetycznej styka się z obszarem GaAs o węższej przerwie energetycznej; ich granica wpływa na wstrzykiwanie elektronów i dziur oraz stanowi proste wprowadzenie do problematyki układania się pasm w heterozłączach. Cała struktura półprzewodnikowa ma zaledwie 700 nm grubości, co ułatwia wizualizację wewnętrznych profili transportu.W tym samouczku analizujemy złącze p-Al0,30Ga0,70As / n-GaAs, wykorzystując jednowymiarowy solver równania Poissona i równania dyfuzji opracowany przez OghmaNano. Obszar AlGaAs o szerszej przerwie energetycznej styka się z obszarem GaAs o węższej przerwie energetycznej; ich granica wpływa na wstrzykiwanie elektronów i dziur oraz stanowi proste wprowadzenie do problematyki układania się pasm w heterozłączach. Cała struktura półprzewodnikowa ma zaledwie 700 nm grubości, co ułatwia wizualizację wewnętrznych profili transportu.
Struktury heterospójeniowe AlGaAs/GaAs są ważnymi elementami konstrukcyjnymi w elektronice i optoelektronice związków III–V, w tym w urządzeniach heterospójeniowych, warstwach okien fotowoltaicznych i strukturach emitujących światło. W tym konkretnym przykładzie prezentujemy działanie diody/prostownika; nie jest to zoptymalizowana fotodioda, dioda laserowa ani komercyjny, szybki element. Wykorzystamy ten model, aby powiązać mierzalną charakterystykę prądu w ciemności w funkcji napięcia (J–V) z mikroskopowym diagramem pasm i fizyką rekombinacji.Struktury heterospójeniowe AlGaAs/GaAs są ważnymi elementami konstrukcyjnymi w elektronice i optoelektronice związków III–V, w tym w urządzeniach heterospójeniowych, warstwach okien fotowoltaicznych i strukturach emitujących światło. W tym konkretnym przykładzie prezentujemy działanie diody/prostownika; nie jest to zoptymalizowana fotodioda, dioda laserowa ani komercyjny, szybki element. Wykorzystamy ten model, aby powiązać mierzalną charakterystykę prądu w ciemności w funkcji napięcia (J–V) z mikroskopowym diagramem pasm i fizyką rekombinacji.
Główny widok jest wyświetlany w oknie ??. Pozostała część instrukcji przebiega w taki sam sposób, jak w przypadku innych przykładów diod OghmaNano: wczytujemy urządzenie, sprawdzamy jego wejścia, uruchamiamy symulację i analizujemy wyniki.Główny widok jest wyświetlany w oknie ??. Pozostała część instrukcji przebiega w taki sam sposób, jak w przypadku innych przykładów diod OghmaNano: wczytujemy urządzenie, sprawdzamy jego wejścia, uruchamiamy symulację i analizujemy wyniki.
2. Tworzenie nowej symulacji.2. Tworzenie nowej symulacji.
W głównym oknie programu OghmaNano wybierz opcję „Nowa symulacja”. Przeglądarka demonstracyjna grupuje powiązane przykłady dotyczące półprzewodników. Otwórz demonstracje GaAs/III–V i wybierz przykład diody heterospójeniowej AlGaAs/GaAs lub bezpośrednio załaduj dostarczony projekt, jeśli jego etykieta w menu różni się w poszczególnych wersjach. Dwa etapy działania przeglądarki przedstawiono na ilustracjach ?? i ??.W głównym oknie programu OghmaNano wybierz opcję „Nowa symulacja”. Przeglądarka demonstracyjna grupuje powiązane przykłady dotyczące półprzewodników. Otwórz demonstracje GaAs/III–V i wybierz przykład diody heterospójeniowej AlGaAs/GaAs lub bezpośrednio załaduj dostarczony projekt, jeśli jego etykieta w menu różni się w poszczególnych wersjach. Dwa etapy działania przeglądarki przedstawiono na ilustracjach ?? i ??.
Po otwarciu przykładu należy sprawdzić pionowy układ elementów w widoku urządzenia. Chociaż model jest trójwymiarowy, w tym samouczku analizujemy jednowymiarowy przepływ prądu przez grubość warstwy. Model nie uwzględnia koncentracji prądu w kierunku bocznym ani rzeczywistych geometrii połączeń metalowych.Po otwarciu przykładu należy sprawdzić pionowy układ elementów w widoku urządzenia. Chociaż model jest trójwymiarowy, w tym samouczku analizujemy jednowymiarowy przepływ prądu przez grubość warstwy. Model nie uwzględnia koncentracji prądu w kierunku bocznym ani rzeczywistych geometrii połączeń metalowych.
3. Analiza struktury warstwowej, składu stopu i domieszkowania.3. Analiza struktury warstwowej, składu stopu i domieszkowania.
3.1 Układ warstw3.1 Układ warstw
Otwórz edytor warstw w pasku narzędzi urządzenia. Aktywna dioda składa się z trzech warstw półprzewodnikowych, nad którymi znajduje się przestrzeń wypełniona powietrzem, co służy do wizualizacji urządzenia. Problem elektryczny dotyczy warstwy półprzewodnikowej o grubości 700 nm, a nie przestrzeni wypełnionej powietrzem o grubości 200 nm.Otwórz edytor warstw w pasku narzędzi urządzenia. Aktywna dioda składa się z trzech warstw półprzewodnikowych, nad którymi znajduje się przestrzeń wypełniona powietrzem, co służy do wizualizacji urządzenia. Problem elektryczny dotyczy warstwy półprzewodnikowej o grubości 700 nm, a nie przestrzeni wypełnionej powietrzem o grubości 200 nm.
| Region (od góry do dołu)Region (od góry do dołu) | GrubośćGrubość | Stosowanie dopingu w modelarstwie.Stosowanie dopingu w modelarstwie. | CelCel |
|---|---|---|---|
| Powietrze (nieprzewodzące prądu).Powietrze (nieprzewodzące prądu). | 200 nm200 nm | —— | Otoczenie urządzeniaOtoczenie urządzenia |
| p-Al0,30Ga0,70Asp-Al0,30Ga0,70As | 200 nm200 nm | NA = 5 × 10¹⁷ cm⁻³NA = 5 × 10¹⁷ cm⁻³ | Warstwa typu p o szerokiej przerwie energetycznej w strukturze heterozłącza.Warstwa typu p o szerokiej przerwie energetycznej w strukturze heterozłącza. |
| n-AsGan-AsGa | 400 nm400 nm | ND = 5 × 10¹⁷ cm⁻³ND = 5 × 10¹⁷ cm⁻³ | Warstwa n o węższej przerwie energetycznej.Warstwa n o węższej przerwie energetycznej. |
| n+-arszenek galun+-arszenek galu | 100 nanometrów100 nanometrów | ND = 1 × 10¹⁸ cm⁻³ND = 1 × 10¹⁸ cm⁻³ | Obszar po stronie katody o wyższej koncentracji domieszek.Obszar po stronie katody o wyższej koncentracji domieszek. |
Granica między warstwą p-AlGaAs a warstwą n-GaAs stanowi zarówno metalurgiczne złącze PN, jak i granicę między materiałami. Granica między warstwą n-GaAs a warstwą n+-GaAs to zmiana stężenia domieszek w materiale GaAs, a nie drugie heterozłącze. Poniżej przedstawiono łącznie edytor warstw (??) i konfigurację kontaktów (??).Granica między warstwą p-AlGaAs a warstwą n-GaAs stanowi zarówno metalurgiczne złącze PN, jak i granicę między materiałami. Granica między warstwą n-GaAs a warstwą n+-GaAs to zmiana stężenia domieszek w materiale GaAs, a nie drugie heterozłącze. Poniżej przedstawiono łącznie edytor warstw (??) i konfigurację kontaktów (??).
3.2 Domieszki i skład chemiczny aluminium3.2 Domieszki i skład chemiczny aluminium
Otwórz edytor „Domieszki / Jony” z paska narzędzi „Elektryczne”. Strona AlGaAs domieszkowana akceptorami i strona GaAs domieszkowana donorami tworzą złącze prostujące (??). Znak domieszkowania zmienia się na granicy materiałów, co powoduje powstanie wbudowanego pola elektrycznego. Obszar n+ zwiększa koncentrację elektronów w pobliżu katody.Otwórz edytor „Domieszki / Jony” z paska narzędzi „Elektryczne”. Strona AlGaAs domieszkowana akceptorami i strona GaAs domieszkowana donorami tworzą złącze prostujące (??). Znak domieszkowania zmienia się na granicy materiałów, co powoduje powstanie wbudowanego pola elektrycznego. Obszar n+ zwiększa koncentrację elektronów w pobliżu katody.
Następnie otwórz edytor składu/gradientu stopu. Stop AlGaAs ma zawartość aluminium równą x = 0,30, natomiast GaAs odpowiada wartości x = 0. Nagła zmiana składu (??) jest kluczowym powodem, dla którego na wykresie pasmowej struktury pojawia się skok, oprócz zwykłego zakrzywienia pasma elektrostatycznego.Następnie otwórz edytor składu/gradientu stopu. Stop AlGaAs ma zawartość aluminium równą x = 0,30, natomiast GaAs odpowiada wartości x = 0. Nagła zmiana składu (??) jest kluczowym powodem, dla którego na wykresie pasmowej struktury pojawia się skok, oprócz zwykłego zakrzywienia pasma elektrostatycznego.
3.3 Dlaczego interfejs jest ważny.3.3 Dlaczego interfejs jest ważny.
W temperaturze pokojowej arsenek galu (GaAs) ma przerwę energetyczną o wartości około 1,42 eV, natomiast stop arsenku galu i glinu (Al0,30Ga0,70As) ma większą przerwę energetyczną, zazwyczaj około 1,8 eV, w zależności od parametrów stopu. W strukturze heterozłącza całkowita różnica przerw energetycznych rozkłada się między przesunięciami pasm przewodnictwa i walencyjnych:W temperaturze pokojowej arsenek galu (GaAs) ma przerwę energetyczną o wartości około 1,42 eV, natomiast stop arsenku galu i glinu (Al0,30Ga0,70As) ma większą przerwę energetyczną, zazwyczaj około 1,8 eV, w zależności od parametrów stopu. W strukturze heterozłącza całkowita różnica przerw energetycznych rozkłada się między przesunięciami pasm przewodnictwa i walencyjnych:
\[\Delta E_g = \Delta E_c + \Delta E_v\]W tym przypadku przesunięcia symboliczne oznaczają wartości odpowiadających im skoków. Ich wartości liczbowe są określane przez model materiału i założenia dotyczące dopasowania pasm, a nie tylko przez profil domieszkowania. Analizując później symulowane krawędzie pasm, należy odróżnić wyraźne przesunięcie związane z materiałem od łagodnego zakrzywienia pasm, które powstaje w wyniku ładunku przestrzennego.W tym przypadku przesunięcia symboliczne oznaczają wartości odpowiadających im skoków. Ich wartości liczbowe są określane przez model materiału i założenia dotyczące dopasowania pasm, a nie tylko przez profil domieszkowania. Analizując później symulowane krawędzie pasm, należy odróżnić wyraźne przesunięcie związane z materiałem od łagodnego zakrzywienia pasm, które powstaje w wyniku ładunku przestrzennego.
4. Parametry materiałów elektrycznych, interfejsy i rekombinacja.4. Parametry materiałów elektrycznych, interfejsy i rekombinacja.
4.1 Baza danych materiałów i modele Lua.4.1 Baza danych materiałów i modele Lua.
Otwórz edytor parametrów elektrycznych dla każdej warstwy. W tym przykładzie użyto Inorganic/AlGaAs/AlGaAs.lua dla stopu typu p oraz Inorganic/GaAs/GaAs.lua dla obu obszarów GaAs typu n. Model AlGaAs Lua (??) i jego parametry (??) można porównać z modelem GaAs (??) i jego parametrami (??).Otwórz edytor parametrów elektrycznych dla każdej warstwy. W tym przykładzie użyto Inorganic/AlGaAs/AlGaAs.lua dla stopu typu p oraz Inorganic/GaAs/GaAs.lua dla obu obszarów GaAs typu n. Model AlGaAs Lua (??) i jego parametry (??) można porównać z modelem GaAs (??) i jego parametrami (??).
Symulacja jest skonfigurowana tak, aby pobierała kluczowe wartości materiałów – w tym energię przerwy, powinowactwo elektronowe, ruchliwość nośników, efektywną gęstość stanów i parametry rekombinacji – z bazy danych materiałów Lua, zamiast wymuszać lokalne zmiany. Jest to szczególnie ważne w przypadku AlGaAs, ponieważ jego parametry zależą od składu stopu. Należy odczytywać wartości wyświetlane przez model, zamiast interpretować jakiekolwiek nieaktywne wartości zapasowe w pliku projektu jako rzeczywiste właściwości materiału.Symulacja jest skonfigurowana tak, aby pobierała kluczowe wartości materiałów – w tym energię przerwy, powinowactwo elektronowe, ruchliwość nośników, efektywną gęstość stanów i parametry rekombinacji – z bazy danych materiałów Lua, zamiast wymuszać lokalne zmiany. Jest to szczególnie ważne w przypadku AlGaAs, ponieważ jego parametry zależą od składu stopu. Należy odczytywać wartości wyświetlane przez model, zamiast interpretować jakiekolwiek nieaktywne wartości zapasowe w pliku projektu jako rzeczywiste właściwości materiału.
4.2 Dopasowanie pasm i ustawienia interfejsu4.2 Dopasowanie pasm i ustawienia interfejsu
Otwórz edytor interfejsów, jak pokazano na ilustracji ??. Ten przykład przedstawia interfejs o nagłej zmianie parametrów. W podstawowym modelu dryfu i dyfuzji, wstrzykiwanie nośników ładunku zależy od przerw w pasmach przewodnictwa i walencyjnych, statystyki nośników oraz sposobu traktowania granicy interfejsu. W rzeczywistych próbkach mogą dodatkowo występować stany na interfejsie, zaburzenia w strukturze stopu, emisja termoelektronowa, tunelowanie lub niedoskonałości powstałe w procesie wytwarzania; nie należy zakładać, że te efekty są uwzględnione tylko dlatego, że występuje heterozłącze.Otwórz edytor interfejsów, jak pokazano na ilustracji ??. Ten przykład przedstawia interfejs o nagłej zmianie parametrów. W podstawowym modelu dryfu i dyfuzji, wstrzykiwanie nośników ładunku zależy od przerw w pasmach przewodnictwa i walencyjnych, statystyki nośników oraz sposobu traktowania granicy interfejsu. W rzeczywistych próbkach mogą dodatkowo występować stany na interfejsie, zaburzenia w strukturze stopu, emisja termoelektronowa, tunelowanie lub niedoskonałości powstałe w procesie wytwarzania; nie należy zakładać, że te efekty są uwzględnione tylko dlatego, że występuje heterozłącze.
4.3 Rekombinacja wspomagana przez promieniowanie i defekty4.3 Rekombinacja wspomagana przez promieniowanie i defekty
W przypadku podanego składu, GaAs i Al0,30Ga0,70As to materiały o bezpośredniej przerwie energetycznej, co oznacza, że przy odpowiednim wprowadzeniu nośników ładunku może dochodzić do rekombinacji radiacyjnej. Powszechnie stosowany model wygląda następująco:W przypadku podanego składu, GaAs i Al0,30Ga0,70As to materiały o bezpośredniej przerwie energetycznej, co oznacza, że przy odpowiednim wprowadzeniu nośników ładunku może dochodzić do rekombinacji radiacyjnej. Powszechnie stosowany model wygląda następująco:
\[R_{\mathrm{rad}} = B\left(np-n_i^2\right)\]gdzie B jest współczynnikiem zależnym od materiału, a n i p oznaczają lokalne gęstości nośników swobodnych. Konfiguracja wejściowa umożliwia również rekombinację jednowarstwową zgodnie z modelem Shockleya–Reada–Halla (SRH) w trzech aktywnych obszarach półprzewodnika. Uproszczony wzór ma postać:gdzie B jest współczynnikiem zależnym od materiału, a n i p oznaczają lokalne gęstości nośników swobodnych. Konfiguracja wejściowa umożliwia również rekombinację jednowarstwową zgodnie z modelem Shockleya–Reada–Halla (SRH) w trzech aktywnych obszarach półprzewodnika. Uproszczony wzór ma postać:
\[R_{\mathrm{SRH}}=\frac{np-n_i^2}{\tau_p(n+n_1)+\tau_n(p+p_1)}\]Metoda SRH opisuje rekombinację wspomaganą przez pułapki i jest wrażliwa na parametry pułapek, które są określane przez wybrane modele. W tym przykładzie rekombinacja Augera jest wyłączona. Nie należy wnioskować, że jeden proces rekombinacji jest dominujący, bez porównania jego wartości z wartościami innych aktywnych procesów w tych samych warunkach polaryzacji.Metoda SRH opisuje rekombinację wspomaganą przez pułapki i jest wrażliwa na parametry pułapek, które są określane przez wybrane modele. W tym przykładzie rekombinacja Augera jest wyłączona. Nie należy wnioskować, że jeden proces rekombinacji jest dominujący, bez porównania jego wartości z wartościami innych aktywnych procesów w tych samych warunkach polaryzacji.
Anoda i katoda wykorzystują idealizowane warunki brzegowe zgodne z prawem Ohma. Warunki te pomagają w izolacji zjawisk fizycznych zachodzących w heterospójeniu, ale nie pozwalają przewidzieć zachowania konkretnego schematu metalizacji ani jego rezystancji kontaktowej.Anoda i katoda wykorzystują idealizowane warunki brzegowe zgodne z prawem Ohma. Warunki te pomagają w izolacji zjawisk fizycznych zachodzących w heterospójeniu, ale nie pozwalają przewidzieć zachowania konkretnego schematu metalizacji ani jego rezystancji kontaktowej.
5. Uruchamianie symulacji ciemnego połączenia J–V.5. Uruchamianie symulacji ciemnego połączenia J–V.
Wróć do głównego okna symulacji i kliknij „Uruchom symulację”. Plik wejściowy określa zakres zmian napięcia od -0,1 V do +2,5 V, ze skokami co 0,025 V, bez celowego oświetlenia optycznego. OghmaNano rozwiązuje sprzężone równania Poissona oraz równania ciągłości dla elektronów i dziur w kolejnych punktach napięcia.Wróć do głównego okna symulacji i kliknij „Uruchom symulację”. Plik wejściowy określa zakres zmian napięcia od -0,1 V do +2,5 V, ze skokami co 0,025 V, bez celowego oświetlenia optycznego. OghmaNano rozwiązuje sprzężone równania Poissona oraz równania ciągłości dla elektronów i dziur w kolejnych punktach napięcia.
W trakcie obliczeń przejdź do zakładki „Terminal”, aby monitorować postęp działania algorytmu, a następnie po zakończeniu otwórz okno „Wyniki”. Przeglądarka wyników (??) i okno terminala (??) ilustrują poszczególne etapy. Zrzuty ekranu z okna terminala są robione w różnych momentach czasu, a nie przy stałych wartościach napięcia.W trakcie obliczeń przejdź do zakładki „Terminal”, aby monitorować postęp działania algorytmu, a następnie po zakończeniu otwórz okno „Wyniki”. Przeglądarka wyników (??) i okno terminala (??) ilustrują poszczególne etapy. Zrzuty ekranu z okna terminala są robione w różnych momentach czasu, a nie przy stałych wartościach napięcia.
Kliknij dwukrotnie jv.csv, aby otworzyć symulowaną krzywą zależności gęstości prądu od napięcia ( ?? ). Charakterystyka prostownicza powinna wykazywać stosunkowo słaby prąd przy umiarkowanym napięciu wstecznym i coraz większy prąd przy napięciu w kierunku przewodzenia, w miarę jak wzrasta wstrzykiwany prąd. W przypadku tego konkretnego heterozłącza początek i szczegółowy kształt krzywej zależą od przesunięć pasm, parametrów materiałowych i współczynników rekombinacji – a nie tylko od przerwy energetycznej GaAs.Kliknij dwukrotnie jv.csv, aby otworzyć symulowaną krzywą zależności gęstości prądu od napięcia ( ?? ). Charakterystyka prostownicza powinna wykazywać stosunkowo słaby prąd przy umiarkowanym napięciu wstecznym i coraz większy prąd przy napięciu w kierunku przewodzenia, w miarę jak wzrasta wstrzykiwany prąd. W przypadku tego konkretnego heterozłącza początek i szczegółowy kształt krzywej zależą od przesunięć pasm, parametrów materiałowych i współczynników rekombinacji – a nie tylko od przerwy energetycznej GaAs.
Równanie opisujące idealny diod jest przydatne jako narzędzie do lokalnej analizy:Równanie opisujące idealny diod jest przydatne jako narzędzie do lokalnej analizy:
\[J \approx J_0\left[\exp\!\left(\frac{qV}{nk_{\mathrm B}T}\right)-1\right]\]Należy jednak pamiętać, że dopasowany współczynnik idealności n lub prąd nasycenia J0 powinien być określany jedynie na podstawie odpowiedniego zakresu napięć. Rezystancja szeregowa, wysoki poziom wstrzykiwania nośników i transport w heterointerfejsie mogą powodować odchylenia od prostego prawa wykładniczego. Dołączony zrzut ekranu ma charakter ilustracyjny i nie stanowi niezależnego potwierdzenia eksperymentalnego.Należy jednak pamiętać, że dopasowany współczynnik idealności n lub prąd nasycenia J0 powinien być określany jedynie na podstawie odpowiedniego zakresu napięć. Rezystancja szeregowa, wysoki poziom wstrzykiwania nośników i transport w heterointerfejsie mogą powodować odchylenia od prostego prawa wykładniczego. Dołączony zrzut ekranu ma charakter ilustracyjny i nie stanowi niezależnego potwierdzenia eksperymentalnego.
6. Analiza migawek z symulacji: co dzieje się wewnątrz diody?6. Analiza migawek z symulacji: co dzieje się wewnątrz diody?
OghmaNano zapisuje wyniki pomiarów elektrycznych z rozdzielczością przestrzenną podczas pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej (J–V). Otwórz przeglądarkę obrazów i użyj suwaka, aby porównać wybrane punkty na wykresie. Cztery obrazy w każdym wierszu poniżej odpowiadają początkowi, mniej więcej jednej trzeciej, mniej więcej dwóm trzecim i końcowi zapisanego pomiaru. Etykiety 0–3 oznaczają pozycje zrzutów ekranu, a nie wartości napięcia w woltach; użyj wskaźnika napięcia w przeglądarce, aby uzyskać dokładne wartości dla danego pomiaru.OghmaNano zapisuje wyniki pomiarów elektrycznych z rozdzielczością przestrzenną podczas pomiaru charakterystyki prądowo-napięciowej (J–V). Otwórz przeglądarkę obrazów i użyj suwaka, aby porównać wybrane punkty na wykresie. Cztery obrazy w każdym wierszu poniżej odpowiadają początkowi, mniej więcej jednej trzeciej, mniej więcej dwóm trzecim i końcowi zapisanego pomiaru. Etykiety 0–3 oznaczają pozycje zrzutów ekranu, a nie wartości napięcia w woltach; użyj wskaźnika napięcia w przeglądarce, aby uzyskać dokładne wartości dla danego pomiaru.
6.1 Pasmo przewodnictwa, pasmo walencyjne i quasi-poziomy Fermiego6.1 Pasmo przewodnictwa, pasmo walencyjne i quasi-poziomy Fermiego
Na wykresach Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv i Fp.csv przedstawiono wyniki dla wszystkich materiałów. Pierwszy zrzut ekranu diagramu pasm (??) pokazuje krawędź pasma przewodnictwa Ec i krawędź pasma walencyjnego Ev, ukazując zarówno gładki potencjał elektrostatyczny, jak i nagłą nieciągłość pasm na granicy materiałów AlGaAs/GaAs. Poziomy quasi-Fermiego dla elektronów i dziur ujawniają odchylenia od stanu równowagi oraz rozkład wstrzykiwanych nośników.Na wykresach Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv i Fp.csv przedstawiono wyniki dla wszystkich materiałów. Pierwszy zrzut ekranu diagramu pasm (??) pokazuje krawędź pasma przewodnictwa Ec i krawędź pasma walencyjnego Ev, ukazując zarówno gładki potencjał elektrostatyczny, jak i nagłą nieciągłość pasm na granicy materiałów AlGaAs/GaAs. Poziomy quasi-Fermiego dla elektronów i dziur ujawniają odchylenia od stanu równowagi oraz rozkład wstrzykiwanych nośników.
Porównaj pierwszy i ostatni obraz. W warunkach polaryzacji przewodzącej bariera na połączeniu ulega zmianie, a quasi-poziomy Fermiego się rozdzielają. Nie należy mylić skoku na krawędzi pasma na granicy z szumem numerycznym: rzeczywiste heterozłącze może mieć nieciągłe krawędzie pasm, nawet jeśli potencjał elektrostatyczny pozostaje ciągły.Porównaj pierwszy i ostatni obraz. W warunkach polaryzacji przewodzącej bariera na połączeniu ulega zmianie, a quasi-poziomy Fermiego się rozdzielają. Nie należy mylić skoku na krawędzi pasma na granicy z szumem numerycznym: rzeczywiste heterozłącze może mieć nieciągłe krawędzie pasm, nawet jeśli potencjał elektrostatyczny pozostaje ciągły.
6.2 Gęstość elektronów i dziur.6.2 Gęstość elektronów i dziur.
W ramach tego projektu należy przedstawić na wykresie zmiany stężenia swobodnych elektronów i swobodnych dziur, oznaczone odpowiednio jako Q_nfree.csv i Q_pfree.csv. Strona p-AlGaAs charakteryzuje się przewagą nośników dziur, a strona GaAs – przewagą elektronów. Zwiększenie napięcia przewodzenia powoduje wstrzykiwanie nośników mniejszościowych przez złącze i zmienia rozkład nośników w przestrzeni. Jak pokazują wyniki dotyczące stężenia nośników (??), nagła zmiana materiału na granicy wpływa na dostępne stany elektroniczne i ułożenie pasm energetycznych, dlatego profil stężenia nośników nie musi przypominać profilu jednorodnego złącza PN z GaAs.W ramach tego projektu należy przedstawić na wykresie zmiany stężenia swobodnych elektronów i swobodnych dziur, oznaczone odpowiednio jako Q_nfree.csv i Q_pfree.csv. Strona p-AlGaAs charakteryzuje się przewagą nośników dziur, a strona GaAs – przewagą elektronów. Zwiększenie napięcia przewodzenia powoduje wstrzykiwanie nośników mniejszościowych przez złącze i zmienia rozkład nośników w przestrzeni. Jak pokazują wyniki dotyczące stężenia nośników (??), nagła zmiana materiału na granicy wpływa na dostępne stany elektroniczne i ułożenie pasm energetycznych, dlatego profil stężenia nośników nie musi przypominać profilu jednorodnego złącza PN z GaAs.
6.3 Prądy elektronowe i prądy dziur elektronowych6.3 Prądy elektronowe i prądy dziur elektronowych
Narysuj wykresy Jn.csv i Jp.csv, aby rozdzielić wkład elektronów i dziur do całkowitego prądu. W stanie ustalonym oba składniki mogą się rozkładać w zależności od położenia, gdy elektrony i dziury rekombinują, przy czym suma wartościowych gęstości prądu powinna pozostać w przybliżeniu stała, jeśli nie występują dodatkowe źródła prądu. Lokalne piki lub gwałtowne zmiany w pobliżu złącza heterostrukturalnego na wykresach prądu nośników (??) należy sprawdzić w odniesieniu do siatki i diagramu pasm.Narysuj wykresy Jn.csv i Jp.csv, aby rozdzielić wkład elektronów i dziur do całkowitego prądu. W stanie ustalonym oba składniki mogą się rozkładać w zależności od położenia, gdy elektrony i dziury rekombinują, przy czym suma wartościowych gęstości prądu powinna pozostać w przybliżeniu stała, jeśli nie występują dodatkowe źródła prądu. Lokalne piki lub gwałtowne zmiany w pobliżu złącza heterostrukturalnego na wykresach prądu nośników (??) należy sprawdzić w odniesieniu do siatki i diagramu pasm.
Małe prądy mogą być trudne do analizy numerycznej. Należy ocenić ogólny trend i ciągłość prądu, zamiast przypisywać każde niewielkie wahanie konkretnemu fizycznemu mechanizmowi transportu. W przypadku wystąpienia dużych odchyleń, należy udoskonalić siatkę obliczeniową i sprawdzić zbieżność solvera, zanim wyciągnie się wnioski.Małe prądy mogą być trudne do analizy numerycznej. Należy ocenić ogólny trend i ciągłość prądu, zamiast przypisywać każde niewielkie wahanie konkretnemu fizycznemu mechanizmowi transportu. W przypadku wystąpienia dużych odchyleń, należy udoskonalić siatkę obliczeniową i sprawdzić zbieżność solvera, zanim wyciągnie się wnioski.
6.4 Rekombinacja radiacyjna i rekombinacja SRH6.4 Rekombinacja radiacyjna i rekombinacja SRH
Przeanalizuj R_nfree_to_pfree.csv (radiacyjna rekombinacja swobodnych nośników) i R_ss_srh.csv (rekombinacja SRH na jednym poziomie energetycznym). Zrzuty ekranu przedstawiające rekombinację (??) pokazują te kanały łącznie. Podczas wstrzykiwania nośników, bezwzględna szybkość rekombinacji może się znacznie zwiększyć; jej lokalizacja jest określana przez nakładanie się swobodnych nośników, właściwości materiału i wybrane parametry pułapek.Przeanalizuj R_nfree_to_pfree.csv (radiacyjna rekombinacja swobodnych nośników) i R_ss_srh.csv (rekombinacja SRH na jednym poziomie energetycznym). Zrzuty ekranu przedstawiające rekombinację (??) pokazują te kanały łącznie. Podczas wstrzykiwania nośników, bezwzględna szybkość rekombinacji może się znacznie zwiększyć; jej lokalizacja jest określana przez nakładanie się swobodnych nośników, właściwości materiału i wybrane parametry pułapek.
Należy szczególnie zwrócić uwagę na właściwości występujące na granicy między warstwami p-AlGaAs i n-GaAs. Lokalna właściwość może mieć znaczenie fizyczne, ale sama jej wartość nie dowodzi występowania pułapek na granicy; w niniejszym ćwiczeniu wykorzystywane są modele materiałów o właściwościach objętościowych oraz skonfigurowane parametry SRH. Przed stwierdzeniem, który mechanizm jest dominujący, należy porównać skumulowany wpływ i przestrzenny rozkład obu procesów.Należy szczególnie zwrócić uwagę na właściwości występujące na granicy między warstwami p-AlGaAs i n-GaAs. Lokalna właściwość może mieć znaczenie fizyczne, ale sama jej wartość nie dowodzi występowania pułapek na granicy; w niniejszym ćwiczeniu wykorzystywane są modele materiałów o właściwościach objętościowych oraz skonfigurowane parametry SRH. Przed stwierdzeniem, który mechanizm jest dominujący, należy porównać skumulowany wpływ i przestrzenny rozkład obu procesów.
6.5 Profile rozkładu szybkości generowania elektronów i dziur6.5 Profile rozkładu szybkości generowania elektronów i dziur
Oddzielne wyniki dla R_n.csv i R_p.csv pokazują równowagi szybkości związane z elektronami i dziurami, które zostały wykorzystane w symulacji. Te wykresy (??) stanowią dodatkowe narzędzie do sprawdzenia, w których miejscach nośniki ładunku są usuwane lub przeprowadzane są zmiany w ich rozkładzie podczas symulacji. Interpretuj znaki i wyświetlane elementy na podstawie nagłówków danych, a nie zakładaj, że wszystkie krzywe reprezentują jedną, dodatnią szybkość rekombinacji.Oddzielne wyniki dla R_n.csv i R_p.csv pokazują równowagi szybkości związane z elektronami i dziurami, które zostały wykorzystane w symulacji. Te wykresy (??) stanowią dodatkowe narzędzie do sprawdzenia, w których miejscach nośniki ładunku są usuwane lub przeprowadzane są zmiany w ich rozkładzie podczas symulacji. Interpretuj znaki i wyświetlane elementy na podstawie nagłówków danych, a nie zakładaj, że wszystkie krzywe reprezentują jedną, dodatnią szybkość rekombinacji.
6.6 Ruchliwość nośników ładunku6.6 Ruchliwość nośników ładunku
Funkcja analizy mobilności umożliwia sprawdzenie parametrów transportu w zależności od położenia. Oczekuje się zmian na granicy, ponieważ modele AlGaAs i GaAs nie muszą generować identycznych wartości mobilności. Przykładowy zrzut ekranu funkcji analizy mobilności (??) pokazuje jedną zapisaną pozycję obserwatora; nie stanowi to dowodu na występowanie konkretnego efektu zależnego od pola elektrycznego.Funkcja analizy mobilności umożliwia sprawdzenie parametrów transportu w zależności od położenia. Oczekuje się zmian na granicy, ponieważ modele AlGaAs i GaAs nie muszą generować identycznych wartości mobilności. Przykładowy zrzut ekranu funkcji analizy mobilności (??) pokazuje jedną zapisaną pozycję obserwatora; nie stanowi to dowodu na występowanie konkretnego efektu zależnego od pola elektrycznego.
7. Ćwiczenia: powiązanie przesunięć pasm energetycznych z charakterystyką diody.7. Ćwiczenia: powiązanie przesunięć pasm energetycznych z charakterystyką diody.
8. Założenia i ograniczenia przykładu.8. Założenia i ograniczenia przykładu.
Jest to uproszczony, idealny przykład wykorzystywany w celach dydaktycznych. Grubość warstw półprzewodnika i stężenie domieszek są prawdopodobne dla epitaksjalnej struktury III–V, jednak sam ten przykład nie stanowi podstawy do stworzenia produktu, który można by produkować na skalę przemysłową lub który byłby zoptymalizowany pod kątem wydajności. Obliczenia zakładają idealne kontakty omowe, jednorodną strukturę w płaszczyźnie poziomej, wyraźny interfejs materiałowy oraz fizykę transportu i rekombinacji opisaną w wybranych modelach.Jest to uproszczony, idealny przykład wykorzystywany w celach dydaktycznych. Grubość warstw półprzewodnika i stężenie domieszek są prawdopodobne dla epitaksjalnej struktury III–V, jednak sam ten przykład nie stanowi podstawy do stworzenia produktu, który można by produkować na skalę przemysłową lub który byłby zoptymalizowany pod kątem wydajności. Obliczenia zakładają idealne kontakty omowe, jednorodną strukturę w płaszczyźnie poziomej, wyraźny interfejs materiałowy oraz fizykę transportu i rekombinacji opisaną w wybranych modelach.
W strukturze AlGaAs/GaAs mogą występować dodatkowe zjawiska związane z transportem ładunków w rzeczywistych urządzeniach. Praktyczne aspekty, takie jak styki, defekty, rekombinacja na powierzchni, zaburzenia w strukturze stopu, samonagrzewanie i efekty podłoża, mogą również wpływać na mierzone charakterystyki. W tym modelu wyłączono rekombinację Augera, a symulacja polega na przeprowadzeniu pomiarów elektrycznych w warunkach braku światła, a nie na przewidywaniu wydajności skalibrowanej diody LED, fotodiody lub ogniwa słonecznego. Dokładna weryfikacja wymaga danych eksperymentalnych i niezależnie sprawdzonych parametrów materiałowych.W strukturze AlGaAs/GaAs mogą występować dodatkowe zjawiska związane z transportem ładunków w rzeczywistych urządzeniach. Praktyczne aspekty, takie jak styki, defekty, rekombinacja na powierzchni, zaburzenia w strukturze stopu, samonagrzewanie i efekty podłoża, mogą również wpływać na mierzone charakterystyki. W tym modelu wyłączono rekombinację Augera, a symulacja polega na przeprowadzeniu pomiarów elektrycznych w warunkach braku światła, a nie na przewidywaniu wydajności skalibrowanej diody LED, fotodiody lub ogniwa słonecznego. Dokładna weryfikacja wymaga danych eksperymentalnych i niezależnie sprawdzonych parametrów materiałowych.
9. Kolejne kroki.9. Kolejne kroki.
Po odtworzeniu krzywej J–V i zlokalizowaniu heterozłącza na diagramie pasmowym, najbardziej użyteczne następne obliczenie to kontrolowane porównanie składu stopu: należy zmieniać zawartość aluminium, utrzymując stałe stężenie domieszek i grubość, oraz śledzić zmiany w poziomie przewodnictwa, poziomie walencyjnym i prądzie przy polaryzacji przewodzącej. Obliczenia dla homozłącza GaAs stanowią użyteczne odniesienie.Po odtworzeniu krzywej J–V i zlokalizowaniu heterozłącza na diagramie pasmowym, najbardziej użyteczne następne obliczenie to kontrolowane porównanie składu stopu: należy zmieniać zawartość aluminium, utrzymując stałe stężenie domieszek i grubość, oraz śledzić zmiany w poziomie przewodnictwa, poziomie walencyjnym i prądzie przy polaryzacji przewodzącej. Obliczenia dla homozłącza GaAs stanowią użyteczne odniesienie.
Więcej informacji na temat sposobu przechowywania przez OghmaNano konfiguracji urządzeń i parametrów modeli materiałowych można znaleźć w dokumencie: szczegółowa dokumentacja zaawansowanego formatu plików Oghma.Więcej informacji na temat sposobu przechowywania przez OghmaNano konfiguracji urządzeń i parametrów modeli materiałowych można znaleźć w dokumencie: szczegółowa dokumentacja zaawansowanego formatu plików Oghma.