Symulacja diody półprzewodnikowej GaAs złączem PN: model dryfu i dyfuzji, charakterystyki prądowo-napięciowe i rekombinacja.

2. Tworzenie nowej symulacji.

Na początek utwórz nową symulację w głównym oknie programu OghmaNano. Kliknij przycisk „Nowa symulacja” na pasku narzędzi. Spowoduje to otwarcie okna dialogowego do wyboru typu symulacji (patrz ??).

W oknie dialogowym, które symuluje działanie programu, kliknij dwukrotnie na „Przykłady GaAs”, a następnie wybierz przykład „Złącze/dioda GaAs” (patrz ??). OghmaNano załaduje zdefiniowaną wcześniej strukturę złącza GaAs, którą potraktujemy jako diodę PN.

Struktura urządzenia z uwzględnionymi obciążeniami jest wyświetlana w głównym oknie symulacji (patrz ??). Chociaż problem elektryczny rozwiązany w tym samouczku ma charakter jednowymiarowy, widok 3D zapewnia wyraźną wizualizację pionowej struktury warstw oraz obszarów, w których zachodzą procesy transportu i rekombinacji nośników ładunku.

Dioda jest zrealizowana jako sekwencja pionowo ułożonych warstw GaAs, składająca się z silnie domieszkowanej warstwy p+, słabiej domieszkowanej warstwy p, słabo domieszkowanej warstwy n oraz silnie domieszkowanej warstwy n+. Ta struktura jest wyraźnie opisana w edytorze warstw (patrz ??), gdzie każdej warstwie przypisywana jest grubość, materiał i rola elektryczna.

Centralne warstwy typu p i n tworzą aktywny złącze PN. W stanie równowagi na granicy między tymi warstwami powstaje obszar zubożony w nośniki, co generuje wewnętrzne pole elektryczne, które kontroluje separację i transport nośników. Cienkie, silnie domieszkowane warstwy typu p+ i n+ pełnią funkcję obszarów kontaktowych o niskiej rezystancji, co zapewnia, że przyłożone napięcie głównie wypada na złączu, a nie na kontaktach.

W dalszych częściach tekstu przedstawiona struktura będzie traktowana jako element jednowymiarowy: wszystkie zmiany będą rozpatrywane wzdłuż kierunku wzrostu, natomiast zmiany w kierunku poprzecznym będą pomijane. Pomimo tego uproszczenia, model oddaje kluczowe aspekty elektrostatyki, transportu nośników i fizyki rekombinacji, które determinują charakterystykę prądowo-napięciową (I–V) diod GaAs PN w stanie wyłączonym, wykorzystywanych w praktycznych układach optoelektronicznych i szybkich urządzeń elektronicznych.

3. Analiza profilu stosowania dopingu.

Profil domieszkowania określa charakterystykę złącza PN w arsenku galu (GaAs), a tym samym definiuje podstawowe właściwości elektrostatyczne diody. Określa on położenie złącza, potencjał wewnętrzny, szerokość warstwy zaporowej oraz wewnętrzne pole elektryczne, które powstaje w stanie równowagi i pod wpływem zewnętrznego napięcia.

Aby wyświetlić konfigurację domieszkowania, otwórz edytor „Domieszkowanie/jony” w sekcji „Elektryczne” na wstążce narzędzi (patrz ??). Edytor wyświetla przestrzenny rozkład zjonizowanych donorów i akceptorów w funkcji głębokości (patrz ??).

W tym samouczku diodę tworzy się, stosując standardowy profil domieszkowania GaAs typu p+/p/n/n+. Środkowe obszary typu p i n są umiarkowanie domieszkowane i tworzą aktywną złączę PN, w której powstaje obszar zubożony i wbudowane pole elektryczne.

Cienkie, silnie domieszkowane warstwy typu p+ i n+ pełnią funkcję obszarów kontaktowych o niskiej rezystancji. Ich zadaniem jest zapewnienie dobrego wprowadzania i wyprowadzania nośników ładunku, przy jednoczesnym ograniczeniu spadku napięcia do obszaru złącza, a nie do samych kontaktów.

W ramach niniejszego poradnika kluczowym elementem jest sprawdzenie, czy urządzenie zawiera jedną warstwę, w której dominuje domieszkowanie akceptorowe, oraz jedną warstwę, w której dominuje domieszkowanie donorowe, przy czym między nimi musi występować wyraźna granica. Dokładne wartości liczbowe stężeń domieszek mają przede wszystkim wpływ na szerokość warstwy zubożonej i natężenie wbudowanego pola, co zostanie omówione pośrednio poprzez analizę charakterystyki prądowo-napięciowej diody w warunkach braku oświetlenia w dalszych częściach poradnika.

4. Analiza parametrów elektrycznych i mechanizmów rekombinacji.

Parametry materiałów elektrycznych są definiowane dla każdego obszaru oddzielnie i kontrolują transport nośników, rekombinację oraz właściwości elektrostatyczne w całej diodzie. Otwórz edytor parametrów elektrycznych w głównym oknie, przechodząc do: Struktura urządzenia → Parametry elektryczne. Każda warstwa w strukturze urządzenia ma własną zakładkę z parametrami. W tym samouczku używamy tego samego modelu materiału GaAs we wszystkich czterech obszarach, ale interpretujemy je inaczej: obszary p+ i n+ pełnią funkcję obszarów kontaktowych o niskiej rezystancji, natomiast obszary p i n tworzą aktywny złącze PN.

Na rysunkach ??–?? przedstawiono edytor parametrów elektrycznych dla każdej warstwy (p+, p, n, n+). W przypadku arsenku galu (GaAs) najbardziej rzucające się w oczy parametry to mobilność nośników: mobilność elektronów jest wysoka w porównaniu z krzemem, natomiast mobilność dziur jest umiarkowana. Ta asymetria jest charakterystyczną cechą arsenku galu i stanowi podstawę jego szerokiego zastosowania w elektronice wysokiej częstotliwości.

Ponieważ transport nośników w arsenku galu (GaAs) jest zazwyczaj szybki, zwłaszcza w przypadku elektronów, charakterystyka prądowo-napięciowa (I–V) w ciemności dla złącza PN z arsenku galu często nie jest ograniczona przez transport w objętości materiału. Zamiast tego, na zachowanie urządzenia wpływa równowaga między wstrzykiwaniem nośników, właściwościami elektrostatycznymi i procesami rekombinacji. Dlatego parametry wyświetlane w edytorze przede wszystkim kontrolują, jak efektywnie nośniki, które zostały wstrzyknięte, są usuwane przez procesy rekombinacji, gdy bariera złącza zostaje zmniejszona.

Efektywne gęstości stanów, wyświetlane w edytorze (np. ??), określają statystykę nośników ładunku i równowagowe stężenia nośników dla GaAs. Wartości te różnią się od wartości dla krzemu ze względu na odmienną strukturę pasmową i efektywne masy GaAs, i mają bezpośredni wpływ zarówno na poziom wstrzykiwania nośników, jak i na szybkość rekombinacji poprzez gęstość elektronów i dziur \(n\) i \(p\).

Rekombinacja wolnych nośników (promieniowania).

Ponieważ GaAs jest półprzewodnikiem o bezpośredniej przerwie energetycznej, rekombinacja między swobodnymi elektronami i swobodnymi dziurami może zachodzić efektywnie poprzez procesy radiacyjne. W wysokiej jakości GaAs, ten kanał rekombinacji swobodnych elektronów ze swobodnymi dziurami jest często dominującym mechanizmem strat w aktywnym złączu przy polaryzacji przewodzącej. W OghmaNano proces ten jest kontrolowany przez stałą szybkości rekombinacji swobodnych elektronów ze swobodnymi dziurami, którą można zobaczyć w edytorze parametrów elektrycznych (np. ??).

Odpowiadająca temu współczynnik rekombinacji ma postać:

gdzie \(B\) to współczynnik rekombinacji swobodnej (radiacyjnej). W arsenku galu (GaAs) ten składnik może dominować w procesie rekombinacji, gdy nośniki ładunku są wprowadzane do złącza, szczególnie gdy gęstość defektów jest niska. W rezultacie, charakterystyka prądowo-napięciowa diody GaAs o wysokiej jakości w stanie wyłączonym odzwierciedla zazwyczaj fizykę rekombinacji radiacyjnej, a nie ograniczenia wynikające z obecności defektów.

Rekombinacja Shockleya–Reada–Halla (SRH)

Proces rekombinacji Shockleya–Reada–Halla (SRH) opisuje rekombinację, w której pośredniczą defekty, poprzez stany elektroniczne w przerwie energetycznej. W OghmaNano proces ten jest kontrolowany za pomocą parametrów pułapki SRH w stanie równowagi, które można zobaczyć w edytorze (patrz ??): energia pułapki \(E_t\) (w odniesieniu do środka przerwy energetycznej), gęstość pułapki \(N_t\) oraz przekroje czynne dla wychwytu elektronów i dziur \(\sigma_n\) i \(\sigma_p\).

W arsenku galu (GaAs) rekombinacja SRH zazwyczaj nie stanowi granicy rekombinacji właściwej dla danego materiału. Zamiast tego, stanowi ona wskaźnik jakości materiału i gęstości defektów. W wysokiej jakości, epitaksjalnym arsenku galu, rekombinacja SRH jest słaba, a dominuje rekombinacja radiacyjna; w materiałach o niższej jakości lub w pobliżu interfejsów i obszarów uszkodzonych w procesie, rekombinacja SRH może stać się znacząca.

Czas życia stanów wzbudzonych (SRH) jest określony przez:

a uzyskana w ten sposób częstotliwość rekombinacji wynosi

W tym samouczku celowo zachowujemy proces rekombinacji SRH. Pozwala to zbadać, w jaki sposób zwiększenie gęstości defektów lub skrócenie czasu życia nośników ładunku powoduje zmianę charakterystyki diody – od dominującej emisji promieniowania do ograniczonej rekombinacją, co jest szczególnie istotne dla zrozumienia działania rzeczywistych urządzeń, w których procesy technologiczne i właściwości interfejsów odgrywają kluczową rolę.

Elektrostatyka i parametry pasm energetycznych

Na koniec, w każdej zakładce odpowiadającej danej warstwie można zobaczyć strukturę pasmową i parametry elektrostatyczne, które służą do określenia właściwości GaAs (np. ??): powinowactwo elektronowe, szerokość pasma (\(E_g \approx 1.42\,\mathrm{eV}\) w temperaturze pokojowej) oraz względna przenikalność dielektryczna (\(\varepsilon_r \approx 12.9\)). Parametry te określają wbudowany potencjał złącza PN i definiują zakres napięcia, w którym zachodzi znaczący wstrzyknięcie nośników.

W przypadku arsenku galu (GaAs) połączenie bezpośredniej przerwy energetycznej i wysokiej ruchliwości nośników ładunku oznacza, że po zmniejszeniu bariery potencjału w złączu, nośniki są efektywnie wprowadzane, a fizyka rekombinacji staje się dominującym czynnikiem kształtującym charakterystykę prądowo-napięciową w stanie wyłączonym. Zrozumienie, w jaki sposób te parametry elektryczne współdziałają ze sobą, jest zatem niezbędne do interpretacji zarówno wyników symulacji, jak i rzeczywistego zachowania urządzeń wykonanych z arsenku galu.

5. Uruchomienie symulacji, analiza charakterystyk prądowo-napięciowych (I–V) oraz wyznaczanie parametrów.

Po zdefiniowaniu struktury urządzenia, profilu domieszkowania i parametrów elektrycznych, można uruchomić symulację diody bezpośrednio z głównego okna. Kliknij „Uruchom symulację”, aby rozpocząć działanie programu. Podczas działania, informacje o konwergencji dla każdego punktu polaryzacji są zapisywane w oknie terminala, co pozwala na monitorowanie stabilności i postępu obliczeń (patrz ??).

Aby sprawdzić charakterystykę diody, otwórz zakładkę „Wyjście” i kliknij dwukrotnie jv.csv (patrz ??). W przypadku prawidłowo skonfigurowanej diody GaAs, krzywa I–V powinna być gładka i monotoniczna. Przy polaryzacji odwrotnej prąd pozostaje niewielki i słabo zależy od napięcia, co odzwierciedla nasycenie ograniczone rekombinacją. Przy polaryzacji przewodzącej prąd gwałtownie wzrasta wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia, co odpowiada wstrzykiwaniu nośników przez złącze PN.

Kształt obszaru przewodzenia w kierunku prostym zawiera cenne informacje fizyczne. Na wykresie półlogarytmicznym nachylenie eksponencjalnego obszaru można wykorzystać do określenia współczynnika idealności, który wskazuje, czy prąd jest głównie determinowany przez transport ograniczony dyfuzją (\(n \approx 1\)) czy przez procesy ograniczone rekombinacją (\(n \approx 2\)). Ekstrapolowana wartość punktu przecięcia tego obszaru pozwala oszacować prąd nasycenia w kierunku wstecznym, który jest bezpośrednio powiązany z parametrami rekombinacji SRH i Augera, o których mowa w sekcji 4. W arsenku galu (GaAs), bezpośrednia przerwa energetyczna i zazwyczaj wysoka ruchliwość nośników oznaczają, że wstrzykiwanie może być bardzo wydajne, dlatego ustawienia rekombinacji często wykazują szczególnie wyraźne cechy w nachyleniu i punkcie przecięcia obszaru przewodzenia w kierunku prostym.

Jako ogólną zasadę należy zawsze analizować charakterystykę prądowo-napięciową (I–V) przed interpretacją jakichkolwiek wyznaczonych wartości. Nieciągłości, nieoczekiwane zmiany znaku lub niefizyczne skoki prądu zwykle wskazują na problemy związane z warunkami brzegowymi, zmianami napięcia polaryzującego, ustawieniami rekombinacji lub zbieżnością algorytmu. W przypadku prostego, takiego jak ten, diody PN wykonanej z arsenku galu (GaAs), charakterystyka prądowo-napięciowa w warunkach braku oświetlenia powinna być łatwa do zrozumienia i interpretacji.

6. Analiza migawek z symulacji: pasma, rekombinacja i przepływ prądu.

Podczas symulacji w zakresie napięcia i prądu (I–V), OghmaNano zapisuje wewnętrzne rozwiązanie równań dyfuzji w każdym punkcie napięcia w katalogu „snapshots”. Pliki te zawierają informacje o tym, co przewiduje algorytm wewnątrz diody: zakrzywienie pasm energetycznych, rozszczepienie quasi-poziomu Fermiego, aktywność rekombinacji oraz transport prądu. Analiza tych parametrów jest niezbędna do zrozumienia, dlaczego powstaje określona charakterystyka I–V.

W tej sekcji analizujemy trzy charakterystyczne punkty pracy, w których występuje polaryzacja: polaryzacja wsteczna bliska stanowi równowagi (−0,1 V), umiarkowana polaryzacja w kierunku przewodzenia w pobliżu progu przewodzenia (≈0,45 V) oraz wysoka polaryzacja w kierunku przewodzenia (0,8 V). Razem, te przykładowe stany ilustrują przejście od stanu równowagi, przez transport ograniczony wstrzykiwaniem nośników, do pracy przy wysokim wstrzykiwaniu nośników. W przypadku GaAs, obserwuje się podobne jakościowe przejście, przy czym dominującym mechanizmem rekombinacji w aktywnej warstwie jest zazwyczaj rekombinacja swobodnych nośników (radiacyjna), a nie rekombinacja ograniczona defektami (SRH).

6.1 Brzegi pasm energetycznych i quasi-poziomy Fermiego

Aby odtworzyć wykresy pasm energii, otwórz program do przeglądania zrzutów ekranu i dodaj pliki Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv i Fp.csv. Odpowiadają one odpowiednio krawędzi pasma przewodnictwa, krawędzi pasma walencyjnego, quasi-poziomowi Fermiego dla elektronów i quasi-poziomowi Fermiego dla dziur.

Przy napięciu −0,1 V (rycina ??), dioda znajduje się blisko stanu równowagi. Zakrzywienie pasm energetycznych odzwierciedla wbudowany potencjał wynikający z profilu domieszkowania, a quasi-poziomy Fermiego są prawie płaskie i pokrywają się, co wskazuje na znikomy przepływ prądu netto. Obszar zubożenia jest wyraźnie widoczny jako obszar o silnym zakrzywieniu pasm w miejscu połączenia. Przy napięciu około 0,45 V (rycina ??), polaryzacja przewodząca zmniejsza barierę potencjału w miejscu połączenia. Quasi-poziomy Fermiego dla elektronów i dziur rozdzielają się w obszarze zubożenia, co stanowi wewnętrzny wskaźnik wstrzykiwania nośników. Ta separacja quasi-poziomów Fermiego jest bezpośrednio odpowiedzialna za wykładniczy wzrost prądu obserwowany na krzywej I–V. Przy napięciu 0,8 V (rycina ??), miejsce połączenia jest silnie spolaryzowane w kierunku przewodzącym. Bariera jest znacznie osłabiona, quasi-poziomy Fermiego są znacznie rozdzielone, a urządzenie pracuje w trybie wysokiego wstrzykiwania, w którym gęstość nośników jest duża w większości obszaru struktury. W arsenku galu (GaAs) ta separacja quasi-poziomów Fermiego jest szczególnie istotna, ponieważ jest bezpośrednio związana z silnym wstrzykiwaniem nośników i efektywną rekombinacją swobodnych nośników w obszarze aktywnym.

6.4 Rekombinacja swobodnych nośników ładunku (radiacyjna) w obszarze aktywnym.

Rekombinację swobodnych nośników można badać, przedstawiając graficznie R_nfree_to_pfree.csv, który odzwierciedla lokalną szybkość rekombinacji radiacyjnej w funkcji położenia. W arsenku galu (GaAs) ten mechanizm jest zazwyczaj dominującym mechanizmem rekombinacji w aktywnym obszarze złącza przy polaryzacji przewodzącej, ponieważ GaAs jest półprzewodnikiem o bezpośredniej przerwie energetycznej, a przejścia radiacyjne są wydajne. Analizując te wykresy, należy zwrócić uwagę przede wszystkim na ogólny kształt profilu rekombinacji i sposób, w jaki zmienia się jego wartość w zależności od polaryzacji, a nie na szczegółową strukturę przestrzenną.

Przy bardzo niskim napięciu polaryzacyjnym (rycina ??) rekombinacja swobodnych nośników ładunku jest słaba, ponieważ urządzenie jest bliskie stanowi równowagi, a iloczyn koncentracji nośników \(np\) pozostaje bliski wartości \(n_i^2\). Chociaż arsenek galu sprzyja wydajnym przejściom radiacyjnym, wymagane do uzyskania wysokiej częstotliwości przejściów radiacyjnych koncentracje nośników ładunku jeszcze nie występują.

Gdy diodę poddaje się polaryzacji przewodzącej (rysunek ??), w większości obszaru struktury współistnieją wstrzykiwane elektrony i dziury. W rezultacie powstaje profil rekombinacji, w którym swobodne nośniki łączą się, tworząc szeroki, łagodnie zakrzywiony kształt przypominający „czapeczkę”, który rozciąga się prawie na całej powierzchni urządzenia. Kształt ten odzwierciedla fakt, że rekombinacja radiacyjna zależy głównie od lokalnego iloczynu koncentracji nośników \(np\), który jest stosunkowo jednorodny w obszarach quasi-neutralnych po rozpoczęciu wstrzykiwania. W przeciwieństwie do rekombinacji SRH, nie występuje tu silna lokalizacja w obszarze zubożenia.

Przy wysokim napięciu polaryzacji w kierunku przewodzenia (rycina ??), ogólny kształt profilu rekombinacji pozostaje zbliżony, natomiast jego wartość wzrasta o wiele rzędów wielkości. Jest to kluczowa cecha diagnostyczna rekombinacji zdominowanej przez procesy radiacyjne w arsenku galu (GaAs): zwiększenie napięcia polaryzacji powoduje przede wszystkim wzrost gęstości nośników w całym obszarze, a nie zmianę miejsca, w którym zachodzi rekombinacja. Gładki profil, obejmujący całe urządzenie, wskazuje, że radiacyjna rekombinacja działa jako proces objętościowy we wszystkich obszarach, w których wprowadzane są nośniki.

To zachowanie wyraźnie kontrastuje z rekombinacją pośredniczoną przez defekty. Rekombinacja SRH zazwyczaj generuje wąskie, skoncentrowane w obszarze złącza piki, które rozszerzają się dopiero przy wysokim poziomie wstrzykiwania, natomiast rekombinacja swobodnych nośników w arsenku galu (GaAs) tworzy pojedynczą, rozległą strefę rekombinacji, której wysokość – a nie rozciągłość przestrzenna – odzwierciedla poziom wstrzykiwania. W urządzeniach o bezpośredniej przerwie energetycznej ten szeroki profil radiacyjny jest zatem charakterystyczny dla wysokiej jakości materiału i efektywnego wstrzykiwania nośników i często stanowi dominujący wkład w bilans rekombinacji, który kształtuje charakterystykę I–V.

6.2 Rekombinacja Shockleya–Reada–Halla

Aby zbadać rekombinację pośredniczoną przez defekty, należy przeanalizować wykres R_ss_srh.csv, który przedstawia rozkład przestrzenną szybkości rekombinacji Shockleya–Reada–Halla wewnątrz diody. Poniższe trzy wykresy odpowiadają tym samym punktom polaryzacji, które wykorzystano w analizie diagramu pasm: −0,1 V, ≈0,45 V i 0,8 V. W przypadku GaAs wykresy te najlepiej interpretować jako narzędzie diagnostyczne do oceny strat związanych z pułapkami, a nie jako dominujący kanał rekombinacji w wysokiej jakości złączu. Kluczowym aspektem, na którym należy się skupić, jest porównanie przestrzennej lokalizacji rekombinacji SRH z szerszym profilem wolnych nośników przedstawionym powyżej.

Przy napięciu −0,1 V (rycina ??), dioda znajduje się blisko stanu równowagi. Elektrony dominują w obszarze typu n, a dziury w obszarze typu p, dlatego znacząca rekombinacja SRH może wystąpić tylko w wąskim obszarze wokół złącza, gdzie oba rodzaje nośników ładunku występują jednocześnie. W rezultacie szybkość rekombinacji SRH jest silnie zlokalizowana w centrum urządzenia, pokrywając się z obszarem zubożenia. Przy napięciu około 0,45 V (rycina ??), polaryzacja przewodząca wprowadza nośniki ładunku przez złącze i zwiększa lokalny iloczyn gęstości elektronów i dziur. Maksimum rekombinacji SRH znacznie wzrasta, ale pozostaje zlokalizowane w centralnej części urządzenia. Oznacza to, że rekombinacja SRH pozostaje kanałem strat skoncentrowanym wokół złącza, kontrolowanym przez nakładanie się nośników ładunku i aktywność pułapek w obszarze zubożenia i w jego pobliżu. Przy 0,8 V (rycina ??), zachowanie się zmienia, ponieważ wprowadzenie nośników ładunku wzrasta w całej strukturze. Jednak nawet gdy rekombinacja SRH się rozprzestrzenia, zazwyczaj pozostaje silniej skoncentrowana w obszarze złącza niż rekombinacja swobodna, która ma tendencję do rozprzestrzeniania się w obszarach quasi-neutralnych w GaAs.

Porównanie dwóch kanałów rekombinacji pozwala uzyskać cenne informacje na temat wewnętrznego działania diody GaAs. Rekombinacja typu „wolny nośnik – wolny nośnik” tworzy objętościowy obszar pochłaniania nośników po rozpoczęciu procesu wstrzykiwania i zazwyczaj dominuje w ogólnym bilansie rekombinacji w aktywnym obszarze urządzenia. Z kolei rekombinacja SRH wskazuje, gdzie koncentruje się strata związana z obecnością pułapek – często w obszarze zubożenia lub w jego pobliżu – co czyni ją wrażliwym wskaźnikiem jakości materiału i uszkodzeń na powierzchni. To rozróżnienie pomaga wyjaśnić, dlaczego diody GaAs mogą wykazywać silne wstrzykiwanie i duże prądy, a jednocześnie pozostają bardzo wrażliwe na defekty w obszarze złącza.

6.3 Gęstości prądu elektronów i dziur.

Na koniec należy zbadać prądy nośnikowe, przedstawiając na wykresach Jn.csv i Jp.csv, które ilustrują odpowiednio rozkład gęstości prądu elektronów i dziur w przestrzeni. Wykresy te pozwalają bezpośrednio obserwować, w jaki sposób ładunek jest transportowany przez diodę w różnych warunkach polaryzacji oraz jak urządzenie przechodzi ze stanu równowagi do stanu ustalonego przewodzenia w kierunku przewodzenia.

Przy napięciu −0,1 V (rycina ??), dioda znajduje się blisko stanu równowagi, a rzeczywisty prąd fizyczny jest bardzo mały. Strumienie elektronów i dziur są niemal zrównoważone w całym urządzeniu, więc wypadkowy prąd wynika z różnicy dwóch prawie równych wartości. W tym reżimie problem numeryczny jest z natury źle określony, dlatego można się spodziewać niewielkich oscylacji lub pozornego szumu w profilach prądu. W tym przykładzie z użyciem GaAs efekt ten może być bardziej wyraźny: połączenie bardzo szybkiego transportu nośników (szczególnie elektronów) i bardzo małego wypadkowego prądu sprawia, że problem kompensacji jest bardziej zauważalny, dlatego surowe dane Jn/Jp mogą wydawać się wyraźnie zaszumione, mimo że podstawowa fizyka sprowadza się do „prawie zerowego prądu”. Przy ≈0,45 V (rycina ??), polaryzacja przewodząca powoduje wstrzykiwanie nośników przez złącze. Prąd elektronów dominuje po stronie n, a prąd dziur dominuje po stronie p, ale oba prądy są ciągłe w całym urządzeniu, co odzwierciedla stałą konserwację ładunku. Gęstość prądu szybko wzrasta w porównaniu z sytuacją bliską równowadze, jednak profile mogą nadal wykazywać niewielkie struktury numeryczne w pobliżu złącza, gdzie gradienty są strome. W GaAs, gdzie wstrzykiwanie może szybko nastąpić po zmniejszeniu bariery, często obserwuje się, że prądy „stabilizują się” dopiero po tym, jak urządzenie wyraźnie opuści reżim o niskim prądzie, w którym dominuje kompensacja. Przy 0,8 V (rycina ??), dioda pracuje w głębokiej polaryzacji przewodzącej. Gęstość nośników jest wysoka w całej strukturze, a zarówno prąd elektronów, jak i dziur stają się duże, bardziej gładkie i bardziej jednorodne w obszarach quasi-neutralnych. Nawet tutaj symulacje GaAs mogą zachowywać pewne resztkowe zakłócenia w surowych profilach prądu, szczególnie jeśli solver raportuje nieskalibrowane prądy w punktach; kluczowym wskaźnikiem jest to, że ogólny trend jest fizycznie spójny, z ciągłym przepływem prądu i brakiem niepożądanych zmian znaku w aktywnym urządzeniu.

Analizując te wykresy gęstości prądu łącznie, można uzyskać spójny obraz działania diody: od niemal idealnej kompensacji strumieni elektronów i dziur w stanie równowagi, poprzez przewodzenie w kierunku przewodnim ograniczone przez proces wstrzykiwania, aż po transport w stanie ustalonym przy dużym prądzie i dużym napięciu przewodzącym.