Symulacja diody PN złączowej wykonanej z azotku galu (GaN): model dryfu i dyfuzji, charakterystyki prądowo-napięciowe (J–V) i rekombinacja.Symulacja diody PN złączowej wykonanej z azotku galu (GaN): model dryfu i dyfuzji, charakterystyki prądowo-napięciowe (J–V) i rekombinacja.

1. Wprowadzenie1. Wprowadzenie

Dioda PN wykonana z azotku galu (GaN) składa się z obszarów półprzewodnika typu p i typu n, które są połączone ze sobą, tworząc złącze prostownicze. Elektrony i dziury przemieszczają się w obrębie złącza, tworząc obszar zubożenia i wbudowaną barierę potencjału. W warunkach polaryzacji przewodzącej, bariera zmniejsza się, a prąd gwałtownie wzrasta; w warunkach polaryzacji wstecznej, złącze hamuje wstrzykiwanie nośników. Otrzymana asymetryczna charakterystyka prądowo-napięciowa stanowi podstawową zasadę działania półprzewodnikowego prostownika.Dioda PN wykonana z azotku galu (GaN) składa się z obszarów półprzewodnika typu p i typu n, które są połączone ze sobą, tworząc złącze prostownicze. Elektrony i dziury przemieszczają się w obrębie złącza, tworząc obszar zubożenia i wbudowaną barierę potencjału. W warunkach polaryzacji przewodzącej, bariera zmniejsza się, a prąd gwałtownie wzrasta; w warunkach polaryzacji wstecznej, złącze hamuje wstrzykiwanie nośników. Otrzymana asymetryczna charakterystyka prądowo-napięciowa stanowi podstawową zasadę działania półprzewodnikowego prostownika.

GaN to półprzewodnik z grupy III–V o szerokiej przerwie energetycznej, której wartość w temperaturze pokojowej wynosi około 3,4 eV. Wysokie krytyczne pole elektryczne i niska koncentracja nośników wewnętrznych sprawiają, że materiał ten jest atrakcyjny do zastosowań w układach konwersji mocy, prostowaniu elektrycznym i elektronice wysokotemperaturowej. Kompaktowy homozłącze p-GaN/n-GaN, wykorzystany w tym przykładzie, stanowi doskonałą platformę do badania, w jaki sposób wbudowana bariera wpływa na przepływ prądu i jak właściwości materiałowe GaN wpływają na działanie złącza prostowniczego.GaN to półprzewodnik z grupy III–V o szerokiej przerwie energetycznej, której wartość w temperaturze pokojowej wynosi około 3,4 eV. Wysokie krytyczne pole elektryczne i niska koncentracja nośników wewnętrznych sprawiają, że materiał ten jest atrakcyjny do zastosowań w układach konwersji mocy, prostowaniu elektrycznym i elektronice wysokotemperaturowej. Kompaktowy homozłącze p-GaN/n-GaN, wykorzystany w tym przykładzie, stanowi doskonałą platformę do badania, w jaki sposób wbudowana bariera wpływa na przepływ prądu i jak właściwości materiałowe GaN wpływają na działanie złącza prostowniczego.

W tym samouczku wykorzystano program OghmaNano do analizy takich zjawisk, jak prostowanie elektryczne, transport nośników w wyniku dryfu i dyfuzji, zakrzywienie pasm energetycznych oraz rekombinacja. Połączone równania Poissona oraz równania ciągłości dla elektronów i dziur pozwalają obliczyć prąd przepływający przez diodę, a także wewnętrzny rozkład nośników i potencjału elektrostatycznego w funkcji położenia i przyłożonego napięcia. Dzięki temu można powiązać znaną charakterystykę J–V z procesami fizycznymi zachodzącymi w obszarze złącza.W tym samouczku wykorzystano program OghmaNano do analizy takich zjawisk, jak prostowanie elektryczne, transport nośników w wyniku dryfu i dyfuzji, zakrzywienie pasm energetycznych oraz rekombinacja. Połączone równania Poissona oraz równania ciągłości dla elektronów i dziur pozwalają obliczyć prąd przepływający przez diodę, a także wewnętrzny rozkład nośników i potencjału elektrostatycznego w funkcji położenia i przyłożonego napięcia. Dzięki temu można powiązać znaną charakterystykę J–V z procesami fizycznymi zachodzącymi w obszarze złącza.

Cienkie, ułożone w stos warstwy są wyświetlane w głównym oknie urządzenia OghmaNano (??). Wizualizacja jest trójwymiarowa, ale prezentowane tutaj symulacje elektryczne są jednowymiarowe i dotyczą kierunku wzrostu warstw.Cienkie, ułożone w stos warstwy są wyświetlane w głównym oknie urządzenia OghmaNano (??). Wizualizacja jest trójwymiarowa, ale prezentowane tutaj symulacje elektryczne są jednowymiarowe i dotyczą kierunku wzrostu warstw.

2. Tworzenie nowej symulacji.2. Tworzenie nowej symulacji.

W głównym oknie programu OghmaNano wybierz opcję „Nowa symulacja”. W pierwszym oknie dialogowym wyświetlane są dostępne kategorie symulacji (??). Otwórz przykłady dotyczące struktur III–V/GaN i wybierz demonstrację diody PN z azotku galu (??). Dokładna kolejność przykładów może się różnić w zależności od wersji programu OghmaNano.W głównym oknie programu OghmaNano wybierz opcję „Nowa symulacja”. W pierwszym oknie dialogowym wyświetlane są dostępne kategorie symulacji (??). Otwórz przykłady dotyczące struktur III–V/GaN i wybierz demonstrację diody PN z azotku galu (??). Dokładna kolejność przykładów może się różnić w zależności od wersji programu OghmaNano.

Po załadowaniu przykładu otwórz edytor warstw w pasku narzędzi urządzenia. Dzięki temu zostaną wyświetlone obszary półprzewodnikowe, ich grubości oraz wybrane wpisy z bazy danych materiałów. Urządzenie to homozłącze PN, w którym warstwy p-GaN i n-GaN tworzą elektrycznie aktywny obszar złącza.Po załadowaniu przykładu otwórz edytor warstw w pasku narzędzi urządzenia. Dzięki temu zostaną wyświetlone obszary półprzewodnikowe, ich grubości oraz wybrane wpisy z bazy danych materiałów. Urządzenie to homozłącze PN, w którym warstwy p-GaN i n-GaN tworzą elektrycznie aktywny obszar złącza.

3. Analiza struktury urządzenia, połączeń i domieszkowania.3. Analiza struktury urządzenia, połączeń i domieszkowania.

3.1 Struktura warstwowa3.1 Struktura warstwowa

Struktura elektryczna składa się z trzech warstw azotku galu (GaN). Warstwy p-GaN i n-GaN tworzą złącze prostownicze; warstwa n⁺-GaN stanowi obszar o wyższym stopniu domieszkowania, przylegający do katody. Całkowita grubość warstwy półprzewodnikowej wynosi 700 nm, nie licząc otaczającego powietrza, które służy do wizualizacji. Edytor warstw przedstawiono na ??.Struktura elektryczna składa się z trzech warstw azotku galu (GaN). Warstwy p-GaN i n-GaN tworzą złącze prostownicze; warstwa n⁺-GaN stanowi obszar o wyższym stopniu domieszkowania, przylegający do katody. Całkowita grubość warstwy półprzewodnikowej wynosi 700 nm, nie licząc otaczającego powietrza, które służy do wizualizacji. Edytor warstw przedstawiono na ??.

3.2 Dane kontaktowe3.2 Dane kontaktowe

W opisanym przykładzie zastosowano idealne warunki brzegowe odpowiadające rezystancji omicznej na elektrodzie p i elektrodzie n. Takie warunki brzegowe pozwalają skupić się na wewnętrznej odpowiedzi elektrycznej złącza. W wytworzonych diodach GaN, rezystancja kontaktowa i aktywacja akceptorów Mg wpływają na spadek napięcia i wstrzykiwanie prądu; oba te parametry są przydatne w bardziej zaawansowanych badaniach.W opisanym przykładzie zastosowano idealne warunki brzegowe odpowiadające rezystancji omicznej na elektrodzie p i elektrodzie n. Takie warunki brzegowe pozwalają skupić się na wewnętrznej odpowiedzi elektrycznej złącza. W wytworzonych diodach GaN, rezystancja kontaktowa i aktywacja akceptorów Mg wpływają na spadek napięcia i wstrzykiwanie prądu; oba te parametry są przydatne w bardziej zaawansowanych badaniach.

3.3 Profil domieszkowania i obszar wyczerpania3.3 Profil domieszkowania i obszar wyczerpania

Otwórz edytor „Domieszki/Jony” w sekcji „Elektryczne” w celu wyświetlenia rozkładu akceptorów i donorów (??). Pojedyncze, gwałtowne przejście od warstwy p-GaN domieszkowanej akceptorami do warstwy n-GaN domieszkowanej donorami definiuje aktywną złączę PN. Warstwa n⁺ wprowadza drugą zmianę w koncentracji donorów w pobliżu katody.Otwórz edytor „Domieszki/Jony” w sekcji „Elektryczne” w celu wyświetlenia rozkładu akceptorów i donorów (??). Pojedyncze, gwałtowne przejście od warstwy p-GaN domieszkowanej akceptorami do warstwy n-GaN domieszkowanej donorami definiuje aktywną złączę PN. Warstwa n⁺ wprowadza drugą zmianę w koncentracji donorów w pobliżu katody.

W stanie równowagi termicznej w obszarze złącza powstaje warstwa zubożona, ponieważ nośniki ładunku przemieszczają się i pozostawiają za sobą zjonizowane domieszki. W przybliżeniu dotyczącym warstwy zubożonej, jej charakterystyczna szerokość zależy od przenikalności dielektrycznej, stężenia domieszek po obu stronach oraz potencjału utrzymywanego przez złącze. W przypadku konwencjonalnego złącza o nagłej zmianie parametrów, znane jest następujące zależności:W stanie równowagi termicznej w obszarze złącza powstaje warstwa zubożona, ponieważ nośniki ładunku przemieszczają się i pozostawiają za sobą zjonizowane domieszki. W przybliżeniu dotyczącym warstwy zubożonej, jej charakterystyczna szerokość zależy od przenikalności dielektrycznej, stężenia domieszek po obu stronach oraz potencjału utrzymywanego przez złącze. W przypadku konwencjonalnego złącza o nagłej zmianie parametrów, znane jest następujące zależności:

W powyższym wzorze \(V\) oznacza przyłożone napięcie na złączu, \(V_{\mathrm{bi}}\) – potencjał wewnętrzny, a \(\varepsilon_s\) – przenikalność elektryczną GaN. To równanie stanowi użyteczne odniesienie przy interpretacji obliczonego przez OghmaNano pola elektrycznego, szczególnie w kontekście analizy wpływu domieszkowania i przyłożonego napięcia na złącze.W powyższym wzorze \(V\) oznacza przyłożone napięcie na złączu, \(V_{\mathrm{bi}}\) – potencjał wewnętrzny, a \(\varepsilon_s\) – przenikalność elektryczną GaN. To równanie stanowi użyteczne odniesienie przy interpretacji obliczonego przez OghmaNano pola elektrycznego, szczególnie w kontekście analizy wpływu domieszkowania i przyłożonego napięcia na złącze.

4. Parametry elektryczne i modele materiałowe4. Parametry elektryczne i modele materiałowe

4.1 Model materiału GaN Lua4.1 Model materiału GaN Lua

Wszystkie trzy elektrycznie aktywne warstwy półprzewodnikowe odwołują się do modelu materiałowego Inorganic/GaN/GaN.lua. Baza danych materiałów elektrycznych zawiera takie parametry, jak szerokość pasma energetycznego, powinowactwo elektronowe, gęstość stanów, przenikalność elektryczna, ruchliwość nośników i parametry rekombinacji. W przykładowym pliku JSON odpowiednie przełączniki db_overrides są wyłączone, dlatego wartości, które należy uwzględnić, to te zwracane przez model Lua, a nie wartości domyślne widoczne w innym miejscu zapisanego pliku. Szerokość pasma energetycznego azotku galu (GaN) powinna wynosić około 3,4 eV w temperaturze pokojowej; należy to sprawdzić w wyświetlonych profilach pasm lub w obliczonych parametrach materiałowych.Wszystkie trzy elektrycznie aktywne warstwy półprzewodnikowe odwołują się do modelu materiałowego Inorganic/GaN/GaN.lua. Baza danych materiałów elektrycznych zawiera takie parametry, jak szerokość pasma energetycznego, powinowactwo elektronowe, gęstość stanów, przenikalność elektryczna, ruchliwość nośników i parametry rekombinacji. W przykładowym pliku JSON odpowiednie przełączniki db_overrides są wyłączone, dlatego wartości, które należy uwzględnić, to te zwracane przez model Lua, a nie wartości domyślne widoczne w innym miejscu zapisanego pliku. Szerokość pasma energetycznego azotku galu (GaN) powinna wynosić około 3,4 eV w temperaturze pokojowej; należy to sprawdzić w wyświetlonych profilach pasm lub w obliczonych parametrach materiałowych.

Poniżej znajdują się zrzuty ekranu dotyczące widoków edytora kodu materiałowego i edytora parametrów. Niektóre nazwy plików ze zrzutami ekranu zawierają historyczne oznaczenia GaAs/AlGaAs; w opisanym w tym samouczku aktywnym modelu symulacyjnym używany jest wyłącznie GaN. W oprogramowaniu należy sprawdzić ścieżkę do materiału GaN w języku Lua, zamiast wnioskować o rodzaju materiału na podstawie nazwy pliku obrazu.Poniżej znajdują się zrzuty ekranu dotyczące widoków edytora kodu materiałowego i edytora parametrów. Niektóre nazwy plików ze zrzutami ekranu zawierają historyczne oznaczenia GaAs/AlGaAs; w opisanym w tym samouczku aktywnym modelu symulacyjnym używany jest wyłącznie GaN. W oprogramowaniu należy sprawdzić ścieżkę do materiału GaN w języku Lua, zamiast wnioskować o rodzaju materiału na podstawie nazwy pliku obrazu.

4.2 Transport przez nośnik4.2 Transport przez nośnik

OghmaNano rozwiązuje równanie Poissona dla półprzewodników, uwzględniając równania ciągłości dla elektronów i dziur, przy użyciu wyrażeń opisujących prąd dryfu i dyfuzji. Gęstości prądu elektronów i dziur zależą od lokalnego pola elektrycznego, ruchliwości nośników i gradientu stężenia nośników:OghmaNano rozwiązuje równanie Poissona dla półprzewodników, uwzględniając równania ciągłości dla elektronów i dziur, przy użyciu wyrażeń opisujących prąd dryfu i dyfuzji. Gęstości prądu elektronów i dziur zależą od lokalnego pola elektrycznego, ruchliwości nośników i gradientu stężenia nośników:

Te zależności opisują dwa uzupełniające się mechanizmy: dryf spowodowany wewnętrznym polem elektrycznym oraz dyfuzję wynikającą z gradientów stężenia nośników. W stanie ustalonym ich współdziałanie decyduje o całkowitym prądzie diody. Model ten uwzględnia również quasi-poziomy Fermiego dla elektronów i dziur, a ich zmiany pozwalają na inne spojrzenie na siły napędowe nośników.Te zależności opisują dwa uzupełniające się mechanizmy: dryf spowodowany wewnętrznym polem elektrycznym oraz dyfuzję wynikającą z gradientów stężenia nośników. W stanie ustalonym ich współdziałanie decyduje o całkowitym prądzie diody. Model ten uwzględnia również quasi-poziomy Fermiego dla elektronów i dziur, a ich zmiany pozwalają na inne spojrzenie na siły napędowe nośników.

4.3 Rekombinacja4.3 Rekombinacja

Wstrzyknięte elektrony i dziury mogą rekombinować wewnątrz azotku galu (GaN). Przykład obejmuje skonfigurowane procesy rekombinacji w modelu materiału, w tym człony związane z defektami w modelu Shockleya–Reada–Halla (SRH), które są aktywne, jeśli dane dotyczące materiału to umożliwiają. Standardowe, uproszczone wyrażenie SRH wygląda następująco:Wstrzyknięte elektrony i dziury mogą rekombinować wewnątrz azotku galu (GaN). Przykład obejmuje skonfigurowane procesy rekombinacji w modelu materiału, w tym człony związane z defektami w modelu Shockleya–Reada–Halla (SRH), które są aktywne, jeśli dane dotyczące materiału to umożliwiają. Standardowe, uproszczone wyrażenie SRH wygląda następująco:

Czas życia nośników w strukturach SRH zależy od gęstości pułapek, termicznej prędkości nośników i przekroju czynnego dla wychwytu. Parametry te określają, jak efektywnie zachodzi rekombinacja wstrzykiwanych nośników, a tym samym wpływają na kształt i wartość charakterystyki prądowo-napięciowej. Analiza przestrzennego rozkładu szybkości rekombinacji pozwala zidentyfikować obszary, w których koncentruje się utrata nośników w obrębie złącza.Czas życia nośników w strukturach SRH zależy od gęstości pułapek, termicznej prędkości nośników i przekroju czynnego dla wychwytu. Parametry te określają, jak efektywnie zachodzi rekombinacja wstrzykiwanych nośników, a tym samym wpływają na kształt i wartość charakterystyki prądowo-napięciowej. Analiza przestrzennego rozkładu szybkości rekombinacji pozwala zidentyfikować obszary, w których koncentruje się utrata nośników w obrębie złącza.

4.4 Siatka obliczeniowa.4.4 Siatka obliczeniowa.

Elektryczna siatka obejmuje warstwę azotku galu (GaN) o grubości 700 nm i składa się z 150 punktów rozmieszczonych wzdłuż kierunku wzrostu, co daje średnią odległość między punktami wynoszącą około 4,7 nm. Jest to rozsądna początkowa rozdzielczość do wykorzystania w celach dydaktycznych. Edytor siatki (??) umożliwia analizę rozmieszczenia węzłów i ich modyfikację podczas badania stromych gradientów obszaru zubożenia.Elektryczna siatka obejmuje warstwę azotku galu (GaN) o grubości 700 nm i składa się z 150 punktów rozmieszczonych wzdłuż kierunku wzrostu, co daje średnią odległość między punktami wynoszącą około 4,7 nm. Jest to rozsądna początkowa rozdzielczość do wykorzystania w celach dydaktycznych. Edytor siatki (??) umożliwia analizę rozmieszczenia węzłów i ich modyfikację podczas badania stromych gradientów obszaru zubożenia.

5. Uruchomienie symulacji J–V.5. Uruchomienie symulacji J–V.

W podanym przykładzie ustawiono zakres zmian napięcia od 0 V do +5 V, ze skokiem 0,025 V. Uruchom symulację za pomocą przycisku „Uruchom symulację”. W trakcie symulacji w oknie terminala wyświetlane są liczbowe informacje o postępie i zbieżności (??). Po zakończeniu symulacji w zakładce „Wyniki” znajdują się wygenerowane dane, w tym jv.csv oraz dane dotyczące urządzenia.W podanym przykładzie ustawiono zakres zmian napięcia od 0 V do +5 V, ze skokiem 0,025 V. Uruchom symulację za pomocą przycisku „Uruchom symulację”. W trakcie symulacji w oknie terminala wyświetlane są liczbowe informacje o postępie i zbieżności (??). Po zakończeniu symulacji w zakładce „Wyniki” znajdują się wygenerowane dane, w tym jv.csv oraz dane dotyczące urządzenia.

Otwórz jv.csv, aby sprawdzić zależność między gęstością prądu a przyłożonym napięciem. Widok liniowy (??) i widok logarytmiczny (??) prezentują tę samą charakterystykę elektryczną w sposób komplementarny. Wykres liniowy pokazuje, jak prąd wzrasta przy wysokim napięciu przewodzenia; wykres logarytmiczny ułatwia analizę początku procesu wstrzykiwania i reakcji przy niskim prądzie.Otwórz jv.csv, aby sprawdzić zależność między gęstością prądu a przyłożonym napięciem. Widok liniowy (??) i widok logarytmiczny (??) prezentują tę samą charakterystykę elektryczną w sposób komplementarny. Wykres liniowy pokazuje, jak prąd wzrasta przy wysokim napięciu przewodzenia; wykres logarytmiczny ułatwia analizę początku procesu wstrzykiwania i reakcji przy niskim prądzie.

5.1 Analiza charakterystyki pracy w warunkach przewodzenia w kierunku prostym5.1 Analiza charakterystyki pracy w warunkach przewodzenia w kierunku prostym

Przy niskim napięciu przewodzenia w kierunku prostym, bariera potencjału silnie ogranicza wstrzykiwanie nośników mniejszościowych, co powoduje, że wypadkowy prąd pozostaje niewielki. Wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia, bariera na połączeniu maleje, elektrony i dziury łatwiej przechodzą przez złącze PN, a prąd gwałtownie wzrasta. Na wykresie półlogarytmicznym, lokalnie często opisuje się obszar o zbliżonym do wykładniczego przebiegu, wykorzystując równanie diody.Przy niskim napięciu przewodzenia w kierunku prostym, bariera potencjału silnie ogranicza wstrzykiwanie nośników mniejszościowych, co powoduje, że wypadkowy prąd pozostaje niewielki. Wraz ze wzrostem przyłożonego napięcia, bariera na połączeniu maleje, elektrony i dziury łatwiej przechodzą przez złącze PN, a prąd gwałtownie wzrasta. Na wykresie półlogarytmicznym, lokalnie często opisuje się obszar o zbliżonym do wykładniczego przebiegu, wykorzystując równanie diody.

gdzie \(J_0\) to efektywny prąd nasycenia, a \(n_{\mathrm{id}}\) to współczynnik idealności. To równanie stanowi przydatne narzędzie interpretacyjne, a nie niezależny model całego symulowanego urządzenia. W szczególności, zmiana nachylenia przy wyższych wartościach prądu może wskazywać na rezystancję szeregową, efekty związane z wprowadzaniem nośników lub zmiany w procesie rekombinacji. Gwałtowny wzrost prądu, widoczny na dołączonych zrzutach ekranu, jest zgodny z charakterystyką prostowania przy polaryzacji przewodzącej, jednak konkretną wartość współczynnika idealności należy podawać dopiero po dopasowaniu odpowiedniego zakresu napięć.gdzie \(J_0\) to efektywny prąd nasycenia, a \(n_{\mathrm{id}}\) to współczynnik idealności. To równanie stanowi przydatne narzędzie interpretacyjne, a nie niezależny model całego symulowanego urządzenia. W szczególności, zmiana nachylenia przy wyższych wartościach prądu może wskazywać na rezystancję szeregową, efekty związane z wprowadzaniem nośników lub zmiany w procesie rekombinacji. Gwałtowny wzrost prądu, widoczny na dołączonych zrzutach ekranu, jest zgodny z charakterystyką prostowania przy polaryzacji przewodzącej, jednak konkretną wartość współczynnika idealności należy podawać dopiero po dopasowaniu odpowiedniego zakresu napięć.

5.2 Badanie zachowania złącza przy odwróconym polaryzacji.5.2 Badanie zachowania złącza przy odwróconym polaryzacji.

Podstawowy pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej (J–V) odbywa się w zakresie od 0 V do +5 V i ilustruje proces przewodzenia w kierunku przewodzenia. W ramach dodatkowego ćwiczenia należy ustawić ujemne napięcie początkowe i zbadać zmiany w profilu pasma przewodnictwa, szerokości warstwy zubożonej i rozkładzie pola elektrycznego przy polaryzacji odwrotnej. Pozwala to na przeprowadzenie użytecznego porównania z przewodzeniem w kierunku przewodzenia i pokazuje, jak złącze PN reaguje na polaryzację przyłożonego napięcia.Podstawowy pomiar charakterystyki prądowo-napięciowej (J–V) odbywa się w zakresie od 0 V do +5 V i ilustruje proces przewodzenia w kierunku przewodzenia. W ramach dodatkowego ćwiczenia należy ustawić ujemne napięcie początkowe i zbadać zmiany w profilu pasma przewodnictwa, szerokości warstwy zubożonej i rozkładzie pola elektrycznego przy polaryzacji odwrotnej. Pozwala to na przeprowadzenie użytecznego porównania z przewodzeniem w kierunku przewodzenia i pokazuje, jak złącze PN reaguje na polaryzację przyłożonego napięcia.

6. Analiza migawek z symulacji: pasma, gęstość nośników, prądy i rekombinacja.6. Analiza migawek z symulacji: pasma, gęstość nośników, prądy i rekombinacja.

Program do przeglądania migawek wyświetla wewnętrzne dane w wybranych punktach wzdłuż zakresu zmian napięcia. Cztery obrazy w każdej grupie poniżej odpowiadają kolejno wybranym pozycjom w zapisanym zakresie zmian; są one oznaczone jako migawka 0–3, a nie konkretnymi wartościami napięcia, ponieważ sama pozycja suwaka nie określa wartości napięcia polaryzującego. Wybrana wartość przyłożonego napięcia jest wyświetlana w programie i powinna być odczytywana bezpośrednio w celu uzyskania ilościowej interpretacji.Program do przeglądania migawek wyświetla wewnętrzne dane w wybranych punktach wzdłuż zakresu zmian napięcia. Cztery obrazy w każdej grupie poniżej odpowiadają kolejno wybranym pozycjom w zapisanym zakresie zmian; są one oznaczone jako migawka 0–3, a nie konkretnymi wartościami napięcia, ponieważ sama pozycja suwaka nie określa wartości napięcia polaryzującego. Wybrana wartość przyłożonego napięcia jest wyświetlana w programie i powinna być odczytywana bezpośrednio w celu uzyskania ilościowej interpretacji.

6.1 Pasma przewodnictwa i walencyjne; quasi-poziomy Fermiego6.1 Pasma przewodnictwa i walencyjne; quasi-poziomy Fermiego

Otwórz pliki Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv i Fp.csv zawierające dane z pomiaru. Krawędzie pasma przewodnictwa i pasma walencyjnego opisują elektrostatyczną barierę złącza. Poziomy quasi-Fermiego dla elektronów i dziur pokazują, w jaki sposób populacje nośników odchylają się od stanu równowagi. Przy braku napięcia zewnętrznego poziom Fermiego w stanie równowagi powinien być taki sam w całym połączonym urządzeniu, natomiast przyłożone napięcie przewodzące powoduje stopniowe zwiększanie się różnicy między elektrochemicznymi potencjałami nośników.Otwórz pliki Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv i Fp.csv zawierające dane z pomiaru. Krawędzie pasma przewodnictwa i pasma walencyjnego opisują elektrostatyczną barierę złącza. Poziomy quasi-Fermiego dla elektronów i dziur pokazują, w jaki sposób populacje nośników odchylają się od stanu równowagi. Przy braku napięcia zewnętrznego poziom Fermiego w stanie równowagi powinien być taki sam w całym połączonym urządzeniu, natomiast przyłożone napięcie przewodzące powoduje stopniowe zwiększanie się różnicy między elektrochemicznymi potencjałami nośników.

W homozłączu GaN obie strony wykorzystują ten sam półprzewodnik, dlatego zmiany na krawędzi pasma wzdłuż granicy p-n wynikają głównie z elektrostatycznego zakrzywienia pasma. Porównaj barierę w pobliżu złącza p-n przy niskim napięciu z profilem, który występuje po zwiększeniu prądu w kierunku przewodzenia. Stopień domieszkowania n/n⁺ może wpływać na lokalne zakrzywienie, nie zmieniając przy tym podstawowej wartości przerwy energetycznej GaN.W homozłączu GaN obie strony wykorzystują ten sam półprzewodnik, dlatego zmiany na krawędzi pasma wzdłuż granicy p-n wynikają głównie z elektrostatycznego zakrzywienia pasma. Porównaj barierę w pobliżu złącza p-n przy niskim napięciu z profilem, który występuje po zwiększeniu prądu w kierunku przewodzenia. Stopień domieszkowania n/n⁺ może wpływać na lokalne zakrzywienie, nie zmieniając przy tym podstawowej wartości przerwy energetycznej GaN.

6.2 Gęstość nośników ładunku – elektronów i dziur.6.2 Gęstość nośników ładunku – elektronów i dziur.

Zapisane profile gęstości swobodnych elektronów i swobodnych dziur (Q_nfree.csv i Q_pfree.csv) dają bezpośredni obraz koncentracji nośników większościowych i mniejszościowych. Na pierwszym „zdjęciu” elektrony dominują w obszarze typu n, a dziury w obszarze typu p, przy czym w pobliżu obszaru zubożenia występują wyraźne zmiany. Podczas polaryzacji przewodzącej, wstrzykiwanie nośników mniejszościowych zwiększa koncentrację nośników po obu stronach złącza, co ostatecznie zmienia przestrzenny kształt profili gęstości.Zapisane profile gęstości swobodnych elektronów i swobodnych dziur (Q_nfree.csv i Q_pfree.csv) dają bezpośredni obraz koncentracji nośników większościowych i mniejszościowych. Na pierwszym „zdjęciu” elektrony dominują w obszarze typu n, a dziury w obszarze typu p, przy czym w pobliżu obszaru zubożenia występują wyraźne zmiany. Podczas polaryzacji przewodzącej, wstrzykiwanie nośników mniejszościowych zwiększa koncentrację nośników po obu stronach złącza, co ostatecznie zmienia przestrzenny kształt profili gęstości.

Logarytmiczna skala gęstości jest szczególnie przydatna przy porównywaniu nośników większościowych i mniejszościowych, które mogą różnić się o wiele rzędów wielkości. Nie należy utożsamiać nominalnego stężenia akceptorów Mg ze stężeniem wolnych dziur bez uwzględnienia jonizacji akceptorów; niepełna aktywacja Mg jest ważną cechą eksperymentalnych struktur p-GaN.Logarytmiczna skala gęstości jest szczególnie przydatna przy porównywaniu nośników większościowych i mniejszościowych, które mogą różnić się o wiele rzędów wielkości. Nie należy utożsamiać nominalnego stężenia akceptorów Mg ze stężeniem wolnych dziur bez uwzględnienia jonizacji akceptorów; niepełna aktywacja Mg jest ważną cechą eksperymentalnych struktur p-GaN.

6.3 Gęstości prądu elektronów i dziur.6.3 Gęstości prądu elektronów i dziur.

Narysuj wykres Jn.csv i Jp.csv, aby zbadać rozkład prądu między elektronami i dziurami. W stanie ustalonym prądy elektronów i dziur mogą się wzajemnie wpływać w całym urządzeniu, gdy nośniki ładunku rekombinują. Zgodnie z przyjętymi konwencjami znaków, ich łączny prąd elektryczny powinien być w przybliżeniu niezależny od położenia, gdy nie dochodzi do kumulacji ładunku.Narysuj wykres Jn.csv i Jp.csv, aby zbadać rozkład prądu między elektronami i dziurami. W stanie ustalonym prądy elektronów i dziur mogą się wzajemnie wpływać w całym urządzeniu, gdy nośniki ładunku rekombinują. Zgodnie z przyjętymi konwencjami znaków, ich łączny prąd elektryczny powinien być w przybliżeniu niezależny od położenia, gdy nie dochodzi do kumulacji ładunku.

Na obrazie przedstawiającym rozkład prądu o niskiej wartości widoczne są wyraźne cechy numeryczne. Taka struktura może powstać, gdy oblicza się niewielkie składowe prądu na podstawie przeciwstawnych strumieni dryfu i dyfuzji lub gdy nie uwzględnia się wystarczająco dokładnie gwałtownej zmiany. Nie należy automatycznie interpretować tego jako nagłego wzrostu prądu. Należy ocenić zbieżność rozwiązania i porównać całkowity prąd przepływający przez urządzenie, zanim sformułuje się jakiekolwiek ilościowe wnioski.Na obrazie przedstawiającym rozkład prądu o niskiej wartości widoczne są wyraźne cechy numeryczne. Taka struktura może powstać, gdy oblicza się niewielkie składowe prądu na podstawie przeciwstawnych strumieni dryfu i dyfuzji lub gdy nie uwzględnia się wystarczająco dokładnie gwałtownej zmiany. Nie należy automatycznie interpretować tego jako nagłego wzrostu prądu. Należy ocenić zbieżność rozwiązania i porównać całkowity prąd przepływający przez urządzenie, zanim sformułuje się jakiekolwiek ilościowe wnioski.

6.4 Mechanizmy rekombinacji6.4 Mechanizmy rekombinacji

Przedstawione na zrzutach ekranu dane dotyczące rekombinacji łączą w sobie procesy rekombinacji swobodnej oraz rekombinacji związanej z centrami SRH (R_nfree_to_pfree.csv i R_ss_srh.csv w zapisanej sekwencji zrzutów ekranu). Przy niskim poziomie wstrzykiwania rekombinacja, w której pośredniczą defekty, może być skoncentrowana wokół złącza, gdzie obecne są oba rodzaje nośników; przy silniejszym napięciu przewodzenia w kierunku przewodzenia, przestrzenne rozmieszczenie rekombinacji się rozszerza wraz ze wzrostem populacji nośników mniejszościowych. Zakres i względna wielkość tych obszarów zależy od numerycznych parametrów materiałowych i nie można ich wnioskować jedynie na podstawie wysokości piku.Przedstawione na zrzutach ekranu dane dotyczące rekombinacji łączą w sobie procesy rekombinacji swobodnej oraz rekombinacji związanej z centrami SRH (R_nfree_to_pfree.csv i R_ss_srh.csv w zapisanej sekwencji zrzutów ekranu). Przy niskim poziomie wstrzykiwania rekombinacja, w której pośredniczą defekty, może być skoncentrowana wokół złącza, gdzie obecne są oba rodzaje nośników; przy silniejszym napięciu przewodzenia w kierunku przewodzenia, przestrzenne rozmieszczenie rekombinacji się rozszerza wraz ze wzrostem populacji nośników mniejszościowych. Zakres i względna wielkość tych obszarów zależy od numerycznych parametrów materiałowych i nie można ich wnioskować jedynie na podstawie wysokości piku.

Analiza profili rekombinacji przy różnych wartościach napięcia przewodzenia pozwala określić, w których miejscach wstrzykiwane elektrony i dziury oddziałują ze sobą najsilniej. Te informacje przestrzenne uzupełniają charakterystykę J–V i pomagają powiązać zmiany prądu z koncentracją nośników wewnątrz złącza.Analiza profili rekombinacji przy różnych wartościach napięcia przewodzenia pozwala określić, w których miejscach wstrzykiwane elektrony i dziury oddziałują ze sobą najsilniej. Te informacje przestrzenne uzupełniają charakterystykę J–V i pomagają powiązać zmiany prądu z koncentracją nośników wewnątrz złącza.

6.5 Profile rozkładu szybkości generowania elektronów i dziur6.5 Profile rozkładu szybkości generowania elektronów i dziur

Sygnały odpowiadające gęstości elektronów i dziur (R_n.csv i R_p.csv) dostarczają dodatkowych informacji diagnostycznych na temat lokalnej równowagi nośników. Ich znaki i poszczególne składowe należy interpretować zgodnie z konwencją wyjściową firmy OghmaNano. Należy porównać wyraźne cechy obserwowane przy niskich napięciach z szerszymi rozkładami przy wyższych napięciach; interpretacja fizyczna powinna skupiać się na spójnych trendach, a nie na interpretowaniu każdej pojedynczej, niewielkiej wartości liczbowej jako oddzielnego mechanizmu.Sygnały odpowiadające gęstości elektronów i dziur (R_n.csv i R_p.csv) dostarczają dodatkowych informacji diagnostycznych na temat lokalnej równowagi nośników. Ich znaki i poszczególne składowe należy interpretować zgodnie z konwencją wyjściową firmy OghmaNano. Należy porównać wyraźne cechy obserwowane przy niskich napięciach z szerszymi rozkładami przy wyższych napięciach; interpretacja fizyczna powinna skupiać się na spójnych trendach, a nie na interpretowaniu każdej pojedynczej, niewielkiej wartości liczbowej jako oddzielnego mechanizmu.

7. Ćwiczenia i interpretacja.7. Ćwiczenia i interpretacja.

8. Założenia przyjęte w modelu oraz dalsza analiza.8. Założenia przyjęte w modelu oraz dalsza analiza.

Symulacja wykorzystuje jednowymiarowy, ustalony model dryfu i dyfuzji dla zwartej struktury półprzewodnikowej z azotku galu (GaN) o grubości 700 nm, przy czym na stykach zastosowano warunki brzegowe odpowiadające kontaktom omowym. To podejście jest szczególnie przydatne do badania wpływu domieszkowania złącza, parametrów materiałowych i rekombinacji na wewnętrzną strukturę pasmową i charakterystykę prądowo-napięciową. Badania kompletnych układów elementów mocy mogą opierać się na tym modelu, uwzględniając geometrię elementu, rezystancję kontaktów i właściwości termiczne.Symulacja wykorzystuje jednowymiarowy, ustalony model dryfu i dyfuzji dla zwartej struktury półprzewodnikowej z azotku galu (GaN) o grubości 700 nm, przy czym na stykach zastosowano warunki brzegowe odpowiadające kontaktom omowym. To podejście jest szczególnie przydatne do badania wpływu domieszkowania złącza, parametrów materiałowych i rekombinacji na wewnętrzną strukturę pasmową i charakterystykę prądowo-napięciową. Badania kompletnych układów elementów mocy mogą opierać się na tym modelu, uwzględniając geometrię elementu, rezystancję kontaktów i właściwości termiczne.

Warstwa p-GaN charakteryzuje się nominalną gęstością akceptorów Mg. Ponieważ akceptory Mg w GaN znajdują się stosunkowo głęboko, ich aktywacja elektryczna i wynikająca z niej gęstość nośników ładunku wymagają szczególnej uwagi. Szczegóły zależą od modelu materiału używanego do obliczeń statystycznych nośników ładunku i jonizacji domieszek. Podobnie, defekty na powierzchni, pułapki w objętości materiału, ruchliwość nośników ładunku i współczynniki rekombinacji wpływają na obliczone parametry elektryczne.Warstwa p-GaN charakteryzuje się nominalną gęstością akceptorów Mg. Ponieważ akceptory Mg w GaN znajdują się stosunkowo głęboko, ich aktywacja elektryczna i wynikająca z niej gęstość nośników ładunku wymagają szczególnej uwagi. Szczegóły zależą od modelu materiału używanego do obliczeń statystycznych nośników ładunku i jonizacji domieszek. Podobnie, defekty na powierzchni, pułapki w objętości materiału, ruchliwość nośników ładunku i współczynniki rekombinacji wpływają na obliczone parametry elektryczne.

Zakres napięcia od 0 do 5 V umożliwia szczegółową analizę przewodzenia w kierunku przewodnim, od momentu rozpoczęcia wstrzykiwania nośników ładunku do stanu o wyższym prądzie. Rozszerzenie zakresu napięcia na obszar polaryzacji wstecznej daje dodatkowe możliwości analizy zachowania warstwy zubożonej i pola elektrycznego. Bardziej zaawansowane badania nad elementami mocy mogą dodatkowo obejmować efekty związane z wysokim natężeniem pola elektrycznego oraz zależność napięcia przebicia od geometrii.Zakres napięcia od 0 do 5 V umożliwia szczegółową analizę przewodzenia w kierunku przewodnim, od momentu rozpoczęcia wstrzykiwania nośników ładunku do stanu o wyższym prądzie. Rozszerzenie zakresu napięcia na obszar polaryzacji wstecznej daje dodatkowe możliwości analizy zachowania warstwy zubożonej i pola elektrycznego. Bardziej zaawansowane badania nad elementami mocy mogą dodatkowo obejmować efekty związane z wysokim natężeniem pola elektrycznego oraz zależność napięcia przebicia od geometrii.

W celu uzyskania dokładnych, ilościowych prognoz na poziomie badań, należy sprawdzić zbadane właściwości materiału GaN, przeanalizować resztę rozwiązania i ciągłość prądu, udoskonalić siatkę przestrzenną oraz porównać wyniki z danymi eksperymentalnymi lub literaturą, aby uzyskać jak najlepsze dopasowanie do badanej struktury. Te kontrole pomagają rozszerzyć zakres początkowego modelu, umożliwiając ilościowe porównanie z wytworzonymi urządzeniami.W celu uzyskania dokładnych, ilościowych prognoz na poziomie badań, należy sprawdzić zbadane właściwości materiału GaN, przeanalizować resztę rozwiązania i ciągłość prądu, udoskonalić siatkę przestrzenną oraz porównać wyniki z danymi eksperymentalnymi lub literaturą, aby uzyskać jak najlepsze dopasowanie do badanej struktury. Te kontrole pomagają rozszerzyć zakres początkowego modelu, umożliwiając ilościowe porównanie z wytworzonymi urządzeniami.

9. Kolejne kroki.9. Kolejne kroki.

Po zakończeniu wstępnych pomiarów charakterystyki J–V, następnym użytecznym badaniem jest zmiana stężenia domieszek typu p i n oraz porównanie wynikowych zmian w profilu pasma energetycznego i zachowaniu obszaru zubożonego. Uzupełniającym badaniem jest wprowadzenie słabo domieszkowanego obszaru centralnego i porównanie architektur GaN PN i PIN. Te zmiany pokazują, w jaki sposób konstrukcja warstw wpływa na właściwości elektrostatyczne, wstrzykiwanie prądu w kierunku przewodzenia oraz zdolność do pracy przy odwróconym napięciu.Po zakończeniu wstępnych pomiarów charakterystyki J–V, następnym użytecznym badaniem jest zmiana stężenia domieszek typu p i n oraz porównanie wynikowych zmian w profilu pasma energetycznego i zachowaniu obszaru zubożonego. Uzupełniającym badaniem jest wprowadzenie słabo domieszkowanego obszaru centralnego i porównanie architektur GaN PN i PIN. Te zmiany pokazują, w jaki sposób konstrukcja warstw wpływa na właściwości elektrostatyczne, wstrzykiwanie prądu w kierunku przewodzenia oraz zdolność do pracy przy odwróconym napięciu.