Simulação de dispositivos semicondutores de silício e de III–V.
A simulação de dispositivos semicondutores de silício e de compostos III–V consiste na modelação de dispositivos semicondutores cristalinos, utilizando a combinação de eletrostática, transporte de portadores e recombinação. Na OghmaNano, estes sistemas são resolvidos através de modelos de deriva-difusão, que descrevem a evolução dos eletrões, lacunas e campos elétricos num dispositivo sob tensão e iluminação.
O silício oferece o sistema de referência mais limpo e conhecido: junções PN, regiões de depleção, correntes de deriva e difusão e mecanismos de recombinação bem compreendidos. Os materiais III–V, como o GaAs, expandem este modelo para semicondutores compostos com diferentes estruturas de banda, mobilidades e comportamento de recombinação, mas mantêm os mesmos princípios físicos subjacentes.
Este capítulo reúne estes sistemas. O objetivo não é tratar os dispositivos de silício e os dispositivos III–V como exemplos não relacionados, mas sim demonstrar que são resolvidos dentro de um único modelo físico e numérico. Uma vez que este conceito seja compreendido, a mesma abordagem pode ser aplicada a sistemas mais complexos, como os dispositivos de perovskite e os dispositivos orgânicos.
Ideia principal:
- Utilize o diodo de silício PN para compreender o fenómeno de deriva-difusão na sua forma mais simples.
- Utilize células solares de silício para interligar os processos de transporte, recombinação e geração óptica.
- Utilize o capacitor MOS para compreender a eletrostática e o controlo de campos.
- Utilize exemplos com GaAs para aplicar o mesmo modelo aos semicondutores do grupo III–V.
1. Tutoriais sobre dispositivos de silício
Os tutoriais sobre silício oferecem a forma mais clara de introdução à modelagem de dispositivos semicondutores. Eles demonstram como a dopagem, os contactos, a recombinação e a eletrostática interagem para produzir a resposta elétrica medida.
- Diodo de Junção PN de Silício — simulação fundamental do processo de deriva e difusão numa junção retificadora.
- Célula solar de silício policristalino — simulação de um dispositivo fotovoltaico de tipo industrial.
- Célula solar de silício amorfo — dispositivo de película fina com transporte limitado por defeitos.
- Capacitor NMOS bidimensional — eletrostática, depleção e controlo do campo em estruturas semicondutoras.
2. Dispositivos semicondutores III–V
Os semicondutores III–V, como o GaAs, demonstram que o mesmo modelo de deriva-difusão pode ser aplicado para além do silício. Ao alterar os parâmetros dos materiais e a geometria, é possível simular dispositivos de semicondutores compostos sem alterar o algoritmo subjacente.
3. Princípios físicos subjacentes
Estas simulações baseiam-se no transporte por deriva e difusão, acoplado à equação de Poisson. O modelo resolve a forma como a densidade de portadores, o potencial eletrostático e a recombinação evoluem de forma consistente. Esta é a base da simulação de dispositivos semicondutores, fundamentada em princípios físicos.
4. Por onde devemos começar?
Se é iniciante na simulação de dispositivos, comece com o diodo de junção PN de silício. Este oferece a forma mais simples de compreender a modelagem de deriva e difusão. Em seguida, avance para células solares ou estruturas MOS, dependendo da sua aplicação, e, por fim, para dispositivos III–V, de forma a generalizar a abordagem.