Referência para o formato de ficheiro de simulação avançada OghmaNano

Esta página descreve em detalhe o formato de ficheiro OghmaNano sim.json: a estrutura das definições de dispositivos, os modelos de materiais elétricos e óticos, os scripts Lua, a dopagem, os contactos, as varreduras de tensão, a criação de malhas e as definições numéricas. Inclui também uma referência pesquisável dos parâmetros e das chaves JSON. Trata-se de uma referência técnica avançada, não de uma introdução ao JSON ou de instruções para abrir ficheiros num navegador web.

Este guia foi elaborado tanto para utilizadores humanos como para assistentes de inteligência artificial. Os utilizadores humanos podem consultar as tabelas e os exemplos ao editar simulações. Os assistentes de inteligência artificial podem utilizar os caminhos documentados e as caixas de orientação assinaladas ao transformar uma simulação existente numa nova versão. A mesma página HTML serve de guia para ambos os públicos.

Âmbito: os caminhos aninhados identificados como verificados provêm de um exemplo funcional do OghmaNano v8.1. O catálogo de tokens inclui também nomes retirados do dicionário de parâmetros fornecido; nem todos estes nomes correspondem necessariamente a caminhos editáveis em todas as versões ou tipos de simulação.

1. Utilizar esta referência com um assistente de inteligência artificial.

Esta referência técnica destina-se tanto a utilizadores humanos como a assistentes de inteligência artificial que criam ou modificam simulações OghmaNano. Documenta os caminhos JSON observados num exemplo funcional do OghmaNano v8.1 e inclui o dicionário de parâmetros fornecido. Trata-se de uma referência, não de um esquema executável ou de um substituto para um ficheiro de simulação funcional. Nem todas as estruturas de dispositivos ou modelos físicos possíveis são suportadas.

O catálogo completo de tokens está disponível em seção 11. Muitas das entradas do dicionário são, na verdade, rótulos para resultados ou controles da interface gráfica, e não chaves que podem ser editadas diretamente no exemplo fornecido; uma entrada no catálogo, por si só, não comprova a existência de um caminho JSON editável.

2. Objetos de nível superior e seleção de simulação

O exemplo prático também contém os objetos de nível superior electrical_solver, thermal, exciton, fits, parasitic, hard_limit, perovskite, singlet, circuit, gl, gui_config, world, ml e scans, bem como metadados do documento. A presença e o conteúdo destas secções podem variar consoante as versões e os tipos de simulação. Não elimine uma secção desconhecida apenas porque não é relevante para o novo dispositivo.

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

O fragmento apresentado ilustra os caminhos existentes; não se trata de um ficheiro de simulação completo.

3. Segmentar coleções, identificadores e tipos de dados.

As coleções são representadas por um campo numérico segments e por objetos numerados sequencialmente segment0, segment1, … Uma coleção que declara quatro segmentos deve conter exatamente os quatro objetos de segmento filho correspondentes. Os objetos podem conter campos id usados para identificá-los. Ao copiar ou criar um novo objeto, atribua um novo ID único, quando necessário; mantenha os IDs dos objetos que não foram alterados.

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

4. Epitaxia: geometria, composição e dopagem.

As definições das camadas são armazenadas em epitaxy.segmentX (com X começando em zero), enquanto os contactos são armazenados separadamente em epitaxy.contacts.segmentX. No exemplo prático fornecido com o GaAs, y0 é a posição inicial e dy é a espessura da camada, ambos em metros. Mantenha as fronteiras das camadas contíguas, a menos que o dispositivo inclua deliberadamente um espaço físico.

Uma região uniforme do tipo p apresenta valores positivos para Na0 e Na1, com Nd0 = Nd1 = 0. Uma região uniforme do tipo n utiliza Nd0 e Nd1 em vez disso. Uma região intrínseca pode utilizar o valor zero para todos os quatro parâmetros de dopagem. Verifique se existe dopagem adicional ou campos de interface ativos na simulação inicial selecionada antes de efetuar quaisquer alterações.

5. Scripts de materiais Lua para eletricidade.

No exemplo prático com GaAs, cada camada semicondutora ativa o seu modelo de material elétrico Lua, utilizando o objeto program aninhado em shape_dos. O nome do ficheiro encontra-se em default_program_path. O campo embutido program é uma cadeia de carateres vazia nesse exemplo. O caminho do script é relativo à base de dados de materiais elétricos, sem um prefixo ./ no exemplo observado.

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

Isto demonstra os campos aninhados de seleção de scripts. Numa camada real, mantenha todos os outros campos existentes shape_dos como estão.

Substituição dos parâmetros de material do Lua

O OghmaNano permite que os parâmetros individuais dos materiais, calculados por meio de scripts Lua, sejam substituídos usando epitaxy.segmentX.shape_dos.db_overrides. Isso possibilita o uso de modelos de materiais padrão, ao mesmo tempo em que se ajustam parâmetros específicos, como as taxas de recombinação ou as mobilidades dos portadores de carga, sem modificar a base de dados global de materiais.

Por exemplo, para substituir o coeficiente de recombinação radiativa:

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

6. Conjuntos de dados de materiais ópticos e emissão.

O conjunto de dados óticos para uma camada epitaxial é selecionado em epitaxy.segmentX.absorption.nk_data. A lista fornecida de materiais óticos contém caminhos que terminam em /alpha.csv; para obter a referência de diretório utilizada em nk_data, remova esse sufixo. O modelo Lua elétrico e o conjunto de dados óticos são referências separadas e não precisam ter caminhos idênticos.

O conjunto de dados óticos x = 0.315 é uma aproximação da composição de um modelo elétrico de x = 0.30 AlGaAs, aplicável a uma região próxima. Não o descreva de forma implícita como uma correspondência exata. Utilize a malha de comprimentos de onda em optical.mesh.mesh_l quando os cálculos óticos exigirem uma faixa espectral adequada. O exemplo também contém optical.mesh.mesh_y para a sua malha espacial ótica.

No caso de um LED alimentado eletricamente, a iluminação ótica externa pode ser desativada utilizando a configuração existente da fonte de luz; a amostra contém optical.light_sources.Psun. A camada também contém shape_pl.pl_emission_enabled e as configurações relacionadas à emissão. A ativação da saída de emissão, por si só, não é prova de que o modelo resolve a forma da linha espectral, a física da emissão espontânea ou a eficiência quântica externa. Confirme quais opções são suportadas no modo de simulação escolhido.

7. Contatos e polaridade da tensão.

Os contactos elétricos são definidos em epitaxy.contacts, e não através da alteração da dopagem de uma camada arbitrária. O ficheiro de trabalho fornecido contém dois contactos, com objetos contact aninhados separados. O terminal superior está em y0 e o terminal inferior em y1. A orientação real da tensão segue as definições applied_voltage_type nestes terminais.

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

Fragmento de contato: os campos omitidos ainda são obrigatórios no exemplo prático.

8. Consistência da malha elétrica e ótica

Para o exemplo de deriva-difusão fornecido, a malha elétrica no eixo y está definida em electrical_solver.mesh.mesh_y. Cada segmento da malha possui um valor len em metros, points, mul, left_right, id e campos relacionados. A malha espacial ótica é um objeto diferente, definido em optical.mesh.mesh_y. Alterar a espessura de uma camada não garante que todas as configurações da malha tenham sido atualizadas.

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

Os campos apresentados acima demonstram os comprimentos da malha e o número de pontos para um dispositivo de quatro camadas com 800 nm; este não é um objeto completo mesh_y.

9. Interpretação física e pressupostos não fundamentados.

Um ficheiro JSON que pode ser analisado apenas garante a validade sintática. O transporte por deriva e difusão, as propriedades dos materiais, a recombinação radiativa e a ótica são questões de modelação distintas. Por exemplo, uma heterojunção dupla AlGaAs/GaAs requer um confinamento adequado dos portadores em ambas as interfaces, e não apenas uma lista de camadas que pareça plausível. Verifique a largura de banda proibida, a afinidade eletrónica e os parâmetros de transporte avaliados pelos scripts dos materiais na composição e temperatura especificadas.

Dispositivos mais complexos, como células solares TOPCon, MOSFETs, transístores bipolares e LEDs de poço quântico, podem exigir efeitos de tunelamento, propriedades eletrostáticas do óxido, contactos de múltiplos terminais, confinamento quântico, armadilhas na interface ou condições de contorno adicionais que uma simulação inicial específica pode não suportar. Se a física necessária não for demonstrada por um exemplo prático ou documentação de referência, identifique a lacuna em vez de inventar campos JSON. Os cálculos de emissão óptica não devem ser apresentados como eficiência calibrada do dispositivo sem modelos adequados de recombinação e extração.

10. Lista de verificação para validação e resolução de problemas.

Após editar um ficheiro de simulação, valide a sintaxe JSON, a estrutura de todas as coleções de segmentos, os tipos de chave em relação ao ficheiro base e quaisquer restrições físicas específicas do dispositivo. Por exemplo, o seguinte trecho de código Python verifica as coleções comuns segments sem exigir o uso de nenhuma API OghmaNano. Não garante que o OghmaNano irá executar o modelo.

import json
import re
from pathlib import Path

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

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

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

Se a localização ou o significado de um token no ficheiro JSON não estiverem claros, edite esse elemento na interface gráfica, guarde o ficheiro e compare os ficheiros «antes» e «depois» sim.json. Este método é mais fiável do que tentar deduzir os caminhos apenas a partir dos nomes dos parâmetros.

11. Referência completa dos tokens JSON do OghmaNano (de A a Z)

Este é o único recurso de referência, com função de pesquisa, para os parâmetros e as chaves estruturais JSON do OghmaNano. Ele combina todas as 985 entradas do dicionário de parâmetros fornecido com 382 chaves adicionais identificadas no exemplo funcional do OghmaNano v8.1 sim.json. Todas as 1367 entradas estão organizadas alfabeticamente: não existe uma lista separada para consultar informações sobre a estrutura ou os scripts de materiais.

As descrições, unidades e opções declaradas para os elementos do dicionário são provenientes do dicionário fornecido. As chaves encontradas apenas na simulação em execução são incluídas com descrições conservadoras, quando o significado não é confirmado. Um caminho JSON e um tipo de dados listados são exemplos de uma simulação em funcionamento, e não uma garantia de que o mesmo nome seja válido em todos os locais ou em todas as versões do OghmaNano. Alguns elementos são campos de saída ou controles da interface do utilizador, em vez de entradas de simulação editáveis. Três entradas do dicionário (Ra[0-9], Rq[0-9] e Rp[0-9]) são padrões de elementos.