🎯 Objetivos de aprendizagem

Construir um resistor de GaAs dopado e executar uma simulação 2D de drift–diffusion.
Verificar a saúde do solver usando resíduos, correntes de contato e logs.
Estender o modelo para 3D, dimensionar/posicionar corretamente os contatos e gerenciar o custo de malha.
Gerar e interpretar curvas JV e snapshots dependentes da tensão.
Plotar densidades de corrente direcionais (J_n/p,x,y,z) e potenciais em 3D.

📦 Pré-requisitos

OghmaNano instalado e funcionando.
Conceitos básicos de drift–diffusion em semicondutores (n/p, ϕ, SRH).

⏱ Tempo estimado

Configuração e execução 2D: 10–15 min
Configuração e análise 3D: 10–20 min

Drift–diffusion 3D: resistor de GaAs dopado

Bloco de GaAs dopado com gradiente de aceitadores da esquerda para a direita; contatos superior e inferior indicados. — Bloco de GaAs dopado com perfil de aceitadores da esquerda→direita; contatos em faces opostas.

Este tutorial demonstra como passar de uma configuração rápida 2D de drift–diffusion para uma simulação elétrica 3D completa de um dispositivo simples — mas muito instrutivo: um resistor de arseneto de gálio (GaAs) dopado. É ideal para ensino e listas de exercícios: a física é limpa, a JV é quase linear e as saídas ilustram bem como potenciais e correntes se distribuem no espaço.

1. Criar o resistor de GaAs 2D

New simulation → GaAs demos → Doped wire / resistor.
Geometria: comece em 2D com pontos de malha ao longo de X e Y. (Mantenha Z desativado por enquanto; iremos ativá-lo depois.)
Dopagem: defina um perfil de aceitadores que aumente da esquerda→direita (gradiente tipo p). O “fio” é apenas um bloco retangular de GaAs com esse gradiente aplicado.
Contatos: faces opostas atuam como eletrodos (superior/inferior ou esquerda/direita, dependendo da sua convenção de eixos). Um será varrido em tensão, enquanto o outro será mantido em 0 V.
Recombinação: ative SRH simples (forma analítica). Nenhuma armadilha dinâmica é necessária para esta demonstração.

2. Executar & verificar consistência (2D)

Log do solver mostrando tempos de etapa, tensões de contato, correntes de contato coincidentes e resíduos ~1e-9. — Execução saudável: correntes de contato coincidentes e resíduos ≲10⁻⁹.

Clique em Run. No log:

Os tempos de etapa devem ser de alguns ms cada (em um laptop modesto, ordem de 6–8 ms).
As correntes de contato coincidem (topo = base em regime estacionário). Se não coincidirem, você provavelmente está no domínio do tempo ou não convergiu.
Os resíduos (erro total) devem ser pequenos: ≲10⁻⁹ é excelente. Valores como 10⁻⁶…10⁻³ sugerem verificar novamente as configurações/malha.

Abra Output:

Curva JV: comportamento quase linear, como esperado para um resistor. Pequenas oscilações podem aparecer devido à carga espacial e à dopagem.
Snapshots: plote E_C (banda de condução; às vezes rotulada como “LUMO” em UI genérica), ϕ (potencial eletrostático) e densidades de portadores (n, p) à medida que a polarização aumenta.

3. Estender para 3D: malha & contatos

Malha 3D com Z ativado; contatos redimensionados para largura finita e deslocados em faces opostas. — Ative Z, depois dimensione/desloque contatos de área finita em 3D.

Ative a dimensão Z no editor de malha. Escolha primeiro tamanhos modestos: Nx × Ny × Nz = 5 × 5 × 5. O tempo de execução/memória escala aproximadamente como \( \mathcal{O}(N_x N_y N_z) \approx \mathcal{O}(N^3) \), então 10×10×10 é aceitável em um laptop, mas 20×20×20 ou mais pode ficar pesado rapidamente.

Em 3D, contatos são objetos de área finita (não abrangem implicitamente a face inteira como em 2D). Abra o Dimension/Contact editor e:

Defina a largura/profundidade de cada contato para corresponder ao dispositivo (para eletrodos de face inteira) ou escolha dimensões parciais (por exemplo, 0.5×0.5 da face) para estudar espalhamento de corrente.
Ajuste os offsets para posicionar os pads onde desejar (demonstra injeção/extração assimétrica).

4. Executar & analisar (3D)

Snapshots 3D de Jn_z e Jp_z mostrando entrada/saída de corrente a partir de contatos deslocados ao longo da tensão. — Correntes direcionais: J_n,z e J_p,z vs. polarização com pads deslocados.

Execute a simulação 3D (mantenha a malha modesta). Inspecione:

Curva JV: deve permanecer quase linear (resistiva). Compare com os valores 2D.
Potencial ϕ em 3D: avance a polarização e observe a evolução da distribuição de potencial 3D. Use ferramentas de corte/seção transversal para “cortar” o dispositivo e facilitar a interpretação.
Correntes: plote os seis componentes:
- J_n,x, J_n,y, J_n,z
- J_p,x, J_p,y, J_p,z
Com contatos deslocados, você verá regiões de entrada/saída e espalhamento de corrente. Percorra o controle deslizante de snapshots para observar tendências com a tensão.
Portadores: n(x,y,z,V), p

5. Dicas práticas & armadilhas

Editor de contatos: face inteira vs. pads parciais com offsets.

Prototipe primeiro em 1D/2D. Valide a física e a numérica, depois ative Z apenas quando necessário.

Economia de malha supera força bruta. Mais pontos ≠ mais precisão se as EDPs forem resolvidas com resíduos apertados entre os nós. Aumente a malha apenas para capturar gradientes reais.

Verificações de convergência: imponha resíduos pequenos (≲10⁻⁸), correntes de contato coincidentes e tempos de etapa estáveis. Se os resíduos saturarem em 10⁻⁵…10⁻³, reveja escalonamento, polarizações ou malha.

Escolha de SRH: o SRH analítico simples é adequado para esta demonstração de resistor. Ative armadilhas dinâmicas apenas quando precisar de cinética de armadilhas.

Escalonamento de memória: dobrar a malha ao longo de cada eixo ~8× incógnitas; observe a RAM para 20×20×20 e acima.