Моделювання роботи кремнієвих пристроїв

OghmaNano пропонує фізично обґрунтоване середовище для моделювання кремнієвих пристроїв, що охоплює кристалічні кремнієві перехідні пристрої, електростатику МОП-транзисторів і тонкоплівкові аморфні кремнієві сонячні елементи. Замість того, щоб розглядати кремній як єдиний загальний матеріал, програмне забезпечення дозволяє користувачеві вибирати рівень фізичного моделювання, який відповідає конкретній задачі: повне моделювання переносу дрейф-дифузія + рівняння Пуассона для перехідних пристроїв, електростатичне керування затвором для МОП-конденсаторів і комплексне моделювання оптичне + електричне для освітлених тонкоплівкових структур.

Завдяки цьому OghmaNano можна ефективно використовувати як для викладання основ фізики напівпровідників і для аналіз пристроїв у масштабі наукового дослідженняВи можете вивчити, як профіль легування визначає вбудоване електричне поле в p-n-переході, як напруга на затворі деформує енергетичні зони в кремнії на межі з оксидом кремнію (SiO).₂ інтерфейс, або як рекомбінація, опосередкована дефектами, обмежує напругу аморфної кремнієвої сонячної батареї. Якщо вам потрібен більш широкий огляд набору інструментів для розв’язання задач, зверніться до сторінка з прикладами, що ілюструють процеси дрейфу та дифузії і розділ, присвячений теорії дрейфу та дифузії.

Що ви можете змоделювати.

• Кремнієві p–n-перехідні діоди: моделювання характеристик у темряві (залежності струму від напруги), областей з виснаження носіїв, розщеплення квазірівня Фермі та рекомбінації в області p–n-переходу SRH-рекомбінація за допомогою повної моделі, що враховує дрейф і дифузію.
• Мітал-оксид-напівпровідникові конденсатори (MOS) та електростатика NMOS: дослідження поверхневого потенціалу, розподілу напруги в шарі SiO2, явищ накопичення та висначення заряду, а також деформації зон у кремнієвих структурах, керованих за допомогою затвора.
• Тонкоплівкові аморфні кремнієві сонячні елементи: моделі p/i/n-структур з оптичною генерацією, низькою рухливістю носіїв заряду, домінуючою дефектною рекомбінацією за механізмом SRH та залежність від інтенсивності сонячного випромінювання – Voc.
• Фізика рекомбінації в кремнію: охоплює рекомбінацію за Шоклі–Рідом–Голлом і рекомбінацію Оже, а також аналізує, де саме кожен із цих механізмів діє всередині пристрою.
• Внутрішня діагностика пристрою: графіки розподілу зон, концентрація носіїв заряду, профілі рекомбінації, щільність струму та похідні показники ефективності, отримані з вихідних файлів.

Кристалічний кремній: дрейф–дифузія в p–n-переході

Для кристалічних кремнієвих пристроїв OghmaNano безпосередньо розв’язує систему пов’язаних рівнянь рівняння переносу та дифузії та рівняння Пуассона. Це дає змогу перейти від ідеалізованих рівнянь для діодів і дослідити внутрішню фізику: область збіднення, викривлення зон, струми електронів і дірок, а також те, як SRH-рекомбінація та рекомбінація Оже змінюють амплітудно-вольтну характеристику в темряві.

Цей алгоритм роботи особливо корисний для розуміння того, як поведінка кремнієвого p–n-переходу залежить від легування, часу життя носіїв заряду, рівня ін’єкції та конструкції контактної області. У навчальному посібнику про кремнієвий p–n-перехід OghmaNano використовується для вивчення того, як рекомбінація залишається локалізованою поблизу переходу при низькій напрузі та поширюється більш широко по пристрою при високій прямій ін’єкції. Крім того, він органічно пов’язаний із загальною сторінкою з поясненням про дрейф-дифузію та більш детальними теоретичними сторінками про SRH і фізику процесу Оже.

Почніть звідси: Навчальний матеріал про кремнієвий p-n перехідний діод.

Електростатика кремнієвих МОП-структур: накопичення, виснаження та викривлення зон енергії.

OghmaNano також може моделювати електростатичні властивості МОП-конденсатора, що полегшує вивчення та дослідження основних фізичних принципів роботи NMOS-транзистора. У цьому робочому процесі оксид розглядається як діелектричний ізолятор, а кремній – як область, де переміщуються носії заряду, тому можна вивчити, як прикладена напруга на затворі розподіляється між оксидом і напівпровідником, і як це впливає на накопичення або виснаження заряду на поверхні.

Це чіткий і зрозумілий підхід до вивчення фізики кремнієвих пристроїв, оскільки отримані результати безпосередньо пов’язані з теоретичними концепціями, викладеними в підручниках: поверхневий потенціал, викривлення зон, концентрація вільних носіїв заряду поблизу межі, а також розрізнення між електростатичним керуванням і струмопровідним транспортом. Приклади з використанням NMOS-конденсаторів особливо корисні для лекцій, лабораторних занять і самостійного вивчення, і вони органічно пов’язані з ширшою моделлю транспорту напівпровідників.

Почніть звідси: Навчальний матеріал про NMOS-конденсатор – частина A та частина B.

Аморфний кремній: тонкоплівкові сонячні елементи та обмеження напруги, зумовлені дефектами.

OghmaNano також підтримує моделювання пристроїв на основі гідрованого аморфного кремнію (a-Si:H), де основні обмеження значно відрізняються від тих, що притаманні кристалічному кремнію. У тонкоплівкових структурах a-Si:H рухливість носіїв заряду нижча, ступінь невпорядкованості вищий, а рекомбінація зазвичай контролюється процесами SRH, що відбуваються за участю дефектів. Вбудоване електричне поле створюється в шарі внутрішнього поглинача, і оптичне збудження необхідно вирішувати одночасно з електричною задачею.

Це робить a-Si:H дуже корисним об’єктом для вивчення фотонапруги, обмеженої рекомбінацією, оптичної генерації в тонких поглиначах і поведінки параметрів «Сонце – Voc». OghmaNano може розраховувати профіль генерації, використовуючи оптичний розв’язувач на основі матриці передачі, передавати ці дані в електричну модель, а потім отримувати відповідні характеристики залежності струму від напруги та поведінку напруги розімкнутого контуру. Щодо фізики основних пасток, див. також навіщо потрібні пастки в невпорядкованих напівпровідниках і нерівноважна теорія SRH.

Почніть звідси: Навчальний матеріал про аморфні кремнієві (a-Si:H) сонячні елементи.

Чому варто використовувати OghmaNano для моделювання кремнієвих структур?

• Одна платформа, безліч технологічних процесів для кремнієвих матеріалів: можна вивчати різні аспекти, зокрема кристалічні кремнієві діоди, електростатику на основі МОП-транзисторів і тонкоплівкові аморфні кремнієві матеріали, використовуючи єдиний інтерфейс.
• Необхідно вивчати внутрішні фізичні процеси, а не лише характеристики на виході: проаналізуйте величини, які фактично визначають поведінку пристрою, зокрема енергетичні зони, квазірівні Фермі, концентрацію носіїв заряду, струми та карти рекомбінації.
• Висока практична цінність: наведені приклади тісно пов’язані зі стандартними темами, що вивчаються в курсах з електроніки та фотоелектрики, зокрема, з питань напівпровідникових приладів.
• Можливість налаштування параметрів дослідження: регулюйте рівень легування, час життя носіїв заряду, концентрацію пасток, рухливість, властивості оксиду, умови освітлення та оптичні моделі, щоб створити власні симуляції кремнієвих пристроїв.

Відповідні теоретичні матеріали та приклади

• Drift–diffusion examples
• Theory of drift–diffusion modelling
• Shockley–Read–Hall recombination theory
• Auger recombination theory
• Transfer-matrix optical modelling
• Why traps are required in disordered semiconductors
• Non-equilibrium SRH theory

Навчальні матеріали з використання кремнію.

• Кремнієвий p-n перехідний діод (1D) – характеристики в темряві (залежність струму від напруги), області з виснаження носіїв заряду, рекомбінація за механізмом Шоклі-Рід-Холла та ефект Оже.
• NMOS-конденсатор (частина A) – налаштування, сітка, електростатична модель та сканування затвора.
• NMOS-конденсатор (частина B) – викривлення енергетичних зон, поверхневий потенціал і перерозподіл носіїв заряду.
• Аморфна кремнієва сонячна батарея – моделювання тонкоплівкової p/i/n структури, оптичне генерування, характеристики струму-напруги та залежність від інтенсивності сонячного випромінювання (Suns–Voc).