Редактор інтерфейсу
1. Загальний огляд
Редактор «Інтерфейс» керує електронними транспортними явищами, які відбуваються на межах матеріалів. Інтерфейси автоматично відображаються для кожної пари сусідніх шарів у структурі пристрою. За замовчуванням носії заряду можуть дрейфувати та дифундувати через інтерфейси відповідно до градієнта провідності або валентної зони: носії, що рухаються вгору за енергетичною шкалою, стикаються з бар’єрами та перетинають їх з більшими труднощами, тоді як носії, що рухаються вниз за енергетичною шкалою, легко їх долають. Редактор «Інтерфейс» доповнює цю базову модель дрейфу та дифузії, вводячи додаткові механізми транспортування, які, наприклад, можуть полегшувати складні переходи вгору за енергетичною шкалою. Відкрийте редактор, натиснувши на значок «Інтерфейси» (червоні, зелені, сині смуги) на панелі інструментів «Електрика».
2. Параметри
- Пряме тунелювання (електронів/дірок) — забезпечує пряме квантове тунелювання носіїв заряду через міжфазний бар’єр. На основі моделі, описаної в теоретичній частині: \[ J = A(n-n^{eq})V \exp\left(-B\sqrt{\phi}\right), \], де \(A\) має одиниці вимірювання м·с\(^{-1}\)·В\(^{-1}\), \(B\) є безрозмірною величиною (параметр підгонки), \(\phi\) — висота бар’єру, \(V\) — прикладена напруга, а \(d\) — товщина міжфазного шару. Існують окремі перемикачі для електронів і дірок, кожен з яких має власні значення A/B.
- Органічне тунелювання — особливий випадок, який застосовується до органічних гетеропереходів, де носії заряду переміщуються в локалізовані в міжфазній зоні стани пасток. Як описано в розділі про теорію, тунельний струм виражається наступним чином: \[ J_p = q T_{h}\left((p_{1}-p_{1}^{eq})-(p_{0}-p_{0}^{eq})\right), \] для дірок і \[ J_n = -q T_{e}\left((n_{1}-n_{1}^{eq})-(n_{0}-n_{0}^{eq})\right), \] для електронів, де \(T_h\) і \(T_e\) — константи швидкості, які встановлюються за допомогою перемикачів в редакторі.
- Допування на межі розділу (ліва/права сторони) — передбачає нанесення шару заряду товщиною в одну вузлову точку або на ліву (LHS), або на праву (RHS) сторону межі розділу. Значення можуть бути додатними або від’ємними, що дозволяє моделювати накопичення або зменшення заряду на межі розділу. Це корисно для моделювання утриманого заряду на межах або зміни порогової напруги в органічних тонкоплівкових транзисторах (OFET).
3. Пастки на межі зон SRH.
OghmaNano передбачає рекомбінацію за механізмом Шоклі–Ріда–Холла (SRH) через проміжні стани, розташовані на межах матеріалів. Щільність проміжних станів на межах визначається як площа \(N_t\) в одиницях м-2.
Частота рекомбінації обчислюється за допомогою стандартного рівняння SRH:
\[ R_{\mathrm{SRH}} = \frac{np-n_{\mathrm{eq}}p_{\mathrm{eq}}} {\tau_p(n+n_1)+\tau_n(p+p_1)}, \]де \(n\) і \(p\) – локальні концентрації електронів і дірок, \(n_{\mathrm{eq}}\) і \(p_{\mathrm{eq}}\) – відповідні концентрації в стані рівноваги, а \(n_1\) і \(p_1\) описують енергетичне положення станів пасток.
Час життя електронів і дірок становить:
\[ \tau_n = \frac{1}{\sigma_n v_{\mathrm{th},n} N_t}, \qquad \tau_p = \frac{1}{\sigma_p v_{\mathrm{th},p} N_t}, \]де \(\sigma_n\) і \(\sigma_p\) — перерізи захоплення електронів і дірок, а \(v_{\mathrm{th},n}\) і \(v_{\mathrm{th},p}\) — відповідні теплові швидкості.
Щільність інтерфейсних дефектів рівномірно розподілена між двома точками сітки, що прилягають до межі матеріалу. Для лівої та правої сіток \(\Delta x_L\) і \(\Delta x_R\) відповідні локальні значення щільності дефектів такі:
\[ N_{t,L} = \frac{N_{t,\mathrm{interface}}}{2\Delta x_L}, \qquad N_{t,R} = \frac{N_{t,\mathrm{interface}}}{2\Delta x_R}. \]Це дає:
\[ N_{t,L}\Delta x_L + N_{t,R}\Delta x_R = N_{t,\mathrm{interface}}. \]Швидкість рекомбінації SRH оцінюється з обох боків межі, використовуючи локальні концентрації носіїв заряду та параметри матеріалу.
Енергія пастки визначається відносно центру локальної смуги заборонених енергій:
\[ E_t = \frac{E_g}{2} + \Delta E_t, \]де \(\Delta E_t\) – значення, яке введено в поле Et (відносно Eg/2). Додаткові концентрації носіїв SRH:
\[ n_1 = n_i \exp\left( \frac{q(E_t-E_g/2)}{k_B T} \right), \qquad p_1 = n_i \exp\left( \frac{q(E_g/2-E_t)}{k_B T} \right). \]Параметри в розділі «Рівноважні пастки SRH» редактора інтерфейсу такі:
- Увімкнено інтерфейсні пастки SRH — увімкнює або вимикає інтерфейсну SRH-рекомбінацію.
- Et (відносно Eg/2) — енергія пастки відносно середини локальної зони заборонених енергій, в електрон-вольтах (еВ). Значення 0 означає, що пастка розташована в середині зони.
- Nt — загальна щільність інтерфейсних пасток, вимірювана в м⁻².
- σn — переріз захоплення електронів, вимірюється в м².
- σp — площа поперечного перерізу для захоплення частинки в отворі, вимірюється в м².
Інтерфейсна SRH-рекомбінація використовується для моделювання рекомбінації, що відбувається за участю дефектів на межах матеріалів, зокрема на межах між напівпровідником і транспортним шаром у сонячних батареях, світлодіодах та інших багатошарових пристроях. Вона особливо корисна для вивчення пасивації інтерфейсу, коли зміни в щільності інтерфейсних пасток або в ефективній площі захоплення модифікують швидкість нерадіаційної рекомбінації.
4. Застосування в моделюванні.
Процеси, що відбуваються на межі розділу фаз, значною мірою впливають на сучасні характеристики транспортування та параметри пристроїв:
- Тунельний ефект переважає, коли бар’єри тонкі або коли можливий стрибкоподібний перехід, що підсилюється наявністю пасток, на межі між органічними матеріалами.
- Легування на межі поділу шарів імітує шари з електричним зарядом або навмисну модифікацію структури на межі поділу, що змінює локальну кривизну енергетичних зон і висоту бар’єрів для ін’єкції.
Завдяки поєднанню цих механізмів, редактор інтерфейсів дає змогу моделювати реалістичну фізику пристроїв в органічних і гібридних гетероструктурах, починаючи від тунелювання, що підсилюється пастками, в OLED-дисплеях і закінчуючи ефектами заряду на межі в OFET-транзисторах.