Довідник щодо розширеного формату файлів симуляцій OghmaNano

На цій сторінці детально описано формат файлу OghmaNano sim.json: структуру визначень пристроїв, електричні та оптичні моделі матеріалів, скрипти Lua, легування, контакти, діапазони напруг, створення сітки та числові налаштування. Також тут наведено довідник із можливістю пошуку, який містить перелік параметрів і ключів JSON. Це розширена технічна довідка, а не вступ до JSON або інструкція щодо відкриття файлів у веб-браузері.

Ця довідка призначена як для людей, так і для систем штучного інтелекту. Користувачі можуть звертатися до таблиць і прикладів під час редагування моделей. Системи штучного інтелекту можуть використовувати зазначені шляхи та виділені блоки інструкцій під час перетворення існуючої робочої моделі на новий пристрій. Одна й та сама HTML-сторінка слугує довідкою для обох категорій користувачів.

Обсяг: перевірені вкладені шляхи отримано з робочого прикладу OghmaNano v8.1. Каталог токенів додатково містить назви, взяті з наданого словника параметрів; однак не всі ці назви обов’язково відповідають шляхам, які можна редагувати в кожній версії або для кожного типу моделювання.

1. Використання цієї довідкової інформації разом зі штучним інтелектом.

Ця технічна довідка призначена як для користувачів, так і для систем штучного інтелекту, які створюють або модифікують симуляції OghmaNano. У ній наведено інформацію про шляхи JSON, які використовуються в робочому прикладі OghmaNano v8.1, і міститься опис наданого словника параметрів. Це довідковий матеріал, а не виконувана схема чи заміна робочого файлу симуляції. Не всі можливі структури пристроїв або фізичні моделі підтримуються.

Повний каталог токенів наведено в розділі розділ 11. Багато записів у словнику є позначеннями для вихідних даних або елементів керування графічного інтерфейсу, а не безпосередньо редагованими ключами у наданому зразку; окремий запис у каталозі не є сам по собі доказом наявності редагованого шляху JSON.

2. Об’єкти найвищого рівня та вибір для моделювання

Наведений приклад також містить об’єкти верхнього рівня: electrical_solver, thermal, exciton, fits, parasitic, hard_limit, perovskite, singlet, circuit, gl, gui_config, world, ml та scans, а також метадані документа. Наявність і вміст цих розділів можуть відрізнятися в різних версіях і типах моделювання. Не видаляйте незнайомий розділ лише тому, що він не стосується нового пристрою.

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

Наведений вище фрагмент ілюструє наявні шляхи; це не повний файл моделювання.

3. Розділіть колекції, ідентифікатори та типи даних.

Колекції представлені числовим полем segments і послідовно пронумерованими об’єктами segment0, segment1 тощо. Колекція, яка містить чотири сегменти, повинна містити рівно чотири відповідні дочірні об’єкти сегментів. Об’єкти можуть містити поля id, які використовуються для їх ідентифікації. Під час копіювання або створення нового об’єкта, за потреби, призначте йому новий унікальний ідентифікатор; збережіть ідентифікатори для об’єктів, які не були змінені.

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

4. Епітаксія: геометрія, склад і легування.

Визначення шарів зберігаються за адресою epitaxy.segmentX (при цьому координата X починається з нуля), а контакти зберігаються окремо за адресою epitaxy.contacts.segmentX. У наведеному прикладі роботи з GaAs, y0 – це початкова позиція, а dy – товщина шару, обидва значення вказані в метрах. Забезпечте безперервність меж шарів, якщо пристрій не містить навмисно фізичного проміжку.

Однорідна область p-типу має позитивні значення Na0 і Na1 при Nd0 = Nd1 = 0. В однорідній області n-типу замість них використовуються Nd0 і Nd1. У внутрішній області можна використовувати нульове значення для всіх чотирьох параметрів легування. Перед редагуванням перевірте, чи активне додаткове легування або поля на межі в обраній початковій моделі.

5. Скрипти Lua для роботи з електричними компонентами.

У наведеному прикладі з використанням GaAs, кожен напівпровідниковий шар активує свою електричну модель матеріалу Lua, використовуючи об’єкт program, який міститься в об’єкті shape_dos. Назва файлу вказана в default_program_path. Вбудоване поле program у цьому прикладі є порожнім рядком. Шлях до скрипта вказано відносно бази даних електричних матеріалів, без початкового ./ у наведеному прикладі.

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

Це демонструє вкладені поля вибору сценарію. У реальному шарі залиште всі інші наявні поля shape_dos без змін.

Заміна параметрів матеріалу в Lua.

OghmaNano дає змогу замінювати окремі параметри матеріалів, обчислені за допомогою скриптів Lua, використовуючи epitaxy.segmentX.shape_dos.db_overrides. Це дозволяє використовувати стандартні моделі матеріалів під час налаштування конкретних параметрів, таких як коефіцієнти рекомбінації або рухливість носіїв заряду, без внесення змін до загальної бази даних матеріалів.

Наприклад, щоб змінити коефіцієнт радіаційної рекомбінації:

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

6. Набори даних про оптичні матеріали та випромінювання.

Оптичний набір даних для епітаксіального шару вибирається у epitaxy.segmentX.absorption.nk_data. Наведений перелік оптичних матеріалів містить шляхи, що закінчуються на /alpha.csv; щоб отримати посилання на каталог, який використовується в nk_data, видаліть цей суфікс. Електрична Lua-модель та оптичний набір даних є окремими посиланнями, і їм не обов’язково мати однакові шляхи.

x = 0.315 Оптичний набір даних є наближеною моделлю для x = 0.30 електричної моделі AlGaAs, що описує склад матеріалу в околицях. Не слід описувати його як точну відповідність. Під час оптичних обчислень, коли потрібен відповідний спектральний діапазон, використовуйте сітку довжин хвиль, визначену в optical.mesh.mesh_l. У прикладі також міститься optical.mesh.mesh_y, що визначає просторову сітку для оптичних розрахунків.

Для світлодіода, що працює від електричного струму, зовнішнє оптичне освітлення можна вимкнути, використовуючи наявну конфігурацію джерела світла; зразок містить optical.light_sources.Psun. Шар також містить shape_pl.pl_emission_enabled і відповідні налаштування випромінювання. Активування випромінювання саме по собі не є доказом того, що модель вирішує проблему форми спектральної лінії, фізики спонтанного випромінювання або зовнішнього квантового коефіцієнту. Перевірте, які опції підтримуються у вибраному режимі моделювання.

7. Контакти та полярність напруги

Електричні контакти визначаються відповідно до epitaxy.contacts, а не шляхом зміни легування довільного шару. Наданий робочий файл містить два контакти з окремими вкладеними об’єктами contact. Верхній вивід розташовано в точці y0, а нижній – в точці y1. Фактична полярність напруги визначається налаштуваннями applied_voltage_type на цих виводах.

"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"
    }
  }
}

У фрагменті контактної інформації: поля, які були пропущені, все одно є обов’язковими в реальному робочому прикладі.

8. Узгодженість електричної та оптичної сітки.

Для наведеного прикладу моделі дрейфу-дифузії електрична сітка по осі Y знаходиться в розділі electrical_solver.mesh.mesh_y. Кожен сегмент сітки має значення len в метрах, points, mul, left_right, id та відповідні поля. Оптична просторова сітка є окремим об’єктом, який знаходиться в розділі optical.mesh.mesh_y. Зміна товщини шару не гарантує оновлення всіх параметрів сітки.

"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 }
}

На зображеннях вище показано розміри комірок і кількість точок для чотиришарового пристрою з довжиною хвилі 800 нм; це не є повним mesh_y об’єктом.

9. Фізична інтерпретація та необґрунтовані припущення.

Файл у форматі JSON, який можна розібрати, лише підтверджує синтаксичну правильність. Моделювання переносу за допомогою механізмів дрейфу та дифузії, властивості матеріалів, радіаційна рекомбінація та оптика – це окремі питання, які потребують моделювання. Наприклад, для подвійної гетероструктури AlGaAs/GaAs необхідно забезпечити належне обмеження носіїв заряду на обох межах, а не просто надати перелік шарів, який виглядає правдоподібно. Перевірте ширину забороненої зони, спорідненість електронів і параметри переносу, розраховані за допомогою скриптів для матеріалів, для заданого складу та температури.

Більш складні пристрої, такі як сонячні елементи TOPCon, MOSFET, біполярні транзистори та світлодіоди з квантовими ямами, можуть вимагати використання тунелювання, електростатичних властивостей оксидів, багатоконтактних з’єднань, квантового обмеження, інтерфейсних пасток або додаткових граничних умов, які можуть не підтримуватися в конкретному початковому сценарії моделювання. Якщо необхідні фізичні принципи не підтверджуються робочим прикладом або відповідною документацією, слід визначити прогалину, а не вигадувати поля JSON. Обчислення оптичного випромінювання не слід представляти як відкалібровану ефективність пристрою без відповідних моделей рекомбінації та екстракції.

10. Перелік критеріїв для підтвердження та усунення несправностей.

Після редагування файлу моделювання перевірте синтаксис JSON, структуру всіх колекцій сегментів, типи ключів відносно базового файлу та будь-які фізичні обмеження, що стосуються конкретного пристрою. Наприклад, наведений нижче фрагмент коду Python перевіряє звичайні колекції segments без використання будь-яких API OghmaNano. Він не гарантує, що OghmaNano виконає модель.

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")

Якщо розташування або значення токена у форматі JSON незрозуміле, відредагуйте відповідний елемент керування в графічному інтерфейсі, збережіть файл і порівняйте файли «до» та «після» sim.json. Це надійніший спосіб, ніж намагатися визначити шляхи лише за назвами параметрів.

11. Завершено створення повної довідки щодо JSON-токенів OghmaNano (від A до Z).

Це єдиний ресурс, у якому можна здійснювати пошук за ключовими словами щодо параметрів OghmaNano та структурних ключів JSON. Він об’єднує всі 985 записів із наданого словника параметрів із 382 додатковими ключами, виявленими в робочому прикладі OghmaNano v8.1 sim.json. Усі 1367 записів організовано разом в алфавітному порядку: немає окремого списку для перегляду структурних або матеріальних скриптів.

Описи, одиниці вимірювання та зазначені параметри для лексичних одиниць словника беруться з наданого словника. Ключі, які зустрічаються лише в робочій симуляції, включаються разом із обережними описами, де значення не перевірено. Перелічений шлях JSON і тип даних є прикладами з робочої версії, а не гарантією того, що однакова назва буде дійсною в кожному місці або в кожній версії OghmaNano. Деякі лексичні одиниці є полями виводу або елементами керування користувацького інтерфейсу, а не параметрами, які можна редагувати в симуляції. Три записи словника (Ra[0-9], Rq[0-9] і Rp[0-9]) є шаблонами лексичних одиниць.