Моделювання діода на основі нітриду галію (GaN) з p-n-переходом: моделі переносу та дифузії, характеристики струм-напруга та рекомбінація.Моделювання діода на основі нітриду галію (GaN) з p-n-переходом: моделі переносу та дифузії, характеристики струм-напруга та рекомбінація.
1. Вступ1. Вступ
Діод на основі p-n переходу нітриду галію (GaN) складається з областей p-типу та n-типу одного й того ж напівпровідника, які з’єднані разом, утворюючи випрямляючий перехід. Електрони та дірки перерозподіляються на межі, утворюючи область збіднення та вбудований потенційний бар’єр. За прямого зміщення бар’єр зменшується, і струм різко зростає; за зворотного зміщення перехід пригнічує ін’єкцію носіїв заряду. Отримана асиметрична струм-вольт амперна характеристика є основною принципом роботи напівпровідникового випрямляча.Діод на основі p-n переходу нітриду галію (GaN) складається з областей p-типу та n-типу одного й того ж напівпровідника, які з’єднані разом, утворюючи випрямляючий перехід. Електрони та дірки перерозподіляються на межі, утворюючи область збіднення та вбудований потенційний бар’єр. За прямого зміщення бар’єр зменшується, і струм різко зростає; за зворотного зміщення перехід пригнічує ін’єкцію носіїв заряду. Отримана асиметрична струм-вольт амперна характеристика є основною принципом роботи напівпровідникового випрямляча.
GaN — це напівпровідник III–V групи з широкою забороненою зоною, при кімнатній температурі значення якої становить приблизно 3,4 еВ. Завдяки високій критичній електричній напрузі та низькій внутрішній концентрації носіїв заряду, він є перспективним матеріалом для перетворення енергії, електричного випрямлення та високотемпературної електроніки. Компактний p-GaN/n-GaN гомоперехід, який розглядається в цьому навчальному матеріалі, дає змогу чітко дослідити, як вбудований бар’єр контролює потік струму та як матеріальні властивості GaN впливають на випрямляючий перехід.GaN — це напівпровідник III–V групи з широкою забороненою зоною, при кімнатній температурі значення якої становить приблизно 3,4 еВ. Завдяки високій критичній електричній напрузі та низькій внутрішній концентрації носіїв заряду, він є перспективним матеріалом для перетворення енергії, електричного випрямлення та високотемпературної електроніки. Компактний p-GaN/n-GaN гомоперехід, який розглядається в цьому навчальному матеріалі, дає змогу чітко дослідити, як вбудований бар’єр контролює потік струму та як матеріальні властивості GaN впливають на випрямляючий перехід.
У цьому навчальному посібнику OghmaNano використовується для дослідження електричної випрямленості, дрейфово-дифузійного переносу носіїв заряду, викривлення зон і рекомбінації. Об’єднані рівняння Пуассона та рівняння неперервності для електронів/дірок обчислюють струм, що протікає через діод, а також внутрішні профілі носіїв заряду та електростатичне поле як функцію положення та прикладеної напруги. Це пов’язує відому характеристику J–V з фізичними процесами, що відбуваються в області переходу.У цьому навчальному посібнику OghmaNano використовується для дослідження електричної випрямленості, дрейфово-дифузійного переносу носіїв заряду, викривлення зон і рекомбінації. Об’єднані рівняння Пуассона та рівняння неперервності для електронів/дірок обчислюють струм, що протікає через діод, а також внутрішні профілі носіїв заряду та електростатичне поле як функцію положення та прикладеної напруги. Це пов’язує відому характеристику J–V з фізичними процесами, що відбуваються в області переходу.
Тонкі шари, розташовані вертикально один над одним, відображаються в основному вікні пристрою OghmaNano (??). Візуалізація є тривимірною, але представлене тут електричне моделювання є одновимірним у напрямку росту шарів.Тонкі шари, розташовані вертикально один над одним, відображаються в основному вікні пристрою OghmaNano (??). Візуалізація є тривимірною, але представлене тут електричне моделювання є одновимірним у напрямку росту шарів.
2. Створення нової моделі.2. Створення нової моделі.
У головному вікні OghmaNano виберіть «Нове моделювання». У першому діалоговому вікні відображаються доступні категорії моделювання (??). Відкрийте розділ «Приклади III–V/GaN» і виберіть демонстрацію «GaN PN-діод» (??). Точний порядок прикладів може відрізнятися в різних версіях OghmaNano.У головному вікні OghmaNano виберіть «Нове моделювання». У першому діалоговому вікні відображаються доступні категорії моделювання (??). Відкрийте розділ «Приклади III–V/GaN» і виберіть демонстрацію «GaN PN-діод» (??). Точний порядок прикладів може відрізнятися в різних версіях OghmaNano.
Після завантаження прикладу відкрийте редактор шарів у панелі інструментів пристрою. Це дозволить переглянути напівпровідникові області, їхню товщину та обрані записи з бази даних матеріалів. Пристрій являє собою гомоперехід типу PN, де шари p-GaN і n-GaN утворюють електрично активний перехід.Після завантаження прикладу відкрийте редактор шарів у панелі інструментів пристрою. Це дозволить переглянути напівпровідникові області, їхню товщину та обрані записи з бази даних матеріалів. Пристрій являє собою гомоперехід типу PN, де шари p-GaN і n-GaN утворюють електрично активний перехід.
3. Аналіз конструкції пристрою, контактів і процесу легування.3. Аналіз конструкції пристрою, контактів і процесу легування.
3.1 Шарова структура3.1 Шарова структура
Електрична структура складається з трьох областей на основі нітриду галію (GaN). p-GaN і n-GaN шари утворюють випрямляючий перехід; n⁺-GaN шар забезпечує більш сильно леговану область, прилеглу до катода. Загальна товщина напівпровідникової структури становить 700 нм, не враховуючи навколишнього повітря, яке використовується для візуалізації. Редактор шарів показано на ??.Електрична структура складається з трьох областей на основі нітриду галію (GaN). p-GaN і n-GaN шари утворюють випрямляючий перехід; n⁺-GaN шар забезпечує більш сильно леговану область, прилеглу до катода. Загальна товщина напівпровідникової структури становить 700 нм, не враховуючи навколишнього повітря, яке використовується для візуалізації. Редактор шарів показано на ??.
| ШарШар | ТовщинаТовщина | Номінальне дозування.Номінальне дозування. | Роль, пов’язана з електротехнікою/електроенергетикою.Роль, пов’язана з електротехнікою/електроенергетикою. |
|---|---|---|---|
| p-GaN (легована магнієм)p-GaN (легована магнієм) | 250 нм250 нм | \(N_A=5\times10^{17}\,\mathrm{cm^{-3}}\)\(N_A=5\times10^{17}\,\mathrm{cm^{-3}}\) | Сторона p–n-переходу, де переважають дірки.Сторона p–n-переходу, де переважають дірки. |
| n-GaN (легована кремнієм)n-GaN (легована кремнієм) | 350 нм350 нм | \(N_D=5\times10^{17}\,\mathrm{cm^{-3}}\)\(N_D=5\times10^{17}\,\mathrm{cm^{-3}}\) | Сторона p–n-переходу, де переважають електрониСторона p–n-переходу, де переважають електрони |
| n⁺-GaNn⁺-GaN | 100 нм100 нм | \(N_D=1\times10^{18}\,\mathrm{cm^{-3}}\)\(N_D=1\times10^{18}\,\mathrm{cm^{-3}}\) | Область на стороні катода з вищою концентрацією домішок.Область на стороні катода з вищою концентрацією домішок. |
3.2 Контактна інформація3.2 Контактна інформація
У наведеному прикладі використовуються ідеальні омічні граничні умови на p-типовому аноді та n-типовому катоді. Ці граничні умови дають змогу зосередитися на внутрішній електричній реакції на межі переходу. У виготовлених діодах на основі нітриду галію (GaN) контактний опір і активація акцепторів магнію впливають на падіння напруги та впорскування струму; обидва ці параметри є корисними для більш глибоких досліджень.У наведеному прикладі використовуються ідеальні омічні граничні умови на p-типовому аноді та n-типовому катоді. Ці граничні умови дають змогу зосередитися на внутрішній електричній реакції на межі переходу. У виготовлених діодах на основі нітриду галію (GaN) контактний опір і активація акцепторів магнію впливають на падіння напруги та впорскування струму; обидва ці параметри є корисними для більш глибоких досліджень.
3.3 Характеристика допантів і область висначення.3.3 Характеристика допантів і область висначення.
Відкрийте редактор «Легування / іони» на панелі інструментів «Електрика», щоб переглянути розподіл акцепторів і донорів (??). Один різкий перехід від p-GaN, легованого акцепторами, до n-GaN, легованого донорами, визначає активний PN-перехід. Область n⁺ створює другий етап зміни концентрації донорів поблизу катода.Відкрийте редактор «Легування / іони» на панелі інструментів «Електрика», щоб переглянути розподіл акцепторів і донорів (??). Один різкий перехід від p-GaN, легованого акцепторами, до n-GaN, легованого донорами, визначає активний PN-перехід. Область n⁺ створює другий етап зміни концентрації донорів поблизу катода.
У стані термічної рівноваги в місці контакту формується область висначення, оскільки рухливі носії дифундують і залишають після себе іонізовані домішки. У рамках наближення області висначення, її характерна ширина залежить від діелектричної проникності, концентрації домішок з обох боків і потенціалу, який підтримується в місці контакту. Для звичайного різко вираженого переходу справедлива відома залежність:У стані термічної рівноваги в місці контакту формується область висначення, оскільки рухливі носії дифундують і залишають після себе іонізовані домішки. У рамках наближення області висначення, її характерна ширина залежить від діелектричної проникності, концентрації домішок з обох боків і потенціалу, який підтримується в місці контакту. Для звичайного різко вираженого переходу справедлива відома залежність:
\[ W \simeq \sqrt{\frac{2\varepsilon_s}{q}\left(\frac{1}{N_A}+\frac{1}{N_D}\right)(V_{\mathrm{bi}}-V)}. \]Тут \(V\) – прикладена напруга на переході, \(V_{\mathrm{bi}}\) – вбудований потенціал, а \(\varepsilon_s\) – діелектрична проникність GaN. Це рівняння є корисним орієнтиром для інтерпретації самоузгодженого електричного поля, розрахованого за допомогою OghmaNano, особливо під час вивчення того, як легування та прикладена напруга впливають на перехід.Тут \(V\) – прикладена напруга на переході, \(V_{\mathrm{bi}}\) – вбудований потенціал, а \(\varepsilon_s\) – діелектрична проникність GaN. Це рівняння є корисним орієнтиром для інтерпретації самоузгодженого електричного поля, розрахованого за допомогою OghmaNano, особливо під час вивчення того, як легування та прикладена напруга впливають на перехід.
4. Електричні параметри та моделі матеріалів4. Електричні параметри та моделі матеріалів
4.1 Матеріальна модель GaN Lua.4.1 Матеріальна модель GaN Lua.
Усі три електрично активні напівпровідникові шари використовують Inorganic/GaN/GaN.lua як базову модель матеріалу. Електронна база даних матеріалів містить такі параметри, як ширина забороненої зони, спорідненість електронів, щільність станів, діелектрична проникність, рухливість і параметри рекомбінації. У наведеному прикладі JSON відповідні db_overrides параметри вимкнено, тому слід використовувати значення, отримані від моделі Lua, а не неактивні значення, які відображаються в збереженому файлі. Ширина забороненої зони GaN повинна становити приблизно 3,4 еВ при кімнатній температурі; перевірте це за відображеними профілями зон або обчисленими параметрами матеріалу.Усі три електрично активні напівпровідникові шари використовують Inorganic/GaN/GaN.lua як базову модель матеріалу. Електронна база даних матеріалів містить такі параметри, як ширина забороненої зони, спорідненість електронів, щільність станів, діелектрична проникність, рухливість і параметри рекомбінації. У наведеному прикладі JSON відповідні db_overrides параметри вимкнено, тому слід використовувати значення, отримані від моделі Lua, а не неактивні значення, які відображаються в збереженому файлі. Ширина забороненої зони GaN повинна становити приблизно 3,4 еВ при кімнатній температурі; перевірте це за відображеними профілями зон або обчисленими параметрами матеріалу.
Зразки скріншотів для відображення матеріального коду та редактора параметрів наведено нижче. У деяких вихідних файлах скріншотів збережено історичні позначення GaAs/AlGaAs; активне моделювання, описане в цьому посібнику, використовує GaN. У програмному забезпеченні перевірте шлях до матеріалу GaN у Lua, а не намагайтеся визначити матеріал на основі назви файлу зображення.Зразки скріншотів для відображення матеріального коду та редактора параметрів наведено нижче. У деяких вихідних файлах скріншотів збережено історичні позначення GaAs/AlGaAs; активне моделювання, описане в цьому посібнику, використовує GaN. У програмному забезпеченні перевірте шлях до матеріалу GaN у Lua, а не намагайтеся визначити матеріал на основі назви файлу зображення.
4.2 Транспортування перевізником4.2 Транспортування перевізником
OghmaNano розв’язує рівняння Пуассона для напівпровідників разом із рівняннями неперервності для електронів і дірок, використовуючи вирази для струму, що базуються на принципах дрейфу та дифузії. Щільність струму електронів і дірок залежить від локального поля, рухливості та градієнта концентрації носіїв заряду:OghmaNano розв’язує рівняння Пуассона для напівпровідників разом із рівняннями неперервності для електронів і дірок, використовуючи вирази для струму, що базуються на принципах дрейфу та дифузії. Щільність струму електронів і дірок залежить від локального поля, рухливості та градієнта концентрації носіїв заряду:
\[ J_n=q\mu_n n E+qD_n\frac{dn}{dy},\qquad J_p=q\mu_p p E-qD_p\frac{dp}{dy}. \]Ці вирази описують два взаємодоповнюючі механізми: дрейф, спричинений внутрішнім електричним полем, і дифузія, зумовлена градієнтами концентрації носіїв заряду. У стаціонарному стані їхня взаємодія визначає загальний струм діода. Модель також визначає квазірівні Фермі для електронів і дірок, і їхня зміна дає альтернативне уявлення про рушійні сили, що впливають на носії заряду.Ці вирази описують два взаємодоповнюючі механізми: дрейф, спричинений внутрішнім електричним полем, і дифузія, зумовлена градієнтами концентрації носіїв заряду. У стаціонарному стані їхня взаємодія визначає загальний струм діода. Модель також визначає квазірівні Фермі для електронів і дірок, і їхня зміна дає альтернативне уявлення про рушійні сили, що впливають на носії заряду.
4.3 Рекомбінація4.3 Рекомбінація
Ін’єктовані електрони та дірки можуть рекомбінувати всередині нітриду галію (GaN). У прикладі наведено налаштовані процеси рекомбінації, передбачені матеріальною моделлю, зокрема члени рівняння Шоклі–Ріда–Холла (SRH), що залежать від дефектів і активуються на основі відповідних даних про матеріал. Звичайне ідеалізоване рівняння SRH має такий вигляд:Ін’єктовані електрони та дірки можуть рекомбінувати всередині нітриду галію (GaN). У прикладі наведено налаштовані процеси рекомбінації, передбачені матеріальною моделлю, зокрема члени рівняння Шоклі–Ріда–Холла (SRH), що залежать від дефектів і активуються на основі відповідних даних про матеріал. Звичайне ідеалізоване рівняння SRH має такий вигляд:
\[ R_{\mathrm{SRH}}=\frac{np-n_i^2}{\tau_p(n+n_1)+\tau_n(p+p_1)}. \]Час життя носіїв заряду в напівпровідникових гетероструктурах залежить від концентрації пасток, теплової швидкості носіїв і перерізу захоплення. Ці параметри визначають, наскільки ефективно відбувається рекомбінація ін’єктованих носіїв, і, отже, впливають на форму та величину вольт-амперної характеристики. Аналіз просторової швидкості рекомбінації допомагає визначити, де саме в області переходу зосереджена втрата носіїв заряду.Час життя носіїв заряду в напівпровідникових гетероструктурах залежить від концентрації пасток, теплової швидкості носіїв і перерізу захоплення. Ці параметри визначають, наскільки ефективно відбувається рекомбінація ін’єктованих носіїв, і, отже, впливають на форму та величину вольт-амперної характеристики. Аналіз просторової швидкості рекомбінації допомагає визначити, де саме в області переходу зосереджена втрата носіїв заряду.
4.4 Числова сітка4.4 Числова сітка
Електрична сітка охоплює шар нітриду галію (GaN) товщиною 700 нм, містить 150 точок уздовж напрямку росту, забезпечуючи середню відстань між точками приблизно 4,7 нм. Це прийнятна початкова роздільна здатність для демонстрації в навчальних цілях. Редактор сітки (??) дозволяє переглядати розподіл вузлів і коригувати його під час дослідження крутих градієнтів області знеструмлення.Електрична сітка охоплює шар нітриду галію (GaN) товщиною 700 нм, містить 150 точок уздовж напрямку росту, забезпечуючи середню відстань між точками приблизно 4,7 нм. Це прийнятна початкова роздільна здатність для демонстрації в навчальних цілях. Редактор сітки (??) дозволяє переглядати розподіл вузлів і коригувати його під час дослідження крутих градієнтів області знеструмлення.
5. Запуск симуляції спільного підприємства.5. Запуск симуляції спільного підприємства.
У цьому прикладі налаштовано послідовне збільшення напруги від 0 В до +5 В з кроком 0,025 В. Запустіть моделювання за допомогою елемента керування «Запустити моделювання». Під час процесу зміни напруги у вікні виводиться числова інформація про хід виконання та збіжність (??). Після завершення на вкладці «Результати» відображаються отримані дані, зокрема jv.csv та дані, пов’язані з пристроєм.У цьому прикладі налаштовано послідовне збільшення напруги від 0 В до +5 В з кроком 0,025 В. Запустіть моделювання за допомогою елемента керування «Запустити моделювання». Під час процесу зміни напруги у вікні виводиться числова інформація про хід виконання та збіжність (??). Після завершення на вкладці «Результати» відображаються отримані дані, зокрема jv.csv та дані, пов’язані з пристроєм.
Відкрийте jv.csv, щоб переглянути залежність щільності струму від прикладеної напруги. Лінійний вигляд (??) і логарифмічний вигляд (??) відображають одну й ту саму електричну характеристику, але в різних формах. Лінійний графік показує, як струм збільшується при високій прямій напрузі; логарифмічний графік полегшує визначення початку ін’єкції та низькострумової характеристики.Відкрийте jv.csv, щоб переглянути залежність щільності струму від прикладеної напруги. Лінійний вигляд (??) і логарифмічний вигляд (??) відображають одну й ту саму електричну характеристику, але в різних формах. Лінійний графік показує, як струм збільшується при високій прямій напрузі; логарифмічний графік полегшує визначення початку ін’єкції та низькострумової характеристики.
5.1 Аналіз характеристики прямого зміщення.5.1 Аналіз характеристики прямого зміщення.
За низької прямої напруги потенційний бар’єр значно обмежує ін’єкцію неосновних носіїв заряду, тому загальний струм залишається невеликим. У міру збільшення прикладеної напруги бар’єр на переході зменшується, електрони та дірки легше проходять через PN-перехід, і струм швидко зростає. На напівлогарифмічній графічній залежності часто локально описують ділянку, що наближається до експоненціальної, за допомогою рівняння діода.За низької прямої напруги потенційний бар’єр значно обмежує ін’єкцію неосновних носіїв заряду, тому загальний струм залишається невеликим. У міру збільшення прикладеної напруги бар’єр на переході зменшується, електрони та дірки легше проходять через PN-перехід, і струм швидко зростає. На напівлогарифмічній графічній залежності часто локально описують ділянку, що наближається до експоненціальної, за допомогою рівняння діода.
\[ J\simeq J_0\left[\exp\left(\frac{qV}{n_{\mathrm{id}}k_{\mathrm B}T}\right)-1\right], \]де \(J_0\) – ефективний струм насичення, а \(n_{\mathrm{id}}\) – коефіцієнт ідеальності. Це рівняння є корисним інструментом для інтерпретації, а не самостійною моделлю всього змодельованого пристрою. Зокрема, зміна нахилу при вищих значеннях струму може відображати послідовний опір, ефекти інжекції або зміни рекомбінації. Різке збільшення струму, показане на наданих скріншотах, узгоджується з прямоспрямленою ректифікацією, але конкретне значення коефіцієнта ідеальності слід вказувати лише після підбору відповідного діапазону напруги.де \(J_0\) – ефективний струм насичення, а \(n_{\mathrm{id}}\) – коефіцієнт ідеальності. Це рівняння є корисним інструментом для інтерпретації, а не самостійною моделлю всього змодельованого пристрою. Зокрема, зміна нахилу при вищих значеннях струму може відображати послідовний опір, ефекти інжекції або зміни рекомбінації. Різке збільшення струму, показане на наданих скріншотах, узгоджується з прямоспрямленою ректифікацією, але конкретне значення коефіцієнта ідеальності слід вказувати лише після підбору відповідного діапазону напруги.
5.2 Дослідження переходу при зворотному зміщенні.5.2 Дослідження переходу при зворотному зміщенні.
Базова характеристика «струм–напруга» (J–V) охоплює діапазон від 0 В до +5 В і демонструє розвиток прямої провідності. Для додаткового експерименту встановіть від’ємну початкову напругу та проаналізуйте зміни в ширині зони виснаження, ширині перехідного шару та розподілі електричного поля при зворотному зміщенні. Це дає можливість провести корисне порівняння з прямою ін’єкцією та показує, як p–n-перехід реагує на полярність прикладеної напруги.Базова характеристика «струм–напруга» (J–V) охоплює діапазон від 0 В до +5 В і демонструє розвиток прямої провідності. Для додаткового експерименту встановіть від’ємну початкову напругу та проаналізуйте зміни в ширині зони виснаження, ширині перехідного шару та розподілі електричного поля при зворотному зміщенні. Це дає можливість провести корисне порівняння з прямою ін’єкцією та показує, як p–n-перехід реагує на полярність прикладеної напруги.
6. Аналіз знімків, отриманих під час моделювання: зони, концентрація носіїв заряду, струми та рекомбінація.6. Аналіз знімків, отриманих під час моделювання: зони, концентрація носіїв заряду, струми та рекомбінація.
Переглядач знімків надає внутрішні дані у вибраних точках під час зміни напруги. Чотири зображення в кожній групі, наведеної нижче, відповідають послідовно вибраним позиціям у збереженому графіку зміни напруги; їх позначено як знімок 0–3, а не вказано точні значення напруги, оскільки лише положення повзунка не визначає значення зміщення. Вибрана прикладена напруга відображається в переглядачі, і її слід безпосередньо зчитувати для кількісної інтерпретації.Переглядач знімків надає внутрішні дані у вибраних точках під час зміни напруги. Чотири зображення в кожній групі, наведеної нижче, відповідають послідовно вибраним позиціям у збереженому графіку зміни напруги; їх позначено як знімок 0–3, а не вказано точні значення напруги, оскільки лише положення повзунка не визначає значення зміщення. Вибрана прикладена напруга відображається в переглядачі, і її слід безпосередньо зчитувати для кількісної інтерпретації.
6.1 Зона провідності та валентна зона; квазірівень Фермі6.1 Зона провідності та валентна зона; квазірівень Фермі
Відкрийте файли Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv і Fp.csv із даних знімка. Межі зони провідності та валентної зони описують електростатичний бар’єр на межі. Квазірівні Фермі для електронів і дірок показують, як концентрація носіїв відхиляється від рівноваги. За відсутності зовнішньої напруги рівень Фермі в рівноважному стані має бути однаковим у всій з’єднаній структурі, тоді як прикладена пряма напруга створює дедалі більшу різницю між електрохімічними потенціалами носіїв.Відкрийте файли Ec.csv, Ev.csv, Fn.csv і Fp.csv із даних знімка. Межі зони провідності та валентної зони описують електростатичний бар’єр на межі. Квазірівні Фермі для електронів і дірок показують, як концентрація носіїв відхиляється від рівноваги. За відсутності зовнішньої напруги рівень Фермі в рівноважному стані має бути однаковим у всій з’єднаній структурі, тоді як прикладена пряма напруга створює дедалі більшу різницю між електрохімічними потенціалами носіїв.
У гомопереході на основі нітриду галію (GaN) обидві сторони використовують один і той самий напівпровідник, тому зміна ширини забороненої зони на межі p–n зумовлена переважно електростатичним викривленням зон. Порівняйте бар’єр поблизу p–n-переходу при низькій напрузі з профілем після збільшення прямого струму. Донорний перехід n/n⁺ може впливати на локальне викривлення, не змінюючи при цьому основну ширину забороненої зони GaN.У гомопереході на основі нітриду галію (GaN) обидві сторони використовують один і той самий напівпровідник, тому зміна ширини забороненої зони на межі p–n зумовлена переважно електростатичним викривленням зон. Порівняйте бар’єр поблизу p–n-переходу при низькій напрузі з профілем після збільшення прямого струму. Донорний перехід n/n⁺ може впливати на локальне викривлення, не змінюючи при цьому основну ширину забороненої зони GaN.
6.2 Концентрація електронів і дірок, що є носіями заряду6.2 Концентрація електронів і дірок, що є носіями заряду
Збережені профілі концентрації вільних електронів і вільних дірок (Q_nfree.csv і Q_pfree.csv) дають чітке уявлення про основні та додаткові носії заряду. На першому знімку спостерігається домінування електронів у n-області та дірок у p-області, причому зміни є найбільш вираженими поблизу області збіднення. За умови прямого зміщення, ін’єкція додаткових носіїв заряду збільшує їхню концентрацію з обох боків переходу, що зрештою змінює просторову форму профілів концентрації.Збережені профілі концентрації вільних електронів і вільних дірок (Q_nfree.csv і Q_pfree.csv) дають чітке уявлення про основні та додаткові носії заряду. На першому знімку спостерігається домінування електронів у n-області та дірок у p-області, причому зміни є найбільш вираженими поблизу області збіднення. За умови прямого зміщення, ін’єкція додаткових носіїв заряду збільшує їхню концентрацію з обох боків переходу, що зрештою змінює просторову форму профілів концентрації.
Логарифмічна шкала щільності особливо корисна під час порівняння меншості та більшості носіїв заряду, які можуть відрізнятися на кілька порядків. Не слід прирівнювати номінальну концентрацію акцепторів Mg до концентрації вільних дірок, не враховуючи йонизацію акцепторів; неповна активація Mg є важливою характеристикою експериментальних зразків p-GaN.Логарифмічна шкала щільності особливо корисна під час порівняння меншості та більшості носіїв заряду, які можуть відрізнятися на кілька порядків. Не слід прирівнювати номінальну концентрацію акцепторів Mg до концентрації вільних дірок, не враховуючи йонизацію акцепторів; неповна активація Mg є важливою характеристикою експериментальних зразків p-GaN.
6.3 Щільність струму електронів і дірок.6.3 Щільність струму електронів і дірок.
Побудуйте графіки Jn.csv і Jp.csv, щоб проаналізувати розподіл струму між електронами та дірками. У стаціонарному стані струми електронів і дірок можуть обмінюватися інтенсивністю вздовж пристрою в процесі рекомбінації носіїв заряду. З урахуванням умовних позначень, їхній сумарний електричний струм має бути приблизно незмінним у різних точках, якщо немає чистого накопичення заряду.Побудуйте графіки Jn.csv і Jp.csv, щоб проаналізувати розподіл струму між електронами та дірками. У стаціонарному стані струми електронів і дірок можуть обмінюватися інтенсивністю вздовж пристрою в процесі рекомбінації носіїв заряду. З урахуванням умовних позначень, їхній сумарний електричний струм має бути приблизно незмінним у різних точках, якщо немає чистого накопичення заряду.
На знімку, отриманому за умов низького струму, чітко видно кількісні характеристики. Така структура може виникати, коли обчислюються невеликі складові струму на основі протилежних потоків дрейфу та дифузії, або коли відбувається різкий перехід, який не вдається достатньо точно змоделювати. Не слід автоматично інтерпретувати це як фізичний стрибок струму. Оцініть збіжність розв’язувача та порівняйте загальний струм, що проходить через пристрій, перш ніж робити кількісні висновки.На знімку, отриманому за умов низького струму, чітко видно кількісні характеристики. Така структура може виникати, коли обчислюються невеликі складові струму на основі протилежних потоків дрейфу та дифузії, або коли відбувається різкий перехід, який не вдається достатньо точно змоделювати. Не слід автоматично інтерпретувати це як фізичний стрибок струму. Оцініть збіжність розв’язувача та порівняйте загальний струм, що проходить через пристрій, перш ніж робити кількісні висновки.
6.4 Механізми рекомбінації6.4 Механізми рекомбінації
Знімки рекомбінації поєднують у собі процеси рекомбінації, що відбуваються між вільними носіями заряду, та процеси, пов’язані з рекомбінацією за участю дефектів (позначені як R_nfree_to_pfree.csv і R_ss_srh.csv у збереженій послідовності знімків). За низької концентрації введених носіїв заряду рекомбінація, що відбувається за участю дефектів, може бути зосереджена навколо переходу, де присутні обидва типи носіїв; за сильнішого прямого зміщення просторовий розподіл рекомбінації розширюється, оскільки концентрація меншості носіїв заряду зростає. Ступінь і відносна величина цих каналів залежать від числових параметрів матеріалу і не можуть бути визначені лише за висотою піку.Знімки рекомбінації поєднують у собі процеси рекомбінації, що відбуваються між вільними носіями заряду, та процеси, пов’язані з рекомбінацією за участю дефектів (позначені як R_nfree_to_pfree.csv і R_ss_srh.csv у збереженій послідовності знімків). За низької концентрації введених носіїв заряду рекомбінація, що відбувається за участю дефектів, може бути зосереджена навколо переходу, де присутні обидва типи носіїв; за сильнішого прямого зміщення просторовий розподіл рекомбінації розширюється, оскільки концентрація меншості носіїв заряду зростає. Ступінь і відносна величина цих каналів залежать від числових параметрів матеріалу і не можуть бути визначені лише за висотою піку.
Порівняння профілів рекомбінації за різних значень прямої напруги дозволяє визначити, де електрони та дірки, що вводяться, взаємодіють найсильніше. Ця просторова інформація доповнює криву залежності струму від напруги (J–V) і допомагає встановити зв’язок між змінами струму та концентрацією носіїв заряду всередині переходу.Порівняння профілів рекомбінації за різних значень прямої напруги дозволяє визначити, де електрони та дірки, що вводяться, взаємодіють найсильніше. Ця просторова інформація доповнює криву залежності струму від напруги (J–V) і допомагає встановити зв’язок між змінами струму та концентрацією носіїв заряду всередині переходу.
6.5 Профілі швидкості руху електронів і дірок.6.5 Профілі швидкості руху електронів і дірок.
Вихідні дані щодо швидкості генерації електронів і дірок (R_n.csv і R_p.csv) дають змогу провести додаткову діагностику локального балансу носіїв заряду. Їхні знаки та окремі компоненти слід інтерпретувати відповідно до правил, встановлених компанією OghmaNano. Порівняйте чіткі характеристики при низькій напрузі з ширшими розподілами при сильнішому введенні заряду; фізична інтерпретація має зосереджуватися на послідовних тенденціях, а не на інтерпретації кожного окремого невеликого числового відхилення як окремого механізму.Вихідні дані щодо швидкості генерації електронів і дірок (R_n.csv і R_p.csv) дають змогу провести додаткову діагностику локального балансу носіїв заряду. Їхні знаки та окремі компоненти слід інтерпретувати відповідно до правил, встановлених компанією OghmaNano. Порівняйте чіткі характеристики при низькій напрузі з ширшими розподілами при сильнішому введенні заряду; фізична інтерпретація має зосереджуватися на послідовних тенденціях, а не на інтерпретації кожного окремого невеликого числового відхилення як окремого механізму.
7. Вправи та їх розбір/інтерпретація7. Вправи та їх розбір/інтерпретація
8. Основні припущення, використані в моделі, та подальший аналіз8. Основні припущення, використані в моделі, та подальший аналіз
У моделюванні використовується одномірна стаціонарна модель дрейфу-дифузії для компактного напівпровідникового шару GaN товщиною 700 нм, при цьому на контактах застосовуються омічні граничні умови. Ця модель особливо корисна для дослідження того, як легування переходу, параметри матеріалу та рекомбінація впливають на внутрішню зонну структуру та характеристики струм-напруга. Дослідження повної компоновки силових пристроїв можуть базуватися на цій моделі шляхом урахування геометрії пристрою, контактного опору та теплових характеристик.У моделюванні використовується одномірна стаціонарна модель дрейфу-дифузії для компактного напівпровідникового шару GaN товщиною 700 нм, при цьому на контактах застосовуються омічні граничні умови. Ця модель особливо корисна для дослідження того, як легування переходу, параметри матеріалу та рекомбінація впливають на внутрішню зонну структуру та характеристики струм-напруга. Дослідження повної компоновки силових пристроїв можуть базуватися на цій моделі шляхом урахування геометрії пристрою, контактного опору та теплових характеристик.
Шар p-GaN характеризується номінальною концентрацією акцепторів Mg. Оскільки акцептори Mg у GaN розташовані відносно глибоко, їх електрична активація та утворена внаслідок цього концентрація дірок потребують особливої уваги. Деталі залежать від використаної матеріальної моделі для розрахунку статистичних характеристик носіїв заряду та іонізації домішок. Так само, дефекти на межі поділу, об’ємні пастки, рухливість носіїв заряду та коефіцієнти рекомбінації впливають на розраховані електричні характеристики.Шар p-GaN характеризується номінальною концентрацією акцепторів Mg. Оскільки акцептори Mg у GaN розташовані відносно глибоко, їх електрична активація та утворена внаслідок цього концентрація дірок потребують особливої уваги. Деталі залежать від використаної матеріальної моделі для розрахунку статистичних характеристик носіїв заряду та іонізації домішок. Так само, дефекти на межі поділу, об’ємні пастки, рухливість носіїв заряду та коефіцієнти рекомбінації впливають на розраховані електричні характеристики.
Діапазон зміни напруги від 0 до 5 В забезпечує детальне відображення прямої провідності, починаючи з моменту початку ін’єкції носіїв заряду і закінчуючи режимом з вищими струмами. Розширення діапазону зміни напруги до області зворотного зміщення відкриває ще один корисний напрямок для аналізу процесів висначення та поведінки електричного поля. Більш поглиблені дослідження потужних напівпровідникових приладів можуть додатково включати ефекти високих електричних полів і залежність блокування напруги від геометрії.Діапазон зміни напруги від 0 до 5 В забезпечує детальне відображення прямої провідності, починаючи з моменту початку ін’єкції носіїв заряду і закінчуючи режимом з вищими струмами. Розширення діапазону зміни напруги до області зворотного зміщення відкриває ще один корисний напрямок для аналізу процесів висначення та поведінки електричного поля. Більш поглиблені дослідження потужних напівпровідникових приладів можуть додатково включати ефекти високих електричних полів і залежність блокування напруги від геометрії.
Для отримання кількісних прогнозів на дослідницькому рівні перевірте оцінені властивості матеріалу GaN, проаналізуйте залишок розв’язувача та безперервність струму, оптимізуйте просторову сітку та порівняйте результати з експериментальними вимірюваннями або даними з наукової літератури для структури, яка максимально відповідає реальній. Ці перевірки допомагають розширити можливості початкової моделі для кількісного порівняння з виготовленими пристроями.Для отримання кількісних прогнозів на дослідницькому рівні перевірте оцінені властивості матеріалу GaN, проаналізуйте залишок розв’язувача та безперервність струму, оптимізуйте просторову сітку та порівняйте результати з експериментальними вимірюваннями або даними з наукової літератури для структури, яка максимально відповідає реальній. Ці перевірки допомагають розширити можливості початкової моделі для кількісного порівняння з виготовленими пристроями.
9. Наступні кроки9. Наступні кроки
Після завершення початкового вимірювання залежності струму від напруги (J–V), наступним корисним дослідженням є варіювання концентрації домішок p- і n-типу та порівняння отриманих результатів щодо викривлення зон і поведінки області збіднення. Додатковим дослідженням є введення слаболегованої центральної області та порівняння архітектур GaN PN і PIN. Ці зміни демонструють, як конструкція шарів впливає на електростатичні властивості, пряме впорскування носіїв і можливість підтримки зворотної напруги.Після завершення початкового вимірювання залежності струму від напруги (J–V), наступним корисним дослідженням є варіювання концентрації домішок p- і n-типу та порівняння отриманих результатів щодо викривлення зон і поведінки області збіднення. Додатковим дослідженням є введення слаболегованої центральної області та порівняння архітектур GaN PN і PIN. Ці зміни демонструють, як конструкція шарів впливає на електростатичні властивості, пряме впорскування носіїв і можливість підтримки зворотної напруги.