电学参数编辑器

1. 引言

在 OghmaNano 中，电学参数编辑器 提供了用于定义电学有源层中载流子输运和复合性质的界面。要访问该编辑器，请点击主仿真窗口中 器件结构 选项卡下的 电学参数 按钮（见 ??）。打开后，电学参数编辑器 会显示一组输入字段，用于指定关键物理量，例如载流子迁移率、态密度、复合常数，以及带隙和介电常数等基本材料参数（见 ??）。需要注意的是，只有在 层编辑器 中被标记为有源的层才会显示在 电学参数编辑器 中。如果某一层未设置为有源，则无法编辑其电学性质，因为在这些区域中不求解漂移–扩散和复合过程。

OghmaNano 主仿真窗口，在器件结构选项卡下高亮显示电学参数按钮。 — OghmaNano 主仿真窗口 —— 在 *器件结构* 选项卡下高亮显示 *电学参数* 按钮。点击该按钮将打开电学参数编辑器，用于配置器件中有源层的电学性质。

电学参数编辑器窗口，显示载流子迁移率、态密度、复合常数和材料参数等字段。 — 电学参数编辑器 —— 提供用于定义器件有源层电学参数的控制项。例如，在太阳能电池或有机场效应晶体管中，这包括载流子迁移率、有效态密度、复合常数，以及带隙和介电常数等材料性质。

2. 基本静电学与漂移–扩散方程

图 ?? 显示了在未启用其他求解器按钮时的 电学参数编辑器。在这种状态下，漂移–扩散方程被禁用，但泊松方程仍然被求解。因此，界面仅显示静电学所需的参数： 电子亲和能（χ）、带隙（E_g）以及 相对介电常数（ε_r）。这些量决定了电势在器件中的分布方式。

相比之下，图 ?? 显示了在按下 启用漂移–扩散 按钮后的同一编辑器界面。启用后，漂移–扩散求解器被激活，并显示更多参数。这些参数包括 电子迁移率、空穴迁移率、 有效态密度 以及 自由–自由复合速率常数。用户还可以根据材料体系选择 自由载流子统计 的形式，例如 Maxwell–Boltzmann 或 Fermi–Dirac。

未启用漂移扩散按钮的电学参数编辑器窗口，仅显示静电（泊松）参数。 — *启用漂移–扩散* 关闭时的电学参数编辑器。在该模式下，仅求解静电学（泊松方程），允许用户在不求解完整载流子输运的情况下模拟器件电势。

启用漂移扩散按钮的电学参数编辑器窗口，显示载流子迁移率、态密度和复合常数等附加字段。 — *启用漂移–扩散* 打开时的电学参数编辑器。该模式激活漂移–扩散求解器，并显示额外的输入字段，包括载流子迁移率、态密度、复合常数以及自由载流子统计方式。

3. Auger 复合与平衡 SRH 陷阱

图 ?? 显示了在按下 启用 Auger 按钮后的 电学参数编辑器。启用后，界面会显示用于设置 Auger 复合常数（\(C_n\) 和 \(C_p\)）的附加字段。这些参数描述三粒子复合过程，在高载流子密度下尤为重要。

图 ?? 显示了启用 平衡 SRH 陷阱 选项后的编辑器界面。该选项激活用于指定陷阱参数的输入字段，包括电子和空穴陷阱密度（\(n_1\)、\(p_1\)）以及对应的寿命（\(\tau_n\)、\(\tau_p\)）。这些参数用于标准稳态 Shockley–Read–Hall（SRH）复合模型：

\[ R_{\mathrm{SRH}} = \frac{np - n_i^2}{\tau_p (n + n_1) + \tau_n (p + p_1)} \]

该实现对应于经典的平衡 SRH 模型。它不包含更高级的非平衡 SRH 动力学（俘获与释放），这些过程在动态 SRH 陷阱选项中单独处理。

启用 Auger 按钮的电学参数编辑器，显示 Auger 复合常数的附加字段。 — *启用 Auger* 打开时的电学参数编辑器。启用后，会出现用于指定 Auger 复合常数（\(C_n\) 和 \(C_p\)）的字段，用于描述在高载流子密度下重要的三粒子复合过程。

启用平衡 SRH 陷阱按钮的电学参数编辑器，显示 SRH 陷阱参数的附加字段。 — 启用 *平衡 SRH 陷阱* 的电学参数编辑器。该模式显示用于定义陷阱密度（\(n_1\)、\(p_1\)）和寿命（\(\tau_{n}\)、\(\tau_{p}\)）的输入字段，用于平衡条件下的 Shockley–Read–Hall 复合建模。

4. 动态 Shockley–Read–Hall 俘获与复合

通过在启用漂移–扩散求解器的同时启用 动态 SRH 陷阱 选项， OghmaNano 会在每个网格点求解完整的 Shockley–Read–Hall 俘获与释放方程组。这使得仿真能够捕捉载流子与陷阱相互作用的瞬态动力学行为。

图 ?? 显示了默认配置，其中在每个网格点下方求解两条指数尾态分布。参数包括：

电子与空穴陷阱密度
电子与空穴尾态斜率（Urbach 能）
俘获截面：
- 自由电子 → 陷阱电子（俘获）
- 自由空穴 → 陷阱空穴（俘获）
- 自由电子 → 陷阱空穴（复合）
- 自由空穴 → 陷阱电子（复合）
陷阱数量 —— 用于近似连续分布的离散陷阱能级数（这不是陷阱密度本身）。

在对高度无序的半导体进行建模时，求解这些方程尤为重要，因为它不仅捕捉了通过指数尾态的复合过程，还描述了存储在这些陷阱中的额外电荷，这些电荷会显著影响器件性能。

启用动态 SRH 陷阱的电学参数编辑器，显示非平衡陷阱的设置选项。 — 启用 *动态 SRH 陷阱* 的电学参数编辑器。该模式显示非平衡 Shockley–Read–Hall（SRH）陷阱设置，包括陷阱密度、尾态斜率和俘获系数，以实现对陷阱辅助复合动力学的精细建模。

将 SRH 陷阱态密度分布设置为复杂形式的电学参数编辑器，显示用于配置自定义陷阱分布的编辑按钮。 — 当 SRH 陷阱的 *态密度（DoS）分布* 设置为复杂时的电学参数编辑器。在该模式下，用户可以点击编辑来定义任意能量空间中的陷阱分布，例如高斯、指数、洛伦兹分布，或这些函数的组合。

5. 更复杂的态分布

默认情况下，动态 Shockley–Read–Hall（SRH）模型假设陷阱态服从指数分布。然而，实验研究表明，无序半导体中的态密度（DoS）往往并非纯指数形式。在某些研究中，其分布更接近高斯分布；在其他情况下，则更适合用高斯与指数分布的混合来描述；在更复杂的情形下，还需要采用完全不同的函数形式。在所有情况下，DoS 的具体形状都与其在带隙中的能量位置密切相关。

图 8 显示了用于定义 Shockley–Read–Hall 陷阱分布 DoS 的电学参数。如果将 DoS 类型从指数切换为复杂并点击编辑按钮，则会显示图 ?? 所示的界面。在该界面中，用户可以定义任意能量分布形式的陷阱态，包括高斯、指数、洛伦兹分布，或这些函数的组合。

复杂态密度编辑器，显示用户定义的数学函数，用于描述 HOMO 和 LUMO 分布。 — 复杂态密度（DoS）编辑器 —— 允许用户通过组合多个数学函数，在能量空间中构建任意形式的陷阱态分布。例如，可以添加并叠加高斯、指数或洛伦兹函数，以定义 HOMO 和 LUMO 的分布。这种灵活性使得能够表示超越简单解析模型的真实电子结构。