GaAs 教程（Part B）：3D → 2D → 1D（移除缺陷）

1. 引言：在 3D、2D 和 1D 漂移–扩散之间进行选择

在半导体器件仿真中，一个关键的建模决策是选择合适的 维度：3D、2D 或 1D。 更高维的模型运行成本更高，但如果存在横向效应，低维模型可能会遗漏重要的 物理机制。 本节重点学习 何时确实需要更高维度。在 Part A 中，GaAs 二极管包含一个垂直缺陷，它迫使电流发生横向流动， 使问题本质上成为 3D。 在这里，我们通过禁用缺陷来消除这种不对称性，使同一个器件变成 均匀结构，可以在 3D、2D 和 1D 中使用相同的物理参数求解。

一般而言，1D 模型适用于横向均匀的层状结构（例如理想 pn 二极管或太阳能电池）， 2D 模型用于描述单一横向变化（例如 OFET、边缘效应或线缺陷）， 而 3D 模型则用于局域特征，例如旁路、导电细丝、有限面积接触或点缺陷。 在本教程中，你将学习如何 比较 3D、2D 和 1D 漂移–扩散仿真， 评估 运行时间与网格缩放，并判断何时更高维建模能够提供真实的物理洞察——以及何时不会。

2. 移除横向不对称（禁用缺陷对象）

在 Part A 中，垂直缺陷迫使电流发生横向流动，使器件本质上成为 三维。 为了研究维度本身如何影响运行时间和结果，我们现在移除此横向变化来源， 同时保持底层几何结构不变。 我们不会删除缺陷，而是将其 禁用，从而使器件在 x 和 z 方向上 横向均匀。

该缺陷由 两个独立对象 组成。 在 3D 器件视图中，右键单击 其中一个缺陷块并选择 Edit object（而不是 Delete），如 ?? 所示。 这将打开对象编辑器 （??）， 在其中可以切换绿色的 Object enabled 控件。 禁用后，对象将显示为红色叉，其字段将被灰化 （??）。 对 第二个 缺陷块重复此过程。

禁用两个缺陷块之后，主仿真视图应类似于 ??。 缺陷体积会被小型标记球替代，这表明对象仍然存在于项目中， 但不再参与仿真。 这恢复了横向均匀性，同时保留原始几何结构， 从而允许我们在下一步改变维度，而不会引入新的物理特征。

3. 比较 3D、2D 和 1D 仿真：维度、运行时间和结果

在禁用缺陷之后，器件现在在 x 和 z 方向上横向均匀。 这使我们能够研究 仅由维度带来的影响，而不会引入新的物理特征。 在本节中，你将把 同一个 GaAs 二极管作为 3D、2D 和 1D 漂移–扩散问题运行，比较每次仿真的运行时间，并验证 电学结果保持不变。首先打开 Electrical 功能区并点击 Electrical mesh （见 ??）。 首先确保 x、y 和 z 都启用，使仿真完全 三维 （??）。 在此网格状态下运行仿真，并在仿真过程中观察终端输出。

在运行过程中，关注终端打印的时间信息。 右侧列报告每个 仿真步骤所需的毫秒数 （??）。 在典型笔记本电脑上，3D 情况通常需要 每步几十到几百毫秒， 对应总运行时间约为 30 秒。 仿真结束时，请记录运行结束时报告的最终电流值 （例如 top = 1.00 V 对应的行）。

接下来返回 Electrical mesh 编辑器并禁用 z 方向。 此时网格表示 2D（y–x） 仿真 （??）。 再次运行仿真并比较终端输出 （??）。 你应当会看到运行时间显著减少，每步仅需几毫秒。 重要的是，运行结束时报告的最终电流值应当与 3D 情况 数值完全相同。

最后也禁用 x 方向，只保留传输方向 y。 这将问题简化为纯粹的 1D 漂移–扩散仿真 （??）。 最后再运行一次求解器并检查终端输出 （??）。 在这种情况下，每步时间几乎为零，但 top = 1.00 V 时的最终电流 与 2D 和 3D 运行相同。

这个比较说明了器件建模中的一个核心原则。 随着维度降低，仿真速度会显著提高，因为未知量的数量会迅速减少 （通常大致随网格密度的立方缩放）。 然而，由于器件现在在横向上是均匀的，降低维度 不会 改变物理结果。 你仍然是在求解同一结构的同一组方程，只是使用了更高效的坐标表示。 关键结论是：更高维度并不会自动产生不同或更好的物理结果。 只有当器件本身存在真实的横向变化时，高维建模才具有价值。 一旦这种变化被移除，3D、2D 和 1D 仿真就会收敛到相同的电学解—— 仅在计算成本上有所不同。

步骤 5：注意数值结果是相同的

现在仔细查看输出。选择同一条电压线（例如 top = 1.00 V 对应的条目），并比较 3D、2D 和 1D 运行之间计算得到的电流。 你会发现这些值是 相同的（在数值精度范围内）。这就是关键结论： 一旦我们移除了不对称性，器件实际上就是 1D，因此 2D 和 3D 并不会带来新的物理 —— 只会增加运行时间。

Part B 到这里结束。在 Part C 中，我们将研究在 2D 和 3D 仿真中可能出现的数值稳定性问题，并通过引入光照来开始将这个二极管变成类似太阳能电池的问题，观察照明如何改变器件响应。