GaAs 教程（Part A）：运行包含垂直缺陷的 3D 漂移–扩散模拟

1. 介绍

在本教程中，你将运行一个3D 漂移–扩散模拟：一个包含明显垂直缺陷（贯穿器件上下的分流通道）的GaAs pn 二极管。 这是一个对 1D 模型刻意“困难”的问题：该缺陷会产生横向电流流动、电流拥挤以及局域复合， 而这些效应在纯厚度方向模拟中无法出现。为什么这很重要：在真实器件中，性能常常不是由理想层结构决定， 而是由电流实际流经的位置决定。局部缺陷、针孔、边缘泄漏、有限尺寸电极以及材料非均匀性都可能主导测量得到的 JV。 3D 漂移–扩散模型使你能够将 JV 曲线中的特征直接与器件中的特定区域关联起来， 从而回答 1D 模型无法回答的问题。

如何在你自己的研究中使用：将此处的缺陷视为任何局域非理想结构的模板， 例如分流丝、阻挡层中的针孔、晶界、受损的探针区域或有限面积电极。 工作流程相同：构建一个最简的 3D 几何结构，尽量保持较小的横向网格，运行求解器， 然后使用按接触分辨的 JV 曲线和快照 （jn.csv、\(\phi\)、复合率）将电学行为与物理位置联系起来。

本教程的目标有两个：(1) 为你提供在 OghmaNano 中进行真正 3D 电学建模的实用入口， (2) 帮助你理解建模决策：何时必须使用 3D（缺陷、有限接触、横向变化）， 以及何时可以退化为 1D。在 Part A 中你将运行含缺陷器件； 在 Part B 中你将移除缺陷并证明当对称性恢复时 3D/2D/1D 结果一致； 在 Part C 中你将启用光照并观察低电流区域出现的数值敏感性。

2. 开始

在 OghmaNano 主窗口中，点击 New simulation 打开器件库 （见 ??）。 双击 GaAs demos，这将打开砷化镓示例文件夹 （见 ??）。 最后双击 GaAs - 3D defect，并将模拟保存到你具有写权限的文件夹中。

打开示例后，主窗口将显示一个器件的 3D 视图 （见 ??）。 结构是一个包含两个可见块体的GaAs pn 二极管， 它们表示一个刻意设置的垂直缺陷区域 （例如杂质丝或类似短路的损耗路径）。 该缺陷从顶部到底部贯穿器件， 使其本质上成为三维结构， 并能够产生电流拥挤和空间局域复合， 这些效应在纯 1D 模型中不会出现。

若要检查材料和缺陷参数，请进入 Device structure 标签并点击 Electrical parameters 打开参数编辑器 （见 ??）。 你会看到分别对应以下对象的参数集：

• GaAs p+ 和 GaAs n+（二极管层），
• defect0 和 defect1（缺陷区域）。

示例使用物理上合理的GaAs 迁移率和载流子浓度。 复合包含一个简单的双分子自由–自由通道 （在有机器件领域通常称为 n³–p³）， 其代表性系数为 1 × 10⁻¹⁵ m³s⁻¹。

你还会注意到启用了平衡 Shockley–Read–Hall (SRH) 陷阱。 在许多有机器件模拟中，需要使用动态 SRH 陷阱， 因为陷阱占据会存储电荷并反馈到电势分布。 然而在 GaAs 中，陷阱密度通常足够低， 因此常常可以仅将陷阱视为复合损耗机制。 使用平衡 SRH可以捕获这一物理过程， 同时无需引入额外的陷阱电荷状态变量， 从而保持模型稳定且高效。

3. 探索模拟：掺杂与网格

Electrical 功能区提供访问定义和诊断模拟所需的核心电学编辑器 （见 ??）。 本节重点介绍两个工具： Doping/Ions（定义 pn 结）以及 Electrical mesh（控制漂移–扩散求解的空间分辨率）。

点击 Doping/Ions 打开掺杂编辑器 （见 ??）。 此示例是一个刻意简化的pn 二极管， p 型和 n 型区域清晰分离。 在这里保持掺杂分布简单， 可以使之后观察到的任何异常行为更容易归因于 几何结构（缺陷）而非静电效应。

接下来点击 Electrical mesh 打开网格编辑器 （见 ??）。 你会看到 x、y 和 z 都已启用， 这意味着模拟是真正的三维。 在该坐标系统中：

• y 是主要传输方向（沿二极管厚度方向），
• x 和 z 是横向方向，用于解析缺陷和横向电流。

在 y 方向上的网格被刻意分配在 n 型和p 型层中， 以保证每个区域具有合适的分辨率—— 如果你之后改变层厚或引入不对称结构，这一点会变得重要。 相比之下，横向网格（x 和 z）的点数较少 （例如 x 约 10 个点、z 约 5 个点）。 这是刻意的：在 3D 中计算成本增长很快。 若每个维度的网格密度增加 \(k\) 倍， 未知量数量大致按 \(k^3\) 增长。 换句话说，3D 模拟随着网格加密会呈立方级变慢， 因此应尽量保持横向分辨率尽可能低， 同时仍能解析你关注的物理过程。

4. 运行 3D 模拟并查看结果

要运行模拟，请点击 Run simulation（蓝色三角形）。 由于这是一个真正的三维漂移–扩散问题， 它会比 1D 模拟耗时更长。 在一台较新的笔记本电脑上，该示例通常在 约 30 秒内完成。 如果运行时间明显更长， 请先检查模拟是否保存到本地磁盘； 网络或云同步文件夹可能会因大量文件 I/O 而显著降低速度。 运行完成后，打开 Output 标签 （见 ??）。 该目录包含漂移–扩散求解生成的标准输出文件， 包括内部变量快照和电流–电压数据。 在此需要区分总体输出和按接触分辨的输出。

由于该器件是在具有有限面积接触的 3D条件下模拟， 因此通常应忽略全局 jv.csv 文件， 而使用按接触分辨的 JV 曲线。 文件 jv_contact0.csv 和 jv_contact1.csv 分别报告顶部和底部接触的电流。 在多维模拟中， 这些曲线是解释电学行为和诊断接触相关损耗的最物理合理方式。 打开 jv_contact0.csv 查看顶部接触的 JV 曲线 （见 ??）。 由于器件包含垂直缺陷， 该曲线不会类似理想的 1D pn 二极管特性。 在下一部分（Part B）中， 你将禁用缺陷并观察 JV 响应如何变化—— 以及当本征三维不对称被移除后， 相同结构如何退化为 2D 和 1D。

5. 使用快照查看器探索内部变量

若要检查求解器内部行为，请打开输出文件夹中的 snapshots/ 目录。 该目录提供模拟变量随模拟步骤 （通常为施加偏压）的空间分布。 双击该目录会打开快照查看器， 如 ?? 和 ?? 所示。

在快照窗口中，点击蓝色 + 按钮添加图像， 并从 File to plot 下拉菜单中选择 jn.csv。 文件 jn.csv 对应垂直电子电流密度。 通过主滑块可以观察电流分布随偏压变化的演化， 同时使用 y 和 z 滑块可以对 3D 体进行切片查看。

此示例是在黑暗条件下的二极管， 因此所有电流均由电场驱动而非光生电流。 关键观察是：缺陷产生了高度局域化的导电路径， 可以在 3D 中直接可视化， 并与非理想 JV 行为明确对应。 快照查看器还可用于探索许多其他内部变量， 包括 Ec.csv、Ev.csv（能带边）、准费米能级、复合率以及载流子浓度。 将这些空间分布与 JV 曲线结合分析， 是建立对多维漂移–扩散求解器直觉理解的有效方法之一。

请注意：虽然电势 \(\phi\) 会随偏压变化， 但掺杂分布（Nad.csv）由掺杂编辑器设定， 并且不会随电压变化。 即便如此， 在 3D 中可视化掺杂仍然很有用—— 尤其是在后续涉及横向掺杂变化或局部缺陷的教程中。