 |
InGaN/AlGaN دو ناهم ساختار LED
این مدل یک دیود ساطع نور مبتنی بر GaN (LED) را شبیه سازی می کند. این نشان می دهد که چگونه می توان از رابط نیمه هادی برای ارزیابی انتشار نوری از دستگاه های الکترونیک نوری با رانش الکتریکی با استفاده از ویژگی انتقال نوری استفاده کرد. همچنین مثالی از چگونگی حل مشکلات ناشی از جریان با ایجاد شرایط اولیه مناسب از مطالعات مبتنی بر ولتاژ ارائه می دهد. طیف انتشار، شدت و بازده کوانتومی به عنوان تابعی از جریان محرک به منظور ارزیابی شرایط عملیاتی بهینه محاسبه می‌شوند. توجه داشته باشید که اثرات محصور شدن کوانتومی در ناحیه فعال نازک در مدل گنجانده نشده است.
معرفی
ال ای دی ها صنعت روشنایی را متحول می کنند، زیرا اغلب بسیار کارآمدتر و بادوام تر از فناوری های سنتی نور رشته ای هستند. به عنوان مثال، لامپ های معمولی LED مصرفی با 10 تا 20 درصد توان مورد نیاز برای راه اندازی یک لامپ رشته ای با روشنایی مشابه کار می کنند و طول عمر آنها بیش از 25000 ساعت است، در حالی که این لامپ های رشته ای تنها 1000 ساعت هستند. لامپ های ال ای دی بسیار کارآمدتر از لامپ های رشته ای هستند زیرا عملکرد آنها بسیار متفاوت است. ال‌ای‌دی‌ها دستگاه‌های نیمه‌رسانایی هستند که وقتی الکترون‌ها در نوار رسانایی از طریق بازترکیب تابشی با حفره‌هایی در باند ظرفیت عبور می‌کنند، از شکاف نواری عبور می‌کنند. لامپ‌های رشته‌ای متکی به گرمایش مقاومتی رشته‌ای هستند که وقتی به اندازه کافی داغ شد تا درخشنده شود، نور ساطع می‌کند. این فقط برای گرم کردن رشته انرژی زیادی مصرف می کند، و تنها بخش کوچکتری از انرژی خروجی به تولید نور می رود. دماهای بالا نیز منجر به طول عمر کوتاه‌تر می‌شود، زیرا رشته‌های سوخته تقریباً همیشه علت خرابی لامپ‌های رشته‌ای هستند.
بر خلاف لامپ های رشته ای، LED ها نور را در محدوده بسیار باریکی از طول موج ساطع می کنند. در ابتدا، LED های قرمز، سبز و زرد در دهه 1950-1960 توسعه یافتند. با این حال، اختراع LED آبی بود که منجر به ایجاد منابع نور سفید کارآمد جدید شد. نور آبی ساطع شده از چنین LED هایی را می توان برای تحریک طیف گسترده تری از انتشار از یک لایه فسفر در اطراف پوشش LED استفاده کرد یا می توان مستقیماً با LED های قرمز و سبز ترکیب کرد تا نور سفید ایجاد کند.
ال ای دی های آبی تا حدی چالش برانگیزتر بودند زیرا به مواد باند شکاف بزرگتری نیاز داشتند. اولین LED آبی با راندمان بالا در سال 1994 ساخته شد و جایزه نوبل فیزیک در سال 2014 به ایسامو آکاساکی، هیروشی آمانو و شوجی ناکامورا برای تلاش آنها در راستای این دستاورد اهدا شد. خلاصه ای از تاریخچه توسعه LED را می توان در Ref. 1 .
اگرچه LED ها بسیار کارآمدتر از فناوری روشنایی قبلی هستند، اما هنوز برخی از چالش های علمی و مهندسی برای بهبود بیشتر طراحی آنها وجود دارد. به طور خاص، کارایی LED ها در جریان های حرکتی بزرگتر کاهش می یابد. این پدیده به عنوان افتادگی LED شناخته می شود و باعث می شود که کل نور ساطع شده به صورت زیرخطی با افزایش بایاس جریان افزایش یابد و شدتی را که می توان به دست آورد و در عین حال بازده بالا را حفظ کرد، محدود می کند. در نتیجه، برای افزایش روشنایی کلی اغلب لازم است که به جای اعمال جریان بیشتر، مساحت دستگاه را افزایش دهید یا LED های اضافی را به یک لامپ اضافه کنید. این به هزینه لامپ می افزاید و هزینه محصولات LED را افزایش می دهد.
در این مدل، ناحیه ساطع نور فعال یک LED آبی مبتنی بر GaN مدل سازی شده است. خواص انتشار به عنوان تابعی از جریان محرک بررسی می شود و بازده محاسبه می شود.
تعریف مدل
مواد و هندسه این مدل بر اساس دستگاه توصیف شده توسط ناکامورا و همکاران است. در Ref. 2 . فقط منطقه ناهمگونی دوتایی فعال، که از آن طول موج نور مورد نظر ساطع می شود، مدل شده است. این ناحیه از یک لایه ضخامت 50 نانومتر از In 0.06 Ga 0.94 N تشکیل شده است که بین لایه های 0.15 میکرومتر Al 0.15 Ga 0.85 N قرار گرفته است. از آنجایی که دستگاه به صورت جانبی ثابت است، می توان آن را با استفاده از یک برش یک بعدی در جهت z مدل کرد. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است . سطح مقطع دستگاه با این فرض محاسبه می شود که ناحیه فعال دارای ابعاد جانبی 200 در 200 میکرومتر است که یک اندازه LED معمولی است.
لایه AlGaN پایین n دوپ شده و لایه AlGaN بالایی با p دوپ شده است. لایه InGaN حذف شده است. این یک ساختار دیود پین ایجاد می کند، با لایه InGaN ساطع کننده نور در ناحیه مرکزی مرکزی (بدون دوپ). خواص مواد بر اساس مواد GaN از کتابخانه مواد ماژول نیمه هادی است. با این حال، انرژی شکاف نواری و مقادیر میل الکترونی تغییر کرده اند تا ترکیبات آلیاژ In و Al را منعکس کنند. توجه داشته باشید که شکاف باند ماده InGaN برای مطابقت با محدوده طیفی انتشار از دستگاه در Ref. 2 . علاوه بر اصلاح این خصوصیات، فاکتورهای نوترکیبی اوگر و طول عمر حامل برای نوترکیبی به کمک Trap به مواد اضافه شده است. مقادیر این ویژگی ها در Ref. 3 ومرجع. 4 . توجه داشته باشید که اثر محدودیت کوانتومی در این مدل گنجانده نشده است.
اگرچه اثر بار پلاریزاسیون در این مدل گنجانده نشده است، اما ساده است که آن را با محاسبه چگالی بار سطحی و/یا فضایی از میدان قطبش اضافه کنید، سپس آنها را در شرایط مرزی چگالی شارژ سطحی و/یا بار فضایی وارد کنید . شرایط دامنه چگالی .
شکل 1: هندسه و دوپینگ دستگاه LED. سمت چپ: ساختار LED که این مدل بر اساس آن ساخته شده است. بخشی که مدل شده است با یک نوار قرمز برجسته شده است. بالا سمت راست: هندسه ناحیه ناهم ساختار دوگانه دستگاه کامل را مدل می کند. پایین سمت راست: نمایه دوپینگ یک دیود پین است که لایه InGaN ناحیه ذاتی را تشکیل می دهد.
شرایط مرزی تماس فلزی به منظور اعمال بایاس های ولتاژ و جریان به دستگاه بر روی مرزهای هندسه اعمال می شود. علاوه بر این، یک شرط مرزی پیوستگی/هتروجانکشن دوم اضافه می‌شود تا امکان جابجایی بین سطوح شبه فرمی پیوسته و مدل‌های تداوم ناهمواری گسیل گرمایی را فراهم کند. یک ویژگی انتقال نوری برای محاسبه انتشار خود به خود از دستگاه استفاده می شود. مکانیسم‌های نوترکیبی غیر تشعشعی از طریق ویژگی‌های Auger Recombination و Trap-Assisted Recombination گنجانده شده‌اند که به همه حوزه‌ها اضافه می‌شوند.
از سه مطالعه برای حل مدل هدایت‌شده فعلی استفاده می‌شود. مطالعه اول یک مطالعه مقدماتی است که از مرحله مطالعه تعادل نیمه هادی برای بدست آوردن محلول تعادل به عنوان شرط اولیه برای مطالعه زیر استفاده می کند.
 | سیستم معادلات برای اتصالات ناهمگون بسیار غیرخطی و از نظر عددی چالش برانگیز است. در این آموزش از مرحله مطالعه تعادل نیمه هادی برای دستیابی به همگرایی بهتر استفاده می کنیم . برای راه‌های بیشتر برای غلبه بر چالش عددی، به مثال مدل تأیید heterojunction_1d مراجعه کنید. |
مطالعه دوم یک مطالعه بایاس ولتاژ است که ولتاژ اعمال شده در سراسر دستگاه را از 0 تا 3.3 ولت جارو می کند. از این مطالعه، نمودار سطح انرژی برای دستگاه به همراه توزیع غلظت حامل و منحنی ولتاژ جریان ایجاد می شود.
مطالعه نهایی یک مطالعه سوگیری فعلی است، که جریان اعمال شده رانده شده از طریق دستگاه را در چندین مرتبه بزرگی از 1 μA تا 700 میلی آمپر جارو می کند . این مطالعه از یک راه حل از مطالعه ولتاژ محور به عنوان شرایط اولیه برای همگرایی استفاده می کند. داده‌های این مطالعه به منحنی جریان-ولتاژ اضافه می‌شود تا از توافق با مورد ولتاژ محور اطمینان حاصل شود. نرخ انتشار در سراسر دستگاه، طیف انتشار از مواد InGaN، نرخ انتشار کل ادغام شده در لایه InGaN، و بازده کوانتومی داخلی، سپس به عنوان تابعی از بایاس فعلی رسم می شوند.
نتایج و بحث
نمودار سطح انرژی برای دستگاه در دو بایاس ولتاژ مختلف در شکل 2 و شکل 3 نشان داده شده است . نوار رسانایی و ظرفیت به ترتیب semi.Ec و semi.Ev و ترازهای شبه فرمی الکترون و سوراخ با semi.Efn و semi.Efp برچسب‌گذاری می‌شوند.، به ترتیب. در هر دو مورد، دوپینگ PIN آشکار است، زیرا باعث ایجاد یک مانع بالقوه بین ناحیه n دوپ شده دست چپ و ناحیه دوپ شده p دست راست می شود. لایه InGaN شکاف باند پایین باعث ایجاد یک چاه پتانسیل در هر دو باند هدایت و ظرفیت می شود. برای شبیه سازی کاملاً دقیق، اثرات محصور کوانتومی این چاه با ضخامت 50 نانومتر باید در نظر گرفته شود. این اثرات در این مدل گنجانده نشده است. نتیجه اصلی این است که طیف انتشار محاسبه‌شده شامل کمک‌های حالت‌های اکسایتون محدود یا انتقال بین سطوح انرژی محدود کوانتومی در دو چاه پتانسیل نمی‌شود. در حالت سوگیری صفر ( شکل 2) سطوح شبه فرمی از لبه های نوار در لایه InGaN فاصله دارند. زمانی که دستگاه در حالت تعادل است و هیچ نوری ساطع نمی شود، انتظار می رود. هنگامی که ولتاژ 3.3 ولت به سمت p دستگاه اعمال می شود ( شکل 3 ) بایاس رو به جلو ارتفاع مانع پتانسیل بین مناطق نوع n و نوع p را همانطور که انتظار می رود کاهش داده است. سطح انرژی شبه فرمی الکترون اکنون بالای لبه نوار رسانایی در لایه InGaN است، بنابراین انتظار داریم نوار رسانایی با الکترون در این ناحیه پر شود. سطح انرژی حفره شبه فرمی بسیار نزدیک به لبه باند ظرفیت است، بنابراین انتظار داریم نوار ظرفیت پر از سوراخ باشد.
شکل 2: نمودار سطح انرژی برای حالت بایاس صفر. نوار هدایت (semi.Ec) و باند ظرفیت (semi.Ev) یک مانع بالقوه بین نواحی دوپ شده n دست چپ و نواحی دوپ شده دست راست را نشان می دهد. لایه InGaN یک چاه پتانسیل در هر دو باند ایجاد می کند.
شکل 3: نمودار سطح انرژی برای بایاس ولتاژ رو به جلو 3.3 ولت. ارتفاع مانع پتانسیل توسط بایاس رو به جلو کاهش یافته است.
.
شکل 4: غلظت حامل در بایاس صفر. مناطق نوع n و نوع p به ترتیب دارای غلظت بالایی از الکترون و حفره هستند. ناحیه تخلیه شده به دلیل وجود چاه پتانسیل، افزایش اندکی در غلظت حامل در لایه InGaN دارد، با این حال غلظت مرتباً کوچکتر از مواد اطراف است.
شکل 5: غلظت حامل در بایاس رو به جلو 3.3 ولت. لایه InGaN به شدت با هر دو الکترون در نوار رسانایی و حفره‌هایی در نوار ظرفیت پر شده است.
شکل 4 و شکل 5 غلظت حامل را در سراسر دستگاه به ترتیب در بایاس رو به جلو صفر و 3.3 ولت نشان می دهد. همانطور که انتظار می رود، منطقه InGaN با حامل ها در حالت تعادل پر نشده است، اما استفاده از یک سوگیری رو به جلو باعث می شود حامل ها در چاه پتانسیل ایجاد شده توسط لایه InGaN جمع شوند. نکته مهم این است که غلظت الکترون ها در نوار رسانایی به اندازه غلظت حفره ها در نوار ظرفیت است. این امکان خروجی نور کارآمد را فراهم می کند، زیرا هر فوتونی که ساطع می شود به یک الکترون نیاز دارد تا در سراسر شکاف نواری با یک سوراخ دوباره ترکیب شود.
شکل 6 میزان انتشار را در سراسر دستگاه برای محدوده بایاس های جریان نشان می دهد. در همه موارد انتشار از لایه InGaN به طور قابل توجهی بزرگتر از مواد روکش است. این به این دلیل است که لایه InGaN تنها ناحیه دستگاه است که غلظت بالایی از الکترون ها و حفره ها دارد. با افزایش سوگیری فعلی، به دلیل افزایش نرخ تزریق حامل، میزان انتشار نیز افزایش می‌یابد.
شکل 6: نرخ انتشار در سراسر دستگاه برای طیف وسیعی از بایاس های جریان. نرخ انتشار در لایه InGaN بزرگ‌ترین است، زیرا این ناحیه دارای منبع فراوانی از الکترون‌ها در باند هدایت و حفره‌هایی در باند ظرفیت است.
طیف انتشار از مرکز لایه InGaN در شکل 7 نشان داده شده است . اوج انتشار در اطراف انرژی های فوتون 2.8-2.9 eV رخ می دهد که مربوط به محدوده طول موج ~430-445 نانومتر است. این در محدوده آبی هدف طیف قرار می گیرد، همانطور که انتظار می رفت، زیرا شکاف باند برای لایه InGaN برای مطابقت با طیف انتشار از دستگاه شرح داده شده در Ref محاسبه شد. 2 . دوباره واضح است که با افزایش جریان، شدت انتشار کل افزایش می یابد.
شکل 7: طیف انتشار از مرکز لایه InGaN.
اگرچه کل نور ساطع شده با بایاس جریان افزایش می‌یابد، اما همیشه کار کردن در جریان‌های بزرگتر برای افزایش روشنایی دستگاه مطلوب نیست. این به این دلیل است که راندمان دستگاه با افزایش چگالی جریان کاهش می یابد و در نتیجه نرخ انتشار کل با بایاس جریان به صورت زیرخطی افزایش می یابد. شکل 8 میزان انتشار کل از لایه InGaN را به عنوان تابعی از بایاس جریان اعمال شده نشان می دهد و این اثر به وضوح قابل مشاهده است. این پدیده به عنوان افتادگی LED شناخته می شود و موضوع تحقیقات مداوم در جامعه روشنایی حالت جامد است. یکی از معیارهایی که می‌توان با آن کارایی را ارزیابی کرد، بازده کوانتومی داخلی (IQE) است. این کسری از حامل های تزریق شده است که به صورت تابشی در لایه InGaN دوباره ترکیب می شوند. شکل 9IQE را به عنوان تابعی از چگالی جریان نشان می دهد. یک اوج در IQE در تراکم جریان در حدود 30 Acm -2 و برای تراکم بیش از ~ 100 Acm -2 وجود دارد افت سریع در IQE. حداکثر راندمان با جریان های اعمال شده در محدوده 10-30 میلی آمپر به دست می آید که برای دستگاه های LED با این اندازه معمول است.
شکل 8: نرخ انتشار کل از لایه InGaN به عنوان تابعی از بایاس جریان. افزایش زیرخطی مشخصه افتادگی LED است و در دستگاه های LED رایج است.
شکل 9: راندمان کوانتومی داخلی به عنوان تابعی از چگالی جریان. کاهش سریع برای چگالی های بالاتر از ~ 100 Acm -2 ، بایاس جریان را محدود می کند که می تواند در عین حفظ بازده قابل قبول اعمال شود.
منحنی جریان-ولتاژ در شکل 10 اهمیت مشکل افتادگی LED را برجسته می کند. راندمان بهینه در جریان هایی اتفاق می افتد که فقط کمی بالاتر از آستانه روشن شدن هستند. این دستگاه می‌تواند در جریان‌های بسیار بزرگتر بدون هیچ مشکل الکتریکی کار کند، با این حال افت IQE جریان را به کسری کوچک از حداکثر مقدار بالقوه‌اش محدود می‌کند، اگر بازدهی بالا مورد نظر باشد.
شکل 10: منحنی جریان-ولتاژ برای دستگاه تحت هر دو بایاس ولتاژ و جریان. این دو مطالعه موافق هستند. راندمان بهینه با جریان هایی در محدوده 10-30 میلی آمپر به دست می آید که در ولتاژ کمی بالاتر از آستانه روشن شدن رخ می دهد.
علت افتادگی LED هنوز به طور کامل مشخص نشده است. در این مدل، کاهش IQE به دلیل مکانیسم‌های نوترکیبی غیر تشعشعی است که شامل می‌شود. سرعت نوترکیبی اوگر متناسب با مکعب چگالی حامل است، در حالی که نرخ نوترکیب تابشی مستقیم تنها با مجذور چگالی حامل متناسب است. این باعث می شود کسر رویدادهای نوترکیبی که از طریق مکانیسم تابشی رخ می دهد تا حد زیادی با افزایش چگالی حامل کاهش یابد. بنابراین کاهش راندمان برای افزایش چگالی جریان.
منابع
1. جایزه نوبل فیزیک 2014 – اطلاعات پیشرفته. Nobelprize.org., Nobel Media AB 2014. Web. 29 اکتبر 2014. http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2014/advanced.html
2. اس. ناکامورا، تی. Mukia، و M. Senoh، “دیودهای نور آبی با ساختار دوگانه ناهمگون InGaN/AlGaN کلاس Candela،” Appl. فیزیک Lett. ، جلد 64، ص. 1687، 1994.
3. YC Shen، GO Mueller، S. Watanabe، NF Gardner، A. Munkholm، و MR Krames، “ نوترکیبی مارپیچ در InGaN اندازه‌گیری شده با فوتولومینسانس،” Appl. فیزیک Lett. ، جلد 91، ص. 141101، 2007.
4. Q. Dai و دیگران، “بازده کوانتومی داخلی و ضریب نوترکیبی غیر تشعشعی چاه‌های کوانتومی چندگانه GaInN/GaN با چگالی نابجایی مختلف،” Appl. فیزیک Lett. ، جلد 94، ص. 111109، 2009.
مسیر کتابخانه برنامه: Semiconductor_Module/Photonic_Devices_and_Sensors/gan_double_heterostructure_led
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard ، روی  1D کلیک کنید . |
2 | در درخت انتخاب فیزیک ، Semiconductor>Semiconductor (نیمه) را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
مطالعه اول یک مطالعه مقدماتی خواهد بود که برای ایجاد شرایط اولیه برای مطالعه بایاس ولتاژ بعدی استفاده می شود. این به دلیل ماهیت غیرخطی معادلات درگیر در مدل‌سازی اثرات نوترکیبی و پیوندهای ناهمگون مورد نیاز است.
چندین راه مختلف برای غلبه بر چالش عددی ارسال شده توسط غیرخطی بودن در سیستم معادلات وجود دارد. در اینجا از مرحله مطالعه تعادل نیمه هادی برای بدست آوردن محلول تعادل به عنوان شرط اولیه برای مطالعه زیر استفاده می کنیم . برای سایر روش‌های جایگزین برای دستیابی به همگرایی، به مثال مدل تأیید heterojunction_1d مراجعه کنید.
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت مطالعه انتخاب ، مطالعات از پیش تعیین شده برای واسط های فیزیک انتخاب شده > تعادل نیمه هادی را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
چند پارامتر سراسری به مدل اضافه کنید.
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
V_n | 0 [V] | 0 V | ولتاژ تماس n |
V_p | 0 [V] | 0 V | ولتاژ تماس p |
InGaN_bg | ((h_const*c_const)/450[nm])/(1.6e-19[C]) | 2.759 V | انرژی شکاف باند لایه InGaN |
I_p | 1e-6[A] | 1E-6A | جریان تماس p |
A_cross | 200[یک]*200[یک] | 4E-8 متر مربع | سطح مقطع |
هندسه مدل را ایجاد کنید.
هندسه 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Geometry 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات هندسه ، بخش Units را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد طول ، میکرومتر را انتخاب کنید . |
فاصله 1 (i1)
1 | روی Component 1 (comp1)>Geometry 1 کلیک راست کرده و Interval را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای فاصله ، قسمت فاصله را بیابید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
مختصات (ΜM) |
0 |
0.15 [یک] |
فاصله 2 (i2)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Geometry 1 کلیک راست کرده و Interval را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای فاصله ، قسمت فاصله را بیابید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
مختصات (ΜM) |
0.15 [یک] |
0.2 [یک] |
فاصله 3 (i3)
1 | روی Geometry 1 کلیک راست کرده و Interval را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای فاصله ، قسمت فاصله را بیابید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
مختصات (ΜM) |
0.2 [یک] |
0.35 [یک] |
مواد را به حوزه های هندسه اضافه کنید. دو لایه روکش Al 0.15 Ga 0.85 N هستند که انرژی شکاف نواری آن 3.7 eV است. لایه مرکزی در 0.06 Ga 0.94 N است. انرژی شکاف باند InGaN از طیف انتشار در مقاله مرجع برآورد شده است. میل الکترونی InGaN به گونه ای تنظیم شده است که لایه مرکزی یک چاه پتانسیل برای هر دو الکترون در باند هدایت و حفره های باند ظرفیت ایجاد می کند.
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Semiconductors>GaN (Zinc Blende) – Gallium Nitride را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
مواد
Al_0.15_Ga_0.85_N
1 | در پنجره تنظیمات برای Material ، Al_0.15_Ga_0.85_N را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
2 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
شکاف باند | Eg0 | 3.7 [V] | V | مواد نیمه هادی |
در_0.06_Ga_0.94_N
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Materials روی GaN (Zinc Blende) – Gallium Nitride 1 (mat2) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مواد ، In_0.06_Ga_0.94_N را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . روی Paste Selection کلیک کنید .  |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، در فیلد متن Selection عدد 2 را تایپ کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
6 | در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material Contents را پیدا کنید . |
7 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
شکاف باند | Eg0 | InGaN_bg | V | مواد نیمه هادی |
میل الکترونی | chi0 | 4.6 [V] | V | مواد نیمه هادی |
8 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
یک جفت ادغام غیرمحلی در گره تعاریف مؤلفه ایجاد کنید. این اجازه می دهد تا هنگام ایجاد نمودارها، نرخ انتشار در کل لایه InGaN یکپارچه شود.
تعاریف
ادغام 1 (در اول)
1 | در نوار ابزار تعاریف ، روی  Nonlocal Couplings کلیک کرده و Integration را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ادغام ، بخش انتخاب منبع را پیدا کنید . |
3 |  روی Paste Selection کلیک کنید . |
4 | در کادر محاوره ای Paste Selection ، در فیلد متن Selection عدد 2 را تایپ کنید . |
5 | روی OK کلیک کنید . |
سپس فیزیک را در رابط نیمه هادی پیکربندی کنید.
نیمه هادی (نیمه)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Semiconductor (Semi) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات نیمه هادی ، بخش سطح مقطع را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن A ، A_cross را تایپ کنید . |
4 | قسمت Model Properties را پیدا کنید . از لیست آمار حامل ، Fermi-Dirac را انتخاب کنید . |
n دوپینگ
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Analytic Doping Model را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مدل تحلیلی دوپینگ ، n Doping را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت انتخاب دامنه را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، همه دامنه ها را انتخاب کنید . |
4 | بخش توزیع را پیدا کنید . از لیست، جعبه را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Impurity را پیدا کنید . از لیست نوع ناخالصی ، دوپینگ اهداکننده (نوع n) را انتخاب کنید . |
6 | در قسمت متنی N D 0 ، 1e18[1/cm^3] را تایپ کنید . |
7 | بخش Uniform Region را پیدا کنید . در قسمت متن W ، 0.125[um] را تایپ کنید . |
8 | قسمت پروفایل را پیدا کنید . در قسمت متن d j ، 0.025[um] را تایپ کنید . |
p دوپینگ
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Analytic Doping Model را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مدل تحلیلی دوپینگ ، p Doping را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت انتخاب دامنه را پیدا کنید . از لیست انتخاب ، همه دامنه ها را انتخاب کنید . |
4 | بخش توزیع را پیدا کنید . از لیست، جعبه را انتخاب کنید . |
5 | قسمت Impurity را پیدا کنید . در قسمت متنی N A 0 ، 1e18[1/cm^3] را تایپ کنید . |
6 | بخش Uniform Region را پیدا کنید . بردار r 0 را به عنوان مشخص کنید |
0.225 [یک] | ایکس |
7 | در قسمت متن W ، 0.125[um] را تایپ کنید . |
8 | قسمت پروفایل را پیدا کنید . در قسمت متن d j ، 0.025[um] را تایپ کنید . |
n تماس
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Metal Contact را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تماس فلزی ، n Contact را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | فقط مرز 1 را انتخاب کنید. |
4 | قسمت ترمینال را پیدا کنید . در قسمت متنی V 0 ، V_n را تایپ کنید . |
p تماس
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Metal Contact را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تماس فلزی ، در قسمت نوشتار برچسب p Contact را تایپ کنید . |
3 | فقط مرز 4 را انتخاب کنید. |
4 | قسمت ترمینال را پیدا کنید . در قسمت متن V 0 ، V_p را تایپ کنید . |
پیوستگی/هتروجانکشن – گسیل گرمایی
1 | در نوار ابزار فیزیک ، روی  Boundaries کلیک کنید و Continuity/Heterojunction را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Continuity/Heterojunction ، قسمت Boundary Selection را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه مرزها را انتخاب کنید . |
4 | در قسمت نوشتار برچسب ، Continuity/Heterojunction – Thermionic Emission را تایپ کنید . |
5 | قسمت Heterojunction را پیدا کنید . از لیست مدل Continuity ، گسیل Thermionic را انتخاب کنید . |
انتقال نوری 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Optical Transitions را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای انتقال نوری ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه دامنه ها را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Optical Transitions را پیدا کنید . کادر بررسی جذب و انتشار تحریک شده را پاک کنید . |
p تماس – فعلی
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Metal Contact را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تماس فلزی ، p Contact – Current را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | فقط مرز 4 را انتخاب کنید. |
4 | قسمت ترمینال را پیدا کنید . از لیست نوع ترمینال ، فعلی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت نوشتاری I 0 ، I_p را تایپ کنید . |
نوترکیب مارپیچ 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Auger Recombination را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Recombination مارپیچ ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه دامنه ها را انتخاب کنید . |
نوترکیبی به کمک تله 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Domains کلیک کنید و Trap-Assisted Recombination را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Recombination با کمک تله ، قسمت انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه دامنه ها را انتخاب کنید . |
دو مکانیسم نوترکیبی غیر تشعشعی نیاز به افزودن خواص مواد اضافی دارند. عوامل نوترکیبی اوگر و طول عمر حامل شاکلی-رید-هال (SHR) در مقالات اخیر مورد بررسی قرار گرفته‌اند، با این حال این پارامترها به شدت به شرایط رشد مواد وابسته هستند، بنابراین طیف نسبتاً گسترده‌ای از مقادیر قابل قبول وجود دارد.
مواد
Al_0.15_Ga_0.85_N (mat1)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Materials روی Al_0.15_Ga_0.85_N (mat1) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material Contents را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
فاکتور نوترکیبی مارپیچ، الکترون ها | Cn | 1.7e-30[cm^6/s] | m 6 /s | نوترکیبی مارپیچ |
عامل نوترکیبی مته، سوراخ ها | Cp | 1.7e-30[cm^6/s] | m 6 /s | نوترکیبی مارپیچ |
طول عمر الکترون، SRH | سال | 1e-8 | س | نوترکیبی شاکلی-رید-هال |
طول عمر سوراخ، SRH | تاپ | 1e-8 | س | نوترکیبی شاکلی-رید-هال |
In_0.06_Ga_0.94_N (mat2)
1 | در پنجره Model Builder ، روی In_0.06_Ga_0.94_N (mat2) کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Material ، قسمت Material Contents را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
فاکتور نوترکیبی مارپیچ، الکترون ها | Cn | 1.7e-30[cm^6/s] | m 6 /s | نوترکیبی مارپیچ |
عامل نوترکیبی مته، سوراخ ها | Cp | 1.7e-30[cm^6/s] | m 6 /s | نوترکیبی مارپیچ |
طول عمر الکترون، SRH | سال | 1e-8 | س | نوترکیبی شاکلی-رید-هال |
طول عمر سوراخ، SRH | تاپ | 1e-8 | س | نوترکیبی شاکلی-رید-هال |
یک مش مناسب را پیکربندی کنید.
مش 1
لبه 1
1 | در نوار ابزار Mesh ، روی  Edge کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Edge ، بخش انتخاب دامنه را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح موجودیت هندسی ، تمام هندسه را انتخاب کنید . |
توزیع 1
1 | روی Edge 1 کلیک راست کرده و Distribution را انتخاب کنید . |
2 | فقط دامنه های 1 و 3 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای توزیع ، بخش توزیع را پیدا کنید . |
4 | از لیست نوع توزیع ، از پیش تعریف شده را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متنی Number of Elements عدد 100 را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن نسبت عنصر ، 6 را تایپ کنید . |
7 | چک باکس توزیع متقارن را انتخاب کنید . |
توزیع 2
1 | در پنجره Model Builder ، روی Edge 1 کلیک راست کرده و Distribution را انتخاب کنید . |
2 | فقط دامنه 2 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای توزیع ، بخش توزیع را پیدا کنید . |
4 | از لیست نوع توزیع ، از پیش تعریف شده را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متنی Number of element ، عدد 30 را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن نسبت عنصر ، 2 را تایپ کنید . |
7 | چک باکس توزیع متقارن را انتخاب کنید . |
8 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
اولین مطالعه را پیکربندی کنید، که یک مطالعه مقدماتی است که برای ایجاد شرایط اولیه برای مطالعه بایاس ولتاژ بعدی استفاده می‌شود. این به دلیل ماهیت غیرخطی معادلات درگیر در مدل‌سازی اثرات نوترکیبی و پیوندهای ناهمگون مورد نیاز است.
چندین راه مختلف برای غلبه بر چالش عددی ارسال شده توسط غیرخطی بودن در سیستم معادلات وجود دارد. در اینجا از مرحله مطالعه تعادل نیمه هادی برای بدست آوردن محلول تعادل به عنوان شرط اولیه برای مطالعه زیر استفاده می کنیم . برای سایر روش‌های جایگزین برای دستیابی به همگرایی، به مثال مدل تأیید heterojunction_1d مراجعه کنید.
مطالعه 1: مطالعه مقدماتی
1 | در پنجره Model Builder ، روی Study 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، مطالعه 1: مطالعه مقدماتی را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . تیک Generate defaults defaults را پاک کنید . |
4 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
سپس مطالعه دوم را برای انجام یک جارو بایاس ولتاژ پیکربندی کنید. ولتاژ دستگاه از 0 تا 3.5 ولت با جارو کردن مقدار پارامتر V_p تغییر می کند . راه حل حاصل از مطالعه مقدماتی برای مقادیر اولیه متغیرهای وابسته استفاده می شود.
اضافه کردن مطالعه
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study باز شود . |
2 | به پنجره Add Study بروید . |
3 | زیربخش مطالعات را پیدا کنید . در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
4 | روی Add Study در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study بسته شود . |
مطالعه 2: بایاس ولتاژ
1 | در پنجره Model Builder ، روی Study 2 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، Study 2: Voltage bias را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
مرحله 1: ثابت
1 | در پنجره Model Builder ، در مطالعه 2: بایاس ولتاژ ، روی مرحله 1: ثابت کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، بخش Physics and Variables Selection را پیدا کنید . |
3 | تیک Modify model configuration for study step را انتخاب کنید . |
4 | در درخت، Component 1 (comp1)> Semiconductor (Semi)>p Contact – Current را انتخاب کنید . |
5 |  روی Disable کلیک کنید . |
6 | برای گسترش بخش Values of Dependent Variables کلیک کنید . مقادیر اولیه متغیرهای حل شده برای زیربخش را بیابید . از لیست تنظیمات ، کنترل کاربر را انتخاب کنید . |
7 | از لیست روش ، راه حل را انتخاب کنید . |
8 | از لیست مطالعه ، مطالعه 1: مطالعه مقدماتی ، تعادل نیمه هادی را انتخاب کنید . |
9 | برای گسترش بخش Study Extensions کلیک کنید . کادر بررسی جارو کمکی را انتخاب کنید . |
10 |  روی افزودن کلیک کنید . |
11 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر | واحد پارامتر |
V_p (ولتاژ p-contact) | محدوده (0،0.1،3) محدوده (3.025،0.025،3.3) | V |
12 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
سطوح انرژی (نیمه)
گروه های نمودار پیش فرض نمودار سطح انرژی، غلظت حامل و پتانسیل الکتریکی دستگاه را نشان می دهد. رسم تنها داده ها در یک ولتاژ بایاس اجازه می دهد تا نتایج را با وضوح بیشتری مشاهده کنید.
1 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
2 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، x-coordinate (um) را تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست انتخاب پارامتر (V_p) ، از لیست را انتخاب کنید . |
4 | در لیست مقادیر پارامتر (V_p (V)) ، 0 را انتخاب کنید . |
5 | در نوار ابزار سطوح انرژی (نیمه) ، روی  Plot کلیک کنید . |
پاسخ سطوح انرژی با افزایش بایاس را می توان با تغییر مقدار V_p که داده ها برای آن ترسیم می شود مشاهده کرد. این کار با انتخاب مقادیر از کادر انتخاب مقادیر پارامتر (V_p) انجام می شود .
6 | در لیست مقادیر پارامتر (V_p (V)) ، 3.3 را انتخاب کنید . |
7 | در نوار ابزار سطوح انرژی (نیمه) ، روی  Plot کلیک کنید . |
همانطور که بایاس رو به جلو افزایش می یابد، ارتفاع مانع پتانسیل بین مناطق نوع n و p کاهش می یابد زیرا باندها “مسطح می شوند”. سطوح شبه فرمی همچنین به لبه‌های باند نزدیک‌تر می‌شوند و این واقعیت را منعکس می‌کنند که حامل‌های بیشتری در دستگاه جریان دارند، که منجر به افزایش احتمال وجود حامل‌ها در ناحیه چاه کوانتومی تشکیل‌شده توسط لایه شکاف باند پایین‌تر InGaN می‌شود.
نمودار غلظت حامل نشان می دهد که جمعیت حامل ها در لایه InGaN با افزایش سوگیری به شدت افزایش می یابد. باز هم، این را می توان با انتخاب نمودار نمودار برای یک مقدار V_p در هر زمان و جابجایی بین مقادیر مختلف به وضوح مشاهده کرد.
غلظت حامل (نیمه)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Carrier Concentrations (نیمه) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
3 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، x-coordinate (um) را تایپ کنید . |
4 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست انتخاب پارامتر (V_p) ، از لیست را انتخاب کنید . |
5 | در لیست مقادیر پارامتر (V_p (V)) ، 0 را انتخاب کنید . |
6 | در نوار ابزار غلظت حامل (نیمه) ، روی  Plot کلیک کنید . |
7 | در لیست مقادیر پارامتر (V_p (V)) ، 3.3 را انتخاب کنید . |
8 | در نوار ابزار غلظت حامل (نیمه) ، روی  Plot کلیک کنید . |
این رفتار مورد انتظار است، زیرا بایاس افزایش می یابد جریان بیشتری از دستگاه عبور می کند و غلظت حامل در لایه InGaN افزایش می یابد. نکته مهم، غلظت الکترون‌ها و حفره‌ها در لایه InGaN به اوج خود می‌رسد، که باعث می‌شود نوترکیبی تابشی در این ناحیه محلی شود. هنگامی که میزان انتشار خود به خودی در سراسر دستگاه ها پس از مطالعه بعدی رسم شود، این امر دیده می شود.
منحنی IV برای دستگاه را می توان با رسم جریان به عنوان تابعی از بایاس اعمال شده ایجاد کرد. این نشان می دهد که دستگاه رفتار دیود معمولی را همانطور که انتظار می رود نشان می دهد.
جریان در مقابل ولتاژ
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، Current vs. Voltage را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، مطالعه 2: ولتاژ بایاس/راه حل 2 (sol2) را انتخاب کنید . |
4 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن عنوان ، Current-Voltage Curve را تایپ کنید . |
6 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
7 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در قسمت متن مربوطه، Voltage (V) را تایپ کنید . |
8 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Current (mA) را تایپ کنید . |
9 | قسمت Legend را پیدا کنید . از لیست موقعیت ، سمت چپ بالا را انتخاب کنید . |
جهانی 1
1 | روی Current vs. Voltage کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
abs(semi.I0_1) | mA | بایاس ولتاژ |
4 | در نوار ابزار جریان در مقابل ولتاژ ، روی  Plot کلیک کنید . |
سپس یک مطالعه نهایی را برای انجام یک سوگیری فعلی پیکربندی کنید. این مطالعه از شرایط مرزی تماس – p برای اعمال طیفی از جریان ها به دستگاه استفاده می کند. از یک راه حل از مطالعه قبلی مبتنی بر ولتاژ به عنوان شرط اولیه استفاده می کند. به منظور یافتن اینکه کدام مقدار V_p بهترین راه حل اولیه را برای مطالعه بایاس فعلی می دهد، می توان از یک ارزیابی کلی برای مشاهده جریان به عنوان تابعی از V_p از مطالعه بایاس ولتاژ استفاده کرد.
ارزیابی جهانی 1
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی ارزیابی  جهانی کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای ارزیابی جهانی ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، مطالعه 2: ولتاژ بایاس/راه حل 2 (sol2) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Expressions را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
نیمه.I0_2 | آ | جریان ترمینال |
5 |  روی ارزیابی کلیک کنید . |
مطالعه بایاس جریان با بایاس اعمالی 1 uA آغاز می شود، از جدول می بینیم که این مقدار جریان زمانی جریان می یابد که ولتاژ V_p = 2.2 V اعمال شود. بنابراین ما راه حل مربوطه را برای شرایط اولیه در مطالعه بایاس جریان انتخاب می کنیم و میدان ورودی ولتاژ اولیه شرایط مرزی تماس فلزی جریان محور را روی همان مقدار تنظیم می کنیم. توجه داشته باشید که محدوده جریان های اعمال شده برای تعیین ویژگی های غیرخطی در نمودار جریان در مقابل ولتاژ و نمودار بعدی از بازده انتخاب شده است.
نیمه هادی (نیمه)
p تماس – فعلی
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)> Semiconductor (Semi) روی p Contact – Current کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای تماس فلزی ، قسمت ترمینال را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن V init ، 2.2[V] را تایپ کنید . |
اضافه کردن مطالعه
1 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study باز شود . |
2 | به پنجره Add Study بروید . |
3 | زیربخش مطالعات را پیدا کنید . در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
4 | روی Add Study در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Home ، روی  Add Study کلیک کنید تا پنجره Add Study بسته شود . |
مطالعه 3: سوگیری فعلی
1 | در پنجره Model Builder ، روی Study 3 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مطالعه ، Study 3: Current bias را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | بخش تنظیمات مطالعه را پیدا کنید . تیک Generate defaults defaults را پاک کنید . |
مرحله 1: ثابت
1 | در پنجره Model Builder ، در مطالعه 3: Current Bias روی مرحله 1: Stationary کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، قسمت Values of Dependent Variables را پیدا کنید . |
3 | مقادیر اولیه متغیرهای حل شده برای زیربخش را بیابید . از لیست تنظیمات ، کنترل کاربر را انتخاب کنید . |
4 | از لیست روش ، راه حل را انتخاب کنید . |
5 | از لیست مطالعه ، مطالعه 2: بایاس ولتاژ ، ثابت را انتخاب کنید . |
6 | از لیست مقدار پارامتر (V_p (V)) ، 2.2 V را انتخاب کنید . |
7 | قسمت Study Extensions را پیدا کنید . کادر بررسی جارو کمکی را انتخاب کنید . |
8 |  روی افزودن کلیک کنید . |
9 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر | واحد پارامتر |
I_p (جریان p-contact) | محدوده 1e-6 1e-5 1e-4 (5e-4,2.5e-4,10e-3) محدوده (15e-3,5e-3,100e-3) (125e-3,25e-3,700e-3) | آ |
10 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
داده‌های مطالعه هدایت‌شده فعلی را به گروه نمودار جریان در مقابل ولتاژ اضافه کنید.
نتایج
جهانی 2
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results>Current vs. Voltage روی Global 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش داده را پیدا کنید . |
3 | از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 3: سوگیری فعلی /راه حل 3 (sol3) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت y-Axis Data را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد | شرح |
abs(semi.I0_3) | mA | تعصب فعلی |
5 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
6 | در قسمت متن Expression ، semi.V0_3 را تایپ کنید . |
7 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . زیربخش Line style را پیدا کنید . از لیست Line ، Dashed را انتخاب کنید . |
8 | زیربخش نشانگرهای خط را پیدا کنید . از لیست نشانگر ، چرخه را انتخاب کنید . |
9 | در نوار ابزار جریان در مقابل ولتاژ ، روی  Plot کلیک کنید . |
نرخ انتقال تابشی در سراسر دستگاه را از مجموعه داده سوگیری فعلی رسم کنید. توجه کنید که چگونه انتشار همانطور که انتظار می رود در لایه InGaN فعال متمرکز می شود و افزایش جریان باعث افزایش سرعت انتشار می شود.
نرخ انتشار
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، نرخ انتشار را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 3: سوگیری فعلی /راه حل 3 (sol3) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت عنوان را پیدا کنید . از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن عنوان ، نرخ انتشار (1/(m^3*s)) را تایپ کنید . |
6 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
7 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، x-coordinate (um) را تایپ کنید . |
نمودار خطی 1
1 | روی Emission Rate کلیک راست کرده و Line Graph را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، بخش Selection را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه دامنه ها را انتخاب کنید . |
4 | قسمت y-Axis Data را پیدا کنید . در قسمت متن Expression ، semi.ot1.R_spon را تایپ کنید . |
5 | در نوار ابزار میزان انتشار ، روی  Plot کلیک کنید . |
یک مجموعه داده راه حل برای نگهداری داده های بعد اضافی ایجاد کنید، که اجازه می دهد کمیت ها در حوزه فرکانس رسم شوند. سپس می توان طیف انتشار از لایه InGaN را رسم کرد.
مطالعه سوگیری فعلی – حوزه فرکانس
1 | در نوار ابزار Results ، روی  More Datasets کلیک کنید و Solution را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات راه حل ، بخش راه حل را پیدا کنید . |
3 | از لیست راه حل ، راه حل 3 (sol3) را انتخاب کنید . |
4 | از لیست Component ، Extra Dimension را از Optical Transitions 1 (semi_ot1_xdim) انتخاب کنید . |
5 | در قسمت نوشتار Label ، Current bias study – frequency domain را تایپ کنید . |
طیف انتشار را می توان با استفاده از عبارت comp1.atxd1 (0.1525e-6, semi.ot1.dP_dE) رسم کرد . متغیر semi.ot1.dP_dE توان ساطع شده در واحد حجم و انرژی است. دستور comp1.atxd1(coord,var) متغیر var را دریافت می‌کند که در یک بعد اضافی متصل به جزء 1، از مختصات در هندسه مدل محاسبه می‌شود.
در این مورد، مختصات 0.1525e-6 مربوط به مرکز لایه InGaN است، بنابراین این دستور semi.ot1.dP_dE را به عنوان تابعی از فرکانس (بعد اضافی) در این نقطه فضایی دریافت می کند.
محور x پیش فرض برای نمودار یک متغیر نرمال شده است که متناسب با فرکانس زاویه ای است، با x = 1 مربوط به فرکانس زاویه ای انرژی شکاف باند. به منظور رسم داده ها به عنوان تابعی از انرژی از عبارت hbar_const*comp1.atxd1(0.1525e-6,semi.ot1.omega)/e_const استفاده می شود. متغیر semi.ot1.omega فرکانس زاویه ای را برمی گرداند، که سپس از طریق ضرب در hbar_const و تقسیم بر e_const به انرژی در eV تبدیل می شود .
طیف انتشار
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی  1D Plot Group کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، طیف انتشار را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست Dataset ، Current bias study – frequency domain (sol3) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت عنوان را پیدا کنید . از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت Title text Spectrum Emission را از InGaN Layer تایپ کنید . |
6 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
7 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Energy (eV) را تایپ کنید . |
8 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در فیلد نوشتاری مرتبط، توان خروجی در واحد حجم و انرژی (1/(m^3*s)) را تایپ کنید . |
نمودار خطی 1
1 | روی Emission Spectrum کلیک راست کرده و Line Graph را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، بخش Selection را پیدا کنید . |
3 | از لیست انتخاب ، همه دامنه ها را انتخاب کنید . |
4 | قسمت y-Axis Data را پیدا کنید . در قسمت متن Expression ، comp1.atxd1(0.1525e-6,semi.ot1.dP_dE) را تایپ کنید . |
5 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
6 | در قسمت متن Expression ، hbar_const*comp1.atxd1(0.1525e-6,semi.ot1.omega)/e_const را تایپ کنید . |
7 | در نوار ابزار طیف انتشار ، روی  Plot کلیک کنید . |
از میزان انتشار و طیف می توان دریافت که با افزایش جریان، شدت انتشار LED افزایش می یابد. این را می توان با ترسیم شدت کل منتشر شده ادغام شده روی لایه InGaN به عنوان تابعی از بایاس جریان به وضوح بیشتری مشاهده کرد.
نرخ کل انتشار از لایه InGaN در مقابل جریان
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، نرخ انتشار مجموع از لایه InGaN در مقابل جریان را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 3: سوگیری فعلی /راه حل 3 (sol3) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
5 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در قسمت متن مرتبط، Current (mA) را تایپ کنید . |
6 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، نرخ انتشار مجموع از لایه InGaN (1/s) را تایپ کنید . |
7 | قسمت عنوان را پیدا کنید . از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
8 | در قسمت متن عنوان ، نرخ انتشار Total را از لایه InGaN تایپ کنید . |
جهانی 1
1 | روی Total Emission Rate from InGaN Layer vs. Current کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد |
intop1(semi.ot1.R_spon)*A_cross |
4 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن Expression ، I_p را تایپ کنید . |
6 | از لیست واحد ، mA را انتخاب کنید . |
7 | برای گسترش بخش Legends کلیک کنید . تیک Show legends را پاک کنید . |
8 | در نرخ انتشار کل از InGaN Layer در مقابل نوار ابزار فعلی، روی  Plot کلیک کنید . |
شدت انتشار به صورت خطی با جریان افزایش نمی یابد. این پدیده ای است که به عنوان افتادگی LED شناخته می شود، که شدت انتشار را که می توان به دست آورد و در عین حال کارایی معقول را حفظ کرد، محدود می کند.
راندمان را می توان با محاسبه بازده کوانتومی داخلی (IQE) دستگاه، که کسری از حامل های تزریقی است که به صورت تابشی در لایه InGaN دوباره ترکیب می شوند، ارزیابی کرد.
بهره وری
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره Settings for 1D Plot Group ، Efficiency را در قسمت نوشتاری Label تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از فهرست مجموعه داده ، مطالعه 3: سوگیری فعلی /راه حل 3 (sol3) را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Plot Settings را پیدا کنید . |
5 | چک باکس x-axis label را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، تراکم جریان (A/cm^2) را تایپ کنید . |
6 | کادر بررسی برچسب محور y را انتخاب کنید . در فیلد متن مرتبط، Internal Quantum Efficiency را تایپ کنید . |
7 | قسمت عنوان را پیدا کنید . از لیست نوع عنوان ، دستی را انتخاب کنید . |
8 | در قسمت متن عنوان ، کارایی را به عنوان تابعی از چگالی جریان تایپ کنید . |
جهانی 1
1 | روی Efficiency کلیک راست کرده و Global را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای جهانی ، بخش y-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
اصطلاح | واحد |
intop1(semi.ot1.R_spon)*A_cross/(semi.I0_3/e_const) | 1 |
4 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن Expression ، semi.I0_3/(A_cross*10000) را تایپ کنید . |
6 | قسمت Legends را پیدا کنید . تیک Show legends را پاک کنید . |
7 | در نوار ابزار کارآمدی ، روی  Plot کلیک کنید . |
واضح است که حداکثر راندمان برای چگالی جریان در حدود 30 A/cm^2 به دست می آید و افت شدید راندمان برای چگالی جریان بیش از 100 A/cm^2 وجود دارد که برای LED های ساخته شده معمول است. در مواد مبتنی بر GaN. این مربوط به جریان عملیاتی بهینه 10 تا 30 میلی آمپر است که برای LED های با این اندازه معمول است. از نمودار جریان در مقابل ولتاژ می توان دید که این محدوده جریان درست بالاتر از ولتاژ روشن برای دستگاه رخ می دهد و ویژگی های الکتریکی دستگاه به آن اجازه می دهد تا در جریان های بسیار بزرگتری کار کند. کاهش سریع راندمان با افزایش جریان، که جریان عملیاتی را به کسری کوچک از حداکثر بالقوه آن محدود می کند، بنابراین یک مانع بزرگ برای توسعه فناوری های روشنایی LED است.
مکانیسم های مسئول این کاهش کارایی موضوع تحقیقات فعال هستند. در این مدل افت راندمان عمدتاً ناشی از نوترکیبی اوگر است که با نرخی متناسب با مکعب چگالی حامل اتفاق می‌افتد. نرخ انتقال مستقیم تابشی متناسب با مجذور چگالی حامل است. بنابراین، همانطور که چگالی حامل در لایه InGaN با چگالی جریان بیشتر افزایش می یابد، کسری از حامل هایی که تحت نوترکیبی اوگر قرار می گیرند افزایش می یابد. این امر منجر به کاهش راندمان می شود.
