概述
直接模拟器件无疑是半导体材料的模拟非常吸引人的方向。QuantumATK中成熟的双电极器件模型（Two-probe device model）和非平衡态格林函数方法（Non-Equilibrium Green’s Fucntion, NEGF）是研究器件在偏压下的电子输运性质的有力工具。
在双电极器件模型的基础上，QuantumATK还可以使用高级的静电势模型，在器件区域增加具有指定介电常数的绝缘区域和具有特定电压的金属区域，用于模拟FET器件。
电子器件性能模拟与仿真
采用QuantumATK中提供的智能化、自动化的工具可以很方便的研究异质结构、FET器件的IV特性、非弹性电流和光电流，分析透射机理。
- IVCharacteristics 研究工具（电流-电压曲线）
- 扫描源漏偏压和栅压，计算源漏电流
- 自定义源漏偏压，作电流-栅压图，得到伏安特性（Ids-Vds）曲线、转移特性（Ids-Vgs）曲线
- 计算弹性、相干的隧穿输运
- 每个电压下同时自定义设置任意计算，如能带（PLDOS）、电子密度、电势分布等，一次获得所有结果
- 将多条电流曲线进行综合作图，从电流-电压特性分析器件性能
- 开关比（on/off ratio）
- 亚阈值斜率（subthreshold slope）
- 转移电导（transconductance）
- 漏极诱导势垒降低（DIBL）
- 源漏饱和电压
- 其他功能
- 计算状态随时保存，中断自动续算
- 多级别并行化
- 在图形界面上直接设置计算
- 电子透射机理分析
- 透射系数（k分辨、能量分辨）
- Monkhorst-Pack 或 edge-to-edge zone filling 方法 k 布点，或只采样部分布里渊区来获得详细信息
- 谱电流
- 透射谱、本征值、本征透射通道
- 器件态密度，可投影在原子或角动量上
- 电压降
- 分子投影哈密顿量（MPSH）本征值
- 电流密度和透射路径
- 共线和非共线自旋的自旋转移转矩（Spin Transfer Torque，STT）
- 使用 LDOS 或器件态密度得到原子尺度的能带图
- 电声耦合与非弹性电流
- 考虑电声耦合计算非弹性电流和温度效应（准非弹性（LOE）和全非弹性（XLOE）方法）
- 可以用任意方法（DFT、tight-binding、DFTB、经验势）组合处理电子和声子部分
- 众多提高性能选项，例如：将声子模式平均化（bunching）、使用能量相关的弛豫能量，均匀体系的密度矩阵自动重复，等等
- 非弹性隧道电流谱（IETS）分析
- Special Thermal Displacement (STD) 近似可以通过创建全部声子模式的正则平均来有效的包含全部的声子散射对IV曲线的影响（参见：链接）
- 全新实现的一次自洽玻恩近似方法，大大改进了电子-声子耦合体系（如类似体材料的器件）中的非弹性输运
- 温度效应
- 计算中考虑温度对电流特性的影响
- 考虑电声耦合计算非弹性电流
- 非弹性隧道电流谱（IETS）分析
- 考虑电声耦合计算非弹性电流和温度效应（准非弹性（LOE）和全非弹性（XLOE）方法）
- 光电流模块
- 可以计算器件中光照驱动电流和光子参与的电子透射（一阶微扰理论）。
还给出 AM1.5 太阳光谱照射的总电流
- 可以计算器件中光照驱动电流和光子参与的电子透射（一阶微扰理论）。
- 器件结构优化工具
- 此工具自动完成 Bulk Rigid Relaxation（BRR）方法，大大简化器件的结构优化。
可以优化复杂体系
- 此工具自动完成 Bulk Rigid Relaxation（BRR）方法，大大简化器件的结构优化。
- 自旋电子学
- 计算自旋极化电流
- 计算磁阻
- 共线和非共线自旋的自旋转移转矩（Spin Transfer Torque，STT）
- 在非零偏压下高效的计算STT，用于模拟各种材料构成的STT-MRAM的磁性隧道结的磁化开关能力
- 详见：QuantumATK在磁性材料与自旋电子学研究中的应用
- 掺杂模型
- 支持对任意区域进行任意浓度的掺杂
- 多尺度原子级 QuantumATK-TCAD 工作流程，用于研究各种参数对 2D FET 性能的影响（Id-Vg、Id-Vd 和 C-V 特性）
- 不同的 2D 沟道材料和层数
- 源/漏材料和取向
- 栅堆材料参数
- 器件构造和尺寸
- 掺杂浓度和界面陷阱分布
- 用于设置和分析 DTCO 工作流程结果的交互式 GUI
可研究的体系尺度
传统的原子级别的DFT计算通常只能模拟数百原子的体系，这离目前实验上能达到的器件加工能达到的最小尺度尚有一段距离。QuantumATK中的DFT方法具有更高的计算速度和效率，可以研究数千原子级别的体系；同时SE方法使用DFTB等参数化的哈密顿量方法，可以更快更好的计算万原子级别的体系，这使得模拟接近实验中的几十纳米尺度的体系成为可能。
目前文章中报道的使用 QuantumATK 研究的最大器件体系约有2400个原子（2015年）；右图显示用 ATK-SemiEmpirical 研究受限的InAs器件结构（含5200个原子）。结构中还包含中央区域的 20nm 长的栅极，并进行了掺杂。
能带排列（band alignment）
QuantumATK支持直接对界面等复杂体系进行局域投影态密度的计算，可以十分方便的作出不同区域的能带排列情况，研究指定位置的态密度。由于在QuantumATK中可以使用器件模型直接对真正的界面结构进行计算，因此可以避免普通块体材料计算的Slab模型带来的种种问题。
发表的文章实例
- 更多发表的文章参见【文章列表】。
相关的实例教程
硅p-n结
- 使用补偿电荷的方法对半导体材料的不同区域进行p型或n型掺杂
- 使用DFT或SE理论方法进行伏安特性计算
- 使用Projected Local DOS方法计算pn结的能带情况（右图）
- 计算非零偏压下的电子态和输运性质
硅pn结的光电流
- 直接计算硅pn结中的光电流
- 可以高效考虑电声耦合的影响
- 研究晶格温度对光电流的影响
- 结果与实验一致
- 直接给出AM1.5太阳光谱的效果
- 教程链接