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atk:硅p-n结中的光电流

硅 p-n 结中的光电流

版本:O-2018.06

在本教程中,您将学习如何计算照明下通过器件的光电流。我们研究的对象是一个 7.6 nm 大小的硅 p-n 结,同时也展示了 QuantumATK O-2018.06 发行版中引入的 Photocurrent Analyzer。

[1] 和 ATK 手册中 Photocurrent 所述,光电流是通过将电子-声子的相互作用加到器件的哈密顿量中,采用一阶微扰理论计算得到。

器件基态

首先,您将执行器件的自洽计算。然后,利用基态器件哈密顿量计算和分析光电流。

您应该使用脚本 ↓ silicon_pn_junction.py 运行基态计算—脚本中定义了掺杂的器件构型和合适的 NEGF 计算器。结果保存在 silicon pn_ju junction.hdf5 中。只需下载脚本,并利用 Job manager 运行它。计算完成后,您可以在 LabFloor 上看到 silicon pn_junction.hdf5 文件。计算采用 4 个 MPI 进程大约需要 20 分钟。

下面还提供了构建器件构型和设置 NEGF 计算的简要说明

硅 p-n 结

7.6 nm 硅器件应包含 28 个 Si 层(76.0284 Å)和10.8612 Å 的左右电极。对于这种极短的 Si 器件,为了得到一个合理的电子结构,即在电极附近有相当平坦的带边以及从 VBM 和 CBM 到费米能级有很小的间隙,p 和 n 的掺杂水平应该都是 2*1020 e/cm3

如果您需要更多关于如何建立结的信息,请参阅教程 Silicon p-n junction

NEGF 计算

提供的脚本 ↓ silicon_pn_junction.py 中 NEGF 计算的设置如下所示。

Basis set:PseudoDojo and Low Exchange-correlation:GGA-1/2 和 PBE k-point sampling:A 和 B 方向上的 density 为 4 Å Density mesh cutof:30 Ha Default output file:silicon_pn_junction.hdf5

使用 Job manager (点击 按钮开启计算)运行脚本。

光电流

您现在可以准备光电流的计算了。打开 Script Generator,添加 Analysis from File 模块。

  • 选择文件 silicon_pn_junction.hdf5
  • 确保勾选了 DeviceConfiguration 数据块。

接下来,为计算光电流,添加 Analysis Photocurrent 模块。设置声子能量范围为 0-5 eV 内 31 个点,k 点取样为 9 × 9。其他所有参数保持为默认值。您也可以在此处下载脚本 ↓ photocurrent.py。将脚本发送到 Job manager,保存为 photocurrent.py,点击 按钮,运行计算。

注意

光电流的计算采用 4 个 MPI 进程大约需要 3.5 个小时,因此如果可能的话,您可以考虑在远程计算集群上运行计算。

计算完成后,您就可以看到 LabFloor 上的文件 photocurrent.hdf5。请注意,通过减少声子能量的数量和增加 energy_resolution 以减少电子能量点,从而加快计算。

选择 LabFloorphotocurrent.hdf5 中的 Photocurrent_0 数据块。打开右侧面板上的 Photocurrent Analyzer

单击 Plot,可以轻松绘制出电流和声子能量的关系图。如下图所示。

您还可以根据从 Solar spectra website 获得的 AM1.5 标准太阳光谱的照度计算总电流。点击 Calculate current 后,以内插值替换的光电流将由红线表示。这个插值函数乘以每个声子能量处参考光谱的通量,然后对结果进行数值积分以计算给定照明下器件的总电流。

图 1 在 AM1.5 标准太阳光谱的照射下,总电流计算为 7.777·10-18 安培。

如果用于计算光电流的声子能量没有覆盖在 AM1.5 光谱中声子能量的范围,您将看到一条警告消息。在这种情况下,插值将包括数据范围之外的数据,因此计算出的总电流可能不准确。因此,我们建议仅从涵盖 AM1.5 标准太阳光谱全范围的光电流计算总电流,即 0.3 eV 至 4.43 eV。覆盖更大范围的光电流不是问题,因为超出参考光谱范围的数据根本不起作用。下图为关于此问题的示例。

参考

atk/硅p-n结中的光电流.txt · 最后更改: 2020/02/28 23:42 由 xie.congwei

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