AMPS使用说明之材料参数设置.docx
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AMPS使用说明之材料参数设置
AMPS使用说明书之材料参数设置
那么多参数，从哪里入手呢？
从AMPS的原理为切入点，AMPS是基于对泊松方程，电子和空穴的连续性方程，复合/产生方程的求解来对要设计器件的结构和性能进行模拟的。
那么，求解方程需要哪些参数，我们就要设置哪些参数。
AMPS适用与对半导体（单晶，非晶，多晶），绝缘体，金属的模拟。
半导体材料的参数
【载流子寿命图像】
对S-R-H或B-T-B过程进行模拟
（3.1）
（3.2）
（1）在稳定状态时候，Rn一般等于Rp。
所以只能在满足n-n0=p-p0的时候，这个寿命能同时应用于两种载流子。
用这种方法计算，AMPS提供了一种通过计算△n/R和△p/R的自洽检验（Self-Consistancy-Check：
SCC）的方法。
那么，如果你相信线性模型很好地适用于两种载流子，而且存在一个寿命值可以同时适用于两种载流子，那么你就可以通过看AMPS计算出来的SCC寿命是否相等（和你自己输入的值）来检查结果是否是自洽的。
如果你想要寿命的概念和R的线性化应用于电子，那么你就可以假设方程（3.1）是有效的。
在这种情况下，就不同对空穴进行任何的限制了。
在运行的最后，AMPS将计算SCC的值。
如果你刚开始就是正确的，那么SCC的值会和你输入的值相等。
这是空穴的的SCC是没有意义的。
同样，这个方法适用于空穴。
在不确定电子和空穴的线性模型对某些器件内区域是否很好地适用的时候，可以假设线性化的寿命适用于电子和空穴，在运行AMPS，然后检查输出的SCC值，如果相等的话，那么你就可以继续做以后的步骤了。
如果在某些区域，SCC中电子寿命<<空穴寿命，AMPS告诉我们：
考虑把线性模型运用于电子会更有意义。
因为这个时候，导带的电子式控制（主导controlling）载流子，因此，你输入的寿命值被重置为电子的寿命。
假如过程出来的SCC电子寿命>>空穴寿命,情况刚好相反。
（2）用方程（3.1）（3.2）对方程的描述不会涉及到S-R-H复合的细节。
比如，它没有考虑载流子通过缺陷能级时候的影响（不管是DOS或者是捕获面积（capture-cross-sections）这个充放电都被过重的看待了）。
因此，这种描述不会涉及有可能在器件工作时候由于净电荷的出现而导致的场分布效应。
（3）对于S-R-H，净复合通过缺陷密度Nt的束缚如下：
（3.3）
其中和是热速率-空穴/电子交叉捕获面积（thermalvelocity-hole/electroncapturecrosssection）和Nt的乘积的倒数。
nt和pt的数量和缺陷在禁带能级中的位置成指数关系。
对于B-T-B净复合：
（3.4）
其中R是和材料有关的常数，（tofirstorder：
在一阶条件下？
？
）和载流子的数量无关。
【DOS图像】
用DOS进行模拟，复合的机制，束缚和缺陷的电荷状态等的细节都可以很完全的描述。
用这个方法，需要输入禁带中缺陷的分布和各空间区域的变化。
还需要交叉捕获面积的信息来量化多种缺陷对于电子和空穴的吸引能力。
当处理具有很大的缺陷密度比如非晶硅材料和多晶材料的纹理边界区域的时候，需要用到DOS图像来描述。
.如果没有用DOS，我们就无法描述由于在缺陷状态下净电荷的出现导致电场分布的变化。
第一部分：
单晶半导体材料的参数
1．能带参数
（3.5）
（3.6）
这些表达式在热平衡，即Efn=Epn=0时（相对于费米能级而言，一般Efn为正，Efp为负），是有效的。
即使在有偏压的情况下，它们仍然适用。
从（3.5）和（3.6）中可以看出，我们必须给出材料层的能带有效状态密度Nv和Nc，电子亲和能Xe，禁带宽度Eg，x=L处的势垒高度，和半导体中靠近x=L这个接触的电子亲和能。
2.定域（禁带中）参数
实际上，在禁带中还存在着很多不同类型的能级，即使这种材料是单晶材料。
AMPS把这些能级归为两类：
一类是缺陷（结构的和杂质）引起的，一类是由有意地掺杂引入的。
两类可能会有类施主态和类受主态。
一：
掺杂能级的参数
我们这里说的掺杂能级包括离散的能级和具有一定宽度（较高的能级边界和较低的能级边界之间）的带能级。
当重掺杂的时候，类似后者的禁带中的定域能带会出现。
这两种情况的任意结合，AMPS都是可以应付的。
●离散掺杂能级参数
如上图所示，离散的是以单能级的形态出现的。
AMPS允许有九个施主能级和九个受主能级。
我们可以假设这些能级上的杂质已经全部电离，或者是用AMPS用费米-狄拉克分布计算这些状态的数量。
如果假设全部电离，第i个施主能级上的施主浓度NdDj或第j个受主能级上的受主浓度NdAj都必须被设置，于是这些能级上带电满足。
在这种情况下，AMPS计算全部电离的单位体积的施主状态和受主状态。
如果假设杂质没有全部电离，AMPS计算出它们的电离程度。
就是我们讨论的离散能级，可以用下列公式进行计算：
（3.7）
（3.8）
（3.9）
（3.10）
在这些表达式中的n和p是作为半导体层的常数特性。
以上四个表达式在动态热平衡和有偏的状态下都是适用的。
在前者情况下，当动态热平衡的值用于n和p时候，fDi和fAj的表达式就可以忽略了，转变成叫合理的费米方程。
假设掺杂的离散能级全部电离，它们没有参与到复合；然而，如果没有全部电离，那么他们占有能级的概率有fDi和fAj给出。
这些fDi和fAj是由通过这些能级时候的S-R-H复合机制决定的。
因此，这些能级对复合有贡献。
。
。
。
。
。
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。
。
。
。
。
。
。
。
（3.11）
这些贡献是由上表达式等号右边的第一项和第三项来表述的。
从（3.7）---（3.10）中可以看出，基于不完全电离的假设，对于离散掺杂的模拟需要一些额外的信息。
在设置了各能级上受主和施主的浓度NdAi和NdDj后，我们也需要设置其能级距离导带和价带的距离（施主的为EDONi，受主的为EACPj），还有各能级的交叉捕获面积。
●带掺杂能级参数
前面已经提过，即使在单晶体材料中，在中掺杂的情况下也会导致带掺杂能级。
这些带能级的带电量有以下两个式子给出：
（3.12）
如果是类施主能级的话；
（3.13）
如果是类受主能级能级的话；
第i施主带和第j受主带能级的（带电量）分别由一下两个式子给出：
（3.14）
（3.15）
在这些表达式中，能级被电子占据的概率方程由以下式子给出：
（3.16）
（3.17）
【其实（3.16）和（3.17）是对热平衡表达式的修正，使用与在有偏压的情况下，热平衡的式只有以下式子给出：
（3.18）
（3.19）】
有以上各式可以看出，要模拟这样的情况，我们要设置很多的参数。
如第i层这样的掺杂带，需要能级参数E1i和E2i，浓度（NDi和NAj），还有交叉捕获面积（
）。
二：
缺陷能级的参数
我们知道，即使在单晶材料中，也会出现有结构缺陷和杂志引起的定域能级。
这些能级会是类施主的，类受主的，离散的或是带形状的，就跟我们刚讨论的掺杂能级类似。
AMPS允许我们对一些据连续的方程形式（指数式，高斯式，常数式）的能级进行模拟。
●离散和带缺陷能级的参数
通过这种形式的缺陷能级的数量和复合机制的机制同掺杂能级的计算没有区别，也就是说其数学表达式和要输入的参数是一样的。
然而，AMPS对这两种能级（掺杂能级和缺陷能级）的输入参数设置是不一样的。
●连续缺陷能级的参数
所谓的连续缺陷能级是指在禁带中连续分布的定域能级，要注意区分它们跟在禁带中的特定能级和特定区域能级的不同。
AMPS对三种连续形式进行模拟：
指数型，高斯型，常数型。
§指数型
从价带延伸出来的类施主的Urbach带尾状态数在AMPS中是这样表示的：
（3.20）
其中E为正；
同理，从导带延伸出来的类受主的Urbach带尾状态数可以这样表示：
（3.21）
其中E′为负；
Ed和Ea是决定这些带尾斜率的特征能级。
这也是我们要自己设定的，当然还有Gdo和Gao（单位体积单位能级的状态数）。
由于这些能级会交换载流子，所以必须设置这些带尾中电子和空穴的交叉捕获面积。
§高斯型
数学表达式为：
（3.22）
GGd（施主）和GGa（受主）是单位体积单位能级的状态数。
Epkd是施主高斯分布均值和导带底能级Ec的差，Epka式受主高斯分布均值和价带顶Ev的差值。
是分布的标准差。
对这种形式的缺陷进行模拟，不关需要以上的参数，还要有表征单位体积内全部的状态数的量，还有每种高斯分布的交叉捕获面积。
§常数型
常数型的也类施主带和类受主带，主要式靠Eda来作为分界线的，所以要我们自己设置Eda。
在Eda和Ec之间的可以看做是类受主态，在Eda和Ev之间的可以看成是类施主态。
类受主态和类施主态的分别的单位体积单位能级状态数GMGA和EMGD没有必要相等。
这“转变能级”Eda是个正数，是以Ev为零点进行衡量的。
既然这里也是各缺陷能级，它们势必对载流子的输运产生影响，所以还要设置空穴和电子的交叉捕获面积。
AMPS中用来计算Urbach尾态，高斯型，和任意常数型分布的类施主态捕获的空穴数和类受主态捕获的电子数分别由以下两个式子给出：
（3.23）
（3.24）
电子和空穴占据这些能级的概率方程由（3.16）（3.17）给出。
其中的n和p由（3.5）和（3.6.）两式给出。
这些表达式同时适用于有偏的和热平衡的状态下。
AMPS计算通过指数型尾带，高斯型，和任意常数型缺陷分布时候的符合机制是用到式（3.11）中等号右边的第七项和第八项来实现的。
3：
光特性参数
这个比较简单，主要就是设置材料的光吸收系数和相对介电常数。
第二部分：
非晶半导体材料参数
在这里，我们假设非晶半导体的材料特征由图3.1中显示的那样，不管它是在器件中的哪一个位置。
而且我们还假设在单晶体中所讨论的定域态等等所有的态和光学参数在这里也全部都适用。
相对于半导体，主要的区别在于非晶体由很低的迁移率，而且在在禁带中还有很大的定域态数量。
所以，我们要注意的只是在输入参数的时候对于参数值大小的改变就行了。
还有一点由必要注意一下，也是蛮重要的，就是在非晶体中有迁移率隙EGu和光学隙EGop的区分。
在单晶材料中，EGu=EGop=Eg；然而，在非晶体中，由于定域的带型能级和带-带之间的光的跃迁有可能存在不同的临界值。
于是，在非晶体智能光，EGu=Ec-Ev；但是EGop就需要我们自己输入了。
值得一提的是，AMPS中衡量材料的禁带宽带都是利用EGu的。
实际上，Egop也只是作为一个课本上的内容来讲，真正决定哪个波长产生光载流子的是吸收系数表。
只要在表中存在对哪个波长的吸收系数，AMPS就假设这个吸收会在带中产生光载流子。
因此，Egop和吸收系数表要一致，但是真正起作用的是吸收系数表，它控制这临界光载流子的产生。
第三部分：
多晶半导体材料参数
多晶半导体含有由无规则区域组成的晶界。
为了用AMPS模拟多晶体，我们需要设置一个多区域的结构，由单晶体区域夹杂在薄的非晶体区域所构成，这个非晶体区域是用来表示晶界的无规则的。
接下来就是设置单晶和非晶参数的问题了。
3.2：
绝缘体材料的参数
绝缘体可以通过假设材料有一个很宽的禁带来实现模拟。
如果是理想绝缘体，其电导率可以由下式给出：
（3.25）
当然在单晶中讨论的内容在这里也都适用。
3.3：
金属材料的参数
在AMPS中，金属是存在于x=0和x=L的地方。
我们输入器件结构x=0和x=L处的势垒高度和电子亲和能，这样就可以建立如下的金属功函数：
（3.26）
（3.27）
通过选择势垒高度和表面复合速度（与界面的质量有关），我们可以加强或降低半导体接触的质量，因此，理想的欧姆接触
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