AMPS说明书中文版.docx

1、AMPS说明书中文版第三章：材料参数那么多参数，从哪里入手呢？AMPS适用与对半导体单晶，非晶，多晶，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。 绝缘体，金属的模拟。3.1 :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)p-type Rn=An/Tnn-type Rp 二九 pAr1在稳定状态时候，Rn 般等于Rp。所以只能在满足n-n0二p-pO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

2、通过计算 n/R和厶p/R的自洽检验Self-C on sista ncy-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

3、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，情况刚好相反。2用方程 对方程的描述不会涉及到 S-R-H复合的细节。比方，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：R二心二心二叩nop

4、upon+m+op+pj 3.3其中|和：是热速率-空穴/电子 交叉捕获面积thermal velocity-hole/electron capture cross section 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:to first order :在一阶条件下？和载流子的其中R是和材料有关的常数, 数量无关。K=Rn=KP=k叩讥卩小【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

5、穴的吸引能力。当处理具有很大的缺陷密度比方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。第一局部：单晶半导体材料的参数1 .能带参数Fi if ure 2- A ?/ a Scfianky ba rrie r i/r I fie rm iui/h i c&EvlZeEc%Figure 3-1 A build diagrum fur a layer of a device ffuit fuis canstunf mufericii purutneters.Epn -史比空L+兀-中Q.2bL.

6、+ X/L) + 屮(兀卜忑)wherep = nvflkT匕二 6汕 + 兀(L0 g + W3)Efn这些表达式在热平衡，即 Efn二Epn=0时相对于费米能级而言，一般为正，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处的势垒高度小,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

7、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energyREN(E)Fit*nre 2-2. Dmaih1 tif taTtx plrtl repreenJitii; dimvE証 lot titizeil dupcint levels. The dunur levalx tire kufed d(rwn from the cvndncti(m band and the acceptor leve

8、ls are lacafad up from the vatu rive batidr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 八 、 二。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，可以用以下公式进行计算:NdD+=

9、 2 NdDJ fixii昨 Opd吋P + 6皿时丫时门片foj 二 0词玩(口+丫 时n】j) + Opafp+Yp.-pi.)%輕5+了十门1)+ ndA P+Yp 叩 l)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，这些能级对复合有奉献。

10、Rj(x) = i(P+PKp)口pd 勺出 7丄n-nt)-0 ( p+Pi(H)r，*j J CF/n-njfE)-yr j Qndl(门- f 尸就宀HEI i：ti-nL(Ei IEJ：r 八1气.qidAjbpdA严 a7丄 严旳一山逅DyVp-Pl逅DvtdE,in-nriEi j-o p-p|i h：)口孔hA (n-ni(h)-aF (ppti K)cint Jl(n- n 11 匕 i) p-p j E-)这些奉献是由上表达式等号右边的第一项和第二项来表述的从- 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

11、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F皆lire 2-3. Denmity ttu.tea /h i/?wh“尿廿d tt tlopti?; t tntes. En er ifur tlunt)r ites meu t tired itivety tlowti h) L. from the contlLiCtion bimd anti those fur acceptor ifes are me mu mil puitivety up to L, fn/ru the vuience b

12、and、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：J N赢i 如果是类施主能级的话;)如果是类受主能级能级的话;N(E)Ftgt*丁窘 2-4r 吋rprxnting j enerifiz/ /ja tnbuftn uf dcgum wTutg茸*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:)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:Qpb时P + nb时仏叩ljl7ribDj(Jl+n*nlj)+ tTp bb(P+(fpi*Pli)血斗11 +巾肛1中打)【其实3.16 和是对热平衡表达式的修正，

13、使用与在有偏压的情况下，热平衡的式只有以下式子给出：)/E - Er gplF-)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，需要能级参数已i和E2i，浓度Nd和NR,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

14、一样的。 然而，AMPS寸这两种能级掺 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寸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 )gd(E) = GjaCxpt-E/EJ,其中E为正；同理，从导带延伸出来的类受主的= GcxpfE1 Ea,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

15、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。EnergyFigure 3-2. Urbach 沁k 期&Figure J-J. A 川切疋 density (Jrbuuh tin Is uml d consent mul-gup itixtrtbuUon fcontribmionxfrom constant distribution are ignored beyond ontl Eg.咼斯型数学表达式为:E-E Vg.E) = GGJflcxppkd /a -tIM)GGd 施主和GGa 受主是单位体积单位能级的状态

16、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

17、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：P：产 fgu EfD iEdE瓦 、 fg，vEfvEdE% 电子和空穴占据这些能级的概率方程由 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 :光特性参数这个比拟简单，主要就是设置材料的光吸收系数和相对介电常数。第二局部：非晶半导体材料参数在这里，我

18、们假设非晶半导体的材料特征由图 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二Ec-Ev ;但是Egp就需要我们自

19、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。第三局部：多晶半导体材料参数多晶半导体含有由无规那么区域组成的晶界。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那么的。接下来就是设置单晶和非晶参数的问题了。3.2 :

20、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：)o = U厲 e/m = pC-EGkT.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:|)vtrout - pbo + /(x()4,back = bL + Zu=L)通过选择势垒高度和外表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，非理想的欧姆接触或者是整流接触都 可以被模拟。例如，低的势

21、垒高度和高的外表复合速度可以代表一个理想的金属接 触，而一个同样势垒高度和低的外表复合速度的组合可以代表一个很差的外表或者 式电解质接触。：不同区域间界面的参数在 x=0 和 x=L 处的界面可以看做是一种较为特殊的界面。 如果在这里考虑到隧 穿效应，那么它起的作用和其他的传输机制式是等重要的，那么我们就有必要输入 有效的载流子隧穿质量。然而， AMPS-1D 无法对隧穿进行模拟。在 x=0 和 x=L 处的界面也是有光学特性的，如反射系数 RF 和 RB。不单单在两端的界面， AMPS 允许在器件中任意位置的界面。这种界面可以是 有很多缺陷能级的薄的区域。那么，我们就可以通过增加具有不同特性

22、的薄区域层 来实现在任意的位置输入一个界面层。我们经常提起的是界面的缺陷密度，这个可 以通过状态密度和界面区域的厚度的乘积来求得。由于这个界面区域有它自己的材 料参数，所以我们可以创立一个与周围材料完全无关界面层。总的看来， AMPS 能模拟的范围是很广的，包括不同区域，不同材料，不同界 面。只要我们输入正确的材料参数， AMPS 就能够模拟，给我们对于器件结构的研 究带来巨大的灵活性。第四章：运行 AMPS 的步骤首先， AMPS 会计算出在没有任何偏压下器件的的根本能带图，内建势场和 电场，自由载流子数目和束缚载流子数目。然后 AMPS 将以这个热平衡状态下的解开始进行在偏压下 光偏压，电

23、偏压， 或者是两者同时加上去的特征的求解。这下 AMPS 将会输出能带图包括准费米 能级，载流子数目，电流，复合， I-V 特征和光反响等等。一：器件的输出特征 暗 IV 特征在输入光偏压条件的窗口中， 我们只要给出光偏压的范围。 例如，光偏压从 -1V 至IV。这个电压范围不单单应用到暗I-V，而且可以应用在有光情况下的I-V。有这 样的情况，如果你选在o 1V范围内步长为的计算条件，但是你想看到在 条件下的能带图，那么AMP浜能让你看到的能带图，除非你把步长改为 或者式更小。当然了，步长越小，AMPS+算的时间就越长。光IV特征这和暗IV特征的唯一区别在于你要在窗口上选中“ light o

24、n。AMP獣认提供 了 AM1.5,但是我们也可以自己设置。 光谱响应如果我们想看到在每个波长上产生的光电流， 就必须设置“spectral response 不管是在有光或者式无光的条件下， AMPS 都会给出频谱反响。二：输入参数的步骤1 ：应用于整个器件的参数2：应用于特定区域的参数3 :确定光谱的参数应用域整个器件的参数4- / SuhemuEie band eJ&uram i/t u sertiict/nditcff/r viLtm/er an cippAied I叩-边界条件a.PI II BO =巾毗=E： - Ep at xT eVb.PHIBL = % = Ec - CF a

25、t x=L eV外表复合速度a.SNO=S :电子在x=0处界面的复合速度cm/secb.SPO二SPO 空穴在x=0处界面的复合速度cm/secc.SNL=SNL电子在x=L处界面的复合速度cm/secd.SPL二SPL 空穴在x=L处界面的复合速度cm/sec光在前后外表的反射系数a.RF=R :在x=0处的反射系数b.RB=R :在x=L处的反射系数温度T(K)应用于特定区域的参数区域的宽度 W或者式XLAYERA材料的根本参数a.EPS:在温度为T时候的折射率b.NC :温度为T时候导带的有效状态密度c.NV:温度为T时候价带的有效状态密度d.EG :温度为T时候的禁带宽度e.EGOP

26、 :温度为T时候的光学带隙f.CHI :温度为T时候电子亲和能g.MUN :温度为T时候电子的迁移率h.MUP :温度为T时候空穴的迁移率离散的定域缺陷能级EvEnergyjFF耳已-4-2 An of rZjjfre Je d f/fi/r and tfZicre/e &uE即加厂 le vel.DLVS是离散类施主能级的数目Ov二DLVS=25；ALVS是离散类施主能级的数目0二DLVS0 (即存在离散类施主能级) 需要设置有关第 i 个离散能级的如下有关参数：a.ND(i) = N Di :第i个施主能级带浓度；b.EDON(i) ：第 i 个施主能级带电离能，为正，以 EC 为零点；c

27、.WDSD(i)=WDi ：第 i 个施主掺杂带能级带宽度；d.DSIG/ND(i) : 第 i 个离散施主能级电子的交叉捕获面积；e.DSIG/PD(i) : 第 i 个离散施主能级空穴的交叉捕获面积离散受主能级浓度和电离能对于全部电离的情况， ALVS=0NA(i)=N Ai ：第 i 个受主能级的受主浓度对于局部电离的情况，如果 ALVS0 (即存在离散类受主能级) 需要设置有关第 i 个离散能级的如下有关参数：a.NA(i) = N Ai : 第 i 个受主能级的浓度；b.EACP(i) ：第 i 个受主能级带电离能，为正，以 EV 为零点；c.WDSA(i)=W Ai ：第 i 个受

28、主掺杂带能级的宽度；d.DSIG/NA(i) : 第 i 个离散受主能级电子的交叉捕获面积；e.DSIG/PA(i) : 第 i 个离散受主能级空穴的交叉捕获面积连续的定域缺陷能级(在带尾和禁带中部)，分为 V型和U型如果是V型，需要以下带参数：a.GDO ， GAO : 如上图中的表达式带表示的：b.,那我们就,那我们就ED : 类施主尾带的特征能量 Ed：c.EA :类受主尾带的特征能量Ea：d.TSIG/ND :类施主尾带电子的交叉捕获面积e.TSIG/PD :类施主尾带空穴的交叉捕获面积f.TSIG/NA :类受主尾带电子的交叉捕获面积g.TSIG/PA :类受主尾带空穴的交叉捕获面积

29、如果是U型，除了要用到V型中要用带参数以外，还要加上以下的参数:a.GMGA :禁带中部类受主能级状态密度 GMGab.GMGD :禁带中部类施主能级状态密度 GMGdc.EDA :转变能级Edad.MSIG/ND :禁带中部类施主能级电子的交叉捕获面积e.MSIG/PD :禁带中部类施主能级空穴的交叉捕获面积f.MSIG/NA :禁带中部类受主能级电子的交叉捕获面积g.MSIG/PA :禁带中部类受主能级空穴的交叉捕获面积高斯型缺陷能级(AMPSt许同时存在最多三种施主和三种受主能级)Figure 4-3 /In 对dtmur ievt nmJ one Gcneg讪冈 accepMr高斯施主能级如果DLVSG0,那么设置一下参数：(0二i=2 )a.NDG(i):第i个高斯施主能级的状态密度b.EDONG(i):第i个高斯施主能级的