半导体雷射模拟软体Lastip简介_精品文档.ppt
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半導體雷射模擬軟體Lastip簡介王尊信Tsun-HsinWang國立彰化師範大學物理系博士生電子郵件:
wthwthmail.cgjh.tcc.edu.twwthwthykuo.ncue.edu.tw網頁:
http:
/ykuo.ncue.edu.tw/wthwth大綱n背景n主結構n參數n輸出n偵錯n結語n參考文獻10/31/20222半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信背景-原廠n縮寫:
LASerTechnologyIntegratedProgram(雷射技術整合程式)n廠商:
加拿大的CrosslightSoftware公司n工作原理:
建立模型=輸入參數=輸出結果n小技巧:
任何一個指令按右鍵,選wizard可出現即時說明10/31/20223半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信背景-PICS3Dn縮寫:
PhotonicIntegratedCircuitSimulatorin3Dn三維(3D)面射型半導體雷射元件與分佈回饋型半導體雷射元件模擬軟體n能提供:
雷射模式頻譜圖、主模式對次要模式壓制頻譜圖、分佈布拉格反射鏡(DistributedBraggReflector,DBR)的反射率頻譜圖、波導光柵耦合係數等多種電子與光學特性圖形10/31/20224半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信背景-APSYSnAPSYS是一套通用的化合物半導體元件以及矽半導體元件模擬軟體,主要應用於半導體雷射以外的所有半導體元件n對象:
有機發光二極體(OrganicLight-EmittingDiode,OLED)、發光二極體、光偵測器、太陽能電池、電吸收調制器(EAM)、高電子移動率電晶體(HEMT)、異質接面雙極電晶體(HBT)、金氧半場效電晶體(MOSFET)、共振穿隧二極體(ResonantTunnelingDiode,RTD)、以及行波半導體光學放大器(TravelingWaveSemiconductorOpticalAmplifier,TWSOA)等。
10/31/20225半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信背景-副程式(Options)1)ThermalOption(適用於LASTIP、PICS3D、APSYS)可以適當處理熱效應對光電及半導體元件特性的影響,此一程式對半導體雷射的模擬與分析尤其重要。
2)Self-consistentMQW/PiezoOption(適用於LASTIP、PICS3D、APSYS)可以適當處理壓電效應(PiezoelectricEffect)等電場相關因素對光電及半導體元件特性的影響,此一程式對氮化物藍光半導體雷射、電-吸收調制器(EAM)、高電子移動率電晶體(HEMT)的模擬與分析尤其重要。
3)VCSELOption(適用於PICS3D)可以支援面射型半導體雷射元件的模擬與分析,是PICS3D模擬軟體必備的附屬程式。
10/31/20226半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信背景-副程式(Options)4)3DFlowOption(適用於PICS3D)允許電流在立體空間的各個方向都可以流動(基本型的PICS3D不允許電流在Z軸方向流動),因此可以進一步提昇PICS3D模擬分析的準確性。
5)ComplexMQWOption(適用於LASTIP、PICS3D、APSYS)可以適當處理光電及半導體元件中,量子井(QuantumWell)之間的交互作用,以及井中有井與不對稱井障(Barrier)等特殊情形,此一程式對半導體雷射的模擬與分析尤其重要。
6)LEDOption(適用於APSYS)可以支援發光二極體元件的模擬與分析,是APSYS模擬軟體必備的附屬程式。
7)OLEDOption(有機發光二極體模擬程式10/31/20227半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信背景-可以模擬的半導體元件1n雷射二極體(FP、DFB、Gain-CoupledDFB、DBR、MEDFB)n半導體光放大器(SOA)n發光二極體(LED)10/31/20228半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信內建參數-.mac檔n內建參數:
.mac檔(macro,巨集)crosslight.mac與more.macn活性層材料:
以大寫字母表示,控制該活性層材料的發光強度、波長、增益等特性。
(AlGaAs/AlGaAs、InGaN/InGaN等)n非活性層材料:
以小寫字母表示,決定電性、熱特性與部份的光學特性。
(gaas.temp、algaas.temp等)n依模擬的需求選擇適當的材料檔案,例如同樣表示GaAs材料的mac檔案就有:
gaas、gaas_lambda、gaas.temp三種,第一種是描寫溫度固定在300K的參數;第二種是與波長有關的參數;第三種是與溫度有關的參數。
10/31/20229半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信主結構-四個步驟2n步驟1:
建立layer檔介面:
程式碼或圖形化(GUI)Action-SetupDevice-LayerBuilderc:
crossligGUILayerBuilder.exe程式集-Lastip-LayerBuilder.exen步驟2:
處理layer檔Action-SetupDevice-Processlayern步驟3:
產生mesh檔Action-SetupDevice-Generatemeshn步驟4:
開始模擬Action-MainSimulation-StartSimulation10/31/202210半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信步驟1-建立layer原始四個檔案n.layer檔:
敘述材料的分層結構n.gain檔:
材料的增益n.sol檔:
(solution材料的解題方法)考慮的效應、計算的方法、邊界條件、壓電效應、光場、熱效應n.plt檔:
(plot)要畫的圖形10/31/202211半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信*.layer1n.layer檔:
設定好元件的每一層厚度、材料、電極、寬度及與幾何結構相關結果的精密度(如能帶結構圖)n如果基底是不導電的物質,因為電極要接在旁邊,所以要設成兩欄(column)以上(若LED基底是GaAs則只需一欄)nCol123nAvoidvoidnBBBnSSSubstrate10/31/202212半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信*.layer2nlayerd=0.0035d的單位是微米(m)nn=8n表示mesh的刻度nr=-1.3r(ratio)的意義:
每個mesh切割的比例類似等比級數的公比r1:
愈畫愈疏;r1:
愈畫愈密-1r0:
(由下而上)密到疏,再到密;r參數泊松(Poisson)方程式=V,n,p連續方程式=V,n,p,S,W,g光子速率方程式=n,p,S,W,g複數波動方程式=n,p,W,lambda,g光增益模型=n,p,lambda,gnV表電位、n與p表電子與電洞濃度、S表光子數目、W表光場強度、lambda表波長、g表增益10/31/202223半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信參數-泊松方程式4n2V=/,為自由電荷的體電荷密度,為介質的介電常數。
若將此方程式改用在半導體材料時,此方程式就必須改寫成下式來描述每個磊晶層的電位分佈:
10/31/202224半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信參數-泊松方程式(a)V為電場。
(b)dc為相對介電常數。
(c)n、p為電子與電洞濃度。
(d)ND(NA)為淺層donor(acceptor)摻雜的密度,fD(fA)為介面中donor(acceptor)淺層能階的佔有率。
(此項會造成介面結合的電子濃度產生影響,NAfA前面的負號為接收電子濃度產生)(e)j為deltafunction當作acceptor時其值為0當作donor時其值為1,Ntj為介面中第j個深層能階的密度,ftj為第j個深層能階的佔有率。
(此項和前兩項比較下其意義為相似)10/31/202225半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信參數-電荷連續方程式nJ+/t=0;此為電荷連續方程式,又因為各磊晶層的電荷守恆,所以我們可以將此連續方程改寫成下式:
10/31/202226半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信參數-電荷連續方程式(a)電子的電流密度Jn=nnEfn(其中n為電子的mobility,Efn為電子的Fermi-level),而電洞的電流密度Jp=npEfp。
(b)Rntj為通過邊界上第j個能階時,每單位體積的電子結合律,而Rptj為通過邊界上第j個能階時,每單位體積的電洞結合律。
(SRH)(c)Rsp為自發輻射率,Rst為受激放射率。
(d)Rau=(Cnn+Cpp)(np-ni2);Cn和Cp均為常數取決於材料本身,ni指純質的載子密度。
(Augerrecombinationrate)10/31/202227半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信參數-光子速率方程式10/31/202228半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信參數-光子速率方程式(a)W為光子的波函數|W|2為每單位體積找到光子的機率。
(b)k0為波向量,為介電常數,為realeigenvalue實數本徵值。
(c)ng為材料的折射率,gm為增益模式(modelgain),int為初始的損失(loss),em為發射光子產生的損失,S為光子數。
(d)Cm為小部份自發輻射的常數。
10/31/202229半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信參數-光增益模型(a)為intra-band的散射時間(b)L(Ex-Eij0)為Lorentzianshapefunction(c)gij為第i能階到第j能階的localgain,Eij為第i能階到第j能階的能差(d)gij內有包含輕電洞和重電洞的TE和TM模式。
10/31/202230半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信輸出1nL-I:
輸出能量與電流之關係nI-V:
電流與電壓之關係nE-V:
不同電壓下之能帶結構n二維的電位、電場與電流分佈n二維的電子與電洞濃度分佈n價電帶混合模式下之量子井次能帶結構n二維的深層能階所捕獲載子之分佈n二維的光場分佈n二維的區域性光增益分佈n不同電流輸入下之增益頻譜n不同電流輸入下之自發輻射頻譜n遠場分佈n上述所有資料隨時間之變化n上述所有資料在不同溫度下之變化10/31/202231半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信*.pltn要畫的圖形,以圖形或資料點n輸出求解之結果,設定所要觀看的結果之幾何條件,偏壓條件、電流條件與範圍等n要用plot_1d或plot_2d看研究題目而定10/31/202232半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信*.plt2nplot_dataplot_device=data_file將結果輸出到檔案(txt檔,數字形式)若改成plot_device=postscript則輸出圖檔nget_datamain_input=s2.solsol_inf=s2.out&xy_data=(2222)scan_data=(132)看第22個output的結果nplot_scanscan_var=voltage_1scale_curr=1variable=total_curr_1&data_file=I-V.txt把結果放在I-V.txt檔中10/31/202233半導體雷射模擬軟體Lastip簡介/王尊信步驟2-處理layer產生四個檔案n.doping檔:
摻雜狀況n.geo檔:
描述元件的幾何結構n.mater檔:
描述元件所有用到的材料與電極,並照順序給予編號(若layer中,有不同層但材料相同者,也算同一種材料)n.mplt檔:
將元件分成許多細小的網格,畫出mesh10/31/20
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