有限差分载流子传输(FDCharge)求解器
有限差分载流子传输(FDCharge)求解器 #
有限差分载流子传输（FDCharge）求解器是一种用于模拟半导体器件电学特性的核心仿真工具。它基于经典的漂移-扩散模型，通过求解泊松方程与载流子连续性方程，精确计算出器件内部的静电势分布以及电子和空穴的传输行为。该模型经过充分验证，能够在常见工作条件下为各类半导体器件提供稳定且精确的结果。
FDCharge求解器尤其适用于设计和分析光有源器件（如MZI调制器、锗硅探测器）的电学与光电特性。
在 Home 选项卡中选择 FDCharge 按钮，在复合视图窗口点击任意位置即可创建FDCharge求解器，然后在自动弹出的编辑属性窗口中修改FDCharge求解器的设置，即可完成FDCharge求解器的添加。
FDCharge求解器设置 #
FDCharge求解器页面如下，后续小节将进行详细说明。
通用设置 #
General标签页用来设置求解器的仿真空间，仿真空间包含仿真维度和几何尺寸。
仿真维度 #
Dimension选项卡用于设置FDCharge求解器的仿真维度。目前支持2D Z normal、2D X normal、2D Y normal三种法向方向。
几何尺寸 #
Geometry 选项卡用于设置FDCharge求解器的几何尺寸。
| Name | Description |
|---|---|
| Z/X/Y pos | 设置求解器仿真区域的几何中心。 |
| Z/X/Y span | 设置求解器仿真区域在三维坐标方向上的范围。 |
有源求解器设置 #
FDCharge求解器提供有 DC （静态算法）和 Transient （瞬态算法）两种不同的有源算法；根据需要进行用户选择。
一般设置（DC）：
| name | Units | Description |
|---|---|---|
| Temperature | K | 温度。 |
| Iterations Limit | 总迭代数目。 | |
| Lambda | μm | 波长。 |
| Error Control | 误差控制。 | |
| Norm Length | μm | 规范的长度，有源器件的长度。 |
特殊设置（Transient）：
选择该项，将增加脉冲设置选项：
| name | Units | Description |
|---|---|---|
| Timestep | ps | 瞬态模拟的初始时间步长 |
| Totaltime | ps | 总时间步长 |
| Shutter Mode | 选择脉冲模式，on表示只有开启时间的脉冲，step on 和 step off 表示拥有开启或关闭时间的步进函数脉冲，pulse on 和 pulse off 表示同时具有开启和关闭时间的脉冲。 | |
| Shutteron | 设置开始时间 | |
| Shutteron | 设置关闭时间 | |
| Shuttertslerw | 步进斜率 |
背景材料 #
在 Background material 标签页，提供 Background material 的下拉菜单，以供用户选择背景材料。
| name | Description |
|---|---|
| Background material | 背景材料库。包括有源专属材料库（ Electrical Material ）中的 Global Material library 材料，也可以通过 Add/Edit 在 Project Material library 创建工程材料作为背景材料。 |
网格 #
Mesh 标签页提供了求解器的网格设置。FDCharge求解器提供了均匀网格和自动非均匀网格设置，具体参数请参见网格设置。
FDCharge对象设置 #
FDCharge求解器使用的材料和结构不同于无源求解器，其拥有重要的有源属性。
材料设置 #
在FDCharge求解器中，其拥有专属的有源材料库（ Electrical Material ），相比于无源材料库，基本的材料列表保持一致，而多添加的有源属性设置在 Semiconductor Properties 标签页中。
同时软件将材料划分为三类：
- 半导体材料
- 绝缘体材料
- 导体材料
其中半导体材料为设置了 Semiconductor Properties 参数的材料。绝缘体材料为没有设置 Semiconductor Properties 参数以及设置为电极的材料。导体材料为在器件列表中表明有电接触的，如在结构组件中勾选 Is Electrical Contact 选项并设置相应的电压值。
以下介绍半导体材料的 Semiconductor Properties 参数设置。
| name | Units | Description |
|---|---|---|
| Electron Affinity | eV | 电子亲和势。 |
| Effective Mass | 有效质量。electrons：电子有效质量（m*/m0）；holes：空穴有效质量（m*/m0）。 | |
| Band Gap | 禁带宽度。Eg：带隙；ni：本征载流子浓度。 | |
| Mobility | 迁移率。electrons：电子迁移率；holes：空穴迁移率。 | |
| Recombination | 电子空穴对复合。 Enable Shockley-Read-Hall：启用Shockley-Read-Hall复合模型，设置电子、空穴的寿命； Enable Radiative：启用辐射复合； Enable Auger：启用俄歇复合 |
结构设置 #
在FDCharge求解器中，结构将拥有有源设置，在材料设置部分已经描述过，当勾选 Is Electrical Contact 选项的组件就是电极，相对应的材料也就会当作导体。
