1. Можливості додатків для моделювання напівпровідників
2. специфіка додатки
3. Світлодіоди на основі гетероструктури InGaN / AlGaN: фізичні принципи, що визначають колір випромінювання...
4. Використання спеціальних методів для автоматизації аналізу результатів
5. Створення документації для додатка
6. Корисні поради щодо створення додатків
7. додаткові ресурси

Розробка користувальницьких додатків для моделювання не представляє ніяких складнощів завдяки модулю Напівпровідники і Середі розробки додатків. У даній статті ми розповімо, як перетворити модель світлодіодного пристрою в зручний додаток для оцінки впливу різних проектних рішень на експлуатаційні характеристики світлодіода і його випромінювання. Також ми продемонструємо застосування спеціальних методів обробки даних рішення, що забезпечують створення спеціалізованих інструментів аналізу.

Можливості додатків для моделювання напівпровідників

Розгромна замовна стаття в COMSOL Multiphysics версії 5.0 Середовище розробки додатків стала проривом в галузі моделювання, розширивши її можливості за допомогою простих настроюваних додатків на основі моделей. Нещодавно вийшла версія COMSOL Multiphysics 5.1 містить серйозні поліпшення цього революційного інструменту, що розширюють як ваші можливості по створенню додатків, так і можливості кінцевого користувача.

Додатки розроблені з урахуванням повної інтеграції з моделями, на яких вони засновані. Це дозволяє не тільки в реальному часі змінювати параметри моделі, а й гнучко налаштовувати візуалізацію отриманих результатів. Таким чином, можливості впровадження додаткових функцій стають воістину безмежні. Подібний підхід особливо корисний при моделюванні напівпровідників, що часто вимагає об'ємного і складного аналізу отриманих результатів.

Ми почнемо з подання навчальної моделі світлодіода на основі подвійної гетероструктури InGaN / AlGaN , Після чого продемонструємо, яким чином перетворити дану модель в додаток, призначене для моделювання випромінювання світлодіода в заданому діапазоні хвиль. Перевагою подібних додатків є перенесення просунутої функціональності фізичного моделювання з самої моделі в зручний інтерфейс програми. Тепер технічний експерт в змозі самотужки створити складний інструмент для моделювання кінцевих елементів або обсягів і передати його розробникам, що не володіють можливостями або знаннями для застосування передових рішень в області моделювання і чисельного аналізу.

Зліва: Інтерфейс моделі містить всі функції фізичного моделювання та управління геометрією. Справа: Інтерфейс програми. Незважаючи на те, що програма має доступ до всіх функцій фізичного моделювання, доступні для зміни лише ті, які впливають на довжину хвилі вихідного випромінювання. Спрощення призначеного для користувача інтерфейсу не позначається на можливостях моделювання.

специфіка додатки

Як вже було сказано, програма має доступ до всіх функцій фізичного моделювання, при цьому для користувача інтерфейс і відображення результатів стають більш інтуїтивними. Незважаючи на те, що ні робочі характеристики моделі, ні точність моделювання не страждають, платою за більшу зручність роботи стає універсальність: будь-який додаток менш універсально, ніж модель, що лежить в його основі. При створенні додатків не слід забувати про їх кінцевому призначення. Функціональність програми повинна строго відповідати вимогам.

демонстраційне додаток Світлодіод з налаштуванням довжини хвилі можна використовувати при оцінці характеристик випромінювання світлодіода на основі гетероструктури AlGaN / InGaN для полегшення подальшого проектування світлодіодів, що випромінюють світло в заданому користувачем діапазоні хвиль. Детальний опис процесу конвертації навчальної моделі світлодіода на основі подвійної гетероструктури InGaN / AlGaN в додаток, а також загальні зауваження і поради щодо створення власних додатків для моделювання напівпровідників представлені нижче.

Скріншот вище демонструє, як необхідний функціонал для моделювання світлодіода з налаштуванням довжини хвилі реалізується в додатку за допомогою декількох різних панелей. Такі панелі як, наприклад, Specify Material Composition (Визначте склад матеріалу), Operation Voltage (Робоча напруга) і Desired Spectral Range (Бажаний спектральний діапазон) використовуються для завдання проектних специфікацій світлодіодного пристрою. Результати моделювання відображаються в табличному і графічному вигляді на панелях Results (Результати) і Results Viewer (Засіб перегляду результатів) відповідно.

Більш того, властивості матеріалу світлодіода можуть змінюватися нарівні з величиною робочої напруги пристрою. Виходячи з цих характеристик додаток розраховує інтенсивність випромінювання, спектр електролюмінісценціі і ККД пристрою. Спектр випромінювання аналізується для визначення його відповідності заданому спектральному діапазоні. У разі, якщо програма використовується для проектування світлодіода, що випромінює в видимому діапазоні, характеристики електролюмінісценціі перетворюються в RGB-діапазон і неамедлітельно відображаються для визначення кольору випромінювання.

Світлодіоди на основі гетероструктури InGaN / AlGaN: фізичні принципи, що визначають колір випромінювання світіння

При створенні програми вам доведеться вирішувати такі питання: які функції фізичного моделювання необхідно включити в додаток і як зв'язати їх з призначеним для користувача інтерфейсом. Так, наприклад, для додатка, що моделює світлодіод з настроюваної довжиною хвилі потрібно включити можливість її зміни. Так як довжина випромінюваної полупроводником хвилі сильно залежить від ширини забороненої зони, для зміни довжини хвилі ми додамо можливість зміни складу матеріалу світлодіода.

Світловипромінюючих область світлодіода виконана на основі матеріалу InGaN, напівпровідникового сплаву складається з нітриду індію і нітриду галію. Ширина забороненої зони нітриду індію, що випромінює в інфрачервоному діапазоні, невелика і складає приблизно 0,75 еВ. Ширина забороненої зони нітриду галію, що випромінює в ультрафіолетовому діапазоні, набагато більше (близько 3,4 еВ). Шляхом зміни пропорції нітриду індію і нітриду галію в сплаві InGaN можна створити матеріал, який випромінює в діапазоні між цими межами, що дозволяє вибирати будь-яке світло випромінювання у видимому діапазоні.

Налаштування повзунків в Середі розробки додатків. Зв'язати засіб графічного введення (наприклад, повзунок) і параметр моделі дуже просто. В такому випадку повзунок використовується для завдання змісту індію в структурі InGaN.

Зміст індію в матеріалі активної області може бути змінено за допомогою інтерактивного повзунка на панелі Specify Material Composition (Визначте склад матеріалу) вікна програми. Повзунок пов'язаний з параметром In_x моделі, що використовуються для завдання частки індію в матеріалі структури InGaN. При переміщенні повзунка значення параметра In_x автоматично змінюється в межах між мінімальним і максимальним значеннями (зазначеними в налаштуваннях повзунка). Потім значення параметра In_x використовується для обчислення ширини забороненої зони структури InGaN (матеріалу, використовуваного в світловипромінюючих області пристрою).

Додаток забезпечує динамічне відображення результатів при зміні змісту індію і ширини забороненої зони в реальному часі за допомогою повзунка. Наступний скріншот демонструє використання для цього інформаційних панелей (по одному для кожного значення). Кожна інформаційна панель пов'язана з параметром, розраховувати за допомогою значення In_x. При переміщенні повзунка вона автоматично оновлюється для відображення нових відповідних значень.

Налаштування інформаційної панелі, що відображає ширину забороненої зони. Дуже просто зв'язати інформаційну панель з будь-яким параметром моделі. В даному випадку вона пов'язана з параметром представляє ширину забороненої зони в матеріалі структури InGaN.

Схожий підхід використаний для зв'язку поля для введення значення робочої напруги з відповідним параметром моделі. Таким чином можна встановити значення напруги, що подається на світлодіод. Найкраще створювати додатки, що забезпечують доступ до призначених для користувача змінним за допомогою параметрів. Для інших зайнятих у проекті осіб це найбільш простий спосіб взаємодії з ними в додатку. У разі моделювання напівпровідників, необхідні для цього величини найчастіше представляють собою функції декількох призначених для користувача значень. Важливо грамотно визначити, які з них варто включити в призначений для користувача інтерфейс програми.

Використання спеціальних методів для автоматизації аналізу результатів

Крім спрощеного користувальницького інтерфейсу додатку також мають можливість створити спеціальних методів. Будучи ефективним інструментом, вони можуть бути використані для автоматизації будь-якої функції пакета COMSOL Multiphysics. Також вони можуть бути використані для обробки даних рішення і подальшого аналізу з метою виділення значущих показників. Остання функція особливо важлива при моделюванні напівпровідникового пристрою, адже часто його роботу можна оцінити шляхом вилучення таких показників як напруга включення МОП-транзистора або посилення по току біполярного транзистора .

В даному додатку спеціальні методи використовуються для аналізу спектру випромінювання світлодіода. Значення довжини хвилі при піковому випромінюванні витягується з спектра і порівнюється зі значеннями представленими на панелі Desired Spectral Range (Бажаний спектральний діапазон). На даній панелі розташований перемикач, що дозволяє вибрати інфрачервоні, видимі або ультрафіолетовий спектр як бажаного спектрального діапазону, а також засоби відображення відповідного діапазону хвиль. Наступний скріншот демонструє вікно налаштувань перемикача. Налаштування перемикача здійснюється за допомогою прив'язки його до списку, який, в нашому випадку, містить три варіанти для вибору, а також вихідну змінну в розділі оголошення змінних. Вихідна змінна використовується для завдання початкової позиції перемикача. При зміні положення перемикача відповідне значення прописується в вихідну змінну.

Налаштування перемикача панелі Desired Spectral Range (Бажаний спектральний діапазон). Синім відзначений обраний список, що містить три позиції. Червоним відзначена змінна output_card, використовувана в якості вихідної для перемикача. Дана змінна містить значення відповідне обраному положенню перекючателя.

Ісодная змінна (в нашому випадку output_card) може використовуватися спільно зі спеціальними методами. Наступний скріншот демонструє один з розділів спеціального методу f_compute_and_plot. Даний метод застосовується після натискання на кнопку Compute (Обчислити) в стрічці. Даний метод вирішує модель з поточними введеними установками, а також виконує аналіз результатів. Розділ, показаний на скріншоті, порівнює довжину випромінюваної хвилі з положенням перемикача, що містяться в змінної output_card. У разі, якщо довжина хвилі при піковому випромінюванні відповідає обраному спектральному діапазону, індікаторнаяя змінна check [n] приймає значення 1. Значення індикаторного змінної в подальшому використовується для створення повідомлення в розділі Summary (Звіт), що містить інформацію про відповідність отриманих результатів бажаним.

Розділ спеціального методу f_compute_and_plot, що оцінює відповідність випромінюваної хвилі заданої спектральному діапазону.

Отже, ми показали, яким чином за допомогою спеціального методу можна об'єднати призначені для користувача значення і значення, витягнуті з рішення, для збільшення функціональності додатку. Перемикач панелі Operation Voltage (Робоча напруга) використовується схожим чином в інших логічних умовах, що визначають вид застосовуваного до вирішення аналізу. У разі, якщо вибрано точне значення напруги, побудований графік включає тільки спектр випромінювання. Однак, в тому випадку, якщо обраний діапазон значень інші характеристики з панелі Results (Результати) також включаються до графіку у вигляді функції напруги.

На додаток до виконання логічних операцій, спеціальні методи можуть використовуватися для запуску коду Java® для проведення більш складного аналізу отриманих результатів. Наступний скріншот демонструє приватний метод (який є частиною методу f_compute_and_plot), що перетворює спектр випромінювання в простір RGB. Кожен компонент кольору виходить шляхом перемноження точок спектра і соответствющая кривої цветочуствітельності і подальшого об'єднання з урахуванням довжини хвилі. Більш детальну інформацію можна отримати в додатку, натиснувши на кнопку About (Про програму).

Метод RGB_converter () (Конвертація в RGB-простір). Цей приватний метод, який є частиною методу f_compute_and_plot, використовується для перетворення спектру електролюмінісценціі в приблизні значення простору RGB для відображення кольору випромінюваного світіння в разі, якщо воно знаходиться у видимому діапазоні. Це приклад того, як можна розширити функціонал програми за допомогою спеціальних методів.

Даний приклад демонструє, яким чином до даних рішення можуть бути додані додаткові операції для створення додаткових інформаційних панелей і панелей відображення результатів всередині програми. Наступний скріншот демонструє зовнішній вигляд програми після рішення моделі для двох різних значень змісту індію. У разі, якщо зміст індію в гетероструктуре InGaN становить 12,7% кольором світіння випромінювання буде синій; в разі, якщо змісту індію збільшити до 23.7% - зелений. Таким чином, при проектуванні світлодіода для випромінювання у видимому діапазоні, додаток негайно візуалізує резуьтат.

Скріншот програми після рішення моделі при двох різних положеннях повзунка. Ілюстрація зліва демонструє загальний випадок, коли смодержаніе індію становить 12,7%. Ілюстрація справа демонструє наслідки збільшення вмісту індію до 23,7%.

Створення документації для додатка

Створення документації для додатка дозволить вам бути впевненим в тому, що воно буде використовуватися з максимальною ефективністю. Це легко зробити за допомогою прикріпленого до певної кнопці файлу, що відкривається при натисканні на неї (зверніться до скриншоту нижче). Ви зможете не тільки коротко описати використані функції фізичного моделювання або мета програми, але і дати поради щодо належного його використання. До складу пакета COMSOL входить генератор звітів (Report Generator), який можна використовувати для підготовки документації. Крім того ви можете розмістити спливаючі підказками для кнопок і полів для оперативної допомоги користувачеві програми.

Вікно налаштувань для кнопки About в стрічці додатки. Кнопка налаштована таким чином, що при натисканні відкриває прикріплений файл документації в форматі PDF. Підказка відображається при наведенні курсору на кнопку About.

Корисні поради щодо створення додатків

Перш ніж приступити до розробки програми, варто задати собі кілька питань:

• Яка мета цього додатка?
  • Додатки працюють найкращим чином, коли створюються для досягнення певних цілей при моделюванні.
• Які функції фізичного моделювання потрібно включити в цей додаток?
  • Постарайтеся параметризованих всі змінні, зміна яких буде потрібно при роботі з додатком.
• Якою має бути структура користувальницького інтерфейсу?
  • Намагайтеся задіяти лише необхідний функціонал. Подумайте над використанням панелей, які надають користувачам можливість вводити або змінювати параметри.
• Яким чином користувач буде взаємодіяти зі змінними?
  • Повзунки найкраще використовувати в ситуаціях, коли величина змінюється в певних межах.
  • Перемикачі знадобляться при виборі одного варіанта з декількох заздалегідь визначених значень.
  • Поля для введення дозволять користувачеві ввести значення самостійно.
• Яку інформацію необхідно відобразити для надання результатів?
  • Для відображення результатів моделювання можна використовувати графіки, таблиці, ілюстрації.
• Чи зможе застосування спеціальних методів розширити функціонал програми?
  • У разі необхідності для проведення спеціалізованого аналізу отриманих даних використовуйте спеціальні методи.
• Яка документація необхідна для ефективної роботи з додатком?
  • Довідкова документація може бути прикріплена до файлів програми. Доповніть додаток вказівками неявних з ним, а також описом задіяних фізик.

Увага до цих питань дозволить вам поліпшити зручність використання програми, при створенні ефективних інструментів для моделювання напівпровідників. Пакет COMSOL Multiphysics версії 5.1 дозволяє легко перетворювати складні моделі напівпровідників в прості інструменти для аналізу, призначені для оптимізації конструкції пристрою тим, хто не є експертом в області моделювання.

додаткові ресурси

Oracle і Java є зареєстрованими торговими марками корпорації Oracle і / або афілійованих з нею компаній.