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包含包络函数归一化的自洽方法，用于具有透射边界条件的全区域薛定谔-泊松问题

DOI：10.1063/1.5047087 期刊：Journal of Applied Physics 出版年份：2018 更新时间：2025-09-10 09:29:36
摘要： 在对探索性半导体器件进行量子力学模拟时，基于k·p/包络函数模型的连续介质方法相比主流的原子尺度方法能显著降低计算负担。然而，全布里渊区k·p/包络函数模拟方案较为稀缺，现有实现因缺乏稳定流程及多带包络函数的适当归一化，无法与静电势计算保持自洽。为此，我们提出基于全布里渊区谱k·p/包络函数能带结构模型的自洽流程：首先，在传输边界条件下建立多带包络函数的合理归一化方法，从而实现自由载流子浓度计算；其次，构建载流子浓度与静电势的自洽求解流程，该流程通过结合Gummel形式泊松方程求解与逐次欠松弛的自适应方案实现稳定化；最后将该流程应用于同质结In0.53Ga0.47As隧穿场效应晶体管（TFET）和交错异质结GaAs0.5Sb0.5/In0.53Ga0.47As TFET，揭示了自洽性对小尺寸器件预测的重要影响。
作者： Devin Verreck，Anne S. Verhulst，Maarten L. Van de Put，Bart Sorée，Wim Magnus，Nadine Collaert，Anda Mocuta，Guido Groeseneken
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研究概述 实验方案

研究目的

开发一种基于全区域谱k·p/包络函数能带结构模型的自洽程序，用于探索性半导体器件的量子力学模拟，实现自由载流子密度的计算并与静电势达到自洽。

研究成果

基于全区域谱k·p/包络函数模型开发的自洽程序成功实现了半导体器件的量子力学模拟，在器件预测（尤其是小尺寸器件）方面展现出显著影响。该程序凸显了自洽性在精确模拟探索性半导体器件中的量子限制效应和静电势方面的重要性。

研究不足

该研究仅限于弹道输运模拟，未考虑肖克利-里德-霍尔复合机制，这可能导致栅极-漏极欠重叠情况下出现误导性结果。此外，尽管计算效率有所提升，但完整器件模拟仍可能需要大量资源。

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