Nanodcal半导体器件的研究领域

Nanodcal是一款基于非平衡态格林函数-密度泛函理论（NEGF - DFT）的第一性原理计算软件，主要用于模拟器件材料中的非线性、非平衡的量子输运过程，是目前国内拥有自主知识产权的基于第一性原理的输运软件。可预测材料的电流 - 电压特性、电子透射几率等众多输运性质。

迄今为止，Nanodcal 已成功应用于1维、2维、3维材料物性、分子电子器件、自旋电子器件、光电流器件、半导体电子器件设计等重要研究课题中，并将逐步推广到更广阔的电子输运性质研究的领域。

本期将给大家介绍Nanodcal半导体器件2.4-2.4.1的内容。

2.4. 虚晶近似（Semiconductors）

Nanodcal软件提供了一种虚晶近似（Virtual Crystal Approximation，VCA）的方法，可以实现半导体的n型或者p型掺杂；同时，对于相互取代的元素种类在化学行为上类似的特殊情况下，可以通过掺杂原子，得到无序结构。

通常，采用先构造超晶胞再置换其中某些格点原子构建的晶胞得到的是有序结构。对于直接取代原子的方法，单纯从电子结构的计算精度来看，更准确，但是改变原子配比的可能性比较小，如要考虑更多的掺杂比例需要很大的超胞，计算量很大。在合金以及精度要求不高的情况下，VCA方法占优势。下面将介绍VCA方法如何在Device Studio的使用。

2.4.1. 空位掺杂

本例以硅原胞为例，得到为p或者n型的基组文件。

（1） 双击图标DeviceStudio快捷方式打开软件；

（2）选择Create a new Project—OK—文件名：Si，保存类型：ProjectFiles(*.hpf)—保存即可；

（3）从数据库中导入Si晶体，如下：

File—Import—3DmaterialsConductorPure_metalSi— 打开即可:

图 2-12：导入Si原胞结构后的图形界面

（4）选择Simulator—Nanodcal—Virtual Crystal Approximation，进入VCA设置界面，如下：选择Mixture vacancy

Element：

Device Studio软件可以自动识别到元素的种类，用户可点击下拉菜单进行切换。本例只有一种元素Si。

Basis：

Device Studio软件默认选择LDA-DZP基组文件，用户可根据需求选择PBE-DZP或者UserDefined。

图 2-13：基组选择界面图

Doping Type:

Device Studio软件默认选择p-type，用户可根据需求选择n-type。

Value:

Device Studio软件默认值：对于p型为0.999；对于n型为1.001。掺杂浓度为千分之一。对于p型掺杂，01.用户可根据掺杂浓度自行修改。单位：百分比

本例参数设置如上图所示，然后点击：Generate Files即可产生如下文件：

图 2-14：Si的VCA文件产生界面图

右击VCA.input文件，选择Run，如下：即可实现Nanodcal在Device Studio中的一体化计算。

图 2-15：Run界面图

图 2-15(2)：VCA计算完成的Device Studio的Job Manager区域图

递交计算后，可在任务管理窗口看到任务状态为Running，当状态变为Finished后，表示计算完成。

（5）右击VCA.input，选择Open Containing Folder,打开所在文件夹，你会发现计算完成后产生了新的基组文件：Si_VCA_Si0.999Va0.001.mat

（6）Si_LDA-DZP.nad和Si_VCA_Si0.999Va0.001.mat文件的区别

>> load -mat Si_LDA-DZP.nad>> data.atom.N  %价电子数目ans =
        4>> load('Si_VCA_Si0.999Va0.001.mat')>> data.atom.Nans =
        3.9960

由此得知：4*0.999=3.996 %千分之一的掺杂浓度

审核编辑：彭静