Nanodcal是一款基于非平衡態(tài)格林函數(shù)-密度泛函理論（NEGF - DFT）的第一性原理計算軟件，主要用于模擬器件材料中的非線性、非平衡的量子輸運過程，是目前國內(nèi)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的基于第一性原理的輸運軟件。可預(yù)測材料的電流 - 電壓特性、電子透射幾率等眾多輸運性質(zhì)。

迄今為止，Nanodcal 已成功應(yīng)用于1維、2維、3維材料物性、分子電子器件、自旋電子器件、光電流器件、半導(dǎo)體電子器件設(shè)計等重要研究課題中，并將逐步推廣到更廣闊的電子輸運性質(zhì)研究的領(lǐng)域。

本期將給大家介紹Nanodcal半導(dǎo)體器件2.4-2.4.1的內(nèi)容。

2.4. 虛晶近似（Semiconductors）

Nanodcal軟件提供了一種虛晶近似（Virtual Crystal Approximation，VCA）的方法，可以實現(xiàn)半導(dǎo)體的n型或者p型摻雜；同時，對于相互取代的元素種類在化學(xué)行為上類似的特殊情況下，可以通過摻雜原子，得到無序結(jié)構(gòu)。

通常，采用先構(gòu)造超晶胞再置換其中某些格點原子構(gòu)建的晶胞得到的是有序結(jié)構(gòu)。對于直接取代原子的方法，單純從電子結(jié)構(gòu)的計算精度來看，更準(zhǔn)確，但是改變原子配比的可能性比較小，如要考慮更多的摻雜比例需要很大的超胞，計算量很大。在合金以及精度要求不高的情況下，VCA方法占優(yōu)勢。下面將介紹VCA方法如何在Device Studio的使用。

2.4.1. 空位摻雜

本例以硅原胞為例，得到為p或者n型的基組文件。

（1） 雙擊圖標(biāo)DeviceStudio快捷方式打開軟件；

（2）選擇Create a new Project—OK—文件名：Si，保存類型：ProjectFiles(*.hpf)—保存即可；

（3）從數(shù)據(jù)庫中導(dǎo)入Si晶體，如下：

File—Import—3DmaterialsConductorPure_metalSi— 打開即可:

圖 2-12：導(dǎo)入Si原胞結(jié)構(gòu)后的圖形界面

（4）選擇Simulator—Nanodcal—Virtual Crystal Approximation，進(jìn)入VCA設(shè)置界面，如下：選擇Mixture vacancy

Element：

Device Studio軟件可以自動識別到元素的種類，用戶可點擊下拉菜單進(jìn)行切換。本例只有一種元素Si。

Basis：

Device Studio軟件默認(rèn)選擇LDA-DZP基組文件，用戶可根據(jù)需求選擇PBE-DZP或者UserDefined。

圖 2-13：基組選擇界面圖

Doping Type:

Device Studio軟件默認(rèn)選擇p-type，用戶可根據(jù)需求選擇n-type。

Value:

Device Studio軟件默認(rèn)值：對于p型為0.999；對于n型為1.001。摻雜濃度為千分之一。對于p型摻雜，01.用戶可根據(jù)摻雜濃度自行修改。單位：百分比

本例參數(shù)設(shè)置如上圖所示，然后點擊：Generate Files即可產(chǎn)生如下文件：

圖 2-14：Si的VCA文件產(chǎn)生界面圖

右擊VCA.input文件，選擇Run，如下：即可實現(xiàn)Nanodcal在Device Studio中的一體化計算。

圖 2-15：Run界面圖

圖 2-15(2)：VCA計算完成的Device Studio的Job Manager區(qū)域圖

遞交計算后，可在任務(wù)管理窗口看到任務(wù)狀態(tài)為Running，當(dāng)狀態(tài)變?yōu)镕inished后，表示計算完成。

（5）右擊VCA.input，選擇Open Containing Folder,打開所在文件夾，你會發(fā)現(xiàn)計算完成后產(chǎn)生了新的基組文件：Si_VCA_Si0.999Va0.001.mat

（6）Si_LDA-DZP.nad和Si_VCA_Si0.999Va0.001.mat文件的區(qū)別

>> load -mat Si_LDA-DZP.nad>> data.atom.N  %價電子數(shù)目ans =
        4>> load('Si_VCA_Si0.999Va0.001.mat')>> data.atom.Nans =
        3.9960

由此得知：4*0.999=3.996 %千分之一的摻雜濃度