Создание приложения для моделирования светодиода с настройкой длины волны

Matt Pooley 18/05/2015
Share this on Facebook Share this on Twitter Share this on LinkedIn

Разработка пользовательских приложений для моделирования не представляет никаких сложностей благодаря модулю Полупроводники и Среде разработки приложений. В данной статье мы расскажем, как превратить модель светодиодного устройства в удобное приложение для оценки влияния различных проектных решений на эксплуатационные характеристики светодиода и его излучения. Также мы продемонстрируем применение специальных методов обработки данных решения, обеспечивающих создание специализированных инструментов анализа.

Возможности приложений для моделирования полупроводников

Появившаяся в COMSOL Multiphysics версии 5.0 Среда разработки приложений стала прорывом в отрасли моделирования, расширив ее возможности с помощью простых настраиваемых приложений на основе моделей. Недавно вышедшая версия COMSOL Multiphysics 5.1 содержит серьезные улучшения этого революционного инструмента, расширяющие как ваши возможности по созданию приложений, так и возможности конечного пользователя.

Приложения разработаны с учетом полной интеграции с моделями, на которых они основаны. Это позволяет не только в реальном времени изменять параметры модели, но и гибко настраивать визуализацию получаемых результатов. Таким образом, возможности внедрения дополнительных функций становятся поистине безграничными. Подобный подход особенно полезен при моделировании полупроводников, что зачастую требует объемного и сложного анализа полученных результатов.

Мы начнем с представления учебной модели светодиода на основе двойной гетероструктуры InGaN/AlGaN, после чего продемонстрируем, каким образом превратить данную модель в приложение, предназначенное для моделирования излучения светодиода в заданном диапазоне волн. Преимуществом подобных приложений является перенос продвинутой функциональности физического моделирования из самой модели в удобный интерфейс приложения. Теперь технический эксперт в состоянии в одиночку создать сложный инструмент для моделирования конечных элементов или объемов и передать его разработчикам, не обладающих возможностями или знаниями для применения передовых решений в области моделирования и численного анализа.


Скриншот, демонстрирующий разницу пользовательских интерфейсов модели и приложения.

Слева: Пользовательский интерфейс модели содержит все функции физического моделирования и управления геометрией. Справа: Пользовательский интерфейс приложения. Несмотря на то, что приложение имеет доступ ко всем функциям физического моделирования, доступны для изменения лишь те, которые влияют на выходную длину волны. Упрощение пользовательского интерфейса не сказывается на возможностях моделирования.

Специфика приложения

Как уже было сказано, приложение имеет доступ ко всем функциям физического моделирования, при этом пользовательский интерфейс и отображение результатов становятся более интуитивными. Несмотря на то, что ни рабочие характеристики модели, ни точность моделирования не страдают, платой за большее удобство работы становится универсальность: любое приложение менее универсально, чем модель, лежащая в его основе. При создании приложений не следует забывать о их конечном предназначении. Функциональность приложения должна строго соответствовать требованиям.

Демонстрационное приложение Светодиод с настройкой длины волны можно использовать при оценке характеристик излучения светодиода на основе гетероструктуры AlGaN/InGaN для облегчения дальнейшего проектирования светодиодов, излучающих свет в заданном пользователем диапазоне волн. Подробное описание процесса конвертирования учебной модели светодиода на основе двойной гетероструктуры InGaN/AlGaN в приложение, а также общие замечания и советы по созданию собственных приложений для моделирования полупроводников представлены ниже.

Скриншот выше демонстрирует, как необходимый функционал для моделирования светодиода с настройкой длины волны реализуется в приложении с помощью нескольких различных панелей. Такие панели как, например, Specify Material Composition (Определите состав материала), Operation Voltage (Рабочее напряжение) и Desired Spectral Range (Желаемый спектральный диапазон) используются для задания проектных спецификаций светодиодного устройства. Результаты моделирования отображаются в табличном и графическом виде на панелях Results (Результаты) и Results Viewer (Средство просмотра результатов) соответственно.

Более того, свойства материала светодиода могут изменяться наравне с величиной рабочего напряжения устройства. Исходя из этих характеристик приложение расчитывает интенсивность излучения, спектр электролюминисценции и КПД устройства. Спектр излучения анализируется для определения его соответствия заданному спектральному диапазону. В случае, если приложение используется для проектирования светодиода, излучающего в видимом спектре, характеристики электролюминисценции преобразуются в RGB-диапазон и неамедлительно отображаются для определения цвета излучения.

Светодиоды на основе гетероструктуры InGaN/AlGaN: физические принципы, определяющие цвет излучения свечения

При создании приложения вам предстоит решить следующие вопросы: какие функции физического моделирования необходимо включить в приложение и как связать их с пользовательским интерфейсом. Так, например, для приложения, моделирующего светодиод с настраиваемой длиной волны потребуется включить возможность ее изменения. Так как длина излучаемой полупроводником волны сильно зависит от ширины запрещенной зоны, для изменения длины волны мы добавим возможность изменения состава материала светодиода.

Светоизлучающая область светодиода выполнена на основе материала InGaN, полупроводникового сплава состоящего из нитрида индия и нитрида галлия. Ширина запрещенной зоны нитрида индия, излучающего в инфракрасном диапазоне, невелика и составляет примерно 0,75 эВ. Ширина запрещенной зоны нитрида галлия, излучающего в ультрафиолетовом диапазоне, гораздо больше (порядка 3,4 эВ). Путем изменения пропорции нитрида индия и нитрида галлия в сплаве InGaN можно создать материал, излучающий в диапазоне между этими пределами, что позволяет выбирать любой свет излучения в видимом диапазоне.


Иллюстрация настроек ползунка, доступных в Среде разработки приложений.

Настройка ползунков в Среде разработки приложений. Связать средство графического ввода (например, ползунка) и параметр модели очень просто. В таком случае ползунок используется для задания содержания индия в структуре InGaN.

Содержание индия в материале активной области может быть изменено с помощью интерактивного ползунка на панели Specify Material Composition (Определите состав материала) окна приложения. Ползунок связан с параметром In_x модели, используемым для задания доли индия в материале структуры InGaN. При перемещении ползунка значение параметра In_x автоматически изменяется в границах между минимальным и максимальным значениями (указанными в настройках ползунка). Затем значение параметра In_x используется для вычисления ширины запрещенной зоны структуры InGaN (материала, используемого в светоизлучающей области устройства).

Приложение обеспечивает динамическое отображение результатов при изменении содержания индия и ширины запрещенной зоны в реальном времени с помощью ползунка. Следующий скриншот демонстрирует использование для этого информационных панелей (по одному для каждого значения). Каждая информационная панель связана с параметром, расчитываемым с помощью значения In_x. При перемещении ползунка она автоматически обновляется для отображения новых соответствующих значений.


Скриншот настроек информационной панели приложения, отображающей ширину запрещенной зоны.

Настройки информационной панели, отображающей ширину запрещенной зоны. Очень просто связать информационную панель с любым параметром модели. В данном случае она связана с параметром представляющим ширину запрещенной зоне в материале структуры InGaN.

Похожий подход использован для связи поля для ввода значения рабочего напряжения с соответствующим параметром модели. Таким образом можно установить значение напряжения подаваемого на светодиод. Лучше всего создавать приложения, обеспечивающие доступ к пользовательским переменным посредством параметров. Для остальных занятых в проекте лиц это наиболее простой способ взаимодействия с ними в приложении. В случае моделирования полупроводников, необходимые для этого величины зачастую представляют собой функции нескольких пользовательских значений. Важно грамотно определить, какие из них стоит включить в пользовательский интерфейс приложения.

Использование специальных методов для автоматизации анализа результатов

Помимо упрощенного пользовательского интерфейса приложения также обладают возможностью создания специальных методов. Являясь эффективным инструментом, они могут быть использованы для автоматизации любой функции пакета COMSOL Multiphysics. Также они могут быть использованы для обработки данных решения и последующего анализа с целью выделения значимых показателей. Последняя функция особенно важна при моделировании полупроводникового устройства, ведь зачастую его работу можно оценить путем извлечения таких показателей как напряжение включения МОП-транзистора или усиление по току биполярного транзистора.

В данном приложении специальные методы используются для анализа спектра излучения светодиода. Значение длины волны при пиковом излучении извлекается из спектра и сравнивается со значениями представленными на панели Desired Spectral Range (Желаемый спектральный диапазон). На данной панели расположен переключатель, позволяющий выбрать инфракрасный, видимый или ультрафиолетовый спектр в качестве желаемого спектрального диапазона, а также средства отображения соответствующего диапазона волн. Следующий скриншот демонстрирует окно настроек переключателя. Настройка переключателя осуществляется с помощью привязки его к списку, который, в нашем случае, содержит три варианта для выбора, а также исходную переменную в разделе объявления переменных. Исходная переменная используется для задания первоначальной позиции переключателя. При изменении положения переключателя соответствующее значение прописывается в исходную переменную.


Иллюстрация, демонстрирующая настройку переключателя панели Desired Spectral Range (Желаемый спектральный диапазон).

Настройка переключателя панели Desired Spectral Range (Желаемый спектральный диапазон). Синим отмечен выбранный список, содержащий три позиции. Красным отмечена переменная output_card, используемая в качестве исходной для переключателя. Данная переменная содержит значение соответствующее выбранному положению перекючателя.

Исодная переменная (в нашем случае output_card) может использоваться совместно со специальными методами. Следующий скриншот демонстрирует один из разделов специального метода f_compute_and_plot. Данный метод применяется по нажатию на кнопку Compute (Вычислить) в ленте. Данный метод решает модель с текущими введенными установками, а также выполняет анализ результатов. Раздел, показанный на скриншоте, сравнивает длину излучаемой волны с положением переключателя, содержащимся в переменной output_card. В случае, если длина волны при пиковом излучении соответствует выбранному спектральному диапазону, индикаторнаяя переменная check[n] принимает значение 1. Значение индикаторной переменной в дальнейшем используется для создания сообщения в разделе Summary (Отчет), содержащем информацию о соответствии полученных результатов желаемым.


Скриншот раздела специального метода f_compute_and_plot в среде разработки приложений.

Раздел специального метода f_compute_and_plot, оценивающего соответствие излучаемой волны выбранному спектральному диапазону.

Итак, мы показали, каким образом с помощью специального метода можно объединить пользовательские значения и значения, извлеченные из решения, для увеличения функциональности приложения. Переключатель панели Operation Voltage (Рабочее напряжение) используется схожим образом в иных логических условиях, определяющих вид применяемого к решению анализа. В случае, если выбрано точное значение напряжения, построенный график включает только спектр излучения. Однако, в том случае, если выбран диапазон значений прочие характеристики из панели Results (Результаты) также включаются в график в виде функции напряжения.

В дополнение к выполнению логических операций, специальные методы могут использоваться для запуска кода Java® для проведения более сложного анализа полученных результатов. Следующий скриншот демонстрирует частный метод (являющийся частью метода f_compute_and_plot), преобразующий спектр излучения в пространство RGB. Каждый компонент цвета получается путем перемножения точек спектра и соответствющей кривой цветочуствительности и последующего объединения с учетом длины волны. Более подробную информацию можно получить в приложении, нажав на кнопку About (О приложении).


Скриншот, демонстрирующий применение метода RGB_converter() в среде для разработки приложений пакета COMSOL Multiphysics.

Метод RGB_converter() (Конвертация в RGB-пространство). Этот частный метод, являющийся частью метода f_compute_and_plot, используется для преобразования спектра электролюминисценции в приблизительные значения пространства RGB для отображения цвета излучаемого свечения в случае, если оно находится в видимом диапазоне. Это пример того, как можно расширить функционал приложения с помощью специальных методов.

Данный пример демонстрирует, каким образом к данным решения могут быть приложены дополнительные операции для создания дополнительных информационных панелей и панелей отображения результатов внутри приложения. Следующий скриншот демонстрирует внешний вид приложения после решения модели для двух различных значений содержания индия. В случае, если содержание индия в гетероструктуре InGaN составляет 12,7% цветом свечения излучения будет синий; в случае, если содержания индия увеличить до 23.7% – зеленый. Таким образом, при проектировании светодиода для излучения в видимом диапазоне, приложение незамедлительно визуализирует резуьтаты.


Скриншоты, иллюстрирующие внешний вид приложения после решения модели при двух различных положениях ползунков.

Скриншот приложения после решения модели при двух различных положениях ползунка. Иллюстрация слева демонстрирует общий случай, когда смодержание индия составляет 12,7%. Иллюстрация справа демонстрирует последствия увеличения содержания индия до 23,7%.

Создание документации для приложения

Создание документации для приложения позволит вам быть уверенным в том, что оно будет использоваться с максимальной эффективностью. Это легко сделать с помощью прикрепленного к определенной кнопке файла, открывающегося при нажатии на нее (обратитесь к скриншоту ниже). Вы сможете не только кратко описать использованные функции физического моделирования или цель приложения, но и дать советы по надлежащему его использованию. В состав пакета COMSOL входит генератор отчетов (Report Generator), который можно использовать для подготовки документации. Кроме того вы можете разместить всплывающие подсказками для кнопок и полей для оперативной помощи пользователю приложения.


Скриншот окна настроек для кнопки About в среде разработки приложений.

Окно настроек для кнопки About в ленте приложения. Кнопка настроена таким образом, что при нажатии открывает прикрепленный файл документации в формате PDF. Всплывающая подсказка отображается при наведении курсора на кнопку About.

Полезные советы по созданию приложений

Прежде чем приступить к разработке приложения, стоит задать себе несколько вопросов:

  • Какова цель данного приложения?
    • Приложения работают наилучшим образом, когда создаются для достижения определенных целей при моделировании.
  • Какие функции физического моделирования потребуется включить в данное приложение?
    • Постарайтесь параметризировать все переменные, изменение которых потребуется при работе с приложением.
  • Какой должна быть структура пользовательского интерфейса?
    • Старайтесь задействовать лишь необходимый функционал. Подумайте над использованием панелей, предоставляющих пользователям возможность вводить или изменять параметры.
  • Каким образом пользователь будет взаимодействовать с переменными?
    • Ползунки лучше всего использовать в ситуациях, когда величина изменяется в известных пределах.
    • Переключатели пригодятся при выборе одного варианта из нескольких заранее определенных значений.
    • Поля для ввода позволят пользователю ввести значение самостоятельно.
  • Какую информацию необходимо отобразить для предоставления результатов?
    • Для отображения результатов моделирования можно использовать графики, таблицы, иллюстрации.
  • Сможет ли применение специальных методов расширить функционал приложения?
    • В случае необходимости для проведения специализированного анализа полученных данных используйте специальные методы.
  • Какая документация необходима для эффективной работы с приложением?
    • Справочная документация может быть прикреплена к файлам приложения. Дополните приложение указаниями по корректной работе с ним, а также описанием задействованных физик.

Внимание к данным вопросам позволит вам улучшить удобство использования приложения, при создании эффективных инструментов для моделирования полупроводников. Пакет COMSOL Multiphysics версии 5.1 позволяет легко преобразовывать сложные модели полупроводников в простые инструменты для анализа, предназначенные для оптимизации конструкции устройства тем, кто не является экспертом в области моделирования.

Дополнительные ресурсы

Oracle и Java являются зарегистрированными торговыми марками корпорации Oracle и/или аффилированных с ней компаний.


Загрузка комментариев...

Темы публикаций


Теги

3D печать Cерия "Гибридное моделирование" Введение в среду разработки приложений Видео Волновые электромагнитные процессы Глазами пользователя Графен Интернет вещей Кластеры Моделирование высокочастотных электромагнитных явлений на различных пространственных масштабах Модуль AC/DC Модуль MEMS Модуль Акустика Модуль Волновая оптика Модуль Геометрическая оптика Модуль Композитные материалы Модуль Механика конструкций Модуль Миксер Модуль Нелинейные конструкционные материалы Модуль Оптимизация Модуль Плазма Модуль Полупроводники Модуль Радиочастоты Модуль Роторная динамика Модуль Течение в трубопроводах Модуль Химические реакции Модуль аккумуляторов и топливных элементов Охлаждение испарением Пищевые технологии Рубрика Решатели Серия "Геотермальная энергия" Серия "Конструкционные материалы" Серия "Электрические машины" Серия “Моделирование зубчатых передач” Сертифицированные консультанты Технический контент Указания по применению модуле Теплопередача модуль Вычислительная гидродинамика физика спорта