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)權的基于第一性原理的輸運軟件。可預測材料的電流 - 電壓特性、電子透射幾率等眾多輸運性質。

迄今為止，Nanodcal 已成功應用于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、半導體電子器件設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研究的領域。

本期將給大家介紹Nanodcal半導體器件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行為上類似的特殊情況下，可以通過摻雜原子，得到無序結構。

通常，采用先構造超晶胞再置換其中某些格點原子構建的晶胞得到的是有序結構。對于直接取代原子的方法，單純從電子結構的計算精度來看，更準確，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)庫中導入Si晶體，如下：

File—Import—3DmaterialsConductorPure_metalSi— 打開即可:

圖 2-12：導入Si原胞結構后的圖形界面

（4）選擇Simulator—Nanodcal—Virtual Crystal Approximation，進入VCA設置界面，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行切換。本例只有一種元素Si。

Basis：

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

Value:

Device Studio軟件默認值：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，可在任務管理窗口看到任務狀態(tài)為Running，當狀態(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