Patricio Farrell wirbt Junior-Gruppe im Leibniz-Wettbewerb ein
Leibniz-Gemeinschaft fördert Forschungsvorhaben zum Thema Numerik für innovative Halbleiterbauelemente über fünf Jahre (2020-2024)
3D Simulation einer pin-Diode
Aktuelle ökologische, wirtschaftliche und wissenschaftliche Herausforderungen erfordern eine genaue Simulation
innovativer und komplexer Halbleiterbauelemente. So sind beispielsweise Solarzellen ein zentraler Bestandteil der Energiewende.
Daher ist es ökologisch bedeutsam, das grundlegende Design von
Standardsolarzellen in Bezug auf Kosten und Effizienz zu verbessern. Dies kann erreicht werden, wenn sich in der Praxis das Massensilizium durch
kostengünstige Perowskite oder ressourceneffiziente Nanodrähte ersetzen lässt. Dies wird normalerweise bei Temperaturen nahe dem absoluten
Nullpunkt untersucht. In Perowskiten und sehr kalten Nanodrähten schreibt die
Physik jedoch - im Gegensatz zu Silizium bei Raumtemperatur - vor, dass Elektronen und Löcher nichtlinear diffundieren, d.h. bei hoher Konzentration insbesondere mehrere Ordnungen schneller. Diese Nichtlinearität erschwert Simulationen erheblich, da klassische numerische Methoden gegen physikalische
Grundprinzipien verstoßen, z.B. negative Dichten oder unphysikalische elektrische Ströme erzeugen. Ähnliche mathematische
Schwierigkeiten ergeben sich bei Laser-, Batterie-, OLED- und sogar Biosensorgeräten. In jüngster Zeit konnten hierzu am WIAS wesentliche
Fortschritte erzielt werden, indem die Physik erhaltende Numerik für die nichtlineare Diffusion erfolgreich eingeführt und
analysiert wurde. Zu diesem Zweck wurden die Drift-Diffusionsmodelle für den Ladungstransport mit speziellen finiten
Volumenmethoden diskretisiert. Neben der Erhaltung der Physik sind diese Diskretisierungen stabil - auch wenn die Drift die Diffusion
dominiert.
Die Nachwuchsgruppe wird im Wesentlichen drei wissenschaftliche Ziele verfolgen: (i) Entwicklung und Analyse die Physik erhaltender numerischer Methoden, die mit
Steifigkeit umgehen können sowie zusätzliche physikalische Gesetze (z.B. Wärme und Licht) und
Ladungsträger (z.B. Ionen für Perowskite) integrieren; (ii) Optimierung dieser Techniken durch die Entwicklung neuartiger Präkonditionierer
und anisotroper Vernetzungsstrategien; (iii) Simulation realistischer und innovativer multidimensionaler
Vorrichtungen. Die Forschungserbenisse sollen in ein einzigartiges, benutzerfreundliches Open-Source-Gerätesimulationstool einfließen.