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  1"""
  2ショットキーダイオードの電流-電圧特性シミュレーションスクリプト。
  3
  4さまざまなショットキーモデル（単純拡散、拡散、ショットキー障壁低下、トンネル、熱電子電界放出）を用いて、
  5ショットキーダイオードのIV特性を計算し、プロットします。
  6物理定数や材料パラメータを入力として受け取り、順方向および逆方向バイアスでの電流を数値的に解きます。
  7
  8関連リンク: :doc:`schottky_usage` (例として示すリンクであり、実際のドキュメントパスは異なる場合があります)
  9"""
 10import numpy as np
 11import math
 12import argparse
 13import matplotlib.pyplot as plt
 14
 15# 物理定数
 16KB = 1.380649e-23  # ボルツマン定数 [J/K]
 17QE = 1.60217663e-19 # 素電荷 [C]
 18EPS0 = 8.854187e-12 # 真空の誘電率 [F/m]
 19ME = 9.109383e-31 # 電子の静止質量 [kg]
 20
 21def calculate_params(args):
 22    """
 23    ショットキーダイオードの主要な物理パラメータを計算します。
 24
 25    リチャードソン定数、半導体側の有効状態密度とフェルミ準位、
 26    ショットキー障壁高さ、内蔵電位、直列抵抗（単位面積あたり）、
 27    飽和電流密度などを計算します。
 28
 29    :param args: コマンドライン引数から解析されたパラメータを含むオブジェクト。
 30    :type args: argparse.Namespace
 31    :param args.temp: 温度 [K]。
 32    :type args.temp: float
 33    :param args.men: 電子の有効質量比。
 34    :type args.men: float
 35    :param args.ecn: 半導体の電子親和力 [eV]。
 36    :type args.ecn: float
 37    :param args.efm: 金属のフェルミ準位 [eV]。
 38    :type args.efm: float
 39    :param args.ndn: 半導体のドナー濃度 [cm^-3]。
 40    :type args.ndn: float
 41    :param args.mun: 電子の移動度 [cm^2/Vs]。
 42    :type args.mun: float
 43    :param args.dn: 半導体の厚さ [nm]。
 44    :type args.dn: float
 45    :returns: (飽和電流密度 [A/cm^2], 内蔵電位 [V], ショットキー障壁高さ [eV], 半導体側の有効状態密度 [cm^-3], 直列抵抗（単位面積あたり） [Ω cm^2])
 46    :rtype: tuple[float, float, float, float, float]
 47    """
 48    T = args.temp
 49    # リチャードソン定数の計算
 50    reff = 1.20173e6 * args.men # A/m2/K2
 51    am_cm2 = reff * 1e-4        # A/cm2/K2
 52    
 53    # 半導体側の統計
 54    nc = 2.51e19 * (args.men**1.5) * ((T/300)**1.5) # cm-3
 55    efn = args.ecn - (KB * T / QE) * math.log(args.ndn / nc)
 56    
 57    # 障壁と内蔵電位
 58    phi_b = -(args.ecn - args.efm)
 59    v_bi = -(efn - args.efm)
 60    
 61    # 抵抗と飽和電流
 62    sigma_n = QE * args.ndn * args.mun
 63    rn = 1.0 / sigma_n * args.dn * 1e-7 # ohm cm2
 64    rs = rn
 65    
 66    js = am_cm2 * T**2 * math.exp(-QE * phi_b / (KB * T))
 67    
 68    return js, v_bi, phi_b, nc, rs
 69
 70def calculate_schottky_current(model_type, v_target, temp, mus, ncs, nds, epss, js, phi_b, v_bi, n_diode, rs, area, v_initial, men, n_tunnel):
 71    """
 72    指定されたモデルに基づき、ショットキーダイオードの電流を計算します。
 73
 74    ニュートン法を用いて、直列抵抗効果を考慮したダイオード電圧 `v_diode` を数値的に解き、
 75    それに対応する電流を求めます。
 76    内部関数 `get_current(vd)` は、与えられたダイオード電圧 `vd` に対して、
 77    モデルに応じた電流を計算します。モデルには 'Simple', 'Diffusion', 'Schottky' (障壁低下),
 78    'Tunneling', 'TFE' (熱電子放出と電界放出) があります。
 79
 80    :param model_type: 使用するショットキーモデルの種類 ('Simple', 'Diffusion', 'Schottky', 'Tunneling', 'TFE')。
 81    :type model_type: str
 82    :param v_target: 印加電圧 [V]。
 83    :type v_target: float
 84    :param temp: 温度 [K]。
 85    :type temp: float
 86    :param mus: 電子の移動度 [cm^2/Vs]。
 87    :type mus: float
 88    :param ncs: 半導体の有効状態密度 [cm^-3]。
 89    :type ncs: float
 90    :param nds: 半導体のドナー濃度 [cm^-3]。
 91    :type nds: float
 92    :param epss: 半導体の誘電率 [F/m]。
 93    :type epss: float
 94    :param js: 飽和電流密度 [A/cm^2]。
 95    :type js: float
 96    :param phi_b: ショットキー障壁高さ [eV]。
 97    :type phi_b: float
 98    :param v_bi: 内蔵電位 [V]。
 99    :type v_bi: float
100    :param n_diode: ダイオードの理想係数。
101    :type n_diode: float
102    :param rs: 直列抵抗 [Ω]。
103    :type rs: float
104    :param area: ダイオードの面積 [cm^2]。
105    :type area: float
106    :param v_initial: ニュートン法の初期ダイオード電圧 [V]。
107    :type v_initial: float
108    :param men: 電子の有効質量比。
109    :type men: float
110    :param n_tunnel: トンネルモデルの理想係数。
111    :type n_tunnel: float
112    :returns: (計算されたダイオード電圧 [V], 計算された電流 [A])
113    :rtype: tuple[float, float]
114    """
115    if v_target == 0: return 0.0, 0.0
116    v_diode = v_initial
117    dv, eps, max_iter = 1e-4, 1e-7, 100
118    vt = (n_diode * KB * temp) / QE
119    
120    # 単位換算 (cm -> m)
121    mus_m = mus * 1e-4
122    ncs_m = ncs * 1e6
123    nds_m = nds * 1e6
124
125    # get_current をループの外で定義できるよう vd を引数に取る形式に
126    def get_current(vd):
127        if v_target >= 0.0 or model_type == 'Simple' or (v_bi - vd) < 0:
128            return js * (math.exp(vd / vt) - 1.0) * area
129        
130        elif model_type == 'Diffusion':
131            e_max = math.sqrt(2.0 * QE * nds_m * (v_bi - vd) / epss)
132            k_exp = QE * mus_m * ncs_m * e_max * math.exp(-QE * phi_b / (KB * temp))
133            return k_exp * (math.exp(vd / vt) - 1.0) * 1e-4 * area
134        
135        elif model_type == 'Schottky':
136            k1 = (QE / epss)**1.5 * math.sqrt(2) / (4.0 * math.pi) * math.sqrt(nds_m) * math.sqrt(v_bi - vd)
137            k_exp = math.exp(QE / (KB * temp) * math.sqrt(k1))
138            return js * k_exp * (math.exp(vd / vt) - 1.0) * area
139
140        elif model_type == 'Tunneling':
141            # 簡易的な指数関数モデル
142            k_tunnel = math.exp(vd / (n_tunnel * 0.026)) 
143            return js * k_tunnel * (math.exp(vd / vt) - 1.0) * area
144
145        elif model_type == 'TFE':
146            hbar = 1.0545718e-34
147            m_eff = men * ME
148            # E00の計算
149            e00_j = (QE * hbar / 2.0) * math.sqrt(nds_m / (epss * m_eff))
150            e00 = e00_j / QE # [eV]
151            kt_q = (KB * temp) / QE
152            e0 = e00 * (1.0 / math.tanh(e00 / kt_q))
153            
154            if vd >= 0:
155                # 順方向：傾きが 1/e0 になる
156                return js * (math.exp(vd / e0) - 1.0) * area
157            else:
158                # 逆方向：電界による障壁の薄層化を考慮（簡易WKB）
159                # 電界が強くなる(vdがマイナスに大きくなる)ほど指数関数的に増大させる
160                e_max = math.sqrt(2.0 * QE * nds_m * (v_bi - vd) / epss)
161                # 補正項：E00が大きくなる（ドーピングが高い）ほど透過率が爆発的に増える
162                tunnel_factor = math.exp(abs(vd) * (e00 / kt_q)**2) 
163                return js * tunnel_factor * (math.exp(vd / e0) - 1.0) * area        
164        return 0
165
166    for _ in range(max_iter):
167        im = get_current(v_diode - dv)
168        ip = get_current(v_diode + dv)
169        
170        v_total = 0.5 * ((v_diode - dv + im * rs) + (v_diode + dv + ip * rs))
171        if abs(v_total - v_target) < eps:
172            return v_diode, 0.5 * (im + ip)
173        
174        dv_dv = ((v_diode + dv + ip * rs) - (v_diode - dv + im * rs)) / (2.0 * dv)
175        v_diode += (v_target - v_total) / dv_dv
176        
177    return v_diode, get_current(v_diode)
178
179def main():
180    """
181    コマンドライン引数に基づいてショットキーダイオードのIV特性シミュレーションを実行し、結果をプロットします。
182
183    `argparse` を使用して入力パラメータを解析し、`calculate_params` で基本パラメータを計算した後、
184    `calculate_schottky_current` を繰り返し呼び出してIV曲線を生成します。
185    最後にMatplotlibで結果を可視化します。
186
187    :returns: なし
188    :rtype: None
189    """
190    parser = argparse.ArgumentParser(description='ショットキーダイオードの電流-電圧特性をシミュレートします。')
191    parser.add_argument('--model', choices=['Simple', 'Diffusion', 'Schottky', 'Tunneling', 'TFE'], default='Simple',
192                        help='使用するショットキーモデル。')
193    parser.add_argument('--temp', type=float, default=300.0,
194                        help='温度 [K]。')
195    parser.add_argument('--area', type=float, default=0.01,
196                        help='ダイオードの面積 [cm^2]。')
197    parser.add_argument('--efm', type=float, default=4.4, 
198                        help='金属のフェルミ準位 [eV]。')
199    parser.add_argument('--ecn', type=float, default=4.05, 
200                        help='半導体の電子親和力 [eV]。')
201    parser.add_argument('--ndn', type=float, default=1.0e16,
202                        help='半導体のドナー濃度 [cm^-3]。')
203    parser.add_argument('--mun', type=float, default=1500.0,
204                        help='電子の移動度 [cm^2/Vs]。')
205    parser.add_argument('--eps_r', type=float, default=11.9, 
206                        help='比誘電率。')
207    parser.add_argument('--dn', type=float, default=1000.0, 
208                        help='半導体の厚さ [nm]。')
209    parser.add_argument('--men', type=float, default=0.19,
210                        help='電子の有効質量比。')
211    # トンネルモデル用のパラメータを追加
212    parser.add_argument('--n_tunnel', type=float, default=2.0, 
213                        help='トンネルモデルの理想係数。')
214    parser.add_argument('--v0', type=float, default=-2.0,
215                        help='印加電圧の開始値 [V]。')
216    parser.add_argument('--v1', type=float, default=1.0,
217                        help='印加電圧の終了値 [V]。')
218    parser.add_argument('--step', type=float, default=0.02,
219                        help='印加電圧のステップサイズ [V]。')
220    args = parser.parse_args()
221
222    # パラメータ計算
223    js, v_bi, phi_b, ncs, rs_unit = calculate_params(args)
224    epss = args.eps_r * EPS0
225    rs = rs_unit / args.area 
226
227    v_apps = np.arange(args.v0, args.v1 + args.step, args.step)
228    currents = []
229    v_prev = args.v0 * 0.2
230    
231    for v_app in v_apps:
232        v_d, i = calculate_schottky_current(
233            args.model, v_app, args.temp, args.mun, ncs, args.ndn, epss, 
234            js, phi_b, v_bi, 1.0, rs, args.area, v_prev,
235            args.men, args.n_tunnel  # 不足していた引数を追加
236        )
237        currents.append(i)
238        v_prev = v_d
239
240    # 結果表示
241    print(f"Model      : {args.model}")
242    print(f"Barrier phiB: {phi_b:.4f} eV")
243    print(f"V_bi       : {v_bi:.4f} V")
244    print(f"Js         : {js:.6e} A/cm2")
245
246    # グラフ表示
247    plt.figure(figsize=(8, 6))
248    plt.semilogy(v_apps, np.abs(currents), label=f'{args.model} model')
249    plt.xlabel("Applied Voltage [V]")
250    plt.ylabel("|Current| [A]")
251    plt.grid(True, which='both', alpha=0.3)
252    plt.legend()
253    plt.title(f"Schottky Diode IV Characteristics ({args.model})")
254    plt.show()
255
256if __name__ == "__main__":
257    main()