Моделирование методом Монте — Карло кинетических явлений в твердых телах с использованием технологии параллельных вычислений OpenACC

Представлена разработка программного пакета, использующего технологию параллельных вычислений OpenACC для моделирования методом Монте - Карло кинетических коэффициентов однородных полупроводниковых материалов. Пакет представляет собой набор взаимосвязанных классов, параметры материала и внешних полей переопределяются в дочерних классах, доступных пользователю, что дает возможность проводить моделирование широкого круга материалов. Пакет позволяет использовать модели упругого (акустические фононы, заряженные примеси) и неупругого (полярные и неполярные оптические фононы) рассеяния электронов в однозонном приближении. Применение технологии OpenACC дает возможность использования в качестве вычислительной платформы как систем с общей памятью, так и гибридных систем, оснащенных графическими процессорами. Реализована возможность сохранения данных о каждой частице на каждом шаге моделирования, что позволило, в частности, проследить зависимость средней частоты столкновений от энергии носителей заряда и напряженности постоянного электрического поля, приложенного к образцу, в бета-модификации оксида галлия, оценить применимость моделей проводимости, предложенных в работах других исследовательских групп. Показано, что наибольший вклад в проводимость бета-модификации оксида галлия при комнатных температурах вносит рассеяние электронов на полярных оптических фононах, и средняя частота столкновений, а также процентное соотношение столкновений электрона с различными типами неоднородностей кристаллической решетки, слабо зависят от напряженности постоянного электрического поля. При температуре около 100 К с ростом приложенного к образцу постоянного электрического поля, во-первых, существенно растет доля рассеяний с испусканием полярных оптических фононов и уменьшается доля рассеяний на заряженных примесях, во-вторых, растет суммарная частота столкновений. Это связано, с одной стороны, с разогревом электронного газа электрическим полем и активацией каналов рассеяния с испусканием фонона при данной температуре, с другой стороны, недостаточно быстрым ростом концентрации носителей тока за счет ионизации примесей. Благодаря моделированию методом Монте — Карло удалось напрямую оценить справедливость использования поправки Фарвака (Farvaque correction) для приближенного описания процессов неупругого рассеяния электронов на полярных оптических фононах путем введения некоторого эффективного времени релаксации.