МОДЕЛИРОВАНИЕ КВАНТОВЫХ ПРОВОЛОК НА РАЗЛИЧНЫХ МАТЕРИАЛАХ С УЧЕТОМ РАССЕЯНИЯ

May 9, 2012 by admin Комментировать »

Абрамов И. И., Строгова А. С. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Беларусь, 220013, Минск, П. Бровки 6. E-mail: nanodev@bsuir.edu.by

ния материалов с более тяжелыми эффективными массами электронов (Ge, Si, GaP).

Аннотация – Проведено моделирование квантовых проволок на различных полупроводниковых материалах с учетом рассеяния на потенциальном профиле. Для анализа использовались две модели в рамках формализма функции Вигнера. Предложенные модели включены в систему моделирования наноэлектронных приборов NANODEV.

I.  Введение

Перспективными для создания разнообразных наноэлектронных приборов являются квантовые проволоки. Достаточно отметить, что в настоящее время уже изготовлены высокочувствительные датчики, а также первые интегральные схемы на их основе. К сожалению, серьезную проблему представляет исследование физики процессов, протекающих в таких приборных структурах, с помощью моделирования.

Целью данной работы является моделирование квантовых проволок на различных полупроводниковых материалах с учетом рассеяния на потенциальном профиле и без него.

II.  Модель

Одним из перспективных методов моделирования интерференционных приборов является метод, основанный на формализме функции Вигнера и соответствующего кинетического уравнения. Для анализа использовались две модели в рамках формализма функций Вигнера. Первая модель описывает поведение квантовой проволоки в режиме баллистического транспорта [1]. Во второй модели учитывается возможность рассеяния на потенциальном профиле. В данном случае решается кинетическое уравнение для функций Вигнера. С этой целью нами использовался численный метод Монте-Карло, аналогичный описанному в [2].

III.  Результаты моделирования

Зависимости плотности тока от приложенного напряжения Vsd для квантовых проволок на различных материалах показаны на рис.1. Для сравнения приводятся результаты для случая неучета рассеяния (рис. 1,а), полученные с использованием первой модели, и его учета (рис. 1,6) – для второй модели.

Из результатов видно, что для всех исследуемых материалов получаются области насыщения на характеристиках квантовых проволок как в случае учета, так и в случае неучета рассеяния, что хорошо согласуется с результатом работы [3] для квантовых интерференционных транзисторов, полученными, однако, с использованием другой модели. Для случая неучета рассеяния насыщение начинается, когда приложенное продольное напряжение становиться равным значению определяемым энергией Ферми. Из графиков следует, что для различных материалов значения плотностей токов различны.

Наиболее сильное влияние на характеристики оказывает эффективная масса электрона в квантовой проволоке. Так, для материалов с малой эффективной массой (InAs, InP, GaAs, GaSb) возможно получение больших токов, чем в случае использова

Puc. 1. BAX квантовых проволок на различных материалах без учета рассеяния на потенциальном профиле (а) и с его учетом (Ь). Fig. 1. QH/s IV-characteristics for ballistic transport regime (a) and transport with scattering (b)

При учете рассеяния на потенциальном профиле структуры область насыщения на характеристиках перестает быть “идеальной”, а плотность тока продолжает медленно возрастать при увеличении напряжения, большего определяемого значением энергии Ферми. Причем это наиболее характерно для материалов с малой эффективной массой. Объясняется это тем, что в процессе распространения волнового пакета происходит рассеяние не только “назад”, но и “вперед”. Рассеяние “вперед” сопровождается появлением более высокоэнергетических компонент в волновом пакете. Они и вносят добавку к току. Это “усиление” больше для материалов с меньшей эффективной массой. В линейной области ВАХ с учетом рассеяния и без него практически совпадают.

Разработанная модель, основанная на численном решении кинетического уравнения для функции Вигнера, может использоваться для моделирования квантовых проволок с учетом других механизмов рассеяния, а также исследования наноэлектронных приборов, включающих квантовые проволоки. Предложенные модели включены в систему моделирования наноэлектронных приборов NANODEV [4].

I.   Список литературы

[1]  Абрамов И. И., Рогачев А. И. II Известия Белорусской инженерной академии, № 1(11)/3, 74 (2001).

[2]  Rossi F., Poli P., Jacoboni С. II Semicond. Sci. Tech- nol.,7,1017 (1992).

[3]  Абрамов И. И., Рогачев А. И. II ФТП, 35, 1365 (2001).

[4]  Абрамов И. И., Гончаренко И. А., Игнатенко С. А, Королёв А. В., Новик Е. Г., Рогачёв А. И. II Микроэлектроника, 32(2), 124 (2003).

MODELLING OF QUANTUM WIRES ON VARIOUS MATERIALS ACCOUNTING THE EFFECT OF SCATTERING

Abramov I. I., Strogova A. S.

Belarussian State University of Informatics and Radioelectronics 6, P. Brovka St., Minsk, 220013, Belarus E-mail: nanodev@bsuir.edu.by

Abstract -We performed modeling of quantum wires made of various semiconductor materials, taking into account the effect of scattering of carriers by potential. Two models in the Wgner function formalism were applied for the analysis. The models have been incorporated into NANODEV simulation system.

I.  Introduction

Quantum wires (QW) are promising variants for wide variety of nanoelectronic devices. One should mention that up to date several high-sensitive sensors and first ICs with QWs were successfully developed and fabricated. But study of their physics is still a serious challenge, and most successfully it has been studied by numerical modeling.

The aim of the present paper is modeling of quantum wires on various materials accounting scattering by potential profile of the structure.

II.  Model

One of perspective methods of quantum physics is the method of Wigner function and corresponding kinetic equation. We applied two models in the framework of Wigner function formalism. The first model describes behaviour of quantum wire in ballistic transport regime [1], whereas the second one enables considering carrier scattering by the potential profile of the device. To solve transport equation for the second case, we utilized numerical Monte-Carlo method, similar to that given in details in [2].

III.  Results

Curves J=f(VSD) for QWs on various materials are given on Fig. 1 (1a shows IV-characteristics for ballistic transport regime, 1b – transport with scattering). The results illustrates, that saturation regions exist for both models, in full agreement with [3] for quantum interference transistors, simulated with use of another model. But for the second case (scattering included) characteristics go away from "ideal” ones, and current density continues growing slowly even in a saturation region. That can be explained in terms of the fact that wavepacket also suffers from "forward” scattering, causing new high-energy components in the wavepacket, those bring up an additional portion of the current. This is more sufficient for materials with smaller effective mass.

IV.   Conclusion

The developed model can be successfully applied for quantum wires simulation, as well as for modelling other nanoelectronic devices containing quantum wires. This model was included into NANODEV simulation system [4].

Аннотация – Исследовано влияние когерентной и некогерентной составляющих коэффициента прохождения при учете рассеяния на вольтамперные характеристики (ВАХ) резонансно-туннельного диода (РТД). Предложено учитывать влияние всех резонансных уровней при расчете скорости рассеяния. Моделирование проводилось с использованием комбинированной однозонной модели, учитывающей рассеяние на оптических фононах и основанной на самосогласованном решении уравнений Шредингера и Пуассона.

I.  Введение

РТД является одним из наиболее перспективных приборов наноэлектроники для использования в сверхбыстродействующих схемах. Для адекватного описания физических процессов, протекающих в приборе, кроме эффектов самосогласованного поля, взаимодействия классических и квантовомеханических областей прибора, необходимо учитывать рассеяние, поскольку оно может приводить к изменению вероятности резонансного туннелирования носителей заряда.

Целью данной работы является исследование влияния когерентной и некогерентной составляющих коэффициента прохождения на ВАХ РТД при учете рассеяния на оптических фононах в квантовой яме.

II.  Модель

Анализ проводился с использованием комбинированной однозонной модели РТД, основанной на самосогласованном решении уравнений Шредингера и Пуассона [1,2]. Для учета рассеяния решается уравнение Шредингера с комплексным гамильтонианом в области квантовой ямы, а именно:

где h – приведенная постоянная Планка, V – потенциальная энергия, Wo – оптический потенциал. Оптический потенциал зависит от энергии электрона, материала и температуры [2-4] и определяется соотношением:

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии»

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты