СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕРЕСЕКАЮЩИХСЯ КВАНТОВЫХ ПРОВОДОВ

May 2, 2012 by admin Комментировать »

Обухов И. А., Квяткевич И. И., Лавренчук А. А., Румянцев С. В. Интерфейс – МФГ, ул. Бардина, д. 4, корп. 3, Москва – 117334, Россия тел.: +7 (095) 105-0049, 232-29-97, e-mail: obukhov@interface-mfg.ru

Puc. 3. Потенциальный рельеф и энергия Ферми Ql/1/Y при нулевом смещении.

Fig. 3. Potential relief and Fermi energy of Ql/VY under condition of zero voltage

Область пересечения проводов QWXY представляет для электронов, попадающих в QWX из СЕ и СС, потенциальную яму. Заметим, что левая и правая части потенциального рельефа, изображенного на рис. 2, характерны для инжекционных контактов хорошо проводящих трехмерных материалов со структурами с пониженной квантовой размерностью.

Рис. 4. ВАХ QWX (нижняя кривая) и Ql/1/Y (верхняя кривая), рассчитанные без учета электронных переходов в области пересечения, и BAX’ QWX (средняя кривая), рассчитанная с учетом электронных переходов в QWXY при Vd=0.

Fig. 4. Current-Voitage characteristics of QWX (the bottom curve) and QW/Y (the top curve), designed without taking into account electronic transitions in QWXY, and Current-Voitage characteristics of QWX (an average curve), designed in view of electronic transitions in QWXY under condition Vd=0.

Верхняя и нижняя BAX, показанные на рис. 4, рассчитаны с учетом влияния области пересечения QWXY на потенциальный рельеф каждого из QW. Однако не были учтены возможные переходы между электронами, заполняющими допустимые состояния, относящиеся к разным QW. Такие переходы могут быть обусловлены, в частности, поглощением и испусканием фононов. Как демонстрирует ВАХ QWX, представленная на средней кривой рис. 4, учет электронных переходов существенно меняет характеристику прибора.

II.  Модель

Описание переноса заряда в исследуемой структуре будем проводить на основе модели, сформулированной в работах [1,2,3] и основанной на уравнениях Шредингера, Пуассона и собственно переноса. Положим, что электроны в каждом из QW представляют собой самостоятельную фазу электронного газа, характеризуемую химическими потенциалами Fc (в QWX) и Fd (в QWY). Температуру Т будем считать постоянной, одинаковой для всех фаз и равной температуре решетки. Все расчеты проводились при комнатной температуре Т = 300 К.

В стационарном случае имеем систему уравнений:

Uext – встроенный потенциал, а для макроскопических концентраций nc,d и потоков ic,d справедливы соотношения:

Hc.d — S-Ec.d Pc.dfc.d, ic,d — S-Ec.d jc.dfc.d

Особенностью любого квантового провода является возможность токопереноса только в одном направлении, поскольку в двух других направлениях энергетический спектр электронов квантован, а соответствующие микроскопические потоки j± тождественно равны нулю. В нашем случае это приводит к соотношениям:

jc = (jc,0,0), jd = (0,jd,0), ic = (ic,0,0), id = (0,id,0)

Vc — (vc,0,0), Vd — (0,Vd,0), Vc,d — jc,d/pc,d и упрощению последних двух уравнений системы

(1):

где:

— (y/TlСТс)(Пс "*■ Hd) — I—гс , ^d — (CTd)(Пс + Пd)—I—rd

При получении уравнений (2) мы приняли во внимание, что в предлагаемой здесь модели мы не делаем различия между «левыми» и «правыми» электронами и, поэтому, для потоков справедливы выражения:

Рис. 8. КПД прибора при различных длинах QWX (снизу вверх): Lcc = 50 A, Lcc = 100 A, Lcc = 500 A, Lcc = 1000 A, Lcc = 5000 A, Lcc = 10000 А.

Fig. 8. The efficiency of devices with different length of QW: Lcc = 50 A, Lcc = 100 A, Lcc = 500 A, Lcc = 10ОО A, Lcc = 5000 A, Lcc = 10000 A

Действительно, для одного провода при Ld = 1 мкм для полезной мощности 5w получается расчетная величина порядка 1 мкВт. На одном квадратном сантиметре можно разместить 108 таких устройств, что означает возможность получения 100 Вт/см2. Однако следует понимать, что здесь приведены только очень грубые оценки и совсем не исследованы процессы теплопереноса, которые безусловно важны для приборов такого рода.

V.  Заключение

В работе рассмотрены статические характеристики пересекающихся под прямым углом квантовых проводов. Показано, что такую конструкцию можно использовать, в частности, как высокочастотный транзистор со значительной крутизной ВАХ (~10′3 А/В), или как два диода с общим контактом.

Кроме того, проведенное исследование процессов переноса в пересекающихся квантовых проводах, позволило предложить принципиальную конструкцию и грубо оценить КПД твердотельного прибора, способного преобразовывать тепловую энергию в энергию электрического тока. Расчетный КПД оказывается весьма высоким (70-88%).

Подчеркнем еще одно обстоятельство, представляющее, по мнению авторов, значительный интерес для специалистов, создающих и исследующих квантовые приборы. В работе [4] представлены экспериментальные характеристики полевого транзистора на основе углеродной нанотрубки, демонстрирующие очень высокие плотности токов. Моделирование влияния различных факторов на плотность тока квантовых приборов проводилось, например, в работах [6,8]. Как показано в [6], полученные в [4] результаты могут быть объяснены использованием инжекционных контактов к квантовому проводу (нанотрубке). Проведенное в настоящей работе исследование является, по сути, теорией таких инжекционных контактов.

VI.  Список литературы

[1]  Обухов И. А. Релаксационные квантовые приборы, Материалы 7-й Международной конференции «СВЧ – техника и телекоммуникационные технологии», С. 386-389, Севастополь, 1997

[2]  Obukhov I. A. WTEC Workshop on Russian Research and Development Activities on Nanoparticles and Nanostructured Materials, St. Petersburg, 1997, p. 85

[3]  Обухов И. А. Монография «Моделирование переноса заряда в мезоскопических структурах», в печати, Москва, 2004.

[4]  Martel R., Shcmidt Т., Shea Н. R. et. al. Appl. Phys. Lett., v. 73, № 17, p. 2447, 1998

[5]  Обухов И. А. Приборы на основе квантовых проводов: перспективы и проблемы, Материалы 6-й Международной конференции «СВЧ – техника и телекоммуникационные технологии», С. 55-64, Севастополь, 1996

[6]  Квяткевич И. И., Обухов И. А., Чекандин М. С. Моделирование полевого транзистора на основе квантового провода, Материалы 12-й Международной Крымской Микроволновой Конференции, С. 455-457, Севастополь, 2002

[7]  Кикоин А. К., Кикоин И. К. Молекулярная физика, М.: Наука, 1976, С. 480

[8]  Абрамов И. И., Гончаренко И. А. Влияние заряда активной области на контрастность ВАХ РТД различной структуры, 6-ая Международная научно-техническая конференция «Современные средства связи» – спец. выпуск журнала Известия Белорусской инженерной академии № 1(11 )/3, 2001

STATIC CHARACTERISTICS OF CROSSED QUANTUM WIRES

Obukhov I. A., Kvjatkevich I. I., LavrenchukA. A., RumjancevS. V. Interface-MFG

4,     Bardin Str., Build. 3, Moscow – 117334, Russia Tel.+7 (095) 105 00-49, 232-29-97 e-mail: obukhоv@interface-mfg. ru

Abstract – The electric characteristics of a device based on two crossed quantum wires are calculated. It was demonstrated that the different functionalities may be realized using such device. The design of energy converter based on quantum wires is offered.

I.   Introduction

The design, potential reliefs and principle of functioning of the device are described. The main effect that the device characteristics are determined is the transitions between the electrons which energy states concerning different quantum wires.

II.   Model

The equations and boundary conditions for charge transport model are presented. The approximate solution and formulas for current-voltage characteristics are developed and studied.

III.   Results of calculation

The current-voltage characteristics of device are presented and discussed.

IV.   Energy converter based on quantum wire

The design and model of energy converter based on quantum wire are presented. It was demonstrated that efficiency of offered device may be more than 80%.

V.  Conclusion

It is specified that the obtained results are real for the theory of injection concerning the objects with the lowered quantum dimension.

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