ФИЗИКО-ТОПОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОДНОЭЛЕКТРОННЫХ МАТРИЦ ТУННЕЛЬНЫХ ПЕРЕХОДОВ

August 1, 2012 by admin Комментировать »

Абрамов И.И., Игнатенко С.А. Белорусский государственный университет информатики и радиоэлектроники Беларусь, 220013, Минск, П. Бровки 6. E-mail: nanodev(3>_bsuir.edu.bv

ного перехода; e заряд электрона; kB постоянная Больцмана; T -температура.

С помощью метода Монте-Карло моделируется поведение электронов в структуре и находится общий ток. Для этого процедура, предложенная ранее для одноэлектронных цепочек [7], была распространена на случай матриц туннельных переходов.

На основе данной модели были созданы алгоритм и программа расчета на ПЭВМ ВАХ матриц туннельных переходов. Программа включена в комплекс MTJ-SET-NANODEV системы моделирования наноэлектронных приборов NANODEV [8].

III.  Результаты

Результаты расчета ВАХ матрицы туннельных переходов, содержащей 5><5 металлических островков, приведены на рис. 2. Кривая 1 соответствует экспериментальным данным для матрицы на основе

Рис. 2. ВАХ матрицы туннельных переходов:

1 экспериментальные данные [3];

2 результаты расчета Fig. 2. Current-voltage characteristics of the 2D array: 1 experimental data [3]; 2 calculation results

туннельных переходов Au/SiC>2 [3], а кривая 2 результатам расчета для 1000 туннельных событий метода Монте-Карло. Температура составляет Т =4.2 К. Как видно, разработанная модель позволяет получить хорошее согласование с экспериментом, что говорит об ее адекватности.

Отметим, что моделирование характеристик матриц туннельных переходов является весьма трудоемкой задачей, которая требует существенных вычислительных ресурсов ЭВМ. Это связано с большим числом туннельных переходов (для исследуемой структуры 50). Так, время расчета одного туннельного события Монте-Карло на ПЭВМ класса Pentium III составляло около 1 минуты (для достаточно грубой сетки пространственной дискретизации), а расчет всей ВАХ занимал более 100 часов.

I.     Заключение

Разработана двумерная численная модель одноэлектронных матриц туннельных переходов, позволяющая рассчитывать их электрические характеристики в зависимости от конструктивнотехнологических и электрофизических параметров прибора. С ее использованием можно получить хорошее согласование с экспериментальными данными, т.е. модель характеризуется требуемой адекватностью моделирования.

II.   Список литературы

[1]   Single charge tunneling: Coulomb blocade phenomena in nanostructures / ed. by H. Grabert, M.H. Devoret. NewYork, Plenum, 1992, 336 p.

[2]   Miura N., Yoshikawa N., Sugahara M. //Appl. Phys. Lett., 1995, v. 65, p. 3969-3971.

[3]   Cordan A. S., Goltzene A., Herve Y., Mejias М., Vieu C., LaunoisH. //J. Appl. Phys., 1998, v. 84, p. 3756-3763.

[4]   Chen W., Ahmed H. II J. Vac. Sci. Technol. B, 1995, v. 13, p. 2883-2887.

[5]  Абрамов И. И., Новик Е. Г. // ФТП, 1999, т. 33, с. 13881394.

[6]  Абрамов И. И., Новик Е. Г. Численное моделирование металлических одноэлектронных транзисторов. Минск, Бестпринт, 2000, 164 с.

[7]  Абрамов И. И., Игнатенко С. А., Новик Е. Г. II ФТП,

2003,т. 37, с. 583-587.

[8]  Абрамов И. И., Гончаренко И. А., Игнатенко С. А., Королев А. В., Новик Е. Г., Рогачев И. А. // Микроэлектроника, 2003, т. 32, с. 124-133.

A PHYSICAL MODEL OF SINGLE-ELECTRON 2D ARRAYS

Abramov I. I., Ignatenko S. A.

Belarussian State University of Informatics and Radioelectronics 6 P. Brovki St., Minsk, Belarus, 220013 phone +375 (17) 2398877, e-mail: nanodev@bsuir.edu.by

Abstract A physical model of single-electron 2D arrays has been developed. The model offers good agreement with experimental data for a 2D array consisting of 25 metallic islands.

I.  Introduction

Low power consumption and high switching speed are major advantages offered by single-electron structures [1]. There is much experimental data related to a single-electron tunneling effect in thin granular films [2-4]. 2D arrays are such structures that consist of series and parallel tunnel junctions and islands [5,6]. Among their advantages is a good reproducibility; however, the single-electron tunneling effect tends to be impaired due to the two-dimensionality and the spread of junction parameters.

Electrical models are generally used to calculate currentvoltage characteristics, however, they don’t take into account geometrical parameters and properties of the material. The present paper proposes a physical model free from the above constraints.

II.  Model

The developed model of single-electron 2D arrays is intended for the calculation of current-voltage characteristics subject to geometrical dimensions, dielectric constant, potential barrier height, background charges of the islands and ambient temperature. In Fig. 1 a 2D array comprising NxM metallic islands is shown.

The model is based on a numerical solution to the twodimensional Poisson equation (1) that yields a potential distribution in the structure. Next the voltages at tunnel junctions are determined. Partial currents passing through the junctions in forward and backward directions are calculated according to the equation (2). The temporal evolution of electron number at each electrode and the total current are obtained by the Monte Carlo method. The procedure proposed in [7] was extended to the case of 2D arrays.

The model, algorithm and software have been integrated into the MTJ-SET-NANODEV subsystem of the NANODEV system.

III.  Results

Calculation results of current-voltage characteristics for a 5×5 metallic island 2D array are presented in Fig. 2. Curve 1 corresponds to the experimental characteristic for a 2D array of Au/AI203 tunnel junctions [3]; curve 2 to the calculation results for 1000 events of the Monte Carlo method. The temperature was assumed to be 4.2 K. As shown in Fig. 2, the developed model is in good agreement with the experimental data, which proves the adequacy of the model.

The simulation of 2D arrays characteristics is a laborious procedure requiring massive computer resources. This is due to a large number of tunnel junctions (50 for the structure under consideration). Thus, the calculation time for a single Monte Carlo event is approx. 1 minute (for a rough discrete mesh), while the overall computation time exceeds 100 hours fora Pentium III processor.

IV.  Conclusion

The two-dimensional numerical model of single-electron 2D arrays has been developed. It enables the calculation of their electrical characteristics depending on the design, technological and physical parameters of a device. Good agreement with experimental data has been achieved.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2003г.

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