МОДЕЛИРОВАНИЕ ГЕТЕРОТРАНЗИСТОРА СО ВСТРОЕННЫМИ КВАНТОВЫМИ ТОЧКАМИ

February 26, 2013 by admin Комментировать »

Аннотация – Моделируются характеристики полевого гетеротранзистора со встроенными квантовыми точками на основе двумерной численной модели.

I.                                       Введение

Создание современной элементной базы электроники невозможно без повышения быстродействия И рабочих частот активных компонентов. В последнее время большой практический интерес представляют собой полевые гетеротранзисторы со встроенными квантовыми точками (КТ), так как такая структура позволяет создать условия дрейфа носителей, при которых всплеск дрейфовой скорости проявляется В наибольшей степени.

В работе рассматриваются физические процессы В гетероструктурных транзисторах с КТ, а также описывающая этот механизм двумерная численная модель.

II.                              Основная часть

Получение КТ базируется в основном на гетеро- эпитаксиальном росте по механизму Странски- Крастанова, когда период решетки выращиваемого СЛОЯ не совпадает с периодом решетки подложки, и КТ начинают формироваться при достижении выращиваемым слоем определённой критической ТОЛЩИНЫ [1].

Как показано в работе [2] для гетеротранзисторов С КТ максимальная дрейфовая скорость, соответствующая насыщению тока в сильных полях, значительно возрастает.

В традиционной структуре гетеротранзистора носители заряда ускоряются в электрическом поле до энергии оптического фонона, а затем теряют приобретенную В ЭТОМ поле скорость в результате резкого неупругого рассеяния с эмиссией оптического фоно- на. Эти процессы ограничивают проявление эффекта «всплеска» дрейфовой скорости и приводят к ее насыщению.

Формирование в квантовой яме GaAs слоёв КТ InAs приводит к квантованию моментов оптических фононов В GaAs между КТ InAs как в продольном, так И В поперечном движению электрона направлении. Каждая линзообразная КТ является отражателем оптических фононов в GaAs [2]. Минимальный момент оптического фонона в направлении х определяется ПО формуле:

Тимофеев В. И., Фалеева Е. М. Национальный технический университет Украины «Киевский политехнический институт» пр. Победы, д. 37, Киев, 03056, Украина

Рис. 1. Гетероструктурный транзистор с КТ.

Fig. 1. Heterogeneous transistor with quantum dots

Моделируемая структура транзистора представлена на рис.1:

где /^-толщина слоя GaAs между КТ InAs и гетеропереходом. Если /^<12.5 НМ, ТО электроны в своём движении ПОД действием поля достигают энергии оптического фонона, не встречают фононов, на которых могли бы рассеяться, и их дрейфовая скорость растет с ростом электрического поля, пока не происходит не- упругое рассеяние на квантовом оптическом фононе.

Необходимым условием для существенного увеличения максимальной дрейфовой скорости является малый размер длины квантования /^, который МОЖНО оценить по формуле [3]:

Это условие можно выполнить при достаточной ПЛОТНОСТИ КТ, образующих сплошной барьер вдоль всего канала структуры и малой толщине слоев GaAs между слоями КТ.

Квантование момента оптических фононов выталкивает ИХ ИЗ пространства моментов электронов И тем самым снимает ограничение на рост дрейфовой скорости [3].

Для моделирования нестационарных процессов дрейфа используется двумерная численная физико- топологическая модель [4], включающая следующую систему уравнений: уравнение сохранения частиц

(1)   , уравнение сохранения энергии (2), уравнения сохранения импульса (3), (4), а также уравнение Пуассона (5) И уравнение для плотности тока (6):

Результаты моделирования показали, что дрейфовая скорость носителей (рис. 2) при встраивании в канал даже порядка десяти точек возрастает в несколько раз ПО сравнению с традиционными гетерот- ранзисторами [4].

Рис. 2. Распределение дрейфовой скорости в структуре транзистора с КТ.

Fig. 2. Distribution of drift velocity In the transistor structure with quantum dots

Это связано с тем, что при высокой плотности КТ у гетероперехода часть электронов двумерного гетерослоя при разогреве электрическим полем преодолевая потенциальный барьер в подложке могут «захватываться» квантовыми точками. Средняя энергия таких электронов будет существенно меньше электронов двумерного электронного газа гетероперехода. Другой механизм «охлаждения» электронного газа связан с инжекцией в канал электронов проводимости с малыми начальными энергиями, что уменьшает вероятность их рассеяния на оптических фоно- нах, которое является преобладающим в субмикрон- ных структурах в условиях сильных полей. Оба эти обстоятельства приводят к уменьшению средней температуры коллектива электронов и высоким значениям дрейфовой скорости.

III.                                  Заключение

в работе приведено описание физических процессов и модели полевого гетеротранзистора с КТ и описан механизм повышения дрейфовой скорости носителей заряда. Для анализа субмикронной структуры использована численная физико-топологичес- кая модель, включающая систему релаксационных уравнений. Анализ результатов моделирования показывает, что встраивание в гетеротранзистор даже небольшого количества КТ заметно меняет картину распределения потенциала и электрического поля и, как следствие, скорости дрейфа носителей в канале транзистора, при этом максимальная дрейфовая скорость электронов значительно возрастает.

IV.                           Список литературы

[1]  Мокеров В. Г., Фёдоров Ю. В., BenuKoecKuiJ Л. Э., Щербакова М. Ю. Новый гетероструктурный транзистор на квантовых точках. Докл. РАН, 2000, т. 375, № 6.

[2]  Мокеров В. Г., Пожала Ю., Пожала К., Юцана В. Гетероструктурный транзистор на квантовых точках с повышенной максимальной дрейфовой скоростью электронов. Физика и техника полупроводников, 2006, т. 40, № 3.

[3]  Пожала Ю. К., Мокаров В. Г. Большое повышение максимальной дрейфовой скорости электронов в канале полевого гетеротранзистора. Физика и техника полупроводников, 2006, т. 40, № 3.

[4]  Тимофеев Β.Ι. Моделювання релаксац1йних процеав ро- з!гр!ву електронного газу в субм1кронних гетеротранзисторах// Науков! BiCTi НТУУ „КП1».-2004.-№ 5.-С.23-29.

MODELING OF THE HETEROSTRUCTURE FIELD-EFFECT TRANSISTOR WITH QUANTUM DOTS

Timofeyev V. I, Faleyeva E. M.

National Technical University of Ukraine «ΚΡΙ»

37, Pobedy Ave., Kiev, 03056, Ukraine

Abstract – Characteristics of the heterostructure transistor with quantum dots (QD) on the grounds of two-dimensional numerical model are presented.

I.                                        Introduction

Creating of a modern elemental base of electronics is impossible without increasing the active components speed.

The heterostructure field-effect transistors with quantum dots (QD) are of great interest in last time because this structure allows meeting the carriers drift conditions when the displaying of drift velocity splash is the greatest. The physical processes in the heterostructure transistors with QD and describing this mechanism two-dimensional numerical model were considered.

II.                                       Main Part

Receiving of QD is based on the heteroepitaxial growth of the Stransky-Krastanov mechanism, when the grown layer lattice period does not coincide with the substrate lattice period.

Charge carriers in the electrical field are speeding-up till the optical phonon energy and then they lose their velocity obtained in this field as a result of non-elastic scattering on the optical phonons.

Forming of InAs QD in the GaAs quantum well results in optical phonon moments’ quantization in GaAs between InAs QD in longitudinal and transversal direction of electron moving. The minimum optical phonon moment in direction x is:

where is the GaAs layer thickness between InAs QD and heterojunction. If < 12.5 nm, then electrons in their moving

under electrical field influence reach the optical phonon energy do not meet phonons being able to disperse them, and their drift velocity raises with a electric field raise until non-elastic scattering on a quantum optical phonon take place.

Optical phonons moment quantization pushes them out the electron moments’ space and dismounts drift velocity increasing limit.

For non-stationary drift processes modeling two-dimen- sional numerical model is used. It includes the following equations system: particles conservation equation, energy conservation equation, momentum conservation equation, Poisson equation and current density equation.

III.                                      Conclusion

Modeling results have shown that charge carriers drift velocity is increasing in times with embedding to channel even ten dots comparatively with traditional heterotransistors.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

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