Електронний транспорт та квантово-розмірні ефекти в резонанснотунельному діоді
DSpace at NTB NTUU KPI
Переглянути архів Інформація| Поле | Співвідношення | |
| Title |
Електронний транспорт та квантово-розмірні ефекти в резонанснотунельному діоді
|
|
| Creator |
Федяй, Артем Васильович
|
|
| Description |
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.27.01 – твердотільна електроніка. – Національний технічний університет України «КПІ», Київ, 2011. Дисертаційна робота присвячена дослідженню електронного транспорту та квантово- розмірних ефектів в резонансно-тунельному діоді. У рамках формалізму хвильових функцій було розроблено ієрархічний ряд моделей, основою якого є аналітична, самоузгоджені чисельна однодолинна та чисельна дводолинна моделі, а також методи врахування додаткових ефектів: розсіювання, форми гетеробар’єрів, пасивних областей. Розроблено новий метод врахування електронного транспорту через метастабільні рівні в емітерній квантовій ямі; вперше реалізовано фізично обґрунтовану апроксимацію гетеробар’єрів. Було розроблено та програмно реалізовано адаптивні чисельні алгоритми для кожної з моделей. Проведено перевірку коректності розроблених алгоритмів та їх програмної реалізації шляхом порівняння з моделями, що засновані на методі матриць передачі. На основі чисельної моделі в середовищі Matlab розроблено прикладну програму з графічним інтерфейсом користувача. Шляхом проведення чисельних експериментів виявлено основні закономірності протікання фізичних процесів у РТД. Пояснено причину формування області ВДП та особливостей на ній; визначено вплив геометричних розмірів та хімічного складу шарів РТД на параметри квантово- розмірних ефектів, розподіл мікро- та макроскопічних величин вздовж РТД та ВАХ. Визначено функціональність та межі адекватності кожної з моделей ряду. Шляхом порівняння з експериментальними ВАХ здійснено верифікацію моделей РТД, яка показала відмінний якісний збіг та кількісний – в межах 5% у характерних точках. Проаналізовано вплив рівня моделі на кількісне та якісне узгодження з експериментальними даними. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01 – твердотельная электроника. – Национальный технический университет Украины «КПИ», Киев, 2011. Диссертационная работа посвящена исследованию электронного транспорта и квантово- размерных эффектов в резонансно-туннельном диоде. Проведен анализ общих квантовомеханических формализмов, используемых для моделирования РТД, включая формализм неравновесных функций Грина и с метод функции Вигнера. Теоретическое обоснование моделей РТД, построенных на указанных формализмах, более строгое, чем моделей, построенных в рамках формализма огибающей волновых функций. Однако приближения, которые в рамках численных моделей необходимо применять, на практике аннулируют это преимущество, и сравнивает адекватность указанных подходов с формализмом волновых функций. Последний был выбран для реализации моделей в силу простоты и экономности с точки зрения использования вычислительных ресурсов. В рамках формализма волновых функций разработан адаптивный иерархический ряд, состоящий из моделей, в основу которых положены три: аналитическая, численная однодолинная 19 и численная двудолинная. Последние две модели снабжены методами повышения адекватности, реализуемыми посредством учета рассеивания в квантовой яме, учета пассивных областей, улучшенной аппроксимацией гетеробарьеров. Существует возможность самосогласованного расчета или использования линейной аппроксимации падения потенциала вдоль нелегированной части диода. Рассеивание в квантовой яме учитывалось путем введения мнимой части (оптического потенциала) в гамильтониан уравнения Шредингера в области квантовой ямы в сочетании с моделью единичного рассеивателя. Это позволяет моделировать рассеивание как акт ухода электрона из «когерентного» канала в «последовательный» с учетом времени релаксации. Разработан метод учета эмиттерных метастабильных состояний электронов, находящихся ниже дна зоны проводимости эмиттера, в так называемой эмиттерной квантовой яме (ЭКЯ). Это позволило описать как накопление заряда в области ЭКЯ, так и токоперенос между уровнями эмиттерной квантовой ямой и основной квантовой ямы, который ответственен за формирование особенностей на падающей ветке ВАХ РТД. Ранее предлагались не менее четырех физически отличных причин формирования так называемой области «плато» на ВАХ РТД, однако на практике подтвердилась лишь гипотеза, которая положена в основу указанного метода. Учет реальной формы барьера впервые произведен с применением «сверхрешеточной» модели, выведенной из метода псевдопотенциалов и адаптированной для использования в рамках метода огибающей, но до сих пор не использовавшейся для моделирования РТД. Метод состоит в моделировании переходного слоя вблизи гетероперехода отрезком сверхрешетки с фиксированными свойствами, и естественным образом сочетается с общей структурой разработанных моделей. Каждая из разработанных моделей была построена на основе существующих моделей разной сложности и адекватности путем уточнения принятых предположений, а также добавления разработанных автором методов повышения точности, упомянутых выше. Аналитическая модель резонансно-туннельного диода была улучшена по сравнению с имеющимися аналогами за счет учета отличия эффективных масс в разных слоях. Для нахождения энергетических уровней в квантовой яме, считалось, что яма имеет конечную глубину, чем уточнено ранее принимаемое предположение о бесконечной глубине ямы. Уровень Ферми в резервуарах рассчитывался, исходя из того, что электронный газ в них вырожденный; в то время как в предыдущих работах использовалась формула, справедливая для невырожденного коллектива, что снижало адекватность модели. Численная однодолинная модель была улучшена благодаря тому, что самосогласование проводилось не только в области двубарьерной квантовой системы, но и в спейсерных слоях, а также примыкающей к ним части резервуаров такой длины, которая достаточна для выполнения условий Дирихле для потенциальной энергии. Это позволило не использовать подгоночный параметр «поверхностный заряд». Граница сшивки «квантовой» и «классической» областей выбиралась между сильнолегированными слоями и резервуарами, и не использовалась в качестве «подгоночного» параметра. Для каждой из моделей предложены адаптированные алгоритмы, которые были запрограммированы в Matlab. Адаптированными в частности являются процедуры обращения матриц и интергрирования; трехточечные схемы выведены с учетом разрывности эффективных масс, потенциальной энергии в зоне проводимости и диэлектрической проницаемости. В силу сложности алгоритмов разработана и использована система их верификации путем сравнения с моделями РТД, в которых для вычисления коэффициента передачи использованы методы матриц передачи. Специально для этого разработаны методы расчета коэффициента прохождения с применением матриц передачи; они, однако, не были использованы для моделей из-за существенных вычислительных недостатков метода. На основе численных моделей в среде Matlab разработано приложение с графическим интерфейсом пользователя, обеспеченное библиотекой материалов и отображающее все необходимые для анализа физических явлений в РТД зависимости: плотность электронных состояний и функцию распределения в пространстве поперечных энергий; коэффициенты прохождения из Г- в Г-долину и из Г- в Х-долину, их когерентные и некогерентные составляющие. 20 Путем проведения численных экспериментов установлены основные закономерности в зависимостях параметров и характеристик, описывающих квантово-размерные эффекты и механизмы транспорта от физико-топологических параметров РТД. С помощью рассчитываемых величин объяснены как основные эффекты, такие как появления отрицательной дифференциальной проводимости, возрастание долинного тока, так и более «тонкие» - транспорт и накопление заряда, связанные с эмиттерной квантовой ямой, формирование резонансов Фано вследствие интерфейсного рассеивания и другие. На основании этих исследований определены границы адекватности и функциональность каждой из моделей ряда. Достоверность полученных результатов продемонстрирована путем сопоставления результатов моделирования с экспериментальными ВАХ. Было обнаружено отличное качественное и хорошее количественное совпадение с экспериментальными данным – в пределах 5% в характерных точках. Также проанализировано влияния уровня модели на качественное и количественное согласование с экспериментом. PhD thesis on speciality 05.27.01 – solid-state electronics. – National technical university of Ukraine «KPI», Kiev, 2011. Ph.D. thesis is devoted to investigation of electron transport and quantum nanoscaled effects in resonant-tunneling diode. Hierarchical set of models is developed within the framework of envelope function formalism. The core models are analytical, numerical one-valley and two-valley models. The last two models are supplied with the methods of adequacy enhancement by taking to account of scattering, real shape of heterobarrier and series resistance. New method is developed which allows taking into account electron transport through metastable energy levels in the emitter quantum well; physical based approximation of heterobarriers was realized for the first time. Adaptive numerical algorithms, realizing each model, is developed and programmed. Checking of correctness of the developed algorithms and respective codes is done by comparison with models, based on transfer matrix formalism. Based on numerical model, simulation tool is developed within Matlab GUI. Main lows of physical processes in RTD are discovered by making numerical experiments. The cause of negative differential resistance region formation and singular peculiarities at the latter is explained; it was defined the influence of geometric dimensions and chemical compound on the parameters of quantum-dimensional effects, distribution of micro- and macroscopic quantities along RTD as well as on current-voltage characteristics. Functionality and the bounds of adequateness of each model is defined. The influence of the model’s level on quantitative and qualitative agreement with experimental data is analyzed. Verification of the model is done by comparison with experimental I-V curves, and it is observed excellent qualitative and quantitative agreement within 5% at the characteristic points. |
|
| Publisher |
Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут"
|
|
| Date |
2012-04-12T15:13:23Z
2012-04-12T15:13:23Z 2012 |
|
| Type |
Thesis
|
|
| Identifier |
http://library.kpi.ua:8080/handle/123456789/1671
|
|
| Language |
uk
|
|