Диссертация на соискание ученой степени доктора
физико-математических наук. Москва, ВУЗ не указан, 2014. — 300 с.
Специальность 05.27.01 — Твердотельная электроника,
радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на
квантовых эффектах
Научный руководитель не указан.
Цель работы: Исследование влияния отклонений носителей заряда от
состояния локального химического равновесия на электрические
характеристики твердотельных электронных приборов. Предметом
исследования является возможность использования указанных
неравновесных явлений в качестве основы функционирования приборов с
нанометровыми размерами активных областей.
Научная новизна работы заключается в следующем:
— для уравнений дрейфово-диффузионной модели переноса заряда в полупроводниках предложен новый базис переменных, позволяющий явным образом выделить уравнение для уровня химической неравновесности электронного и дырочного газов и вклад этой неравновесности в падение напряжения на полупроводниковой структуре;
— получены новые приближенные решения дрейфово-диффузионных уравнений переноса заряда, позволяющие не сегментировать полупроводниковые структуры на отдельные области с однородными свойствами, а описывать их целиком, что открыло возможности для последовательного анализа взаимного влияния различных активных областей полупроводниковых приборов друг на друга и влияния отклонений электронов и дырок от состояния локального химического равновесия на вольт-амперные характеристики;
— построена новая многофазная модель переноса заряда в мезоскопических структурах, позволяющая в рамках единого формализма описывать классические и квантовые явления в твердотельных электронных приборах;
— в рамках многофазной модели дано универсальное, не зависящее от используемого материала и других технологических и конструктивных параметров, теоретическое объяснение наблюдаемых в эксперименте особенностей вольт-амперных характеристик резонансно-туннельных диодов, таких как высокие значения тока долины и возникновение ступеньки на падающем участке;
— впервые проведен анализ влияния классических контактных областей на вольт-амперные характеристики резонансно-туннельных диодов и показано, что взаимодействие резонансно-туннельной структуры с подложкой не сводится к тривиальному эффекту нагрузочного сопротивления;
— впервые проведен анализ переноса заряда в квантовом проводе с учетом взаимодействия квантового одномерного проводящего канала с классическими контактными областями и неравновесных квантовых эффектов, возникающих при протекании тока через границы проводящего канала с контактами;
— предложены конструкции и рассчитаны ожидаемые статические электрические характеристики новых планарных квантовых приборов, функционирующих на основе эффектов, обусловленных отклонениями электронного газа от состояния локального химического равновесия: релаксационного квантового диода, релаксационного квантового транзистора, квантового транзистора с инжекционным затвором;
— показано, что эти приборы могут служить функциональными аналогами известных элементов микроэлектроники и использоваться в широком диапазоне частот, вплоть до терагерцового диапазона;
— показано, что инжекция электронов из эмиттерного контакта квантового провода в проводящий канал может приводить к охлаждению эмиттерного контакта;
— дано новое теоретическое объяснение наблюдаемого экспериментально изменения характера температурной зависимости сопротивления металлического квантового провода при уменьшении его поперечного сечения. Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:
— новый базис переменных для уравнений дрейфа-диффузии в полупроводниках позволяет моделировать характеристики полупроводниковых приборов, задавая суммарные токи через контакты, что устраняет трудности, обусловленные неединственностью решений уравнений переноса заряда при описании функционирования приборов с S-образными вольт-амперными характеристиками;
— представленные приближенные решения дрейфово-диффузионных уравнений переноса заряда используются для быстрых оценочных расчетов характеристик полупроводниковых приборов, а также в качестве начального приближения при численном моделировании их работы;
— многофазная модель переноса заряда является эффективным инструментом проектирования квантовых приборов и моделирования их характеристик;
— новые квантовые приборы в случае их практической реализации позволят использовать в схемах и устройствах наноэлектроники хорошо известные в микроэлектронике схемотехнические решения;
— эффект охлаждения эмиттерного контакта квантового провода может быть использован в «нанохолодильниках» и для создания на основе матриц квантовых проводов «интеллектуальных» энергосберегающих покрытий. Содержание
Краевые задачи для уравнений переноса заряда в полупроводниках
Дрейфово-диффузионная модель переноса заряда
Уравнения дрейфово-диффузионной модели
Некоторые особенности уравнений дрейфово-диффузионной модели
Граничные условия для уравнений переноса заряда
Новый базис переменных
Одномерные краевые задачи
Приближенные решения краевых задач переноса заряда в полупроводниках
Асимптотика решения уравнения Пуассона
Стационарная краевая задача для плотности тока
Приближенные решения краевых задач для функции Y в стационарном случае
Неравновесные эффекты и статические вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов
Биполярный диод
Биполярный транзистор
Полупроводниковый тиристор
Модель переноса заряда в мезоскопических структурах
Уравнения многофазной модели переноса заряда
Закон Ома и формула Цу — Есаки
Об обосновании многофазной модели переноса заряда
Граничные условия для стационарных уравнений переноса заряда в мезоскопических структурах
Моделирование статических характеристик резонансно-туннельных диодов
Перенос заряда в РТС
Вольт-амперная характеристика РТС
Вольт-амперная характеристика РТД
Приборы на основе квантовых проводов и их статические характеристики
Квантовые провода
Модель переноса заряда в квантовом проводе
Статические характеристики квантового провода
Температурные эффекты в квантовых проводах
Полевой транзистор на основе квантового провода
Релаксационный квантовый диод
Релаксационный квантовый транзистор
Квантовый транзистор с инжекционным затвором
Список использованных источников и литературы Цифровая публикация с копируемым текстом.
— для уравнений дрейфово-диффузионной модели переноса заряда в полупроводниках предложен новый базис переменных, позволяющий явным образом выделить уравнение для уровня химической неравновесности электронного и дырочного газов и вклад этой неравновесности в падение напряжения на полупроводниковой структуре;
— получены новые приближенные решения дрейфово-диффузионных уравнений переноса заряда, позволяющие не сегментировать полупроводниковые структуры на отдельные области с однородными свойствами, а описывать их целиком, что открыло возможности для последовательного анализа взаимного влияния различных активных областей полупроводниковых приборов друг на друга и влияния отклонений электронов и дырок от состояния локального химического равновесия на вольт-амперные характеристики;
— построена новая многофазная модель переноса заряда в мезоскопических структурах, позволяющая в рамках единого формализма описывать классические и квантовые явления в твердотельных электронных приборах;
— в рамках многофазной модели дано универсальное, не зависящее от используемого материала и других технологических и конструктивных параметров, теоретическое объяснение наблюдаемых в эксперименте особенностей вольт-амперных характеристик резонансно-туннельных диодов, таких как высокие значения тока долины и возникновение ступеньки на падающем участке;
— впервые проведен анализ влияния классических контактных областей на вольт-амперные характеристики резонансно-туннельных диодов и показано, что взаимодействие резонансно-туннельной структуры с подложкой не сводится к тривиальному эффекту нагрузочного сопротивления;
— впервые проведен анализ переноса заряда в квантовом проводе с учетом взаимодействия квантового одномерного проводящего канала с классическими контактными областями и неравновесных квантовых эффектов, возникающих при протекании тока через границы проводящего канала с контактами;
— предложены конструкции и рассчитаны ожидаемые статические электрические характеристики новых планарных квантовых приборов, функционирующих на основе эффектов, обусловленных отклонениями электронного газа от состояния локального химического равновесия: релаксационного квантового диода, релаксационного квантового транзистора, квантового транзистора с инжекционным затвором;
— показано, что эти приборы могут служить функциональными аналогами известных элементов микроэлектроники и использоваться в широком диапазоне частот, вплоть до терагерцового диапазона;
— показано, что инжекция электронов из эмиттерного контакта квантового провода в проводящий канал может приводить к охлаждению эмиттерного контакта;
— дано новое теоретическое объяснение наблюдаемого экспериментально изменения характера температурной зависимости сопротивления металлического квантового провода при уменьшении его поперечного сечения. Практическая ценность полученных результатов заключается в следующем:
— новый базис переменных для уравнений дрейфа-диффузии в полупроводниках позволяет моделировать характеристики полупроводниковых приборов, задавая суммарные токи через контакты, что устраняет трудности, обусловленные неединственностью решений уравнений переноса заряда при описании функционирования приборов с S-образными вольт-амперными характеристиками;
— представленные приближенные решения дрейфово-диффузионных уравнений переноса заряда используются для быстрых оценочных расчетов характеристик полупроводниковых приборов, а также в качестве начального приближения при численном моделировании их работы;
— многофазная модель переноса заряда является эффективным инструментом проектирования квантовых приборов и моделирования их характеристик;
— новые квантовые приборы в случае их практической реализации позволят использовать в схемах и устройствах наноэлектроники хорошо известные в микроэлектронике схемотехнические решения;
— эффект охлаждения эмиттерного контакта квантового провода может быть использован в «нанохолодильниках» и для создания на основе матриц квантовых проводов «интеллектуальных» энергосберегающих покрытий. Содержание
Краевые задачи для уравнений переноса заряда в полупроводниках
Дрейфово-диффузионная модель переноса заряда
Уравнения дрейфово-диффузионной модели
Некоторые особенности уравнений дрейфово-диффузионной модели
Граничные условия для уравнений переноса заряда
Новый базис переменных
Одномерные краевые задачи
Приближенные решения краевых задач переноса заряда в полупроводниках
Асимптотика решения уравнения Пуассона
Стационарная краевая задача для плотности тока
Приближенные решения краевых задач для функции Y в стационарном случае
Неравновесные эффекты и статические вольт-амперные характеристики полупроводниковых приборов
Биполярный диод
Биполярный транзистор
Полупроводниковый тиристор
Модель переноса заряда в мезоскопических структурах
Уравнения многофазной модели переноса заряда
Закон Ома и формула Цу — Есаки
Об обосновании многофазной модели переноса заряда
Граничные условия для стационарных уравнений переноса заряда в мезоскопических структурах
Моделирование статических характеристик резонансно-туннельных диодов
Перенос заряда в РТС
Вольт-амперная характеристика РТС
Вольт-амперная характеристика РТД
Приборы на основе квантовых проводов и их статические характеристики
Квантовые провода
Модель переноса заряда в квантовом проводе
Статические характеристики квантового провода
Температурные эффекты в квантовых проводах
Полевой транзистор на основе квантового провода
Релаксационный квантовый диод
Релаксационный квантовый транзистор
Квантовый транзистор с инжекционным затвором
Список использованных источников и литературы Цифровая публикация с копируемым текстом.