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太赫兹(THz)技术在公共安全、环境探测及生物医学等方面的广阔应用前景引起各国对其的高度重视。对THz器件的研究,目前已经逐渐由THz辐射源及THz探测器拓展到了各类功能器件。此外,由于半导体技术的迅速发展,半导体器件的尺寸也越来越小,半导体器件的传统宏观模拟方法,例如漂移-扩散模型,已不能适应器件发展的需要。此时,蒙特卡罗方法,作为一种可靠的微观方法,日益获得更多的应用。 等离子体(plasma)是一种由处在非束缚态的电子、离子等带电粒子及中性粒子(原子、分子和微粒等)组成的,宏观上呈现中性,并且具有集体效应的混合体,广泛分布于自然界。在具有反对称结构的场效应晶体管中,电子等离子体振荡可以通过直流激发,推动了THz辐射源和探测器研究的发展,除此之外,等离子体振荡对器件性能也会产生重要影响,这对于我们设计出基于等离子体振荡的器件具有重大意义。 在这样的背景下,本文首先在简要分析几种描述电子输运方法的优劣后,详细介绍了利用蒙特卡罗方法模拟器件中载流子运动的原理;之后利用二维蒙特卡罗方法对自切换装置(SSD)沟道内的电流振荡进行模拟研究,然后利用二维-三维相结合的蒙特卡罗方法探讨了不同结构的平面纳米器件的工作性能,着重探索其在THz波段的独特工作特性。本文的研究成果主要体现在: (1)首先模拟研究了SSD在不同的外加偏压和结构参数时的电流振荡。研究发现,尽管在外加偏压大于0.1V时沟道内就可以观察到电流振荡,频率高于0.1THz的持久振荡只能在外加偏压高于3.0V时产生,并且沟道内电荷畴的演变与电流振荡的一致性说明了振荡是由耿氏效应产生的。此外,我们还发现器件沟道宽度的变化及结构反对称性也会对耿氏振荡造成影响; (2)然后认真探讨了一个具有对称结构的两端器件的工作性能,特别是在太赫兹波段内的工作性能。该器件以GaN材料为衬底,并且在GaN/AlGaN这两种材料的异质结处形成了决定器件性质的二维电子气。模拟结果显示,低频率交流信号下,沟道内的电流与外加信号同步变化,表现出器件工作性能对频率的不依赖性;但是当外加交流信号的频率高于0.5THz时,器件工作性能明显增强,并且在f=4.0THz和f=8.0THz分别产生一个峰值,当然,这些明显的性能变化是在器件右端所加直流电压在1V及其以上时才能观察到的。进一步研究表明,这是由于二维等离子体波的激发及驻波的形成的原因。 (3)最后研究的是三端的平面纳米结构器件,分别探讨了器件的稳态性质和其在THz波段的工作特性。器件左端(源端)接地,并在右端(漏端)加上随时间增加的电压,在另一端(栅端)加上不同值的直流电压时,器件的电流先表现出随器件右端电压的线性增大然后趋于饱和,表现出明显的场效应特性;器件在THz波段的工作性能与上述平面器件表现出一些共性:在低的工作频率下,器件的性能几乎是与频率无关的,但在工作频率高于1THz时,观察到了明显的性能增强效应,并在4.0THz和6.0THz处产生了两个共振峰,并且与频率有关的性能表现出非线性。我们通过对峰值的分析发现,之所以会出现这样的结果是由于二维等离子体波与器件的共振导致的,这种共振性能可以运用到射频电路或太赫兹系统的频率选择上。