Моделирование воздействия внешних электромагнитных полей на элементы наноструктур Олендский, Олег Збигневич

Введение к работе

Актуальность темы. Развитие науки о физических процессах, происходящих в нанонетровых масштабах, открывает огромные новые возможности почти в каждой области человеческой деятельности: компьютерной технике, информатике, связи, биотехнологии, здравоохранении, исследованиях о земле и космосе и т.д. Ультрамалые электронные устройства, работающие на квантовомеханических началах, интересны со стороны как физики, так и инженерных применений. Квантоворазмерные эффекты в дву-. одно- и нульраомерных структурах создают энергетические зоны с дискретными Лстояниями. которые не существуют в устройствах больших размеров. Эксперименты с такими структурами продвигают наше понимание квантовой физики и открывают возможность создания интегральных схем с экстремально большой плотностью функциональных элементов. Использование новых технологических методов позволяет создать элементы с размерами в сотни раз меньше микрона, быстродействие которых определяется малым временем туннелирова-ния, соизмеримым с минимальной величиной, вытекающей из соотношения неопределенностей Гейзенберга: T=HVelI. где е -заряд электрона, ft - постоянная Планка. U - напряжение на приборе. В исследовательских лабораториях фирм - лидеров в области электронной техники (IBM, ATT, Xerox и др.) и нано-технологических центрах ведущих университетов интенсивно исследуются механизмы переноса в многослойных структурах, выращенных методами молекулярно-лучевой эшггаксии. и процессы, происходящие при наложении на них внешних электрических и (или) магнитных полей. Созданные и изученные первыми на основе упомянутых технологий приборы, такие, например, как транзисторы на гетеропереходах с размерами рабочей области, обеспечивающей баллистический режим' пролета электронов, выходят на стадию промышленной разработки. Растущее применение полупроводниковтгс диодных лазеров и соответствующей оптоэлектронной технологии в связи и электронной и вычислительной технике дает еще один мощный импульс для исследований оптических свойств налообъектов. Правильное проектирование и эксплуатация этих устройств потребуют глубокого знания осйов их работы и. следовательно, привлечения

- I -

фундаментальных законов физики.

Поскольку в реальных експериментальних условиях любая система испытывает воздействие внешних полей, чрезвычайно важной представляется проблема адекватного моделирования процессов в подобных структурах в электрической и магнитном полях.

Таким образом, моделирование- процессов, происходящих в наноструктурах, помещенных во внешние поля, является актуальной задачей теории, представляющей интерес для эксперимента и электронной технологии.

Целью диссертационной работы является разработка моде-лзй и создание на их основе методов и алгоритмов для определения влияния внешних электромагнитных полей на элементы каноэлектроники. Для достижения поставленной цели в работе решена следущая последовательность задач:

1. разработаны модели для изучения веупругого резонансного туннелирования. математический анализ которых позволяет указать пути наиболее рационального конструирования многослойных полупроводниковых структур;

2. определены адекватные методы исследования взаимодействия заряженной частицы с однородный магнитным полем, ограниченным двумя параллельными бесконечными плоскостями; на основе развитой теории предложена модель нанотранзисто-ра. ток в котором управляется магнитным полем;

3. проведено компьютерное исследование регимов работы наноприборов во внешнем магнитном поле; на его осноео определены оптимальные параметры изучаемых структур в зависимости от величины поля:

4. предложены эффективные алгоритмы к получены аналитические зависимости для вычисления характеристик напо--структур во внешнем электрическом поле, кекдочаодте применение трудоемких численных методов;

5. разработаны имитационные модели для описания совместного воздействия электрического и магнитного полей на элементы наноструктур и доказана их физическая строгость; проведен сравнительный анализ методов вычисления характеристик этого воздействия и на его основе выбран и реализован эффективный алгоритм описания влияния внешних полей.

Научная новизна работ» определяется эффективностью используемых методов, позволивших получить ряд ноиовестши до сих пор результатов и предсказать новые физическио эффекты в нанометровнх масштабах. Так. на основе анализа предлозен-шсс моделей и коипыотерной реализации созданннх ва их основе методов:

6. впервые показано. что в двухбарьерных туннельных гетероструктурах с колебаниями при подачо напряжения можно добиться увеличения взаимодействия резонансно туннелирущо-го электрона с осцилляциями. варьируя вирину одного из барьеров:

7. показано, что для резонансно-туннельных нааоскстем с колебаниями, состоящих из трех или более барьеров, вероятность поглозепия (излучения) кванта колебаний резонансно туннелирувдаї электроном максимальна, если его энергия равна энергии шинэго (верхнего) подуровня, а оноргия кванта колебаний близка к разности энергий подуровней;

8. наследовала 'зависимость уровней энергии конечной сверхреяетки в магнитной поле; впервво показано, что при свое;-*' Ёюзрасташш оно ведет к сняп-зо внроадения таимовских уровней :і серии антикроссингов мезду уровия?ш одной или различных зон:

9. исследовано воздействие перекрестных электрического Г и кагкитиого 3 полей на потенціальну» яму; впервые показано, что поляризации возбужденных уровней как функции индукции магнитного поля В кж-ют в сироко» интервале изменения электрического поля F ярко внрааешшП резонанс. мякси-цуг.! которого возрастает с ростом F. а его положение па оси В остается неизменным; доказано, что для конечной сверхре-етки при той so конфигурации полей характерное ноЕ.-денке антикроссингов уровней мохет быть получено изменением как электрического, так и магнитного полей. .

На защиту выносятся ; -

I) подели ;..ія изучения неупругого резонансного тукне-лирования:

, 2) теория взаимодействия заряженной частицы с однородным магнитным полем, ограниченным двумя бесконечными параллельными плоскостями; '

3. методы исследования и вычислительные процедуры режимов работы полупроводниковых наноприборов во внешнем магнитном поле;

4. алгоритмы вычисления характеристик наноструктур во внешнем электрическом поле;

5. алгоритмы и вычислительные процедуры для определения характеристик комбинированного влияния внешних электрического и магнитного полей.

Достоверность полученных в диссертационной работе теоретических результатов и формируемых на их основе выводов обеспечивается строгостью производимых математических выкладок, базирующихся на методах квантовой механики, математической физики, теории твердого тела, численного дифференцирования и интегрирования и теории и алгоритмах вычисления и приближения Функцій, а такве асимптотический приближением результатов к ранее известным при экстремальных параметрах наноструктур и внешних полей.

Практическая значимость диссертапии заключается в том. что в ней созданы модели, исследование которых приводит к раду неизвестных до сих пор результатов и дает возможность оптимально проектировать принципиально новые сверхбыстродействующие электронные и оптоэлектронные приборы со сверх-налым удельным энергопотреблением, такие, например, как резонансно-туннельные нанодиоды, в которых генерация дополнительных участков отрицательного дифференциального сопротивления будет определяться амплитудой и частотой падаицего на них излучения, а последние могно менять в широких пределах. Использование полученных результатов поможет таїяке в создании детекторов и приемников электромагнитного излучения инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапазонов, причем грубая настройка на путную частоту будет осуществляться, напршер. изменением магнитного поля, а точная - изменением электрического напряжения. Найдешшэ аналитические зависимости для определения характеристик наноструктур во внешнем электрическом поле и предлоконные в работе метода для случая совместного воодействіш обоих полей позволяют значительно сократить необходимое для вычислений компьютерное время и одновременно не допустить уменьшения, а в боль-

шинстве случаев и добиться увеличения, точности получаемых результатов.

Апробапия работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались на научном семинаре Лаборатории атом-но-«олекулярной инженерии при Белгосуниверситете (1990 -1992 гг.). на семинаре по нанотехнологии на кафодре надеа-ности изделий радиоэлектроники Белгосуниверситета (1991 -І992 гг.). на юбилейной научной конференции, посвященной 70-летию Белгосуниверситета (1991 г.).

Публикации, Результаты работы опубликованы в б статьях, перечень которых приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введеній, трех основных глав и заключения. Объем работы 104 страницы, в том числе 30 рисунков. Список литературы включает 121 название.