De richtingen in een MESFET (Metal Semiconductor Field Effect Transistor) worden gewoonlijk aangeduid als de x- en y-richtingen. De x-richting is de richting van de elektrische stroom, terwijl de y-richting de richting is die loodrecht op de x-as staat. In deze context wordt de eindige-differentiemethode gebruikt om de vergelijking van de Poisson en de bijbehorende elektrostatica in een x-y twee-dimensionale MESFET-structuur te discretiseren. De I-V-kenmerken van dit apparaat kunnen worden weergegeven door de spanning van de poort (Vg) van 0 tot -2,5 V te variëren. Deze metingen tonen aan dat het apparaat naar verwachting presteert. De verzadiging van de stroom is duidelijk waarneembaar, en wanneer Vg = -2,5 V, worden de elektronen volledig uit de kanaalregio verwijderd, wat resulteert in een reststroom die afkomstig is van het substraat, omdat de elektronen in het substraat worden geduwd. Binnen het verzadigingsgebied wordt de maximale transconductantie waargenomen wanneer Vg = -0,5 V.

De invloed van de poortlengte op de transconductantie werd onderzocht bij een drainspanning van 2,0 V, voor een vaste diepte van de actieve laag en dopingconcentratie. De transconductantie verandert afhankelijk van de poortlengte, die varieert van 24 tot 96 nm, voor twee verschillende actieve laagdichtheden (30 nm en 39 nm). De transconductantie bij een diepte van de actieve laag van 30 nm heeft een maximale waarde van ongeveer 800 mS/mm bij een poortlengte van 60 nm. Bij een diepte van de actieve laag van 39 nm neemt de transconductantie monotonisch af over de gehele reeks van poortlengtes. Het effect van de kleine aspectverhouding wordt pas merkbaar bij langere poorten voor dikkere actieve lagen.

In de simulatie van ultra-kleine HEMT (High Electron Mobility Transistor)-apparaten is de structuur van het apparaat cruciaal. In een GaAs-MESFET is de onzuiverheidsdoping in het kanaal hoog, wat de elektronmobiliteit aanzienlijk vermindert bij kamertemperatuur, van het optimale niveau van ongeveer 9000 cm²/(V·s) naar 2000–3000 cm²/(V·s). In de jaren 1970 werd de modulatiedoping heterojunctie voorgesteld, waarbij een laag δ-doping in een breed-gap-halfgeleider zoals AlGaAs werd gebruikt. Dit zorgt voor een potentiaalput van driehoekige vorm aan de interface van AlGaAs en GaAs, waar de elektronen zich verzamelen in een quantumput, wat resulteert in een 2D-elektronengas (2DEG). Dit leidt tot een aanzienlijk verhoogde elektronmobiliteit, die zelfs de beste waarde in bulk GaAs kan overschrijden.

Wanneer het elektronendichtheidsniveau toeneemt, zorgt het Pauli-principe ervoor dat niet alle elektronen naar het laagste energieniveau kunnen terugkeren, zelfs in evenwichtstoestand. Dit verhoogt de gemiddelde energie van de elektronen, wat een directe invloed heeft op de mobiliteit, aangezien deze afhankelijk is van de verstrooiingsprocessen bij een gegeven energie. Het effect van degeneratie kan verder worden gemodelleerd door een drift-Fermi-Dirac-distributiefunctie te veronderstellen, wat leidt tot een correctiefactor voor de effectieve elektrontemperatuur. Het totale elektronenergie kan worden uitgedrukt als een functie van de snelheid en de temperatuur van de elektronen, en de degeneratiefactor γ kan worden berekend op basis van de electronenconcentratie en de temperatuur.

Een belangrijk aspect van de simulatie van deze apparaten is het effect van kwantumdruk. Wanneer de kwantumeffecten in aanmerking worden genomen, blijkt dat de geleidingselektronen voornamelijk binnen 10 nm van de interface tussen GaAs en AlGaAs worden opgesloten. De invloed van de kwantumdruk kan ertoe leiden dat meer elektronen in het substraat worden geduwd, wat van invloed is op de I-V-kenmerken van het apparaat. In simulaties voor apparaten met een poortlengte van 24 nm wordt een duidelijke afname van de transconductantie waargenomen naarmate de poortspanning verder negatief wordt, met waarden die variëren van 500 mS/mm tot 250 mS/mm.

Het is van cruciaal belang voor de lezer om te begrijpen dat de resultaten van deze simulaties een verscheidenheid aan invloeden op de prestaties van ultra-kleine MESFET- en HEMT-apparaten onthullen. Het gedrag van de transconductantie is afhankelijk van verschillende factoren zoals de poortlengte, de diepte van de actieve laag, en de concentratie van de onzuiverheden, waarbij de kwantummechanische effecten steeds belangrijker worden bij het ontwerp van apparaten op nanometerschaal.

Wat zijn de effecten van resonant tunneling in verdunde magnetische halfgeleiders?

Resonante pieken van zware en lichte gaten duiden op sterke vermenging tussen deze twee types. Eén piek is een uitzondering: de vierde piek verschijnt in de zware-gaten (hh) curve, maar niet in de lichte-gaten (hl) curve. Evenzo komt in Figuur 3.15 de vierde piek alleen voor in de lichte-gaten (lh) curve, wat erop wijst dat deze piek afkomstig is van een resonantie van zware gaten.

Wanneer magnetische ionen, zoals Mn²⁺, worden gedoteerd in een halfgeleider, splitsen de elektronische energieniveaus met verschillende spinoriëntaties in een magnetisch veld, en de splijtenergie is groot, wat bekend staat als de gigantische Zeeman-splijting. Dergelijke halfgeleiders worden verdunde magnetische halfgeleiders (DMS's) genoemd. De gigantische Zeeman-splijtingsenergie wordt gegeven door de vergelijking:

E=N0αxeff⟨Sz⟩σzE = N_0 \alpha x_{\text{eff}} \langle S_z \rangle \sigma_z

waarbij N0αN_0 \alpha de s-d uitwisselingsinteractie-energie is, en xeffx_{\text{eff}} de effectieve concentratie van magnetische ionen is. Voor Zn₁₋ₓMnₓSe DMS is N0α=0.27 eVN_0 \alpha = 0.27 \text{ eV}. Het thermische gemiddelde van de magnetische momenten van de ionen wordt gegeven door:

⟨Sz⟩=SgμBBSBJ\langle S_z \rangle = S g \mu_B B S B_J

waarbij BJB_J de Brillouin-functie is en JJ het kwantumnummer van het magnetische ion is. Voor een Mn²⁺-ion is S=J=5/2S = J = 5/2. Deze splijting van de energieniveaus beïnvloedt de elektronen met zowel positieve als negatieve spinoriëntaties op verschillende manieren. Wanneer een klein elektrisch spanningsverschil over de structuur wordt aangelegd, ontstaat een niet-evenwichtige elektronensamenstelling. Het stroomdichtheid JJ kan worden berekend met de volgende formule:

Jσ=e2V2π2lB2∫F(1k)n∂fdkzJ_\sigma = \frac{e^2 V}{2\pi^2 l_B^2} \int F \left(\frac{1}{k}\right) \frac{n}{\partial f}{\text{d}}k_z

waarbij Tσ(n,EF)T_\sigma(n, E_F) de transmissiekans is voor verschillende spinoriëntaties bij het Fermi-niveau, en de andere parameters gerelateerd zijn aan de groepssnelheid, de dichtheid van toestanden en de verdelingsfunctie van evenwicht.

Bij lage temperaturen kan de elektrische geleidbaarheid worden uitgedrukt als:

σσ=σTσ(kσnF)\sigma_\sigma = \sigma T_\sigma (k_\sigma n_F)

De mate van spinpolarisatie van de stroomdichtheid wordt gedefinieerd als:

P=J↓−J↑J↓+J↑P = \frac{J_\downarrow - J_\uparrow}{J_\downarrow + J_\uparrow}

Figuur 3.16 toont de tunneling magnetoresistance (TMR) als functie van het magnetische veld voor verschillende diktes van de DMS-barrière. Het blijkt dat de TMR afneemt en oscilleert bij toenemend magnetisch veld. Deze oscillaties worden voornamelijk toegeschreven aan de spin-down geleidbaarheid σ↓/σ0\sigma_\downarrow/\sigma_0, die sterker wordt bij een hoger magnetisch veld en wordt verzwakt door de dikte van de DMS-laag. De spin-up component σ↑/σ0\sigma_\uparrow/\sigma_0 wordt ook beïnvloed door het magnetische veld, maar de barrièrehoogte die door spin-up elektronen wordt ervaren, is groter dan die door spin-down elektronen, vanwege de magnetische veld-geïnduceerde s-p uitwisselingsinteractie.

Figuur 3.17 toont de TMR van een dubbele barrièrestructuur met DMS-contacten als functie van het magnetische veld. Het gedrag van de TMR vertoont een "beat"-patroon dat direct verband houdt met de superpositie van de s-p spin-gesplitste transmissiekanalen. Dit patroon komt voort uit het feit dat de totale stroom wordt samengesteld uit spin-up en spin-down componenten. De interactie tussen deze componenten resulteert in het beat-patroon in de magnetoresistentie.

Verder wordt het gedrag van de TMR ook beïnvloed door de breedte van de DMS-barrière. Figuur 3.18 toont de TMR voor een dubbele barrièrestructuur van DMS met NMS-contacten. Hier zien we opnieuw oscillaties en beat-patronen. Dit verschijnsel wordt veroorzaakt door de faseverschillen tussen de spin-up en spin-down stromen, die resulteren in oscillaties in de totale magnetoresistentie en spinpolarisatie.

Het is belangrijk te begrijpen dat de TMR en SP-behaviors sterk afhankelijk zijn van de concentratie van de magnetische ionen in het DMS-materiaal, de dikte van de DMS-laag en de sterkte van het aangelegde magnetische veld. In het geval van de TMR in de dubbele barrièrestructuur met NMS-contacten blijkt dat de spin-down component de dominante stroomcomponent wordt bij verhoogd magnetisch veld, wat resulteert in een hogere spinpolarisatie en fluctuaties in de TMR.

De effecten van resonante tunneling in DMS's benadrukken de potentiële toepassingen van deze materialen in spintronica, waar de manipulatie van de spin van elektronen essentieel is voor het ontwerp van toekomstige elektronische apparaten. Het controleerbare gedrag van de spin in de tunnelingprocessen maakt deze structuren geschikt voor de ontwikkeling van spin-gebaseerde geheugen- en verwerkingssystemen, die mogelijk efficiënter en sneller zijn dan traditionele elektronische systemen.

Hoe Kan LiBH4 Geoptimaliseerd Worden Voor Waterstofopslag?
Wat is de impact van DACA op de Amerikaanse samenleving?
Hoe werken netwerk- en overlayanalyse in geografische informatiesystemen?
Hoe begrijpen we asteroïden en waarom is hun mijnbouw een complex avontuur?