Atomu tranzistoru vienelektronu sūkņu modelēšana silīcija ierīcēm

Abstract

Darbā ir apkopoti autora veiktās teorētiskās modelēšanas rezultāti, kas ir uzkrāti 7. Ietvarprogrammas projekta „Silicon on Atomic and Molecular scale (SiAM)” ietvaros. Pētījuma objekts ir divi dažādi kvantu sūkņi, kuri katrs veidoti no diviem uz silīcija bāzes izgatavotiem viena atoma tranzistoriem. Virs P dopētā reģiona ir novietoti divi aizvara elektrodi, kas ļauj kontrolēt piejaukumu-pastarpinātas elektronu pārneses rezonanses enerģijas. Izmantotais modelis [1] tika pielietots elektronu pārsūknēšanas procesu modelēšanai 1. nanoierīcē. Ar modeļa palīdzību veiksmīgi tika reproducēti un detalizēti izprasti šī elektronu sūkņa neadibātiskie efekti. Ātras elektronu tunelēšanas gadījuma izpētei 2. ierīcē autors ir attīstījis divas neatkarīgas, deterministiskas pieejas [2]. Abas šīs metodes ļauj noteikt pētāmās iekārtas elektrostatiskos parametrus, kā arī ļauj novērtēt caur iekārtu plūstošās strāvas stiprumu patvaļīgam modulācijas signālam. Izmantojot uzlabotos galīgu pāreju ātrumu modeļus, tika izpētīti kļūdu mehānismi un to rašanās cēloņi. Autoram izdevies identificēt izlaistus elektronu pārsūknēšanas ciklus pie augstām sūknēšanas frekvencēm un novērtēt ko-tunelēšanas efektus pie zemām frekvencēm. Piedāvāto metožu pamatā ir kinētisko vienādojumu risināšana un Monte Karlo simulācijas.

The presented work is completed within EC FET Proactive research project “Silicon at the Atomic and Molecular scale (SiAM)”. In this study two different electron pumps comprising two single-atom transistors on a Si base are examined. The two top gates placed above the P doped regions are used to control the resonant energies of dopant-mediated electron transport. The adopted technique [1] was used to modulate electron pumping in the ϐirst devi- ce. Non-adiabatic effects of the ϐirst electron pump were recreated and understood in full using the presented simulation. Author developed two separate deterministic approaches to investigate fast resonant tunneling case in second device [2]. The methods allow the extraction of electrostatic parameters of the system and individually contribute as an effective tool to predict the overall current for an arbitrary choice of driving control voltages. Additionally, in-depth investigation towards the error mechanism classification was carried out using the improved finite tunneling rates models. Author was able to identify the missed cycles at high signal frequencies and deduce the cotunneling effects at low frequencies. The discussed methods are based on solving the Master equation and running the Monte Carlo simulation.