Development of semi-classical and quantum tools for the high-frequency simulation of nanoscale electron devices

Resumen

La electrónica envuelve muchos aspectos de nuestra vida cotidiana. El progreso de nuestra sociedad actual, en última instancia, está relacionado con el progreso de la electrónica. Tal progreso exige que las nuevas generaciones de dispositivos sean cada vez mas pequeñas y mas rapidas. Por lo tanto , las herramientas de simulación necesarias para poder entender el comportamiento de los dispositivos electrónicos emergentes, y luego de mejorarlos , tiene que ser reinventada para cada nueva generación de dispositivos . El ”International Technology Roadmap for Semiconductors” predice que en diez años los dispositivos electrónicos tendrán menos de 10 nanómetros de longitud de canal y que trabajarán a frecuencias de THz . La comunidad cientifica ha hecho una importante esfuerzo en proporcionar herramientas de simulación fiables para estudiar el comportamiento DC de estos dispositivos. Algunas de las técnicas de simulació comunes par sistemas clásicos y cuánticos se menciona en el primer captulo. Sin embargo, un esfuerzo similar para la simulaci ón cuántica de comportamiento AC de tales dispositivos esta todavía en las primeras etapas de la eleboración. Para los dispositivos de nanoescala , a alta frecuencia , las principales dificultades que tienen que ser considerarse para caracterizar el comportamiento de AC de estos dispositivos es el papel de la corriente de desplazamiento (que implica una aproximación adecuada para el problema cuático de muchos cuerpos ) y constatación que la corriente AC implica que el sistemas cuántico se medirán de forma continua . En esta tesis se ofrece una solución aproximada a mediante el uso de trayectorias cuánticas (trayectorias Bohmianas). Como se observa en el segundo capítulo las trayectorias de Bohm tienen ventajas computacionales cuando tratamos con muchos problemas de muchas partículas o la medición continua . En el capítulo tres , el cálculo práctico de las corrientes de partículas de desplazamiento se discuten con el teorema de Ramo - Shockley - Pellegrini. Hemos presentado un extensin cuántica del teorema utilizando trayectorias Bohmianas. También se discute en detalle la aplicación del teorema para del desarrollo del simulador cuántico el BITLLES ( Bohmiana Transporte para obrar recíprocamente no equilibrio estructuras electrónicas ) discutido en el apéndice C. Las expresiones de la corriente total se pueden utilizar ya sea para soluciones clásica de Monte Carlo de la ecuación de Botzmann con trayectorias clásicas o solución de la ecuación Schrödinger de muchas partículas con trayectorias Bohmianas. Por último , el uso de las herramientas desarrolladas en esta tesis se usan , en el capítulo cuatro, para estudiar la dependencia de la corriente y el ruido en la geometría y las condiciones de contorno electrostática de nanotransistors . Además , hemos presentado una estrategia original para mejorar el frecuencia corte de dispositivos emergentes balísticos de múltiples puerta. Esta tesis es un paso en la dirección de proporcionar un simulador quántico para AC y ruido a la industria electrónica y a la comunidad científica.nica envuelve muchos aspectos de nuestra vida cotidiana. El progreso de nuestra sociedad actual, en última instancia, está relacionado con el progreso de la electrónica. Tal progreso exige que las nuevas generaciones de dispositivos sean cada vez mas pequeñas y mas rapidas. Por lo tanto , las herramientas de simulación necesarias para poder entender el comportamiento de los dispositivos electrónicos emergentes, y luego de mejorarlos , tiene que ser reinventada para cada nueva generación de dispositivos . El ”International Technology Roadmap for Semiconductors” predice que en diez años los dispositivos electrónicos tendrán menos de 10 nanómetros de longitud de canal y que trabajar án a frecuencias de THz . La comunidad cientifica ha hecho una importante esfuerzo en proporcionar herramientas de simulación fiables para estudiar el comportamiento DC de estos dispositivos. Algunas de las técnicas de simulació comunes par sistemas clásicos y cuánticos se menciona en el primer captulo. Sin embargo, un esfuerzo similar para la simulaci ón cuántica de comportamiento AC de tales dispositivos esta todavía en las primeras etapas de la eleboración. Para los dispositivos de nanoescala , a alta frecuencia , las principales dificultades que tienen que ser considerarse para caracterizar el comportamiento de AC de estos dispositivos es el papel de la corriente de desplazamiento (que implica una aproximación adecuada para el problema cuático de muchos cuerpos ) y constatación que la corriente AC implica que el sistemas cuántico se medirán de forma continua . En esta tesis se ofrece una solución aproximada a mediante el uso de trayectorias cuánticas (trayectorias Bohmianas). Como se observa en el segundo capítulo las trayectorias de Bohm tienen ventajas computacionales cuando tratamos con muchos problemas de muchas partículas o la medición continua . En el capítulo tres , el cálculo práctico de las corrientes de partículas de desplazamiento se discuten con el teorema de Ramo - Shockley - Pellegrini. Hemos presentado un extensin cuántica del teorema utilizando trayectorias Bohmianas. También se discute en detalle la aplicación del teorema para del desarrollo del simulador cuántico el BITLLES ( Bohmiana Transporte para obrar recíprocamente no equilibrio estructuras electrónicas ) discutido en el apéndice C. Las expresiones de la corriente total se pueden utilizar ya sea para soluciones clásica de Monte Carlo de la ecuación de Botzmann con trayectorias clásicas o solución de la ecuación Schr¨odinger de muchas partículas con trayectorias Bohmianas. Por último , el uso de las herramientas desarrolladas en esta tesis se usan , en el capítulo cuatro, para estudiar la dependencia de la corriente y el ruido en la geometría y las condiciones de contorno electrostática de nanotransistors . Además , hemos presentado una estrategia original para mejorar el frecuencia corte de dispositivos emergentes balísticos de múltiples puerta. Esta tesis es un paso en la dirección de proporcionar un simulador quántico para AC y ruido a la industria electrónica y a la comunidad científica.