Обухів І. А., Квяткевіч І. І., Лавренчук А. А., Румянцев С. В. Інтерфейс – МФГ, вул. Бардіна, д. 4, корп. 3, Москва – 117334, Росія тел.: +7 (095) 105-0049, 232-29-97, e-mail: obukhov@interface-mfg.ru

Puc. 3. Потенційний рельєф і енергія Фермі Ql/1/Y при нульовому зсуві.

Fig. 3. Potential relief and Fermi energy of Ql/VY under condition of zero voltage

Область перетину проводів QWXY представляє для електронів, що потрапляють в QWX з РЄ та СС, потенційну яму. Зауважимо, що ліва і права частини потенційного рельєфу, зображеного на рис. 2, характерні для інжекційних контактів добре проводять тривимірних матеріалів зі структурами зі зниженою квантової розмірністю.

Рис. 4. ВАХ QWX (нижня крива) і Ql/1/Y (верхня крива), розраховані без обліку електронних переходів в області перетину, і BAX ‘QWX (середня крива), розрахована з урахуванням електронних переходів в QWXY при Vd=0.

Fig. 4. Current-Voitage characteristics of QWX (the bottom curve) and QW/Y (the top curve), designed without taking into account electronic transitions in QWXY, and Current-Voitage characteristics of QWX (an average curve), designed in view of electronic transitions in QWXY under condition Vd=0.

Верхня і нижня BAX, показані на рис. 4, розраховані з урахуванням впливу області перетину QWXY на потенційний рельєф кожного з QW. Однак не були враховані можливі переходи між електронами, що заповнюють допустимі стани, що відносяться до різних QW. Такі переходи можуть бути обумовлені, зокрема, поглинанням і випусканням фононів. Як демонструє ВАХ QWX, представлена ​​на середній кривої рис. 4, облік електронних переходів істотно змінює характеристику приладу.

II. Модель

Опис переносу заряду в досліджуваній структурі будемо проводити на основі моделі, сформульованої в роботах [1,2,3] і заснованої на рівняннях Шредінгера, Пуассона і власне перенесення. Покладемо, що електрони в кожному з QW представляють собою самостійну фазу електронного газу, яка характеризується хімічними потенціалами Fc (В QWX) і Fd (в QWY). Температуру Т будемо вважати постійною, однаковою для всіх фаз і рівної температурі решітки. Всі розрахунки проводилися при кімнатній температурі Т = 300 К.

В стаціонарному випадку маємо систему рівнянь:

Uext – Вбудований потенціал, а для макроскопічних концентрацій nc, D і потоків ic, D справедливі співвідношення:

Hc.d — S-Ec.d Pc.dfc.d, ic,d — S-Ec.d jc.dfc.d

Особливістю будь-якого квантового дроту є можливість струмопереносу тільки в одному напрямку, оскільки в двох інших напрямках енергетичний спектр електронів квантована, а відповідні мікроскопічні потоки j± тотожно дорівнюють нулю. В нашому випадку це призводить до співвідношень:

jc = (jc,0,0), jd = (0,jd,0), ic = (ic,0,0), id = (0,id,0)

Vc — (vc,0,0), Vd — (0,Vd, 0), Vc, d – jc, d / pc, d і спрощення останніх двох рівнянь системи

(1):

де:

– (y / TlСТс) (Пс “* ■ Hd) – I-гс, ^ d – (CTd) (Пс + ПD)-I-rd

При отриманні рівнянь (2) ми взяли до уваги, що в запропонованій тут моделі ми не робимо різниці між «лівими» і «правими» електронами і, тому, для потоків справедливі вирази:

Рис. 8. ККД приладу при різних довжинах QWX (знизу вгору): Lcc = 50 A, Lcc = 100 A, Lcc = 500 A, Lcc = 1000 A, Lcc = 5000 A, Lcc = 10000 А.

Fig. 8. The efficiency of devices with different length of QW: Lcc = 50 A, Lcc = 100 A, Lcc = 500 A, Lcc = 10ОО A, Lcc = 5000 A, Lcc = 10000 A

Дійсно, для одного проводу при Ld = 1 мкм для корисної потужності 5w виходить розрахункова величина порядку 1 мкВт. На одному квадратному сантиметрі можна розмістити 108 таких пристроїв, що означає можливість отримання 100 Вт / см2. Проте слід розуміти, що тут наведено лише дуже грубі оцінки і зовсім не досліджені процеси теплопереносу, які безумовно важливі для приладів такого роду.

V. Висновок

В роботі розглянуті статичні характеристики пересічних під прямим кутом квантових дротів. Показано, що таку конструкцію можна використовувати, зокрема, як високочастотний транзистор з значною крутизною ВАХ (~ 10 ‘3 А / В), або як два діода із загальним контактом.

Крім того, проведене дослідження процесів переносу в пересічних квантових дротах, дозволило запропонувати принципову конструкцію і грубо оцінити ККД твердотільного приладу, здатного перетворювати теплову енергію в енергію електричного струму. Розрахунковий ККД виявляється досить високим (70-88%).

Підкреслимо ще одну обставину, що представляє, на думку авторів, значний інтерес для фахівців, що створюють і досліджують квантові прилади. В роботі [4] представлені експериментальні характеристики польового транзистора на основі вуглецевої нанотрубки, що демонструють дуже високі щільності струмів. Моделювання впливу різних чинників на щільність струму квантових приладів проводилося, наприклад, в роботах [6,8]. Як показано в [6], отримані в [4] результати можуть бути пояснені використанням інжекційних контактів до квантовому проводу (нанотрубці). Проведене в даній роботі дослідження є, по суті, теорією таких інжекційних контактів.

VI. Список літератури

[1] Обухів І. А. Релаксаційні квантові прилади, Матеріали 7-й Міжнародній конференції «СВЧ – техніка і телекомунікаційні технології», С. 386-389, Севастополь, 1997

[2]  Obukhov I. A. WTEC Workshop on Russian Research and Development Activities on Nanoparticles and Nanostructured Materials, St. Petersburg, 1997, p. 85

[3] Обухів І. А. Монографія «Моделювання переносу заряду в мезоскопических структурах», у пресі, Москва, 2004.

[4] Martel R., Shcmidt Т., Shea Н. R. et. al. Appl. Phys. Lett., V. 73, № 17, p. 2447, 1998

[5] Обухів І. А. Прилади на основі квантових дротів: перспективи та проблеми, Матеріали 6-ї Міжнародної конференції «СВЧ – техніка і телекомунікаційні технології», С. 55-64, Севастополь, 1996

[6] Квяткевіч І. І., Обухів І. А., Чекандін М. С. Моделювання польового транзистора на основі квантового дроту, Матеріали 12-ї Міжнародної Кримської Мікрохвильовий Конференції, С. 455-457, Севастополь, 2002

[7] Кикоин А. К., Кікоїн І. К. Молекулярна фізика, М.: Наука, 1976, С. 480

[8] Абрамов І. І., Гончаренко І. А. Вплив заряду активної області на контрастність ВАХ РТД різної структури, 6-а Міжнародна науково-технічна конференція «Сучасні засоби зв’язку» – Спец. випуск журналу Известия Білоруської інженерної академії № 1 (11) / 3, 2001

STATIC CHARACTERISTICS OF CROSSED QUANTUM WIRES

Obukhov I. A., Kvjatkevich I. I., LavrenchukA. A., RumjancevS. V. Interface-MFG

4, Bardin Str., Build. 3, Moscow – 117334, Russia Tel. +7 (095) 105 00-49, 232-29-97 e-mail: obukhоv @ interface-mfg. ru

Abstract – The electric characteristics of a device based on two crossed quantum wires are calculated. It was demonstrated that the different functionalities may be realized using such device. The design of energy converter based on quantum wires is offered.

I.   Introduction

The design, potential reliefs and principle of functioning of the device are described. The main effect that the device characteristics are determined is the transitions between the electrons which energy states concerning different quantum wires.

II.   Model

The equations and boundary conditions for charge transport model are presented. The approximate solution and formulas for current-voltage characteristics are developed and studied.

III.   Results of calculation

The current-voltage characteristics of device are presented and discussed.

IV.   Energy converter based on quantum wire

The design and model of energy converter based on quantum wire are presented. It was demonstrated that efficiency of offered device may be more than 80%.

V.  Conclusion

It is specified that the obtained results are real for the theory of injection concerning the objects with the lowered quantum dimension.

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології»