Theoretical Investigation of Terahertz Collective Oscillations in Electron Devices

par Slyman Karishy

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Luca Varani et de Jassem Ajaka.

  • Titre traduit

    Etude théorique des oscillations collectives térahertz dans les dispositifs électroniques


  • Résumé

    L'objectif de cette thèse est d'étudier l'oscillation collective dans un matériau semi-conducteur (InGaAs) dans le but d'élargir les connaissances théoriques et de proposer de nouvelles configurations et des structures pour la conception de détecteurs ou émetteurs THz innovants et efficaces. Pour ce faire, nous développons un modèle théorique permettant l'étude de l'oscillation collective soumis ou non à une excitation externe (battement optique ou rayonnements THz). Une attention particulière est faite pour prendre en compte des phénomènes physiques importants tels que la mobilité différentielle dynamique négative et les oscillations de Gunn.Cette étude est faite à travers le développement d'un outil de simulation numérique basé sur l'approche HD couplé à un solveur de Poisson unidimensionnel. Le modèle HD décrit le temps de vol et le mécanisme de diffusion par l'énergie et la vitesse de relaxation. En outre, on prend en compte les frottements et leur évolution, la variation de l'énergie, la vitesse, et la masse effective. Par conséquent, le modèle HD permet l'observation des régimes transitoires ainsi que d'effectuer des études de fréquence. L'influence des différents paramètres physiques et technologiques sur les oscillations et résonances collectives des électrons sont évalués. Ensuite, le régime de petits signaux est étudié et la réponse de la diode aux perturbations optiques et électriques harmoniques et non harmoniques est évaluée. L'influence du fort biais appliqué à la diode sur les processus d'émission et de détection est ensuite décrit.


  • Résumé

    The purpose of this thesis is to obtain theoretical results in order to propose new configurations and structures for the conception of innovant and efficient THz detectors or emitters. For this sake, we develop a theoretical model allowing the study of collective oscillation in a semiconductor materials (we choose InGaAs), submitted or not to an external excitation (that is to optical beating or THz radiations). A particular attention is payed also to important physical phenomena such as negative dynamic differential mobility and Gunn oscillations.This study is made through the development of numerical simulation tool, which is based on the HD approach coupled to a one-dimensional Poisson solver. The HD model describes the free-flight and scattering mechanism through energy and velocity relaxation rates. Also it takes into account frictions and their evolution, the variation of energy, velocity and effective mass. Hence, the HD model allows us observing the transient regimes and performing frequency studies. The influence of the different physical and technological parameters on the electron collective oscillations and resonances are evaluated. Then, small-signal regime is studied and the diode response to harmonic and non-harmonic optical and electrical perturbations is evaluated. The influence of the high bias applied to the diode on emission and detection processes is then described.


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