Modeling and simulation of quantum electronic transport in semiconductor nanometer devices

par Van-Nam Do

Thèse de doctorat en Physique

Sous la direction de Philippe Dollfus.

Soutenue en 2007

à Paris 11 , en partenariat avec Université de Paris-Sud. Faculté des sciences d'Orsay (Essonne) (autre partenaire) .

mots clés

• Nefgs
• Diodes résonantes à effet tunnel (RTD)
• Théorie de la diffusion
• Bruit de grenaille
• Bruit sub-Poissonien
• Bruit super-Poissonien
• Transistor à effet de champ
• Courants de fuite
• Green, Fonctions de

Titre traduit

Modélisation et simulation du transport électronique quantique dans les dispositifs semi-conducteurs nanométriques

Résumé

Nous étudions la modélisation et la simulation du transport quantique de charges dans deux nano-dispositifs semiconducteurs typiques, la diode à effet tunnel résonant (RTD) et le transistor MOSFET à double-grille. L'approche des fonctions de Green hors-équilibre a été mise en œuvre pour développer des calculs analytiques et numériques. L'étude couvre les différents aspects des caractéristiques courant-tension de ces dispositifs, en prenant rigoureusement en compte les effets quantiques tels que le confinement et l'effet tunnel. Les processus d'interaction électron-phonon sont également considérés. Les effets de la géométrie de dispositifs, de la température et du champ magnétique ont été étudiés systématiquement pour mettre en évidence le rôle des différents phénomènes quantiques. Une comparaison avec d'autres approches de transport, basées sur les fonctions de Boltzmann ou de Wigner, est menée pour apprécier l'efficacité de chacune des méthodes et pour évaluer les limites de l'équation semi-classique de Boltzmann. Puis, nous nous intéressons particulièrement au problème des fluctuations de courant dans les structures de type RTD, en nous concentrant notamment sur deux aspects typiques du bruit de grenaille, la diminution et l'augmentation du bruit liées aux corrélations des charges transitant par effet tunnel. Nous étudions non seulement l'effet sur le bruit des interactions électron-phonon dans le cadre de l'approche microscopique basé sur la résolution numérique des fonctions de Green hors-équilibre, mais nous étendons également l'approche standard des matrices de diffusion pour y inclure de façon appropriée les effets d'interaction sur le courant et le bruit.

Résumé

We study the modeling and simulation of the quantum transport of charges in two typical nanoscaled devices, the resonant tunneling diodes, and the double-gate metal-oxide-semiconductor field effect transistors. The nonequilibrium Green's function approach is used to carry out analytical and numerical calculations. The study covers all current-voltage characteristics in these structures, taking rigorously into account important quantum effects such as the quantum confinement, the tunnelling. The electron-phonon interaction is considered too. Effects of device geometry, temperature, and magnetic field have been systematically investigated to highlight the role of those quantum mechanisms. A comparison with approaches based on the Boltzman or the Wigner functions is carried out to appraise the efficiency of each method and also to validate the limits of the semiclassical approach. Apart from studies of current-voltage characteristics, problems of current fluctuations in resonant tunneling structures are also appropriately interested. The study mainly concentrates on two typical aspects of shot noise, the suppression and enhancement due to the correlation of tunneling charges. In addition to the microscopic treatment of the electron-phonon interaction process and the investigation of its effect on the shot noise characteristics, a new extension for the standard scattering matrix approach is proposed to capture properly effects of scattering on both the current and noise.