مطالعه می گوید که برنامه انتقال سینتیک فرمی دستگاه های نیمه هادی پرسرعت را بهتر مدل می کند


برنامه انتقال سینتیک فرمی دستگاه های نیمه هادی پرسرعت را بهتر مدل می کند، مطالعه انتخاب سردبیر مجله فیزیک کاربردی

بسته تجاری هیدرودینامیک (سمت چپ) پیش‌بینی می‌کند که دمای الکترون می‌تواند به زیر دمای محیط (300 کلوین یا 80 درجه فارنهایت در این شبیه‌سازی) برسد، در حالی که حل‌کننده سینتیک فرمی (راست) پیش‌بینی‌های دما معقول‌تری را ارائه می‌دهد. اعتبار: کالج مهندسی Grainger در دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign

دستگاه های الکترونیکی ساخته شده از نیترید گالیم نیمه هادی می توانند ارتباطات بی سیم را متحول کنند. آنها می توانند در سرعت ها و دماهای بالاتری نسبت به دستگاه های ساخته شده از سیلیکون کار کنند، بنابراین می توان از آنها برای کنترل امواج رادیویی با فرکانس بالاتر مورد نیاز برای انتقال داده سریعتر و پهنای باند بالاتر استفاده کرد. علاوه بر این، توانایی آنها در تحمل دماهای بسیار پایین تر، آنها را برای استفاده در محاسبات کوانتومی امیدوار می کند. با این حال، برای درک پتانسیل کامل مواد، به ابزارهای مدل‌سازی و شبیه‌سازی دقیق برای راهنمایی دانشمندان و مهندسان در طراحی دستگاه‌های جدید نیاز است.

گروه تحقیقاتی Shaloo Rakheja، استاد مهندسی برق و کامپیوتر در دانشگاه ایلینویز Urbana-Champaign، با مهندسان آزمایشگاه تحقیقات نیروی هوایی، نیکلاس میلر و مت گروپن برای مطالعه دو ابزار شبیه سازی نیمه هادی: یک بسته نرم افزاری هیدرودینامیک تجاری و حل کننده انتقال سینتیک فرمی که توسط Grupen توسعه یافته است.

مقاله آنها، انتخاب سردبیر در مجله فیزیک کاربردی، گزارش می دهد که حل کننده سینتیک فرمی دارای ویژگی های ریاضی است که به آن اجازه می دهد شرایط شدیدی را که تحت آن دستگاه های نیترید گالیوم کار می کنند، بهتر کنترل کند.

راخجا گفت: «این اولین بار است که مقایسه مستقیمی بین برنامه تجاری پیشرفته و کد تحقیقاتی توسعه‌یافته سفارشی انجام می‌شود. “برای جامعه نیمه هادی ها مهم است که نقاط قوت و محدودیت های هر یک را درک کنند.”

به گفته راخجا و میلر، مهمترین تفاوت بین این دو برنامه نحوه مدل سازی جریان گرمای الکترونیکی است. بسته تجاری از قانون فوریه استفاده می کند، یک مدل تجربی که لزوماً برای نیمه هادی ها خوب کار نمی کند، در حالی که حل کننده انتقال سینتیک فرمی از اصول ترمودینامیکی اساسی تری برای این منظور استفاده می کند. محققان بر این باورند که این پیش‌بینی‌های متفاوتی را که هر برنامه انجام می‌دهد، نشان می‌دهد.

راخجا گفت: “ارتباط قوی بین فیزیک زیربنایی و رفتار هر برنامه وجود دارد، و ما می‌خواستیم آن را در زمینه فناوری دستگاهی که امروزه بسیار مرتبط است بررسی کنیم: نیترید گالیوم.”

برای مقایسه این دو کد، محققان یک ترانزیستور ابتدایی نیترید گالیوم را با هر کدام شبیه‌سازی کردند. آنها دریافتند که این دو برنامه در شرایط عملیاتی متوسط ​​نتایج مشابهی به دست می‌دهند. با این حال، هنگامی که آنها سیگنال‌های بزرگ و گذرا از نوع مورد انتظار در کاربردهای با سرعت بالا را معرفی کردند، نتایج غیرمنتظره‌ای برای دمای الکترون از بسته تجاری به دست آوردند. این پیش‌بینی کرد که در مقیاس‌های زمانی کوتاه، دمای الکترون به زیر دمای محیط کاهش می‌یابد، در حالی که حل‌کننده سینتیک فرمی پروفایل‌های دمایی سازگارتری ارائه می‌دهد.

علاوه بر این، هنگامی که آنها نرخ همگرایی را بررسی کردند، یک شاخص ریاضی خودسازگاری شبیه‌سازی، از هر کدام، حل‌کننده سینتیک فرمی سریع‌تر همگرا شد. محققان از این نتیجه گرفتند که حل‌کننده سینتیک فرمی از نظر محاسباتی قوی‌تر است.

گروه Rakheja اکنون از استحکام حل کننده برای شبیه سازی دستگاه های نیترید گالیوم بیشتری استفاده می کند. هدف آنها درک چگونگی گرم شدن مواد در هنگام کار با سرعت بالا است و از این اطلاعات برای طراحی دستگاه هایی استفاده می کنند که به طور کامل از خواص مواد بهره می برند.

میلر گفت: «نیترید گالیوم واقعاً یک تغییر دهنده بازی بوده است. از آنجایی که این فناوری به شکل‌های پیچیده‌تری در حال تکامل است، یکی از اجزای حیاتی چرخه توسعه، مدل‌سازی و شبیه‌سازی ترانزیستورها است.

اطلاعات بیشتر:
اشوین تونگا و همکاران، مقایسه یک حل کننده هیدرودینامیک تجاری TCAD و همگرایی انتقال سینتیک فرمی برای GaN HEMT ها، مجله فیزیک کاربردی (2022). DOI: 10.1063/5.0118104

ارائه شده توسط دانشکده مهندسی دانشگاه ایلینویز گرینگر


نقل قول: مطالعه (2022، 19 دسامبر) که در 19 دسامبر 2022 بازیابی شده است، می گوید: برنامه حمل و نقل سینتیک فرمی دستگاه های نیمه هادی پرسرعت را بهتر مدل می کند.

این برگه یا سند یا نوشته تحت پوشش قانون کپی رایت است. به غیر از هرگونه معامله منصفانه به منظور مطالعه یا تحقیق خصوصی، هیچ بخشی بدون اجازه کتبی قابل تکثیر نیست. محتوای مذکور فقط به هدف اطلاع رسانی ایجاد شده است.





منبع