Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 19 июля, печатный экземпляр отправим 23 июля
Опубликовать статью

Молодой учёный

Моделирование зависимостей носителей заряда в резонансно-туннельных диодах, имеющих усложненный профиль легирования

Физика
18.10.2023
50
Поделиться
Библиографическое описание
Аношкина, Н. Л. Моделирование зависимостей носителей заряда в резонансно-туннельных диодах, имеющих усложненный профиль легирования / Н. Л. Аношкина, В. Р. Миронова. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2023. — № 42 (489). — С. 1-4. — URL: https://moluch.ru/archive/489/106777/.


В статье рассмотрена теоретическая одноэлектронная модель резонансно-туннельных диодов, имеющих в основной части квантовой ямы дополнительный потенциальный провал. Представлены окончательные теоретические выражения для моделирования энергетического спектра и волновых функций основных носителей заряда в области квантовой ямы, служащие для дальнейшего квантового анализа их поведения.

Ключевые слова: резонансно-туннельные диоды (РТД), квантовая яма, энергетический спектр, волновая функция, плотность вероятности

Моделирование электрофизических характеристик высокочастотных генераторов для усовершенствования параметров медицинских приборов (таких как мощность, частота переключения, время проведения процедуры) и оценка возможностей усовершенствования существующих резонансно-туннельных диодов приведет к улучшению работы высокочастотных генераторов, которые востребованы в различных медицинских комплексах, например, физиотерапевтических аппаратах, электростимуляторах, медицинских реографах, косметологических приборов, аппаратах электрохирургии и медицинской визуализации [1,2].

Рассмотрим теоретическую модель квантовой ямы, имеющей дополнительный потенциальный провал в основной ее области. Профиль дна зоны проводимости данной ямы представлен на рис. 1. Здесь также отмечены возможные химические составы, которыми можно добиться подобной структуры. Ширина основной части потенциальной ямы . Начиная с некоторого значения и до находится дополнительный провал. Значение потенциальной энергии в основной части ямы равно , а в провале — [4].

Профиль дна зоны проводимости и возможный состав РТД с дополнительным «провалом» в основной части квантовой ямы

Рис. 1. Профиль дна зоны проводимости и возможный состав РТД с дополнительным «провалом» в основной части квантовой ямы

В процессе движения основных носителей заряда (электронов), они частично взаимодействуют с атомами гетероструктуры, поэтому их эффективная масса будет меняться от слоя к слою. Значение потенциальной энергии в каждой области задается так:

(1)

Поскольку задача стационарная (высота барьеров при переходе от слоя к слою не зависит от времени), то отыскание состояний движения частицы сводится к решению стационарного одномерного уравнения Шредингера и находим волновую функцию:

(2)

Проведя все расчеты, получили явный вид волновой функции (2), который позволяет проводить дальнейший квантовый анализ поведения основных носителей заряда, проходящих через резонансно-туннельный диод, усложненного профиля представленный на рис. 1.

В источнике [5] представлены более развернутые расчеты.

При построении таблицы были взяты следующие параметры для ямы с провалом: , а ширина ямы l меняется в диапазоне от 5 нм до 25 нм, потенциальные энергии в основной части ямы [6].

Таблица 1

Энергетические уровни для конечной ямы и ямы с провалом

,

нм

Конечная яма )

Яма с провалом

,эВ

,эВ

,эВ

,эВ

,эВ

,эВ

,эВ

,эВ

5

11,34

20,92

2,09

15,94

0,05

11,56

0,02

10,86

10

6,65

18,59

4,86

13,83

2,95

10,58

0,45

7,95

15

4,84

15,03

5,04

10,85

4,94

9,94

1,68

5,95

25

3,61

10,72

6,38

8,68

6,48

6,85

3,86

3,57

25

1,09

5,04

7,58

6,94

7,01

4,85

5,93

2,67

В таблице 1 проведены расчеты для волновой функции и энергий основного и первого возбужденного уровней в конечной яме и с провалом, необходимые для прогнозирования лучших показаний медицинских оборудований. Графически построили поведение частицы в квантовых ямах при разных значениях эффективных масс, потенциальных энергий и ширены. Полеченные результаты сравнили между собой и получили, что при значении ширены ямы: l = 5 нм и ширины провала: а = 9,75 нм будут достигнуты оптимальные характеристики КЯ (выделены жирным наиболее оптимальные результаты).

Разность энергий между основным слоем InGaAs и провалом InAs приведет к уменьшению энергии и мощности, чего невозможно получить при использовании бесконечной и конечной квантовых ямах и делает более выгодное использование именно ВЧГ на основе квантовых ям с провалом.

Вывод. Введение нового слоя InAs в квантовую яму приведет к снижению энергетических уровней и позволит носителям заряда резонировать при более низких значениях энергии, что увеличивает скорость прохождения носителей через область квантовой ямы. Это существенно улучшает быстродействие генерации, а также снижает потребляемую мощность в несколько раз по сравнению с применяемыми устройствами.

Снижение энергетического уровня повышает частоту переключения высокочастотных генераторов и уменьшает потребляемую мощность, вследствие чего меньше перегрев, уменьшаются энергетические затраты на работу приборов и увеличивается скорость работы оборудования, что увеличивает срок службы медицинских комплексов, а также поток пациентов. Заметим также, что чем меньше воздействует на пациента электрический ток, тем меньше вероятность возникновения побочных эффектов.

Литература:

  1. Development of high frequency generator for bipolar electrosurgical unit / A. I. Alzaidi [et. al.] // International Journal of Engineering & Technology. — 2018. — V. 7 (2.29). — P. 20–23.
  2. Неробеев, А. И. К вопросу об актуальности и перспективности применения высокочастотных токов радиоволнового диапазона в эстетической медицине / А. И. Неробеев, А. В. Аликова // Вестник эстетической медицины. — 2010. — Т. 9, № 4. — С. 80–88.
  3. Иванов, М. Г. Как понимать квантовую механику / М. Г. Иванов — Москва: Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2012. — 516 с.
  4. Дымников, В. Д. Уровни энергий в квантовой яме с прямоугольными стенками сложной формы / В. Д. Дымников, О. В. Константинов // Физика и техника полупроводников. — 1995. — Т. 29, вып. 1. — С. 133–139.
  5. Заворотний, А. А. Энергетический спектр и волновая функция основных носителей заряда в резонансно-туннельных диодах, имеющих усложненный профиль легирования / А. А. Заворотний, В. Р. Миронова. — Текст: непосредственный // Молодой ученый. — 2023. — № 25 (472). — С. 6–10.
  6. Филиппов, В. В. Энергетический спектр носителей заряда в структурах наноэлектроники / В. В. Филиппов, А. А. Заворотний, С. В. Мицук. — Липецк: ЛГПУ, 2012. — 72 с.
Можно быстро и просто опубликовать свою научную статью в журнале «Молодой Ученый». Сразу предоставляем препринт и справку о публикации.
Опубликовать статью
Ключевые слова
резонансно-туннельные диоды (РТД)
квантовая яма
энергетический спектр
волновая функция
плотность вероятности
Молодой учёный №42 (489) октябрь 2023 г.
Скачать часть журнала с этой статьей(стр. 1-4):
Часть 1 (стр. 1-71)
Расположение в файле:
стр. 1стр. 1-4стр. 71

Молодой учёный