基于AlGaAs/InGaAs弹道场效应晶体管的等离子体振荡器的研究

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近年来随着太赫兹(terahertz)技术的快速发展,太赫兹信号源逐渐成为研究热点。目前应用于高频领域的半导体固态信号源有耿氏二极管(GunnDiode)、共振隧穿二极管(RTD)及崩越二极管(ImpattDiode)等,但是传统的半导体器件由于受传输时间的限制在太赫兹领域难以有大的作为。我们发现在短沟道弹道场效应晶体管(BallisticFET)中,电子的行为特性类似于浅水流体(shallowwater),沟道电子流可能产生流体动力学(hydrodynamic)现象。在特定的边界条件下,直流偏置的弹道场效应晶体管的沟道电子流表现出不稳定特性,这种不稳定性最终导致等离子体振荡(plasmaoscillation)的发生。本文就是在这样的背景下通过理论分析和仿真计算对弹道场效应晶体管沟道内电子流的行为特性展开研究。我们首先利用理论分析的手段,用流体动力学方程对沟道电子流的线性理想情况加以描述,阐述了等离子体振荡的产生过程,分别给出了振荡增量(oscillationincrement)和振荡频率与直流偏置的关系。然后分析了非线性情况下电子流的行为特性,对线性理想方程予以修正,引进电子流黏性(viscosity)和杂质散射对振荡的抑制作用。把等离子体振荡分为两种模式,大增量(highincrement)模式和小增量(smallincrement)模式,分别对两种模式振荡下的振幅和频率进行了理论分析。本文的价值体现在建立了一个精确的数学计算模型用以仿真AlGaAs/InGaAs弹道场效应晶体管沟道中等离子体振荡的形成过程,并以此分析电子流的流体动力学特性。模型的建立以流体动力学方程为基础,通过Matlab编程实现。仿真结果显示,在特定的边界条件下,直流偏置的弹道场效应晶体管可以产生交流信号,其频率可以达到太赫兹。我们分别对小增量模式和大增量模式的振荡作了仿真分析,计算了振荡的振幅和频率。所有的计算值都与现有的理论值进行比较,证明了仿真方法的准确性。通过我们的仿真模型可以对等离子体振荡效应展开进一步的研究,为发展太赫兹辐射源理论提供有用的数据。
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