بخشی از مقاله
چکیده -
در این منبع تراهرتز با استفاده از دو اتصال شاتکی نامتقارن بر روی لایه ای از جنس بلور GaN، میدان داخلی لازم را ایجاد کرده ایم. با این کار نیاز به بایاس خارجی حذف میگردد، که یکی از مزایای این ساختار است. سپس با تابش یک پالس زمانی گوسی باریک با طول موج 350 nm بر روی نیمه هادی باعث تولید حاملها درون منطقه فعال میشویم. تغییرات زمانی سریع پالس ورودی عامل تولید فرکانس های بالا در جریان تراهرتز تولیدی میباشد. این جریان متغیر با زمان باعث تولید و انتشار میدان تراهرتز به سمت کف افزاره میگردد. در این مقاله، شبیه سازیها دو بعدی و به روش عنصر متناهی انجام میشود.
-1 مقدمه
یکی از روش های تولید امواج تراهرتز استفاده از آنتن های نوررسانا میباشد. در این روش بر روی بستری از جنس ماده نور رسانا پالسی با انرژی بزرگتر از گاف انرژی نیمه هادی بر روی آن میتابانیم. این نور تابیده شده باعث تولید حامل ها درون منطقه فعال میشود. این حاملها با استفاده از میدان الکتریکی حرکت کرده و باعث تولید موج تراهرتز میگردند
مشکل اصلی این روش تولید، نیاز به بایاس های در حدود چند کیلوولت در افزاره های با سطح نورگیر بزرگ و یا احتمال اتصال کوتاه شدن در افزارههای شانهای میباشد. همانگونه که در مقالات پیشین نشان داده شده است[2]، منبع نوررسانا بدون بایاس با اتصالات شاتکی با ارتفاع سد متفاوت، می توانند به خوبی حاملهای نوری تولید شده را جداسازی کرده و باعث حرکت حاملها با سرعت زیاد به سمت اتصالات فلزی شود. در عین حال از امکان اتصال کوتاه شدن افزاره نیز جلوگیری نماید.
-2 معادلات حاکم
با تابیدن نور لیزر بر روی افزاره، جفت الکترون- حفره در داخل نیمه هادی تولید میشود. برای یک لیزر گوسی با طول موج 350 nm و پهنای زمانی 100 fs، توزیع شدت در داخل افزاره، با حل معادلات ماکسول و سپس بدست آوردن بردار پوینتینگ - sav - 1 از رابطه - 1 - ، حاصل می شود:
که در آن h ثابت پلانک طول موج نور و بازدهی کوانتومی میباشد. پس از محاسبه نرخ حاملهای تولید شده، این نرخ را در معادلات انتقال حاملها به کار می-بریم و با استفاده از آن جریان تراهرتز و میدانهای الکتریکی در حوالی منطقه فعال را محاسبه مینماییم. در این مقاله از مدل Drift-Diffusion برای محاسبه جریان تراهرتز نوری استفاده شده است.
-3 ساختار افزاره
در شکل-1 نمای دو بعدی از افزارهی بدون بایاس برای تولید موج تراهرتز نمایش داده شده است. در این افزاره با استفاده از دو فلز متفاوت که بین آنها یک لایه عایق وجود دارد، یک جفت سد شاتکی با ارتفاع متفاوت بر روی بستری از جنس GaN ایجاد نموده ایم.
شکل -1 ساختار یک سلول از افزاره
بر روی این افزاره یک پالس نوری به طول موج 350 nm میتابانیم. حاملهای تولید شده در داخل افزاره تحت میدان ناشی از اختلاف ارتقاع سد شاتکی درون افزاره حرکت کرده و جریان تراهرتز را تولید مینمایند. در جدول زیر متغیر های به کار رفته در شبیه سازی، به نمایش درامده است.
جدول .1 متغیر های شبیه سازی افزاره
که E و H به ترتیب فازورهای میدان الکتریکی و مغناطیسی نوری میباشند. توزیع چگالی توان W از رابطه - 2 - محاسبه میشود و در نهایت متوسط نرخ تولید حاملها - - Gav از رابطه - 3 - محاسبه میگردد:
-4 نتایج شبیه سازی
همانطور که پیشتر گفته شد، در این افزاره از دو فلز با سد شاتکی متفاوت استفاده شده است. اکنون با بررسی الکترواستاتیک افزاره به دلیل استفاده از سد شاتکی نامتقارن میپردازیم. در شکل -2الف نوار هدایت برای حالتی که هر دو فلز یکسان هستند و سد شاتکی هر دو = 1,11eV میباشد و در قمست-2ب حالتی که فلز M 2 سد شاتکی معادل=0,56 eV دارد برای y=1 nm رسم گردیده است.
شکل-2نوار هدایت - الف - برای دو فلز مشابه - ب - زمانی که دو فلز متفاوت باشند
شکل-3میدان الکتریکی در دو راستا - الف - برای دو فلز مشابه - ب - زمانی که دو فلز متفاوت باشند
شکل-4منطقه مجاز برای انتخاب فاصله بین دو اتصال و اختلاف سد شاتکی
و در شکلهای -3الف و3 -ب میدانهای الکتریکی متناظر با شکل-2 را میبینیم. همانگونه که از شکل مشخص است. وقتی هردوفلز یکسان هستند،جهت میدان الکتریکی به شکلی میگردد که جریان های تولیدی در دو طرف اتصالات در خلاف جهت یکدیگر حرکت کرده و یکدیگر را خنثی میکنند. در حالی که وقتی هر دو فلز متفاوت اند جریان ها در جهت یکدیگر بوده و یکدیگر را تقویت می-کنند. از طرف دیگر اندازهی میدان الکتریکی نیز بسیار بزرگتر میگردد. پس از این مرحله با تغییر فاصله بین دو اتصال و اندازه ارتفاع سد شاتکی ها ناحیه مجاز برای طراحی را به دست میآوریم. در مورد GaN حداکثر میدان الکتریکی مجاز قبل از شکست الکتریکی V m 330 میباشد که در شکل-4 با خط چین مشخص شده است.
پس از انتخاب بهترین ناحیه، که مشخصات آن در جدول-1 اورده شده است. نرخ تولید حامل ها در اثر تابش پالس را محاسبه میکنیم. این نرخ در شکل 5- قابل مشاهده است. همانگونه که از شکل میبینیم نرخ تولید حاملها در لبه فلزات به بیشترین مقدار خود میرسد، که دقیقا در نقطه ای است که بیشترین میدان الکترو استاتیک در آن قرار دارد. پس از محاسبه نرخ تولید حاملها با به کار بردن معادلات جریان، جریان درون افزاره را محاسبه می-کنیم. با توجه به این که طول موج جریان ایجاد شده داخل افزاره بسیار بزرگتر از طول افزاره است، میتوان بدون در نظر گرفتن اختلاف فاز در جریان های نقاط مختلف داخل افزاره آنها را با هم جمع کرد. در شکل-6 جریان را مشاهده میکنیم.
