Elektronu igreitejimo stipriame elektriniame lauke itaka fotolaidžios terahercu antenos savybems

Elektronu igreitejimo stipriame elektriniame lauke itaka fotolaidºios terahercu antenos savybems Gediminas lekas 2019 05 07 VGTU Matematinio Modeliavimo Katedros seminaras 1 / 42

Padeka Podoktorant uros staºuote nansuojama Europos socialinio fondo le²omis pagal priemon "Mokslininku, kitu tyreju, studentu mokslines kompetencijos ugdymas per praktin mokslin veikl ". Projekto Nr. 9.3.3-LMT-K-712-02-0037. 2 / 42

Planas 1. Terahercu spinduliuote 2. Fotolaidi THz antena 3. Matematiniaizikiniai modeliai 4. Sprendimo metodai 5. Modeliu palyginimas 3 / 42

Iºanga Motyvacija Antena Skai iavimo metodai Rekombinacijos itaka Impulso trukmes itaka Elektromagnetiniu bangu spektras 4 / 42

Terahercu savybes Maºas bangos ilgis (0.1 mm 1 mm ) Nejonizuoja medºiagos atomu Stipriai absorbuojami vandens garu S veikauja su molekuliu rotaciniais ir vibraciniais spektrais Gerai sklinda per dielektrikus 5 / 42

THz panaudojimas Skenavimui per drabuºius ar ipakavimus Defektu nustatymui Medicininei diagnostikai Cheminiu medºiagu aptikimui Puslaidininkiu savybiu tyrimui Telekomunikacijai 6 / 42

Panaudojimo problemos X.-C. Zhang, Jingzhou Xu, Introduction to THz Wave Photonics, Springer 2010. šemas antenu efektyvumas Stipri absorbcija atmosferoje Ribotas supratimas apie THz generavimo proces Tiksliu antenu teoriniu modeliu tr ukumas 7 / 42

Fotolaidi antena 8 / 42

Veikimo principas 9 / 42

Elektronu igreitejimas stipriame elektriniame lauke S. Teitel, J. Wilkins, Ballistic transport and velocity overshoot in semiconductors: Part I; Uniform eld eects, IEEE Transactions on Electron Devices, 1983. 10 / 42

Multizika Boltzman'o kinetine lygtis n := n(r, p, t) n + p n n + ee t m p = S(n) j(r, t) = e p n(r, p, t)dp. m Maxwell'o lygtys E = 1 [ H j] t ε H = 1 µ E t 11 / 42

Du sprendimo b udai 1. Deterministiniai modeliai paremti diferencialin emis lygtimis BKL aproksimacijos neºinomieji - b usenu tankio funkcijos momentai sumaºinta uºdavinio dimensija maºiau kompiuterio resursu lygtyse yra neºinomu parametru 2. Monte Carlo metodas stochastinis modeliuojamas daleliu ansamblis iskaitomi pagrindiniai sklaidos mechanizmai koordinates, impulso ir energijos kitimas laike tiksliausias metodas reiklus kompiuterio resursams 12 / 42

Bolcmann'o kinetines lygties momentai n t + k m n + ee n k = S(n) n(r, t) = n(r, k, t) dk j(r, t) = 1 kn(r, k, t) dk m ɛ(r, t) = 1 k 2 n(r, k, t) dk 2m 13 / 42

Dreifo-difuzijos modelis n(x, t) = 1 j(x, t) ακi (x, t) + t e x ω n(x, t) j(x, t) = eµ E0n(x, t) + ed n x. n(x, t) τ r, 14 / 42

Normuoti dydºiai kur I = I I 0, n = n n 0, j = j j 0, E 0 = U 0 d, n 0 = ακi 0τ r ω, j 0 = eµn 0 E 0. 15 / 42

Normuotos lygtys pagal parametrus LTG-GaAs n(x, t) = 1 10 3 j(x, t) + I (x, t) n(x, t), t x j(x, t) = n(x, t) E0 + 5 10 4 n(x, t). x 16 / 42

Homogeni²kos relaksacijos modelis (ODE) n(t) = I (t) n(t), t j(t) = eµe0n(t). 17 / 42

Monte Carlo metodas. BKL sklaidos narys S(n) = k [ n t + p m n + ee n p = S(n) n(r, k, t)p(k, k) n(r, k, t)p(k, k ) ] d 3 k d 3 k P(k, k )d 3 k dt daleles sklaidos tikimybe i² b usenos su impulsu p i b usen su impulsu p. 18 / 42

Dominuojantys sklaidos mechanizmai LTG-GaAs Jonizuotos priemai²os Deformaciniai akustiniai fononai Poliariniai optiniai fononai Tarpslenine sklaida 19 / 42

GaAs energetiniu zonu strukt ura 20 / 42

Elektronu dinamika be jonizuotu priemai²u 21 / 42

Elektronu dinamika su jonizuotomis priemai²omis 22 / 42

Sroves tankio skai iavimas Kiekviena dalele turi: Koordinat Impuls Energij v drift (x, t) = 1 v i (x, t) x 0 N j MC = e v drift (x, t) n(x, t) j DD = eµe0 n(t) i 23 / 42

Modeliu parametrai j MC = e v drift (x, t) n(x, t) j DD = eµe0 n(t) 1. Monte Carlo Ni jonizuotu priemai²u koncentracija τ elektronu rekombinacijos laikas 2. ODE µ elektronu judris τ elektronu rekombinacijos laikas 24 / 42

Rekombinacijos laikas LTG-GaAs τ = 1 σ n N D ν th, σ n = 1.1 10 13 cm 2 elektronu pagavimo skerspj uvis Be legiruotame LTG-GaAs N D Be koncentracija ν th = 4 10 9 cm 2 elektronu ²iluminis greitis. N i = (N D + N A ), N e = (N D N A ) = 10 17 cm 3. 25 / 42

MC ir ODE parametru s ry²is Rekombinacijos laiko priklausomybe nuo jonizuotu priem. koncentracijos Pritaikyta elektronu judrio verte 26 / 42

Fotosuºadintu elektronu dinamika Elektronu koncentracijos kitimas laike Dreinio grei io kitimas laike 27 / 42

Elektronu judrio priderinimas Daug jonizuotu priemai²u Maºai jonizuotu priemai²u 28 / 42

Fotosrove Fotosrove pagal MC modeli Fotosrove pagal ODE modeli 29 / 42

Fotosroves i²vestine Greita rekombinacija τ = 0.15 ps Greita rekombinacija τ = 2.23 ps 30 / 42

THz impulsas THz impulsas kai daug jon. priem. (τ = 0.15 ps) THz impulsas kai maºai jon. priem. (τ = 2.27 ps) 31 / 42

THz impulso spektras Daug jonizuotu priemai²u greita rekombinacija Maºai jonizuotu priemai²u leta rekombinacija 32 / 42

THz spektru palyginimas THz spektrai pagal MC modeli THz spektrai pagal ODE modeli 33 / 42

Tyrimas nuo elektronu rekombinacijos laiko τ Elektronu koncentracijos kitimas laike Dreinio grei io kitimas laike 34 / 42

THz spektrai Greita rekombinacija Leta rekombinacija 36 / 42

Fotosuºadintu elektronu dinamika prie skirtingos lazerio impulso trukmes Elektronu koncentracijos kitimas laike Dreinio grei io kitimas laike 37 / 42

THz spektru palyginimas Trumpo impulso THz spektras Ilgo impulso THz spektras 39 / 42

THz spektrai THz spektrai pagal MC modeli THz spektrai pagal ODE modeli 40 / 42

I²vados ODE modelis prognozuoja platesni THz impulso spektr auk²tuose daºniuose ODE modelio tikslumas maºeja: Maºejant jonizuotu priemai²u koncentracijai Ilgejant elektronu rekombinacijos trukmei Trumpejant lazerio impulsui Esant greitai rekombinacijai THz impulso spektras ºemuose daºniuose ODE ir MC modeliuose sutampa ODE modeli tam tikrais atvejais galima naudoti THz antenos optimizavimui 41 / 42

Dekoju uº demesi! 42 / 42