6.1.1 Die Methode von Bandyopadhyay



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6.1.1 Die Methode von Bandyopadhyay

Zur Bestimmung dieser verallgemeinerten Drift-Diffusionsgleichung und der darin vorkommenden Koeffizienten wird in [4] von der Boltzmanngleichung und der daraus unmittelbar ableitbaren Impulserhaltungsgleichung ausgegangen. Analog zu Abschnitt 4.2.1 setzt man in die verallgemeinerte Bilanzgleichung 4.13 für die Observable die Impulskomponente ein und gelangt so zur Impulserhaltungsgleichung in der allgemeinen Form,

 

Der Term in großen Klammern auf der linken Seite kann als äußere treibende Kraft interpretiert werden, die die Drift der Elektronen verursacht. Der rechte Term beschreibt die örtliche Impulsabgaberate der Elektronen an das Gitter, die durch die Streuprozesse bestimmt wird. Motiviert durch die linke Seite dieser Gleichung kann man nun folgende Stromgleichung ansetzen,

 

Der formale Unterschied zu der erweiterten Drift-Diffusionsstromgleichung 4.28 besteht lediglich darin, daß wir aus Gründen der Allgemeinheit noch die Tensoreigenschaften der Koeffizienten mitführen. Die Koeffizienten in dieser Gleichung hängen von der Verteilungsfunktion ab, sie sind also Funktionale von und können nun in den kritischen Bereichen eines Bauelementes, wo starke Feldgradienten vorherrschen, mit Hilfe der Monte-Carlo-Methode berechnet werden. Zu diesem Zweck wird in der Originalarbeit [4] vorgeschlagen, die ersten drei Momente auszuwerten :

nulltes Moment (Trägerkonzentration)

erstes Moment (Driftgeschwindigkeit)

zweites Moment (Energietensor)

 

Die gesuchten Bestimmungsgleichungen für die Koeffizienten und können dann einfach durch Einsetzen dieser Mittelwerte in die Impulserhaltungsgleichung 6.2 und anschließenden Vergleich mit den Stromgleichungen 6.1 und 6.3 ermittelt werden,

 

 

Die Idee ist also, die Monte-Carlo-Ergebnisse und in die Drift-Diffusionskoeffizienten und umzurechnen, um mit diesen Koeffizienten das Bindeglied zwischen dem Monte-Carlo- und dem Drift-Diffusionsmodell zu erhalten. Die Stromgleichung 6.3 kann nun für die Bauelementsimulation verwendet werden, wobei nun und aus einer Monte-Carlo-Rechnung stammen.

Diese Art der Herleitung der Koeffizienten für die Transportgleichung aus den ersten drei Momenten beweist die Allgemeingültigkeit dieser Methode. So gehen die Modelle für die Streuraten und die Bandstruktur, in welcher Komplexität sie auch immer gehalten sein mögen, über die Verteilungsfunktion direkt in die Momente und damit in die Transportkoeffizienten ein.

Die Koeffizienten und haben im Nichtgleichgewichtsfall keine unmittelbare physikalische Bedeutung. Sie sind lediglich so definiert, daß die Stromgleichung 6.3 die Monte-Carlo-Ergebnisse reproduziert. In [4] wird darauf hingewiesen, daß auch andere Stromgleichungen denkbar wären. Für diese ließen sich ebenfalls Kopplungskoeffizienten derart definieren, daß die Monte-Carlo-Ergebnisse exakt reproduziert werden. Die Stromgleichung 6.3 ist jedoch dadurch ausgezeichnet, daß sie bei Annäherung an das thermodynamische Gleichgewicht in die klassische Drift-Diffusionsstromgleichung übergeht. In diesem Limes bekommen die Koeffizienten und die Bedeutung einer physikalischen Beweglichkeit beziehungsweise eines physikalischen Diffusionskoeffizienten.

Die allgemeine Stromgleichung 6.3 gibt daher sowohl den Nichtgleichgewichtsfall wieder, indem sie einfach die Monte-Carlo-Ergebnisse nachbildet, als auch den Gleichgewichtsfall, welchen sie mit der ohmschen Beweglichkeit

und der Temperaturspannung im Gleichgewicht

von sich aus wiedergibt.

Aus diesen Betrachtungen wird ein weiterer Vorteil dieses hybriden Modells erkennbar. Nachdem sowohl die Hoch- als auch die Niederfeldgebiete eines Bauelementes mit ein und derselben Stromgleichung behandelt werden, tritt für die in dieser Gleichung vorkommenden Größen und , also für die ersten beiden Momente, das Problem der Übergangsbedingungen erst gar nicht auf. Für und ist der stetige Übergang somit automatisch gegeben, für die Koeffizienten und ist er auf Grund der oben diskutierten, physikalisch sinnvollen Wahl von Gleichung 6.3 ebenfalls erfüllt.



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Martin Stiftinger
Wed Oct 12 11:59:33 MET 1994