[논문 리뷰] Noise and charge discreteness as ultimate limit for the THz operation of ultra-small electronic devices

Enrique Colomés, J. Mateos외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 01.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 58인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 초소형 전자 소자에서 타이어터즈(Terahertz, THz) 작동의 근본적 한계로 전하 이산성과 양자 노이즈를 규명한다. 보헴 양자역학적 궤적을 사용해 다중 시간 양자 측정을 모델링함으로써, 저자들은 기하급수적으로 증가하는 노이즈를 보여주는 분석적 노이즈 모델을 유도한다. 이는 소자의 부피가 작아질수록 THz 노이즈가 무한히 증가함을 의미하며, 초소형 THz 소자는 물리적으로 실현 불가능함을 시사한다. 즉, 초소형 크기 또는 THz 작동 중 하나만 가능하며, 둘 다 동시에 이룰 수는 없다.

ABSTRACT

Altres ajuts: Consejería de Educación de la Junta de Castilla y León (project SA254P18)

연구 동기 및 목표

• 초소형 전자 소자에서 타이어터즈(THz) 주파수로 작동할 때 전자 전하 이산성에서 기인하는 내재적 노이즈를 규명하고 분석하는 것.
• 초소형 소자에서 다중 시간 양자 측정을 모델링하는 데 있어 이론적 및 계산적 프레임워크의 부족 문제를 해결하는 것.
• 접촉 노이즈가 없는 이상적인 조건(예: 접촉 저항 없음)에서도 소자 부피가 감소함에 따라 THz 노이즈가 제어 불가능해지는 것을 보여주는 것.
• 초소형 치수로의 스케일링 전략이 효과적인 THz 작동을 달성하는 것과 상호 배타적임을 입증하는 것.
• 이 기초 양자 한계를 드러내어 미래의 THz 소자 설계에 물리적으로 타당한 근거를 제공하는 것.

제안 방법

• 전자 궤적을 통해 타이어터즈 주파수에서의 전류 측정을 양자 측정으로 모델링하기 위해 보헴 역학을 적용한다.
• 조건부 파동함수에서 유도된 전자 이행 시간과 샘플링 통합 시간을 바탕으로 분석적 THz 노이즈 모델을 개발한다.
• 비틀림-스케일링 기반의 시뮬레이터(BITLLES)를 사용해 양자 궤적에서 전류 자기상관 및 노이즈를 계산함으로써 고전적 또는 정상 상태 근사에 의존하지 않는다.
• 스chrödinger 방정식이 아닌 디랙 방정식에 의해 지배되는 그래핀과 같은 디랙 기반 시스템에 이 형식을 적용한다.
• 환경 효과를 약한 측정 모델(즉, Ba ≡ 0로 설정)을 통해 근사함으로써, 접촉 기여가 아닌 내재적 소자 노이즈에 집중한다.
• 반사적 모델을 반사적 및 전체 양자 시간 의존 몬테카를로 시뮬레이션과 비교하여 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 전하 이산성으로 인해 초소형 전자 소자에서 타이어터즈 작동의 근본적 한계는 무엇인가?
• RQ2 전자 전하의 이산성은 소자 부피가 감소함에 따라 어떻게 무한히 증가하는 THz 노이즈를 초래하는가?
• RQ3 초소형 소자에서 타이어터즈 주파수에서의 전류 변동을 일관된 양자역학적 프레임워크로 모델링할 수 있는가?
• RQ4 기존의 시뮬레이션 방법은 다중 시간 양자 측정에서 기인하는 노이즈를 어느 정도 제대로 포착하지 못하는가?
• RQ5 초소형 스케일링을 위한 설계를 한 소자에서 실용적인 타이어터즈 작동을 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 초소형 소자의 활성 영역 부피가 감소함에 따라 전하 이산성으로 인해 THz 노이즈가 무한히 증가한다.
• 접촉 노이즈 원천(예: 접촉 저항)이 없는 이상적인 조건에서도 내재적 양자 노이즈가 초소형 소자에서 효과적인 THz 작동을 방해한다.
• 보헴 궤적에서 유도된 분석적 노이즈 모델은 반사적 및 전체 양자 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 정확히 노이즈 수준을 예측함을 확인하였다.
• 모델은 활성 영역에 몇 개의 전자만 존재할 경우 타이어터즈 주파수에서 신호 대 노이즈비(SNR)가 참으로 낮아져 수용 불가능한 수준에 이르게 된다는 것을 보여준다.
• 초소형 소자는 타이어터즈 주파수에서 효과적으로 작동할 수 없으며, 타이어터즈 소자도 초소형으로 만들 수 없다. 이 두 목표는 본질적으로 상호 배타적이다.
• 약한 측정 근사(Ba ≡ 0)를 사용하면 보수적인 추정치를 제공하므로, 실제 세계의 노이즈는 예측된 것보다 더 악화될 수 있다.