[论文解读] Electron-Phonon Scattering in Planar MOSFETs: NEGF and Monte Carlo Methods

Himadri S. Pal, Dmitri E. Nikonov+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 21, 2012

Semiconductor materials and devices参考文献 25被引用 4

一句话总结

本文提出了一种计算高效的形式化方法，通过近似横向动量模式求和，将电子-声子散射引入平面 MOSFET 的非平衡格林函数（NEGF）框架中，实现了从纳米尺度到微米尺度器件尺寸的量子输运与耗散性散射的精确模拟。该方法在不同沟道长度和偏置条件下与蒙特卡罗模拟结果表现出极佳的一致性，验证了其在弹性与非弹性散射过程中的有效性。

ABSTRACT

A formalism for incorporating electron-phonon scattering into the nonequilibrium Green's function (NEGF) framework that is applicable to planar MOSFETs is presented. Restructuring the NEGF equations in terms of approximate summation of transverse momentum modes leads to a rigorous and efficient method of solution. This helps to drastically reduce the computational complexity, allowing treatment of both quantum mechanics and dissipative electron-phonon scattering processes for device sizes from nanometers to microns. The formalism is systematically benchmarked against Monte Carlo solutions of the classical Boltzmann transport for model potential profiles. Results show a remarkably close agreement between the two methods for variety of channel lengths and bias conditions, both for elastic and inelastic scattering processes.

研究动机与目标

• 开发一种严格且计算高效的 NEGF 方法，用于将电子-声子散射纳入平面 MOSFET 的 NEGF 框架中。
• 在保持量子输运中非弹性散射建模精度的同时，降低 NEGF 模拟的计算复杂度。
• 通过使用横向动量模式近似重新表述 NEGF 方程，实现从纳米尺度到微米尺度器件尺寸的广泛尺寸范围的器件行为模拟。
• 针对不同势垒分布，系统性地将 NEGF 方法与经典玻尔兹曼输运方程的蒙特卡罗解进行对比基准测试。
• 在多种偏置和沟道长度条件下，验证该方法在弹性与非弹性电子-声子散射过程中的有效性。

提出的方法

• 通过近似横向动量模式的求和，重构 NEGF 形式化方法，显著降低计算复杂度。
• 该方法在 NEGF 框架内保持了对电子-声子散射的严格处理，能够精确建模耗散性过程。
• 该方法允许在真实散射速率和势垒分布下，对平面 MOSFET 中的量子输运进行模拟。
• 该形式化方法通过与经典玻尔兹曼输运方程的蒙特卡罗解进行对比，针对模型势垒分布进行了基准测试。
• 在多种器件长度和偏置条件下进行对比，以评估在弹性与非弹性散射区域中的精度。
• 通过利用横向模式近似，该方法实现了从纳米尺度到微米尺度器件的可扩展模拟。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在平面 MOSFET 的 NEGF 框架中，准确且高效地引入电子-声子散射？
• RQ2 NEGF 中的横向动量模式近似是否在降低计算成本的同时保持了精度？
• RQ3 NEGF 方法在电子-声子散射下与蒙特卡罗模拟在经典玻尔兹曼输运中的结果一致性如何？
• RQ4 所提出的方法能否在不同沟道长度和偏置条件下，准确模拟弹性与非弹性散射过程？
• RQ5 该形式化方法下的 NEGF 方法是否可扩展至从纳米尺度到微米尺度的器件尺寸？

主要发现

• 采用横向动量模式近似的 NEGF 方法在显著降低计算复杂度的同时，保持了高精度。
• 该形式化方法在广泛范围的沟道长度和偏置条件下，与蒙特卡罗解表现出极高的接近度。
• 该方法能够准确捕捉平面 MOSFET 中的弹性与非弹性电子-声子散射过程。
• 基准测试结果证实了 NEGF 方法在真实器件几何结构中模拟具有耗散性散射的量子输运的有效性。
• 该方法实现了从纳米尺度到微米尺度器件尺寸的可靠模拟，弥合了计算器件建模中的关键空白。
• NEGF 与蒙特卡罗结果在不同势垒分布和工作条件下的一致性，验证了该方法的可靠性。