Quantum hydrodynamic models for semiconductors with and without collisions

In dieser Arbeit werden Quantum-Hydrodynamische (QHD) Modelle betrachtet, die ihren Einsatz besonders in der Modellierung von Halbleiterbauteilen finden. Das QHD Modell besteht aus den Erhaltungsgleichungen für die Teilchendichte, das Momentum und die Energiedichte, inklusive der Quanten-Korrekturen durch das Bohmsche Potential. Zu Beginn wird eine Übersicht über die bekannten Ergebnisse der QHD Modelle unter Vernachlässigung von Kollisionseffekten gegeben, die aus ein­em Schrödinger-System für den gemischten-Zustand oder aus der Wigner-Glei­chung hergeleitet werden können. Nach der Reformulierung der eindimensionalen QHD Gleichungen mit linearem Potential als stationäre Schrö­din­ger-Gleichung werden die semianalytischen Fassungen der QHD Gleichungen für die Gleichspannungs-Kurve betrachtet. Weiterhin werden die viskosen Stabilisierungen des QHD Modells be­rück­sich­tigt, sowie die von Gardner vorgeschlagene numerische Viskosität für das {sf upwind} Finite-Differenzen Schema berechnet. Im Weiteren wird das viskose QHD Modell aus der Wigner-Glei­chung mit Fokker-Planck Kollisions-Ope­ra­tor hergeleitet. Dieses Modell enthält die physikalische Viskosität, die durch den Kollision-Operator eingeführt wird. Die Existenz der Lösungen (mit strikt positiver Teilchendichte) für das isotherme, stationäre, eindimensionale, viskose Modell für allgemeine Daten und nichthomogene Randbedingungen wird gezeigt. Die dafür notwendigen Abschätzungen hängen von der Viskosität ab und erlauben daher den Grenzübergang zum nicht-viskosen Fall nicht. Numerische Simulationen der Resonanz-Tunneldiode modelliert mit dem nichtisothermen, stationären, eindimensionalen, viskosen QHD Modell zeigen den Einfluss der Viskosität auf die Lösung. Unter Verwendung des von Degond und Ringhofer entwickelten Quanten-Entropie-Minimierungs-Verfahren werden die allgemeinen QHD-Gleichungen aus der Wigner-Boltzmann-Gleichung mit dem BGK-Kollisions-Operator hergeleitet. Die Herleitung basiert auf der vorsichtige Entwicklung des Quanten-Max­well­ians in Potenzen der skalierten Plankschen Konstante. Das so erhaltene Modell enthält auch vertex-Terme und dispersive Terme für die Ge­schwin­dig­keit. Dadurch bleibt die Gleichspannungs-Kurve für die Re­so­nanz-Tunnel­diode unter Verwendung des allgemeinen QHD Modells in einer Dimension numerisch erhalten. Die Ergebnisse zeigen, dass der dispersive Ge­schwin­dig­keits-Term die Lösung des Systems stabilisiert.

Finite-time synchronization of tunnel-diode-based chaotic oscillators

This paper addresses the problem of finite-time synchronization of tunnel diode based chaotic oscillators. After a brief investigation of its chaotic dynamics, we propose an active adaptive feedback coupling which accomplishes the synchronization of tunnel-diode-based chaotic systems with and without the presence of delay(s), basing ourselves on Lyapunov and on Krasovskii-Lyapunov stability theories. This feedback coupling could be applied to many other chaotic systems. A finite horizon can be arbitrarily established by ensuring that chaos synchronization is achieved at a pre-established time. An advantage of the proposed feedback coupling is that it is simple and easy to implement. Both mathematical investigations and numerical simulations followed by PSPICE experiment are presented to show the feasibility of the proposed method.

Tunnel diode circuits coupled into transmission lines.

Mode of access: Internet.

Tunnel diode circuits based on lumped constant circuitry /

"This work was supported in part by the Office of Naval Research under Contract No. Nonr-1834(15)"

Tunnel diode circuit investigation.

At head of title: Final report, Project TUN.

Components and circuits for tunneling diode based high frequency sources

Terahertz (THz) technology has been generating a lot of interest because of the potential applications for systems working in this frequency range. However, to fully achieve this potential, effective and efficient ways of generating controlled signals in the terahertz range are required. Devices that exhibit negative differential resistance (NDR) in a region of their current-voltage (I-V ) characteristics have been used in circuits for the generation of radio frequency signals. Of all of these NDR devices, resonant tunneling diode (RTD) oscillators, with their ability to oscillate in the THz range are considered as one of the most promising solid-state sources for terahertz signal generation at room temperature. There are however limitations and challenges with these devices, from inherent low output power usually in the range of micro-watts (uW) for RTD oscillators when milli-watts (mW) are desired. At device level, parasitic oscillations caused by the biasing line inductance when the device is biased in the NDR region prevent accurate device characterisation, which in turn prevents device modelling for computer simulations. This thesis describes work on I-V characterisation of tunnel diode (TD) and RTD (fabricated by Dr. Jue Wang) devices, and the radio frequency (RF) characterisation and small signal modelling of RTDs. The thesis also describes the design and measurement of hybrid TD oscillators for higher output power and the design and measurement of a planar Yagi antenna (fabricated by Khalid Alharbi) for THz applications. To enable oscillation free current-voltage characterisation of tunnel diodes, a commonly employed method is the use of a suitable resistor connected across the device to make the total differential resistance in the NDR region positive. However, this approach is not without problems as the value of the resistor has to satisfy certain conditions or else bias oscillations would still be present in the NDR region of the measured I-V characteristics. This method is difficult to use for RTDs which are fabricated on wafer due to the discrepancies in designed and actual resistance values of fabricated resistors using thin film technology. In this work, using pulsed DC rather than static DC measurements during device characterisation were shown to give accurate characteristics in the NDR region without the need for a stabilisation resistor. This approach allows for direct oscillation free characterisation for devices. Experimental results show that the I-V characterisation of tunnel diodes and RTD devices free of bias oscillations in the NDR region can be made. In this work, a new power-combining topology to address the limitations of low output power of TD and RTD oscillators is presented. The design employs the use of two oscillators biased separately, but with the combined output power from both collected at a single load. Compared to previous approaches, this method keeps the frequency of oscillation of the combined oscillators the same as for one of the oscillators. Experimental results with a hybrid circuit using two tunnel diode oscillators compared with a single oscillator design with similar values shows that the coupled oscillators produce double the output RF power of the single oscillator. This topology can be scaled for higher (up to terahertz) frequencies in the future by using RTD oscillators. Finally, a broadband Yagi antenna suitable for wireless communication at terahertz frequencies is presented in this thesis. The return loss of the antenna showed that the bandwidth is larger than the measured range (140-220 GHz). A new method was used to characterise the radiation pattern of the antenna in the E-plane. This was carried out on-wafer and the measured radiation pattern showed good agreement with the simulated pattern. In summary, this work makes important contributions to the accurate characterisation and modelling of TDs and RTDs, circuit-based techniques for power combining of high frequency TD or RTD oscillators, and to antennas suitable for on chip integration with high frequency oscillators.

Towards formal verification of analog mixed signal designs using SPICE circuit simulation traces

An extension to a formal verification approach of hybrid systems is proposed to verify analog and mixed signal (AMS) designs. AMS designs can be formally modeled as hybrid systems and therefore lend themselves to the formal analysis and verification techniques applied to hybrid systems. The proposed approach employs simulation traces obtained from an actual design implementation of AMS circuit blocks (for example, in the form of SPICE netlists) to carry out formal analysis and verification. This enables the same platform used for formally validating an abstract model of an AMS design, to be also used for validating its different refinements and design implementation; thereby, providing a simple route to formal verification at different levels of implementation. The feasibility of the proposed approach is demonstrated with a case study based on a tunnel diode oscillator. Since the device characteristic of a tunnel diode is highly non-linear with a negative resistance region, dynamic behavior of circuits in which it is employed as an element is difficult to model, analyze and verify within a general hybrid system formal verification tool. In the case study presented the formal model and the proposed computational techniques have been incorporated into CheckMate, a formal verification tool based on MATLAB and Simulink-Stateflow Framework from MathWorks.

Frequency measurements of CD3OH and (CH3OH)-C-13 optically pumped far-infrared laser lines

We report the frequency measurements of 18 optically pumped far-infrared (FIR) laser lines generated from CD3OH and (CH3OH)-C-13. We use the heterodyne technique of mixing FIR laser radiations and microwave radiation on a metal-insulator-metal point-contact tunnel diode to determine the FIR laser frequencies. Two FIR laser systems, consisting of CO2 waveguide pump lasers and Fabry-Perot FIR laser cavities, were used as optical sources. (C) 1997 Optical Society of America.

Tunnel Junction AlGaInP Light Emitting Diode

The n-type GaAs substrates are used and their conductive type is changed to p-type by tunnel junction for AlGaInP light emitting diodes (TJ-LED), then n-type GaP layer is used as current spreading layer. Because resistivity of the n-type GaP is lower than that of p-type, the effect of current spreading layer is enhanced and the light extraction efficiency is increased by the n-type GaP current spreading layer. For TJ-LED with 3μm n-type GaP current spreading layer, experimental results show that compared with conventional LED with p-type GaP current spreading layer, light output power is increased for 50% at 20mA and for 66.7% at 100mA.

Shot Noise in a Spin-Diode Geometry

We apply the master equation technique to calculate shot noise in a system composed of single level quantum dot attached to a normal metal lead and to a ferromagnetic lead (NM-QD-FM). It is known that this system operates as a spin-diode, giving unpolarized currents for forward bias and polarized current for reverse bias. This effect is observed when only one electron can tunnel at a time through the dot, due to the strong intradot Coulomb interaction. We find that the shot noise also presents a signature of this spin-diode effect, with a super-Poissonian shot noise for forward and a sub-Poissonian shot noise for reverse bias voltages. The shot noise thus can provide further experimental evidence of the spin-rectification in the NM-QD-FM geometry.

Scanning tunneling microscope operating as a spin diode

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Numerische und analytische Untersuchungen stark korrelierter fermionischer Mehrbandsysteme

In dieser Arbeit werden vier unterschiedliche, stark korrelierte, fermionische Mehrbandsysteme untersucht. Es handelt sich dabei um ein Mehrstörstellen-Anderson-Modell, zwei Hubbard-Modelle sowie ein Mehrbandsystem, wie es sich aus einer ab initio-Beschreibung für ein korreliertes Halbmetall ergibt.rnrnDie Betrachtung des Mehrstörstellen-Anderson-Modells konzentriert sich auf die Untersuchung des Einflusses der Austauschwechselwirkung und der nicht-lokalen Korrelationen zwischen zwei Störstellen in einem einfach-kubischen Gitter. Das zentrale Resultat ist die Abstandsabhängigkeit der Korrelationen der Störstellenelektronen, welche stark von der Gitterdimension und der relativen Position der Störstellen abhängen. Bemerkenswert ist hier die lange Reichweite der Korrelationen in der Diagonalrichtung des Gitters. Außerdem ergibt sich, dass eine antiferromagnetische Austauschwechselwirkung ein Singulett zwischen den Störstellenelektronen gegenüber den Kondo-Singuletts der einzelnen Störstellen favorisiert und so den Kondo-Effekt der einzelnen Störstellen behindert.rnrnEin Zweiband-Hubbard-Modell, das Jz-Modell, wird im Hinblick auf seine Mott-Phasen in Abhängigkeit von Dotierung und Kristallfeldaufspaltung auf dem Bethe-Gitter untersucht. Die Entartung der Bänder ist durch eine unterschiedliche Bandbreite aufgehoben. Wichtigstes Ergebnis sind die Phasendiagramme in Bezug auf Wechselwirkung, Gesamtfüllung und Kristallfeldparameter. Im Vergleich zu Einbandmodellen kommen im Jz-Modell sogenannte orbital-selektive Mott-Phasen hinzu, die, abhängig von Wechselwirkung, Gesamtfüllung und Kristallfeldparameter, einerseits metallischen und andererseits isolierenden Charakter haben. Ein neuer Aspekt ergibt sich durch den Kristallfeldparameter, der die ionischen Einteilchenniveaus relativ zueinander verschiebt, und für bestimmte Werte eine orbital-selektive Mott-Phase des breiten Bands ermöglicht. Im Vergleich mit analytischen Näherungslösungen und Einbandmodellen lassen sich generische Vielteilchen- und Korrelationseffekte von typischen Mehrband- und Einteilcheneffekten differenzieren.rnrnDas zweite untersuchte Hubbard-Modell beschreibt eine magneto-optische Falle mit einer endlichen Anzahl Gitterplätze, in welcher fermionische Atome platziert sind. Es wird eine z-antiferromagnetische Phase unter Berücksichtigung nicht-lokaler Vielteilchenkorrelationen erhalten, und dabei werden bekannte Ergebnisse einer effektiven Einteilchenbeschreibung verbessert.rnrnDas korrelierte Halbmetall wird im Rahmen einer Mehrbandrechnung im Hinblick auf Korrelationseffekte untersucht. Ausgangspunkt ist eine ab initio-Beschreibung durch die Dichtefunktionaltheorie (DFT), welche dann durch die Hinzunahme lokaler Korrelationen ergänzt wird. Die Vielteilcheneffekte werden an Hand einer einfachen Wechselwirkungsnäherung verdeutlicht, und für ein Wechselwirkungsmodell in sphärischer Symmetrie präzisiert. Es ergibt sich nur eine schwache Quasiteilchenrenormierung. Besonders für röntgenspektroskopische Experimente wird eine gute Übereinstimmung erzielt.rnrnDie numerischen Ergebnisse für das Jz-Modell basieren auf Quanten-Monte-Carlo-Simulationen im Rahmen der dynamischen Molekularfeldtheorie (DMFT). Für alle anderen Systeme wird ein Mehrband-Algorithmus entwickelt und implementiert, welcher explizit nicht-diagonale Mehrbandprozesse berücksichtigt.rnrn

Simulationen zur Exzitonendiffusion in organischen Halbleitern

Die vorliegende Dissertation dient dazu, das Verständnis des Exzitonentransports in organischen Halbleitern, wie sie in Leuchtdioden oder Solarzellen eingesetzt werden, zu vertiefen. Mithilfe von Computersimulationen wurde der Transport von Exzitonen in amorphen und kristallinen organischen Materialien beschrieben, angefangen auf mikroskopischer Ebene, auf der quantenmechanische Prozesse ablaufen, bis hin zur makroskopischen Ebene, auf welcher physikalisch bestimmbare Größen wie der Diffusionskoeffizient extrahierbar werden. Die Modellbildung basiert auf dem inkohärenten elektronischen Energietransfer. In diesem Rahmen wird der Transport des Exzitons als Hüpfprozess aufgefasst, welcher mit kinetischen Monte-Carlo Methoden simuliert wurde. Die notwendigen quantenmechanischen Übergangsraten zwischen den Molekülen wurden anhand der molekularen Struktur fester Phasen berechnet. Die Übergangsraten lassen sich in ein elektronisches Kopplungselement und die Franck-Condon-gewichtete Zustandsdichte aufteilen. Der Fokus dieser Arbeit lag einerseits darauf die Methoden zu evaluieren, die zur Berechnung der Übergangsraten in Frage kommen und andererseits den Hüpftransport zu simulieren und eine atomistische Interpretation der makroskopischen Transporteigenschaften der Exzitonen zu liefern. rnrnVon den drei untersuchten organischen Systemen, diente Aluminium-tris-(8-hydroxychinolin) der umfassenden Prüfung des Verfahrens. Es wurde gezeigt, dass stark vereinfachte Modelle wie die Marcus-Theorie die Übergangsraten und damit das Transportverhalten der Exzitonen oftmals qualitativ korrekt wiedergeben. Die meist deutlich größeren Diffusionskonstanten von Singulett- im Vergleich zu Triplett-Exzitonen haben ihren Ursprung in der längeren Reichweite der Kopplungselemente der Singulett-Exzitonen, wodurch ein stärker verzweigtes Netzwerk gebildet wird. Der Verlauf des zeitabhängigen Diffusionskoeffizienten zeigt subdiffusives Verhalten für kurze Beobachtungszeiten. Für Singulett-Exzitonen wechselt dieses Verhalten meist innerhalb der Lebensdauer des Exzitons in ein normales Diffusionsregime, während Triplett-Exzitonen das normale Regime deutlich langsamer erreichen. Das stärker anomale Verhalten der Triplett-Exzitonen wird auf eine ungleichmäßige Verteilung der Übergangsraten zurückgeführt. Beim Vergleich mit experimentell bestimmten Diffusionskonstanten muss das anomale Verhalten der Exzitonen berücksichtigt werden. Insgesamt stimmten simulierte und experimentelle Diffusionskonstanten für das Testsystem gut überein. Das Modellierungsverfahren sollte sich somit zur Charakterisierung des Exzitonentransports in neuen organischen Halbleitermaterialien eignen.

Diesel bus emissions of submicrometer particles measured in a tunnel study

The emission factors of a bus fleet consisting of approximately three hundreds diesel powered buses were measured in a tunnel study under well controlled conditions during a two-day monitoring campaign in Brisbane. The number concentration of particles in the size range 0.017-0.7 m was monitored simultaneously by two Scanning Mobility Particle Sizers located at the tunnel’s entrance and exit. The mean value of the number emission factors was found to be (2.44±1.41)×1014 particles km-1. The results are in good agreement with the emission factors determined from steady-state dynamometer testing of 12 buses from the same Brisbane City bus fleet, thus indicating that when carefully designed, both approaches, the dynamometer and on-road studies, can provide comparable results, applicable for the assessment of the effect of traffic emissions on airborne particle pollution.