El programa de transporte cinético de Fermi modela mejor los dispositivos semiconductores de alta velocidad, según un estudio

Dispositivos electrónicos fabricados con nitruro de galio semiconductor para revolucionar las comunicaciones inalámbricas. Pueden operar a velocidades y temperaturas más altas que los dispositivos hechos de silicio, por lo que pueden usarse para controlar las ondas de radio de mayor frecuencia necesarias para una transferencia de datos de mayor ancho de banda y más rápida. Además, su capacidad para soportar temperaturas mucho más bajas los hace prometedores para su uso en computación cuántica. Sin embargo, para aprovechar todo el potencial del material, se necesitan herramientas precisas de modelado y simulación para guiar a los científicos e ingenieros en el diseño de nuevos dispositivos.

El grupo de investigación de Shaloo Rakheja, profesor de ingeniería eléctrica e informática en la Universidad de Illinois Urbana-Champaign, colaboró ​​con los ingenieros del Laboratorio de Investigación de la Fuerza Aérea Nicholas Miller y Matt Grupen para estudiar dos herramientas de simulación de semiconductores: un paquete de software de hidrodinámica comercial y el Solucionador de transporte de cinética de Fermi desarrollado por Grupen.

Su artículo, nombrado elección del editor en el Revista de Física Aplicadainforma que el solucionador de cinética de Fermi tiene propiedades matemáticas que le permiten manejar mejor las condiciones extremas en las que operarán los dispositivos de nitruro de galio.

«Esta es la primera vez que se realiza una comparación directa entre el programa comercial de última generación y un código de investigación desarrollado a medida», dijo Rakheja. «Es importante que la comunidad de semiconductores comprenda las fortalezas y limitaciones de cada uno».

Según Rakheja y Miller, la diferencia más importante entre los dos programas es cómo modelan el flujo de calor electrónico. El paquete comercial utiliza la ley de Fourier, un modelo empírico que no necesariamente funciona bien para los semiconductores, mientras que el solucionador de transporte de cinética de Fermi utiliza principios termodinámicos más fundamentales para este propósito. Los investigadores creen que esto explica las diferentes predicciones que hace cada programa.

«Existe una fuerte conexión entre la física subyacente y el comportamiento de cada programa», dijo Rakheja, «y queríamos explorar eso en el contexto de una tecnología de dispositivos que es muy relevante hoy en día: el nitruro de galio».

Para comparar los dos códigos, los investigadores simularon un transistor elemental de nitruro de galio con cada uno. Descubrieron que los dos programas dieron resultados similares en condiciones de operación modestas. Sin embargo, cuando introdujeron grandes señales transitorias del tipo esperado en aplicaciones de alta velocidad, obtuvieron resultados inesperados para la temperatura de los electrones del paquete comercial. Predijo que en escalas de tiempo cortas la temperatura de los electrones caería por debajo de la temperatura ambiente, mientras que el solucionador de cinética de Fermi proporcionó perfiles de temperatura más consistentes.

Además, cuando examinaron la tasa de convergencia, un indicador matemático de la autoconsistencia de la simulación, de cada uno, el solucionador de cinética de Fermi convergió más rápido. Los investigadores concluyeron a partir de esto que el solucionador de cinética de Fermi es más robusto desde el punto de vista computacional.

El grupo de Rakheja ahora está utilizando la solidez del solucionador para simular más dispositivos de nitruro de galio. Su objetivo es comprender cómo se calienta el material a medida que opera a altas velocidades y utilizar esta información para diseñar dispositivos que aprovechen al máximo las propiedades del material.

«El nitruro de galio realmente ha cambiado las reglas del juego», dijo Miller. «A medida que la tecnología continúa evolucionando hacia formas más sofisticadas, un componente crítico del ciclo de desarrollo es el modelado y la simulación de los transistores».