Coupled electron-hole transport phenomena in double-gate silicon

No Thumbnail Available

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Electrical Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2010

Department

Elektroniikan, tietoliikenteen ja automaation tiedekunta

Major/Subject

Elektronifysiikka

Mcode

S-69

Degree programme

Language

en

Pages

ix + 88

Series

Abstract

In this Thesis, coupled transport phenomena between two-dimensional electron and hole gases in double-gate silicon field-effect transistor devices are studied. These studies are enabled by an electron-hole bilayer that is induced into 22 nm thick silicon channel by strong push-pull double-gate voltage. We focus on two phenomena in this electron-hole bilayer system. The first explored phenomenon is electron-hole drag effect, where momentum transfer between the electron and hole gases leads to a finite interlayer transresistance. This so-called drag resistance is measured as a function of temperature and charge carrier density, mainly at cryogenic temperatures and from low to moderate carrier densities. A numerical model is then applied in attempt to identify the underlying physical processes. The results support the view that the phenomenon is caused mainly by interlayer Coulomb interactions between electrons and holes. This is known as the Coulomb drag phenomenon. In addition, the disorder inherent to the system is found to significantly affect the results. The second investigated phenomenon is bistable electron-hole gating, where the hole layer acts as a gate controlling the drive current of the electron layer. Under certain conditions, a positive feedback effect between electrons and holes occurs, and as a result we observe two stable electron layer current states corresponding to the same hole layer gating voltage, i.e., the system is bistable. The bistahle electron-hole gating effect is further explored by varying the electron layer drive bias and also temperature. We find that the bistabi1ity can be observed only at relatively high drive bias and at cryogenic temperatures. Furthermore, it exhibits thermally activated behaviour. Most important observation is that the bistability occurs always at the threshold of the hole layer depletion. This suggests that the hole layer operates as a low-dimensional gate, the state of which is strongly affected by the carrier density and drive current of the electron layer.

Työssä tutkitaan kaksiulotteisten elektroni- ja aukkokaasujen vuorovaikutusilmiöitä kaksihilaisissa, piipohjaisissa kenttävaikutustransistoreissa. Tämän mahdollisti elektroni-aukko-kaksikerrosrakenne, joka muodostettiin 22 nm paksuiseen piikanavaan voimakkaalla push-pull-hilajännitteellä. Tutkimus kohdistuu kahteen tässä systeemissä havaittuun ilmiöön. Ensimmäinen on ns. dragilmiö, jossa liikemäärän siirtyminen elektronikerrokselta aukkokerrokselle näkyy äärellisenä siirtovastuksena kerrosten välillä. Tämä ns. drag-vastus mitataan lämpötilan ja varauksenkuljettajatiheyden funktiona, ja numeerista mallia hyödyntämällä pyritään päättelemään ilmiön taustalla olevia fysikaalisia tekijöitä. Tulokset tukevat käsitystä jonka mukaan ilmiö aiheutuu pääosin Coulombin vuorovaikutuksesta elektronien ja aukkojen välillä. Tämä tunnetaan Coulomb drag -ilmiönä. Myös systeemin sisäisen epäjärjestyksen todetaan vaikuttavan merkittävästi tuloksiin. Toinen ilmiö perustuu aukkokerroksen käyttämiseen elektronikerroksen virtaa ohjaavana hilana. Tietyissä olosuhteissa elektronien ja aukkojen välillä tapahtuu positiivinen takaisinkytkeytymisilmiö, jonka seurauksena havaitaan kaksi stabiilia tilaa elektronikerroksen virrassa samalla aukkokerroksen jännitteellä, eli systeemi on bi-stabiili. Ilmiötä tutkitaan edelleen muuttamalla elektronikerroksen bias-jännitettä ja lämpötilaa. Havaitaan, että bi-stabiilisuutta esiintyy vain suhteellisen korkeilla elektronikerroksen bias-jännitteillä ja kryogeenisissä lämpötiloissa. Tärkein havainto on, että ilmiö esiintyy aina aukkokerroksen tyhjentymiskynnyksellä. Tämän perusteella aukkokerros voisi toimia mataladimensionaalisena hilana, jonka tilaan vaikuttaa vahvasti elektronikerroksen varauksenkuljettajatiheys ja virta.

Description

Supervisor

Kuivalainen, Pekka

Thesis advisor

Prunnila, Mika

Keywords

two-dimensional charge carrier gases, kaksiulotteiset varauksenkuljettajakaasut, electron-hole bilayer, elektroni-aukko-kaksikerrosrakenne, Coulomb drag, bistabiilisuus, bistable electron-hole gating, kaksihilainen piipohjainen kenttävaikutustransistori, double-gate field-effect transistor, kruogeeniset lämpötilat, silicon, , cryogenic temperatures

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122357808

Collections

[dipl] Sähkötekniikan korkeakoulu / ELEC