MARC

 008260126s2025        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798290629865
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■035    ▼a(MiAaPQ)Caltech16734
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a546.73
■1001  ▼aHatanpaa,  Benjamin  Henrik  James.
■24510▼aHigh-Field  Charge  Transport  and  Fluctuation  Phenomena  in  Semiconductors  from  First  Principles
■260    ▼a[Sl]▼bCalifornia  Institute  of  Technology▼c2025
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2025
■300    ▼a120  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  87-01,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Minnich,  Austin.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--California  Institute  of  Technology,  2025.
■520    ▼aCharge  transport  and  dynamics  in  semiconductors  determine  the  limits  of  contemporary  high-performance  electronic  devices.  Previously,  in  order  to  understand  the  microscopic  mechanisms  underlying  charge  transport,  and  to  efficiently  find  novel  materials  for  new  applications,  computational  methods  were  limited  to  using  parameterized  scattering  rates  and  simplistic  band  structure  models  as  inputs.  However,  with  ab-initio  methods,  only  the  atomic  identities  and  lattice  vectors  are  needed  as  inputs.  These  methods  have  the  capability  of  providing  insights  not  possible  with  methods  that  rely  on  empirical  data,  and  predicting  properties  for  not-yet-synthesized  materials.While  ab-initio  computation  of  low-field  transport  properties  have  become  common  in  recent  years,  these  methods  have  not  been  extensively  applied  to  non-equilibrium  phenomena.  In  addition,  the  ab-initio  simulation  of  fluctuational  properties  (such  as  the  diffusion  coefficient  or  power  spectral  density  of  current  fluctuations)  is  an  area  that  has  been  minimally  explored.  In  order  to  approach  quantum-limited  noise  levels  in  devices,  a  better  understanding  of  the  mechanisms  that  govern  electronic  noise  away  from  equilibrium  is  needed.Thus,  motivated  by  this,  the  overarching  goal  of  this  work  is  to  develop  and  use  first-principles  methods  to  gain  insight  into  the  scattering  processes  that  govern  high-field  electronic  transport  and  noise  in  well-known  semiconductors,  and  to  use  the  same  approach  to  make  predictions  and  identify  promising  device  applications  for  novel  materials.The  warm  electron  tensor  is  a  quantity  that  describes  the  quadratic  change  of  conductivity  with  electric  field,  which  provides  a  quantitative  way  to  examine  the  heating  of  the  electron  gas.  However,  this  has  not  been  examined  from  first-principles  previously.  In  this  work,  we  report  the  warm  electron  tensor  of  n-Si  computed  over  a  large  temperature  range,  and  find  that  the  most  commonly  used  order  of  perturbation  theory  only  captures  the  qualitative  change  of  the  warm  electron  tensor  with  angle.  However,  by  including  the  next-to-leading  order  two-phonon  scattering  term  in  our  approach,  we  find  near-quantitative  agreement.  This  finding  indicates  that  two-phonon  scattering  has  a  non-negligible  role  to  play  in  transport  in  nonpolar  semiconductors.We  continue  our  investigation  of  n-Si  by  examining  the  diffusion  coefficient  and  its  anisotropy  by  applying  our  Boltzmann  transport  framework  to  fluctuational  variables.  We  find  that  the  qualitative  features  of  the  anisotropy  are  correct,  but  its  magnitude  is  greatly  underestimated  in  comparison  to  experimental  data,  while  the  onset  of  the  noise  is  overestimated.  While  this  suggests  an  incorrect  description  of  f-type  scattering  in  our  work,  by  computing  the  frequency  dependence  of  the  diffusion  coefficient  as  well  as  the  piezoresistivity  (two  observables  sensitive  to  the  balance  of  f-  and  g-type  scattering),  we  find  that  the  qualitative  agreement  of  these  two  observables  with  experiment  shows  that  such  a  discrepancy  cannot  be  due  to  an  incorrect  description.  Instead,  we  suggest  that  the  experiment  contains  charge  transport  phenomena  not  accounted  for  by  our  electron-phonon  scattering  framework.Finally,  we  use  the  same  approach  to  investigate  the  high-field  transport  and  noise  in  the  novel  ultra-wide-bandgap  semiconductor  cubic  boron  nitride  (c-BN).  While  c-BN  is  known  for  its  excellent  mechanical  and  thermal  properties,  its  high  predicted  saturation  velocity  and  breakdown  field  make  it  a  promising  candidate  in  high-power  and  high-frequency  devices.  However,  very  few  experimental  and  theoretical  studies  have  probed  its  transport  properties.  Here,  we  show  that  c-BN  exhibits  a  negative  differential  resistance  (NDR)  region  below  140  K,  and  show  that  the  cause  is  due  to  an  abrupt  valley  repopulation  effect  with  applied  electric  field.  We  also  show  that  the  intervalley  time  in  c-BN  is  extremely  large,  on  the  order  of  diamond,  and  that  this  large  intervalley  time  causes  a  distinct  noise  peak,  most  prominent  at  low  temperatures.  We  discuss  how  the  NDR  region  and  large  intervalley  time  make  c-BN  a  potential  candidate  for  transferred-electron  devices  and  Gunn  oscillators,  respectively.
■590    ▼aSchool  code:  0037.
■650  4▼aBoron
■650  4▼aDiamonds
■650  4▼aSemiconductors
■650  4▼aElectric  fields
■650  4▼aEnergy
■650  4▼aDeformation
■650  4▼aAcoustics
■690    ▼a0791
■690    ▼a0986
■71020▼aCalifornia  Institute  of  Technology▼bEngineering  and  Applied  Science.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g87-01B.
■790    ▼a0037
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2025
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17358161▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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