Discretization Scheme for the Density-Gradient Equation and Effect of Boundary Conditions

In recent years, the density gradient theory (DG) (M.G. Ancona and H.F. Tiersten 1987, Phys. Rev. B. 35(15): 7959–7965, M.G. Ancona 1990, Phys. Rev. B. 42: 1222) has been established as a viable alternative to the solution of the Schrödinger equation for solving problems such as charge density distribution in MOS inversion layers and MOS tunneling (M.G. Ancona 1998, J. Tech. CAD(11), M.G. Ancona et al. 2000, IEEE Trans. Electron Devices 47: 1449). Primary advantages of the DG method over the Schrödinger method are flexibility in extending to multi-dimension and easiness in incorporating into the conventional drift-diffusion or hydrodynamic solver (C.S. Rafferty et al. 1998, Proc. SISPAD, p. 137, A. Wettstein et al. 2001, IEEE Trans. Elec. Dev. 48: 279). However, the DG term that represents the quantum effects is a singular perturbation term and requires special care for discretization (X. Wang 2001, Master's thesis, University of Massachusetts, Amherst). In this work, we examine the validity of the linear vs. the nonlinear discretization scheme and the effect of boundary conditions on the scheme used.     

低密度聚乙烯空间电荷与电导电流的联合测量

聚乙烯非常容易积累空间电荷,造成聚乙烯绝缘电缆用于高压直流输电时容易出现绝缘劣化和使用寿命减少的问题。为了研究绝缘材料在直流电场下的空间电荷特性与电导特性,考虑到由于外电流存在位移电流分量,对于同一块试样分别测量得到的结果并不能进行严格的联合分析,基于脉冲电声法（pulse electro acoustic, PEA）原理设计了一套能够对平板试样进行“同区分时”测量空间电荷和外电流的实验装置,联合测量了低密度聚乙烯（low density polyethylene, LDPE）在室温下的空间电荷和高场电导。实验结果表明：随着施加场强的升高,阳极异极性空间电荷逐渐增加,阴极由同极性注入转变为异极性空间电荷积累,这与材料内部的杂质解离以及不同电极材料的选取有关。低电场条件下位移电流在外电流中所占的比例大于电导电流,传导电流密度与电场强度的关系也符合空间电荷限制电流（space charge limited current）理论。     

智能化变电站内量子通信纠错编解码的量子逻辑线路

智能化变电站、换流站内复杂多变的电磁环境会使其中的量子通信系统产生量子比特差错问题。为了解决该问题,提出一种量子通信纠错编解码方法,并用量子逻辑给出相应的量子线路实现方式。通过引入8个量子比特的冗余,通过量子逻辑哈达玛(Hadamard)门和异或门及量子逻辑操作X、Z、?Z和ZX,实现了4种不同差错情况的量子比特纠错,从而保证全双工量子通信系统的正常工作。为了实现信息传输时兼顾高效性与安全性,提供一种新的技术体制和技术方案,对未来变电站、换流站的智能化发展提供了一种新的建设思路。     

A Quantum Many-Body Density Matrix Model for Sub-Femtosecond Transport in Mesoscopic Structures

Transient regime relaxation in nanostructures is governed by the two-way information exchange between the active region and the contacts. In this paper, we introduce a second order quantum master equation for the active region’s many-body reduced density matrix, which includes the information exchange between the active region and the contacts, while eliminating the contacts explicitly from the simulation. For the case of a resonant-tunneling diode, the master equation is solved numerically. Proper injection from/into the contacts is obtained, and natural oscillations of the current and the number of particles in the well are observed, with a frequency in the mid-terahertz regime.     

On the Completeness of Quantum Hydrodynamics: Vortex Formation and the Need for Both Vector and Scalar Quantum Potentials in Device Simulation

The conditions for the occurrence of quantized vortices in electron flow are examined critically in the context of quantum hydrodynamic modelling. The presence of vortices is shown to be described by the coupling to a new vector quantum potential which augments the conventional scalar quantum potential used in hydrodnamic and density gradient modelling of semiconductor devices.     

伽马射线对低密度聚乙烯的空间电荷陷阱特征影响

为研究伽马射线辐照后的低密度聚乙烯材料在直流电场作用前后的空间电荷形成和衰减的陷阱特征,在60Co伽马射线的辐照源下得到最大辐照剂量为50 kGy的聚乙烯样品,利用电声脉冲法测量其空间电荷分布,进而提出了一种离散陷阱分布模型来解释射线辐照的空间电荷衰减特征。结果表明:在阴极附近出现异号的正电荷积累并随着辐照剂量增加而增加;分析认为射线辐照后样品出现的异号正电荷是由于材料发生了化学变化(氧化)而导致更深能级陷阱的产生;同时,利用所提出的模型计算了陷阱的能级深度和陷阱密度参数,并分析了它们与辐照氧化的微观机制。由陷阱能级和陷阱密度围成的曲线族变化可作为材料辐照老化的特征参量。     

茂金属聚乙烯改性低密度聚乙烯中空间电荷的机理研究

针对高压,超高压直流塑料电缆中存在的空间电荷效应,文中选用与普通低密度聚乙烯(LDPE)化学结构相似的茂金属聚乙烯(MPE)作为成核剂与LDPE共混,用电声脉冲法(PEA)测量了共混物的空间电荷特性,以差示扫描量热法(DSC)研究了共混物的非等温结晶行为,用高阻计测量了共混物的体积电阻率的变化,结合聚合物的结晶和导电理论,讨论了共混物中空间电荷的形成和抑制机理。测试结果表明:1%的MPE与LDPE共混,能有效降低LDPE中空间电荷效应,提高结晶温度,降低体积电阻率。     

低密度聚乙烯纳米复合材料中空间电荷积聚对试样厚度的依赖性

低密度聚乙烯(LDPE)纳米复合材料的厚度从μm级到cm级不等,差异极大。为此,研究了LDPE纳米复合材料中空间电荷的积聚对其厚度的依赖性。基于已有的LDPE纳米复合材料,采用电声脉冲(PEA)法测量了不同厚度的无掺杂LDPE及掺杂有纳米填料的LDPE纳米复合材料在50kV/mm电场强度下的电荷积聚特性。发现无掺杂LDPE中电荷积聚不随试样厚度发生明显变化;而LDPE纳米复合材料中电荷积聚对试样厚度有明显的依赖性:试样厚度越厚,异极性电荷的抑制效果越好。根据以上实验现象,以双极子模型为基础、结合陷阱势能理论进行仿真,探讨了无掺杂LDPE中异极性电荷的形成机理,指出纳米填料不仅作为陷阱中心而且作为复合中心直接影响着试样中空间电荷的积聚特性,2种材料不同的厚度依赖性是由于复合作用的强度不同而造成的。     

半导电材料对纳米MgO/XLPE复合介质空间电荷影响的研究

聚合物纳米复合介质中空间电荷的注入与半导电电极材料密切相关,文中采用电声脉冲(PEA)法测量了预压-60 kV/mm电场1 h后,对比研究了六种不同半导电电极材料下交联聚乙烯(XLPE)和MgO/XLPE复合介质中的空间电荷分布;并对不同半导电电极材料下MgO/XLPE复合介质中的平均电荷密度进行了计算。对比实验表明:配方不同的半导电电极材料确实对试样中空间电荷的分布以及空间电荷量影响很大;以乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)为基础材料、添加30wt%炭黑的第二种半导电材料对MgO/XLPE复合介质中空间电荷的抑制效果最好。     

The Effective Conduction Band Edge Method of Quantum Correction to the Monte Carlo Device Simulation

To include quantum effects, a quantum correction is made to the semi-classical Monte Carlo (MC) simulation by the effective conduction band edge (ECBE) method. The quantum corrected potential energy can be calculated from the classical potential energy by the ECBE equation and thus the quantum mechanical force in the simulation replaces the classical force. Under the non-equilibrium condition, carriers have a temperature different from the lattice. For the simulation of a double-gate MOSFET, we replace thermal energy in the ECBE equation with the average value of the stress tensor along each transverse line, to account for the variation of the electron “temperature” along the longitudinal direction. A 3 nm thick double gate nMOSFET is simulated. The result shows that electrons now see a higher barrier from the source to the drain if the carrier temperature is considered, resulting in a smaller drain current compared to that obtained from the previous ECBE method.     

直流电压下油、纸绝缘结构不连续界面空间电荷积聚特性

在直流电压下,油、纸界面空间电荷的积聚会导致空间电场畸变,对直流输电设备的绝缘设计和运行有重要影响。为研究该问题,利用纸板覆盖上、下电极的油纸复合绝缘模型,研究了在不同极性直流电压下,油、纸界面空间电荷的积聚过程。试验中,搭建了基于Kerr效应法的油纸绝缘光学空间电场的测量平台,以实现变压器油中电场的在线非接触式测量。试验结果表明:不同极性的直流电压下,油中电场的暂态过程差异显著,具有明显的极性效应;油、纸界面积聚空间电荷的极性与外施电压的极性和油、纸板的空间位置直接关联:纸板覆盖上电极时油纸界面电荷极性与外施电压极性相反,纸板覆盖下电极时油、纸界面电荷极性与外施电压极性相同;与传统的电阻率-介电常数模型下界面电荷的积聚现象不同,油纸界面电荷积聚的速度具有明显的极性效应:油、纸界面负电荷的积聚速度远大于正电荷的积聚速度,导致不同极性电压下油中电场从暂态容性电场到稳态阻性电场的过渡过程差异显著。     

The Use of Quantum Potentials for Confinement and Tunnelling in Semiconductor Devices

As MOSFETs are scaled to sub 100 nm dimensions, quantum mechanical confinement in the direction normal to the silicon dioxide interface and tunnelling (through the gate oxide, band-to-band and from source-to-drain) start to strongly affect their characteristics. Recently it has been demonstrated that first order quantum corrections can be successfully introduced in self-consistent drift diffusion-type models using Quantum Potentials. In this paper we describe the introduction of such quantum corrections within a full 3D drift diffusion simulation framework. We compare the two most popular quantum potential techniques: density gradient and the effective potential approaches, in terms of their justification, accuracy and computational efficiency. The usefulness of their 3D implementation is demonstrated with examples of statistical simulations of intrinsic fluctuation effects in decanano MOSFETs introduced by discrete random dopants. We also discuss the capability of the density gradient formalism to handle direct source-to-drain tunnelling in sub 10 nm double-gate MOSFETS, illustrated in comparison with Non-Equilibrium Green's Functions simulations.     

固体电介质中空间电荷分布与极化分布的测量方法及其比较

目前有两种主要的固体电介质中空间电荷分布与极化分布的测量方法,压力波法（ＰＷＰ法）与电声脉冲法（ＰＥＡ法）,本文介绍了这两种方法的基本原理与测量技术。用激光感应的压力波法（也叫ＬＩＰＰ法）和用氟聚合物压电薄膜的电声脉冲法对同一个已极化的Ｐ（ＶＤＦＴｒＦＥ）试样进行了极化分布的测量,并对实际测量结果进行了比较与讨论。     

山区典型地形雷击地闪密度分布差异研究

地闪密度是各项防雷设计的基础参数,研究一定范围山区内不同地形地闪密度分布的差异可以获取更准确的山区地闪密度分布图。文中首先定义了表征山区不同地形落雷密集程度的落雷分布系数这一概念,利用电气几何模型(EGM)中的击距理论推导了山顶、山谷、山脚地区的落雷分布系数理论计算公式。然后对比了山区典型地形落雷分布系数理论计算公式的差异,研究了不同因素对山区典型地形落雷分布系数的影响。最后利用某省不同地区10年的雷电定位系统数据做了实例验证。研究结果表明:山顶地区地闪密度大于山谷、山脚地区地闪密度;山体坡度越大不同地区的地闪密度差异越明显;50%雷电流幅值越大的地区地闪密度差异越明显;地形宽度变大地闪密度差异逐渐减小并趋于稳定。     

电声脉冲法中脉冲对空间电荷分布测量的影响

首先阐述了目前已广泛应用的电声脉冲法(PEA)测量电介质中空间电荷的原理,介绍了一台新型的PEA空间电荷测量装置(其电脉冲幅值和宽度可调),并利用此装置在相同的测试条件下测量了相同的试样。研究发现:对固定厚度的传感器来讲,空间电荷分布信号随脉冲幅值增加而增加,且其波形随脉冲宽度增加而展宽和增强。最后根据PEA测量空间电荷的原理合理分析了上述的现象。     

聚合物电介质中空间电荷陷阱深度的模拟计算

利用分子动力学(MD)与密度泛函理论(DFT),建立聚合物电介质中空间电荷陷阱深度的计算模型,得出了聚乙烯分子的化学结构缺陷和过氧化二异丙苯(DCP)、α-甲基苯乙烯等杂质分子的空间电荷陷阱深度,并结合聚乙烯空间电荷陷阱能级的变化,分析了聚合物分子缺陷处空间电荷陷阱特性。模拟结果表明聚合物中苯环、羰基、醛基和共轭双键等化学键及键和链的作用是空间电荷陷阱存在的重要原因。其结果同现有的文献符合得比较好。     

基于Kerr电光效应的冲击电压下液体电介质空间电荷高速CCD测量

空间电荷的存在直接影响液体电介质的绝缘击穿性能,为了更好地研究空间电荷的动态变化过程,建立了基于Kerr电光效应的冲击电压下液体电介质空间电荷的高速电荷耦合器件(CCD)测量系统。运用高精度光电传感器的测量方法,得到了室温下液体碳酸丙烯酯的Kerr常数。进而通过高速CCD的动态光电测量,并结合图像处理技术,求取了冲击电压下平行板铜电极间电场和空间电荷的动态分布曲线。实验研究表明:在平行板铜电极间,当液体介质中电场达到一定程度时会出现空间电荷的注入与输运,使得极间电场呈现出中间高两边低的分布情况。另外还分析了空间电荷的分布和输运对液体绝缘特性的影响,该研究为分析冲击电压作用下液体介质中空间电荷的产生机制及空间电荷对流注放电的影响奠定了基础。     

脱气处理对XLPE及MAH/XLPE复合介质直流电场下空间电荷分布的影响

为了研究脱气处理对XLPE及其复合介质中空间电荷的影响,采用螯合荆与线性低密度聚乙烯接枝马来酸酐(MAH)作为填料,与XLPE共混制成掺杂浓度为0.5wt%的MAH/XLPE复合介质,并用电声脉冲法(PEA)测量了XLPE及MAH/XLPE复合介质在不同脱气时间下的空间电荷分布.通过实验发现,增加脱气处理的时间可以减少...     

绝缘油老化对油纸绝缘介质空间电荷形成及迁移特性的影响

探索绝缘油老化或绝缘纸老化对油纸绝缘介质在老化过程中空间电荷形成及迁移特性的影响,能为有效抑制油纸介质空间电荷的形成提供科学依据。首先在130℃下将绝缘油进行22 d加速热老化,并对其老化状态进行表征;然后通过电声脉冲法测量由不同老化程度绝缘油浸渍的油纸试品,分析在加压、瞬时去压和去压情况下绝缘油老化对油纸试品直流空间电荷动态行为的影响;最后通过计算分析绝缘油老化对油纸试品的空间电荷总量、表面陷阱能级分布和电场畸变率的影响。结果表明:在负极性电源电压下,贴近阳极(铝板)侧绝缘纸层内注入的正电荷密度以及在靠近阳极侧绝缘纸–绝缘纸界面处积聚的负电荷密度均随绝缘油老化程度加深而增大;绝缘油老化越严重,相应绝缘油浸渍油纸试品的空间电荷总量、表面陷阱能级密度和电场畸变率也越大。