3.2 Distribution de phonon hors équilibre et
température
Dans le régime sub-continuum, nous voyons la
conduction de chaleur par le transport de phonons dans le
dispositif. Le concept de la température n’a pas de
signification dans de telles conditions hors équilibre. Il est
plus utile de considérer la distribution des phonons, qui
est un « champ de phonons » au lieu du « champ de
température » habituel [1]. La distribution de phonon peut
être convertie à un champ de «température équivalente »
en comparant la densité de phonons locales due à la
distribution hors équilibre à celle basée sur la distribution
Bose-Einstein.
Comme dit précédemment, le transport thermique dans
le silicium est provoqué par les phonons acoustiques.
Donc, c’est raisonnable d’approximer la température du
réseau par la « température » caractéristique des phonons
acoustiques.
Ensuite, on va regarder le transport des phonons dans
un barreau du silicium de dopage 10
17
cm
-3
(section 2.2)
sous deux champs électriques 5kV/cm et 50 kV/cm. Ce
barreau est à 300K. Nous avons placé une source de
phonons (portion de silicium polarisé) au milieu du
barreau.
Pour un champ de 5kV/cm, il n’y a pas beaucoup de
phonons émis par électron. Donc, une déviation de
phonons se présente mais elle est très faible devant la
distribution de phonon selon Bose-Einstein à 300K. On a
alors un « champ de température » de 300K pour LA, TA
et aussi pour les phonons acoustiques en total.
Pour le cas du champ 50 kV/cm, c'est différent. Dans
la figure 3, on voit que le nombre de LA net généré par
électrons est plus faible que celui de TA. La température
de TA reste à 300K. Par contre, le nombre net de phonons
LA générés par électrons est comparable au nombre de
LA à 300K selon la distribution de Bose-Einstein. Au
point de source du champ 50 kV/cm, sa température peut
atteindre 550K (voir figure 5).
Figure 5. Température de LA.
En plus, à chaque température, 70% des phonons sont
TA. Par conséquence, la température du réseau (ensemble
de LA et TA) est augmentée. La somme de la contribution
de LA et de TA donne un point chaud du réseau, de 345K
(voir figure 6). La différence des « températures » dans ce
barreau montre bien l’effet hors équilibre du réseau.
Figure 6. Température du réseau.
4. Conclusion
Ce travail décrit une simulation Monte Carlo efficace
pour bien comprendre la génération de chaleur. Les
phonons nets générés par les électrons dans le silicium
dépendent à la fois du choix des potentiels de déformation
(propriétés de transport d’électrons) et du champ
électrique appliqué.
Ensuite, nous avons proposé un nouveau modèle pour
déterminer la distribution hors équilibre dans les
semiconducteurs, en particulier le silicium qui utilisse les
résultat du simulateur MC. A partir de cette distribution,
les températures équivalentes sont extraites, ceux qui
montrent l’effet hors équilibre à l’échelle nanométrique.
Références
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