Optimizing Terahertz Signal Detection in High Electron Mobility Transistors: Insights from Plasma Resonance Studies

Abstract

Проведено аналітичне моделювання досліджує резонансну поведінку плазмових хвиль у каналі транзисторів з високою рухливістю електронів (HEMT), коли вони піддаються терагерцевому (ТГц) збудженню. Основна мета полягає в систематичному дослідженні впливу різних параметрів HEMT на динаміку плазмового резонансу та виявлення ТГц сигналів. Найефективніше виявлення сигналів ТГц фіксується, коли і затвор, і термінали стоку одночасно отримують збудження ТГц. Крім того, модуляція умов зміщення, зокрема представлена поляризаційними напругами, суттєво впливає на частоти плазмового резонансу, пропонуючи багатообіцяючий шлях для адаптації відповідей HEMT. Подальше дослідження вказує на сильний вплив характеристик області доступу, включаючи довжину та концентрацію легування, на збудження тривимірних плазмових хвиль у HEMT, причому область доступу до стоку демонструє особливе значення. Крім того, детально вивчено розгалуження геометрії затвора, охоплюючи ширину та відстань від каналу до затвора, виявляючи їх здатність суттєво змінювати частоти 2D плазмового резонансу. У екстремальних випадках HEMT демонструє поведінку, подібну до спрощеної конфігурації діода, що призводить до відсутності 2D плазмового резонансу. Дане дослідження розкриває суттєві ідеї для проектування та оптимізації пристроїв на основі HEMT, адаптованих до конкретних додатків частоти ТГц. Це підкреслює ключову роль умов зміщення, властивостей області доступу та геометрії воріт у формуванні продуктивності HEMT і виявлення ТГц сигналу.

This analytical modeling study delves into the resonance behavior of plasma waves within the channel of High Electron Mobility Transistors (HEMTs) when subjected to Terahertz (THz) excitation. The core objective is to systematically examine the influence of various HEMT parameters on the dynamics of plasma resonance and the detection of THz signals. A noteworthy finding emerges: the most effective detection of THz signals materializes when both the gate and drain terminals simultaneously receive the THz excitation. Moreover, the modulation of biasing conditions, specifically represented by polarization voltages, exerts a substantial influence on plasma resonance frequencies, offering a promising avenue for tailoring HEMT responses. Further exploration reveals the substantial impact of access region characteristics, including length and doping concentration, on the excitation of 3D plasma waves within the HEMT, with the drain access region demonstrating particular significance. Additionally, we delve into the ramifications of gate geometry, encompassing width and channel-to-gate distance, revealing their capacity to significantly alter 2D plasma resonance frequencies. In extreme cases, the HEMT exhibits behavior akin to a simplified diode configuration, resulting in the absence of 2D plasma resonance. In summation, this research unfolds essential insights for the design and optimization of HEMT-based devices tailored to specific THz frequency applications. It underscores the pivotal roles of biasing conditions, access region properties, and gate geometries in shaping HEMT performance and THz signal detection.