Incorporation of plasmonic nanostructures in the design of photoconductive devices (PCDs) has significantly improved their optical-to-terahertz conversion efficiency. However, this improvement comes at the cost of increased complexity for the design and simulation of these devices. Indeed, accurate and efficient modeling of multiphysics processes and intricate device geometries of nanostructured PCDs is challenging due to the high computational cost resulting from multiple characteristic scales in time and space. In this work, a discontinuous Galerkin (DG)-based unit-cell scheme for efficient simulation of PCDs with periodic nanostructures is proposed. The scheme considers two physical stages of the device and models them using two coupled systems: a system of Poisson and drift-diffusion equations describing the nonequilibrium steady state, and a system of Maxwell and drift-diffusion equations describing the transient stage. A "potential-drop" boundary condition is enforced on the opposing boundaries of the unit cell to mimic the effect of the bias voltage. Periodic boundary conditions are used for carrier densities and electromagnetic fields. The unit-cell model described by these coupled equations and boundary conditions is discretized using DG methods. Numerical results demonstrate that the proposed DG-based unit-cell scheme has the same accuracy in predicting the THz photocurrent as the DG framework that takes into account the whole device, while it significantly reduces the computational cost.


翻译:在光导装置的设计中,将质谱纳米结构纳入光导装置(PCDs)的设计中,质谱纳米结构大大提高了光学到地铁转换效率;然而,这一改进是以这些装置设计和模拟的复杂程度更高而代价的;事实上,由于时间和空间的多重特征尺度导致计算成本高,因此,将光导成光导装置(PCDs)的光学到地铁转换效率不连续的Galerkin(DG)单位-细胞计划大大改善了它们的光学到地铁转换效率;这一改进是以这些装置的设计与模拟这些装置的两种物理阶段和模型使用两种组合系统:一个描述无等离子稳定状态的多物理学过程和纳米结构的复杂装置的模型;一个描述瞬时和空间多重特性的Maxwell和漂移变异方程式的系统具有挑战性;一个“潜流”边界条件在基于单位细胞的对立边界线上执行,以模拟偏向电压结构的影响;一个定期边界条件用于承运人的密度和电磁性结构的模型,将模型和电磁分析模型的模型显示结果。

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