Numerical aspects of a Godunov-type stabilization scheme for the Boltzmann transport equation

离散化 玻尔兹曼方程 戈杜诺夫的计划 数学 数值稳定性 数学分析 反向欧拉法 对流扩散方程 应用数学 物理 数值分析 量子力学
作者
Maziar Noei,Paul Luckner,Tobias Linn,Christoph Jungemann
出处
期刊:Journal of Computational Electronics [Springer Nature]
卷期号:21 (1): 153-168 被引量:3
标识
DOI:10.1007/s10825-021-01846-w
摘要

Abstract We discuss the numerical aspects of the Boltzmann transport equation (BE) for electrons in semiconductor devices, which is stabilized by Godunov’s scheme. The k-space is discretized with a grid based on the total energy to suppress spurious diffusion in the stationary case. Band structures of arbitrary shape can be handled. In the stationary case, the discrete BE yields always nonnegative distribution functions and the corresponding system matrix has only eigenvalues with positive real parts (diagonally dominant matrix) resulting in an excellent numerical stability. In the transient case, this property yields an upper limit for the time step ensuring the stability of the CPU-efficient forward Euler scheme and a positive distribution function. Similar to the Monte-Carlo (MC) method, the discrete BE can be solved in time together with the Poisson equation (PE), where the time steps for the PE are split into shorter time steps for the BE, which can be performed at minor additional computational cost. Thus, similar to the MC method, the transient approach is matrix-free and the solution of memory and CPU intensive large systems of linear equations is avoided. The numerical properties of the approach are demonstrated for a silicon nanowire NMOSFET, for which the stationary I–V characteristics, small-signal admittance parameters and the switching behavior are simulated with and without strong scattering. The spurious damping introduced by Godunov’s (upwind) scheme is found to be negligible in the technically relevant frequency range. The inherent asymmetry of the upwind scheme results in an error for very strong scattering that can be alleviated by a finer grid in transport direction.
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