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This thesis deals with the development and application of Monte Carlo simulations to study electron transport in bulk GaN in the wurtzite crystal structure and the properties of field effect transistors made from the material. There is a particular emphasis on transport in the high electric field regime and transistors operating at high voltages. The simulation model includes five sets of non-parabolic conduction band valleys which can be occupied by electrons during high field transport. The effects on electron transport of impurities and the relevant phonon scattering mechanisms have been considered. Results for electron transport at both low and high electric field are presented and compared with the properties of GaN in the zincblende structure, of other group-III nitride semiconductors, and of GaAs. The dependence of the transport properties on the material parameters is discussed and also with regard to the temperature, donor concentration and electric field magnitude and direction. The transport properties of electrons in wurtzite GaN n+-i(n)-n+ diodes are also explored, including the effect of the upper valleys and the temperature on hot electron transport. Simulations have also been carried out to model the steady-state and transient properties of GaN MESFETs that have recently been the subject of experimental study. It has been suggested that traps have a substantial effect on the performance of GaN field effect transistors and we have developed a model of a device with traps to investigate this suggestion. The model includes the simulation of the capture and release of electrons by traps whose charge has a direct effect on the current flowing through the transistor terminals. The influence of temperature and light on the occupancy of the traps and the /- V characteristics are considered. It is concluded that traps are likely to play a substantial role in the behaviour of GaN field effect transistors. Further simulations were performed to model electron transport in AlGaN/GaN hetero-junction FETs. So called HFET structures with a 78 nm Alo.2Gao.8N pseudomorphically strained layer have been simulated, with the inclusion of spontaneous and piezoelectric polarization effects in the strained layer. The polarization effects are shown to not only increase the current density, but also improve the electron transport by inducing a higher electron density close to the positive charge sheet that occurs in the channel.

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / Existe um grande número de estudos que examina a dependência entre energia e alcance para elétrons com energias desde alguns keVs até centenas de MeVs. Porém, a descrição quantitativa do transporte de elétrons de baixa energia é um problema complexo, especialmente devido à não disponibilidade de dados confiáveis para as seções de choque dos diferentes mecanismos por meio dos quais elétrons interagem com a matéria. Uma vez que os modelos analíticos de transporte de elétrons ou são incompletos ou apresentam dificuldades até o momento intransponíveis, os códigos de Monte Carlo têm sido a alternativa adotada nestas abordagens e são hoje extensivamente utilizados. É sabido que na interação de radiações ionizantes com o tecido vivo podem ocorrer danos severos em estruturas nos níveis celular e sub-celular. Uma vez que a transferência de energia de radiações ionizantes para o meio ocorre predominantemente através da interação dos elétrons secundários produzidos por esta com o material, existe um interesse especial na determinação da relação entre energia inicial e alcance para elétrons; especialmente os de baixa energia. Neste trabalho é estudada a relação entre energia inicial e alcance em meio biológico para elétrons com energias entre 110 eV e 50 keV. Para tal foi utilizado o código de Monte Carlo PENELOPE com o qual foram realizadas simulações do transporte de elétrons de baixa energia (110 eV a 50 keV) e dos fótons secundários gerados por estes provenientes de uma fonte monoenergética isotrópica localizada no interior de um meio tecido equivalente homogêneo. A partir daí, as grandezas de interesse foram calculadas e analisadas.

Fundação de Amparo a Pesquisa do Estado de Minas Gerais / Até a década de 1990 acreditava-se que o DNA era a única molécula alvo das radiações ionizantes. Mas algumas observações questionaram esta teoria. Em 1992 o efeito bystander, em português, efeito espectador, foi descrito por Nagasawa e Little. Este efeito é responsável por uma série de respostas como morte, instabilidade cromossômica ou outras anormalidades que ocorrem em células não irradiadas, que entraram em contato com células irradiadas ou meio irradiado a partir de células irradiadas. Entender o efeito bystander pode ter consequências importantes para a terapia e estudos do risco às exposições de baixas doses de radiação ionizante. Organismos vivos são compostos de milhões de células que, juntas, executam tarefas de grande complexidade. Apesar de cada célula ter uma estrutura interna que obedece às leis da bioquímica, é a interação entre as células que gera uma gama de diferentes fenômenos. Os modelos computacionais buscam soluções elegantes para simular a natureza. Neste trabalho, desenvolvemos um modelo computacional para simular o efeito bystander das radiações ionizantes em culturas celulares. Este modelo computacional é um autômato celular bidimensional, consistindo de duas redes sobrepostas, onde a primeira representa a cultura de células, e a segunda, o meio no qual as células são incorporadas. O modelo computacional descreve o comportamento do efeito bystander para diferentes configurações e densidade de células onde diferentes níveis de sinais são liberados pelas células irradiadas no meio. O efeito de re-emissão de sinais também foi introduzido no modelo. A partir dos dados das simulações foram obtidas equações capazes de antever os resultados experimentais. Os resultados obtidos a partir do modelo computacional e do ajuste matemático mostraram-se em excelente concordância com dados experimentais disponíveis na literatura. Observou-se que há dois pontos de inflexão nas curvas de dose-resposta no regime de baixa dose que podem representar uma adaptabilidade da cultura celular à radiação ionizante, transformando-a mais ou menos rádio resistente. / Until the 1990s it was believed that the DNA was the only target molecule of ionizing radiation. But some observations have questioned this theory. In 1992, the bystander effect was described by Nagasawa and Little. This effect is responsible for a series of answers as death, chromosomal instability or other abnormalities that occur in non-irradiated cells, which get in contact with irradiated or irradiated medium from irradiated cells. Understanding the bystander effect may have important consequences for therapy and exposure risk studies to low doses of ionizing radiation. Living organisms are composed of millions of cells that together perform tasks of great complexity. Although each cell has an internal structure that obeys the biochemistry laws, it is the interaction between the cells that generate a range of different phenomena. Mathematical models seek elegant solutions to simulate nature. In this work, we developed a computer model to simulate the bystander effect of ionizing radiation in cell cultures. This computational model is a two-dimensional cellular automata, consisting of two overlapping networks, where the first represents the cells culture and the second, the medium in which cells are embedded. The computational model describes the behavior of the bystander effect for different configurations and cells density where different signal levels are released by cells irradiated in the medium. The signals re-emission effect was also introduced in this model. From the simulations data, equations capable of predicting the experimental results were obtained. The results obtained from the computational model and the mathematical model are in excellent agreement with experimental data available in the literature. It was observed that there are two inflection points in the dose-response curves in the low dose regime and they may represent a cell culture adaptability to ionizing radiation by transforming it into more or less radio-resistant.

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