From RF-Microsystem Technology to RF-Nanotechnology

The RF microsystem technology is believed to introduce a paradigm switch in the wireless revolution. Although only few companies are to date doing successful business with RF-MEMS, and on a case-by-case basis, important issues need yet to be addressed in order to maximize yield and performance stability and hence, outperform alternative competitive technologies (e.g. ferroelectric, SoS, SOI,…). Namely the behavior instability associated to: 1) internal stresses of the free standing thin layers (metal and/or dielectric) and 2) the mechanical contact degradation, be it ohmic or capacitive, which may occur due to low forces, on small areas, and while handling severe current densities.The investigation and understanding of these complex scenario, has been the core of theoretical and experimental investigations carried out in the framework of the research activity that will be presented here. The reported results encompass activities which go from coupled physics (multiphysics) modeling, to the development of experimental platforms intended to tackles the underlying physics of failure. Several original findings on RF-MEMS reliability in particular with respect to the major failure mechanisms such as dielectric charging, metal contact degradation and thermal induced phenomena have been obtained. The original use of advanced experimental setup (surface scanning microscopy, light interferometer profilometry) has allowed the definition of innovative methodology capable to isolate and separately tackle the different degradation phenomena under arbitrary working conditions. This has finally permitted on the one hand to shed some light on possible optimization (e.g. packaging) conditions, and on the other to explore the limits of microsystem technology down to the nanoscale. At nanoscale indeed many phenomena take place and can be exploited to either enhance conventional functionalities and performances (e.g. miniaturization, speed or frequency) or introduce new ones (e.g. ballistic transport). At nanoscale, moreover, many phenomena exhibit their most interesting properties in the RF spectrum (e.g. micromechanical resonances). Owing to the fact that today’s minimum manufacturable features have sizes comparable with the fundamental technological limits (e.g. surface roughness, metal grain size, …), the next generation of smart systems requires a switching paradigm on how new miniaturized components are conceived and fabricated. In fact endowed by superior electrical and mechanical performances, novel nanostructured materials (e.g. carbon based, as carbon nanotube (CNT) and graphene) may provide an answer to this endeavor. Extensively studied in the DC and in the optical range, the studies engaged in LAAS have been among the first to target microwave and millimiterwave transport properties in carbon-based material paving the way toward RF nanodevices. Preliminary modeling study performed on original test structures have highlighted the possibility to implement novel functionalities such as the coupling between the electromagnetic (RF) and microelectromechanical energy in vibrating CNT (toward the nanoradio) or the high speed detection based on ballistic transport in graphene three-terminal junction (TTJ). At the same time these study have contributed to identify the several challenges still laying ahead such as the development of adequate design and modeling tools (ballistic/diffusive, multiphysics and large scale factor) and practical implementation issues such as the effects of material quality and graphene-metal contact on the electrical transport. These subjects are the focus of presently on-going and future research activities and may represent a cornerstone of future wireless applications from microwave up to the THz range

Μελέτη και Βελτιστοποίηση των Ηλεκτρικών Ιδιοτήτων Λεπτών Μονωτικών Υμενίων που Χρησιμοποιούνται σε Μικρο-Ηλεκτρο-Μηχανικά Συστήματα (MEMS)

Οι διακόπτες RF MEMS αποτελούν ιδιαίτερα υποσχόμενες διατάξεις στον τομέα των τηλεπικοινωνιών όμως προβλήματα αξιοπιστίας εμποδίζουν την εμπορευματοποίησή τους έως και σήμερα. Η παρούσα διατριβή εξετάζει ένα από τα σημαντικότερα προβλήματα αξιοπιστίας που συναντάται στους διακόπτες αυτούς, τη φόρτιση των διηλεκτρικών τους υμενίων. Τα υμένια των διακοπτών RF MEMS εναποτίθενται με σύγχρονες μεθόδους της μικροηλεκτρονικής και εμφανίζουν σημαντικό βαθμό ανομοιογένειας και απόκλιση από τη στοιχειομετρία. Στόχος της διατριβής είναι η κατανόηση των μηχανισμών πόλωσης και αποπόλωσης των διηλεκτρικών υμενίων καθώς επίσης και η μελέτη της επίδρασης των συνθηκών εναπόθεσης στα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά. Το διηλεκτρικό υλικό που μελετήθηκε είναι το νιτρίδιο του πυριτίου, οι ηλεκτρικές ιδιότητες του οποίου δεν είναι ακόμη πλήρως γνωστές παρά το γεγονός ότι αποτελεί ένα από τα πιο διαδεδομένα υλικά στην μικροηλεκτρονική

Μελέτη και βελτιστοποίηση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων λεπτών μονωτικών υμενίων που χρησιμοποιούνται σε Μικρο-Ηλεκτρο-Μηχανικά Συστήματα (MEMS)

Οι χωρητικοί διακόπτες RF MEMS αποτελούν ιδιαίτερα υποσχόμενες διατάξεις στον τομέα των τηλεπικοινωνιών όμως προβλήματα αξιοπιστίας εμποδίζουν την εμπορευματοποίησή τους έως και σήμερα, με σημαντικότερο τη πόλωση των διηλεκτρικών τους υμενίων. Στόχος της διατριβής είναι η κατανόηση των μηχανισμών πόλωσης και αποπόλωσης των διηλεκτρικών υμενίων νιτριδίου του πυριτίου καθώς επίσης και η μελέτη της επίδρασης των συνθηκών εναπόθεσης στα ηλεκτρικά τους χαρακτηριστικά. Οι ηλεκτρικές ιδιότητες των υμενίων νιτριδίου του πυριτίου εξετάσθηκαν αρχικά για διάφορες συνθήκες πόλωσης. Οι διαδικασίες πόλωσης και αποπόλωσης στα διηλεκτρικά υμένια που μελετήθηκαν βρέθηκε σε κάθε περίπτωση να είναι θερμικά ενεργοποιούμενες και σύνθετες. Η επίδραση των συνθηκών εναπόθεσης της μεθόδου PECVD στα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των υμενίων νιτριδίου του πυριτίου μελετήθηκε στη συνέχεια διεξοδικά. Επιπλέον, προτάθηκε μια νέα πειραματική μέθοδος που επιτρέπει τον προσδιορισμό του ρεύματος εκφόρτισης λόγω μεταφοράς των φορτίων διαμέσου των διηλεκτρικών υμενίων. Κυρίαρχος μηχανισμός αγωγιμότητας κατά την αποπόλωση των μελετώμενων υμενίων βρέθηκε να είναι οι διαδικασίες hopping. Επίσης, με τη βοήθεια της προτεινόμενης μεθόδου πραγματοποιήθηκε ξεχωριστή μελέτη των θερμικά ενεργοποιούμενων διαδικασιών πόλωσης και αποπόλωσης. Η συνεισφορά των επιμέρους μηχανισμών πόλωσης στη συνολική φόρτιση των υμενίων νιτριδίου του πυριτίου μελετήθηκε τέλος ξεχωριστά σε διακόπτες RF MEMS, πραγματοποιώντας μετρήσεις πόλωσης εξ επαφής και εξ επαγωγής των διηλεκτρικών υμενίων.Capacitive RF MEMS switches are one of the most promising devices for RF applications but reliability problems still hinder their commercialization, the most important being the effect of dielectric charging. The present thesis aims to provide a better understanding of charging and discharging processes that appear in silicon nitride dielectric films used in RF MEMS switches. First, the electrical characteristics of silicon nitride films have been investigated for different polarization conditions. The results indicate that charging and discharging processes are thermally activated and consistent to Kohlrausch-Williams-Watts polarization’s relaxation, found in many materials containing some degree of disorder. The effect of deposition conditions of PECVD method on the electrical properties of silicon nitride films has been also probed. A new experimental method has been proposed in the present thesis that allows the determination of discharging current through the bulk of the dielectric films in RF MEMS switches. The results indicate that the dominant conduction mechanism during discharge in silicon nitride films are the hopping processes. Moreover, thermally activated charging and discharging mechanisms have been investigated separately with the aid of the proposed method mentioned above. Finally, the contribution of each charging mechanism to the total polarization of silicon nitride films has been probed by performing contacted and contact-less charging procedures in RF MEMS switches and it is found that induced charging mechanisms could act as a compensation mechanism to the total polarization of dielectric films

Μελέτη ηλεκτρικών ιδιοτήτων διηλεκτρικών υμενίων για εφαρμογές σε MEMS και δομές μικροηλεκτρονικής

Οι χωρητικοί διακόπτες RF – MEMS αποτελούν ιδιαίτερα υποσχόμενες ηλεκτρονικές διατάξεις με εφαρμογές κυρίως στον τομέα των τηλεπικοινωνιών. Εμφανίζουν αρκετά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις υφιστάμενες υλοποιήσεις διακοπτών στερεάς κατάστασης (δίοδοι PIN, τρανζίστορ FET) όπως μικρό κόστος και μέγεθος, χαμηλή κατανάλωση ισχύος, υψηλή γραμμικότητα και ικανότητα διαχείρισης υψίσυχνων σημάτων τάξης GHz έως και THz. Παρόλα τα πλεονεκτήματα τους, η εμπορευματοποίηση τους μέχρι σήμερα δεν είναι εφικτή κυρίως λόγω των προβλημάτων αξιοπιστίας που εμφανίζουν, με το κυρίαρχο να αποτελεί το ζήτημα της πόλωσης/φόρτισης των διηλεκτρικών υμενίων. Κατά τη διάρκεια της ενεργοποίησης των διακοπτών, όπου ο κινούμενος μεταλλικός οπλισμός έρχεται σε επαφή με την επάνω επιφάνεια του διηλεκτρικού, φορτία εγχέονται εντός του υμενίου και παγιδεύονται από τις ατέλειες του υλικού. Η απαγωγή του φορτίου αυτού λαμβάνει χώρα κατά την απενεργοποίηση του διακόπτη και μόνο διαμέσου του διηλεκτρικού προς το κάτω ηλεκτρόδιο. Επομένως, οι ρυθμοί έγχυσης και μεταφοράς φορτίου αναμένεται να καθορίσουν την αξιοπιστία και τον χρόνο ενεργού ζωής της διάταξης. Ο ρυθμός έγχυσης θα καθοριστεί από τις συνθήκες ενεργοποίησης και τους εμπλεκόμενους μηχανισμούς έγχυσης/ανακατανομής φορτίου και δεδομένου ότι τα πεδία που αναπτύσσονται είναι υψηλά (>1ΜV/cm) η διαδικασία φόρτισης είναι ιδιαίτερα ταχεία. Αντίθετα, η εκφόρτιση των υμενίων πραγματοποιείται υπό το καθεστώς χαμηλών ηλεκτρικών πεδίων, καθορίζεται από τον κυρίαρχο μηχανισμό αγωγιμότητας και αποτελεί μία αργή διαδικασία με διάρκεια ωρών έως και μηνών εξαρτώμενη από τις ηλεκτρικές ιδιότητες του διηλεκτρικού υμενίου. Κύριος στόχος της παρούσας διατριβής είναι η μελέτη της διαδικασίας εκφόρτισης των διηλεκτρικών υμενίων και η κατανόηση των εμπλεκόμενων μηχανισμών μεταφοράς φορτίου με απώτερο σκοπό τη βελτιστοποίηση τους για αύξηση της αξιοπιστίας των διατάξεων. Για να καταστεί αυτό εφικτό, επιλύθηκαν βασικά ηλεκτρομηχανικά προβλήματα που δυσχεραίνουν τον ηλεκτρικό χαρακτηρισμό, με την ανάπτυξη μοντέλου που επιτρέπει την μελέτη του διηλεκτρικού υμενίου. Για την μελέτη της ηλεκτρικής συμπεριφοράς των διηλεκτρικών υλικών χρησιμοποιήθηκαν διατάξεις πυκνωτών Μετάλλου – Διηλεκτρικού – Μετάλλου (ΜΙΜ) και διακόπτες χωρητικότητας MEMS, με το νιτρίδιο του πυριτίου (SiNx) να αποτελεί υλικό αναφοράς. Στα υμένια SiNx , βρέθηκε ότι ο μηχανισμός hopping κυριαρχεί κατά την εκφόρτιση διατάξεων MIM και MEMS και μελετήθηκε η επίδραση της στοιχειομετρίας του υμενίου, των συνθηκών πόλωσης και της θερμοκρασίας στα φυσικά μεγέθη του μηχανισμού. Επιπλέον, μελετάται η δυνατότητα περαιτέρω βελτίωσης της εκφόρτισης υμενίων SiNx με την εισαγωγή νανοσωματίων. Σε νανοδομημένα υμένια ταυτοποιήθηκε η παρουσία του μηχανισμού field emission και δύο νέων μηχανισμών εκφόρτισης που μπορούν να δικαιολογήσουν τις βελτιωμένες ιδιότητες τους. Τέλος, μελετήθηκε και η επίδραση της υγρασίας του περιβάλλοντος στην «διασπορά» του επιφανειακού φορτίου και προτείνεται μοντέλο υπολογισμού του μέτρου της, απευθείας σε διακόπτες MEMS.RF – MEMS capacitive switches are promising devices for several applications, especially in the field of wireless communications. They show many advantages compared to the conventional semiconductor based switches (PIN diodes, FETs) such as low cost, low power consumption, high linearity and their ability to manage signals in the order of hundreds of GHz, even in THz. In spite of these attractive benefits, their commercialization is still hindered by reliability issues among them the most severe is dielectric charging. During the device activation charges are injected from the movable electrode and trapped inside the dielectric due to the presence of defects, acting as trapping centers. The trapped charge can only be drained through the dielectric and towards the bottom electrode. Thus, the charge/discharge ratios will determine the device reliability and effective lifetime. The charging ratio will be determined by the activation conditions and the contributing mechanisms of charge injection/redistribution. Taking into account that activation takes place in the presence of high electric fields(>1ΜV/cm), charging procedure is a very fast process. On the other hand, discharging occurs in the presence of low electric fields, is determined from the dominant conduction mechanism and is a very slow process, where the time required for the charge draining may be in the order of weeks and/or months. The main objective of the present work is to study the discharging process of the dielectric films used and to understand the conduction mechanisms involved, with the ultimate goal of optimizing them to increase the devices reliability. To make this possible, basic electromechanical problems that make electrical characterization difficult were solved, with the development of a model that allows the study of the dielectric film. Metal-Insulator-Metal (MIM) capacitors and MEMS capacitive switches were used to study the electrical behavior of dielectric materials, with silicon nitride (SiNx) as the reference material. In SiNx films, the hopping mechanism was found to dominate during MIM and MEMS devices discharging process and the effect of film stoichiometry, polarization conditions and temperature on the physical quantities of the involved mechanism was studied. In addition, the possibility of further improving the discharging process of SiNx films by introducing nanoparticles is being studied. The presence of the field emission mechanism and two new discharge mechanisms were identified in nanostructured films that can justify their improved electrical properties. Finally, the effect of ambient humidity on the "dispersion" of the surface charge was studied and a model for calculating its magnitude, directly on MEMS switches, is proposed

Characterization of the Electrical Behaviour of Thin Dielectric Films at Nanoscale using Methods Derived from Atomic Force Microscopy: Application to Plasma Deposited AgNPs-Based Nanocomposites

International audienceRecent advances in the development of micro-and nano-devices call for applications of thin nanocomposite dielectric films (thickness less than few tens of nanometers) with tuneable electrical properties. For optimization purposes, their behaviour under electrical stress needs to be probed at relevant scale, i.e. nanoscale. To that end electrical modes derived from Atomic Force Microscopy (AFM) appear the best methods due to their nanoscale resolution and non-destructive nature which permits in-situ characterization. The potentialities of electrical modes derived from AFM are presented in this work. The samples under study consist of plasma processed thin dielectric silica layers with embedded silver nanoparticles (AgNPs). Charge injection at local scale, performed by using AFM tip, is investigated by Kelvin Probe Force Microscopy (KPFM). Modulation of the local permittivity induced by the presence of AgNPs is assessed by Electrostatic Force Microscopy (EFM)

Embedded charge for microswitch applications

In this work a micro-electro-mechanical system (MEMS) is proposed for radio frequency (RF) switching applications. MEMS devices outperform the traditionally used solid-state devices in areas such as isolation, insertion loss, and linearity. However, micro switches suffer from high actuation voltage, lifetime limitations, and high packaging cost. A novel micro switch design that incorporates embedded charge in a cantilever structure can, in principle, enable low-voltage operation. This was the primary motivation for this stud

Sigma-Delta control of charge trapping in heterogeneous devices

Dielectric charging represents a major reliability issue in a variety of semiconductor devices. The accumulation of charge in dielectric layers of a device often alters its performance, affecting its circuital features and even reducing its effective lifetime. Although several contributions have been made in order to mitigate the undesired effects of charge trapping on circuit performance, dielectric charge trapping still remains an open reliability issue in several applications. The research work underlying this Thesis mainly focuses on the design, analysis and experimental validation of control strategies to compensate dielectric charging in heterogeneous devices. These control methods are based on the application of specifically designed voltage waveforms that produce complementary effects on the charge dynamics. Using sigma-delta loops, these controls allow to set and maintain, within some limits, the net trapped charge in the dielectric to desired levels that can be changed with time. This allows mitigating long-term reliability issues such as capacitance-voltage (C-V) shifts in MOS and MIM capacitors. Additionally, the bit streams generated by the control loops provide real-time information on the evolution of the trapped charge. The proposed controls also allow compensating the effects of the charge trapping due to external disturbances such as radiation. This has been demonstrated experimentally with MOS capacitors subjected to various types of ionizing radiation (X-rays and gamma rays) while a charge control is being applied. This approach opens up the possibility of establishing techniques for active compensation of radiation-induced charge in MOS structures as well as a new strategy for radiation sensing. A modeling strategy to characterize the dynamics of the dielectric charge in MOS capacitors is also presented. The diffusive nature of the charge trapping phenomena allows their behavioral characterization using Diffusive Representation tools. The experiments carried out demonstrate a very good matching between the predictions of the model and the experimental results obtained. The time variations in the charge dynamics due to changes in the volatges applied and/or due to external disturbances have been also investigated and modeled. Moreover, the charge dynamics of MOS capacitors under sigma-delta control is analyzed using the tools of Sliding Mode Controllers for an infinite sampling frequency approximation. A phenomenological analytical model is obtained which allows to predict and analyze the sequence of control signals. This model has been successfully validated with experimental data. Finally, the above control strategies are extended to other devices such as eMIM capacitors and perovskite solar cells. Preliminary results including open loop and closed loop control experiments are presented. These results demonstrate that the application of the controls allows to set and stabilize both the C-V characteristic of an eMIM capacitor and the current-voltage characteristic (J-V) of a perovskite solar cell.La carga atrapada en dieléctricos suele implicar un problema importante de fiabilidad en muchos dispositivos semiconductores. La acumulación de dicha carga, normalmente provocada por las tensiones aplicadas durante el uso del dispositivo, suele alterar el rendimiento de éste con el tiempo, afectar sus prestaciones a nivel de circuital e, incluso, reducir su vida útil. Aunque durante años se han realizado muchos trabajos para mitigar sus efectos no deseados, sobre todo a nivel circuital, la carga atrapada en dieléctricos sigue siendo un problema abierto que frena la aplicabilidad práctica de algunos dispositivos. El trabajo de investigación realizado en esta Tesis se centra principalmente en el diseño, análisis y validación experimental de estrategias de control para compensar la carga atrapada en dieléctricos de diversos tipos de dispositivos, incluyendo condensadores MOS, condensadores MIM fabricados con nanotecnología y dispositivos basados en perovskitas. Los controles propuestos se basan en utilizar formas de onda de tensión, específicamente diseñadas, que producen efectos complementarios en la dinámica de la carga. Mediante el uso de lazos sigma-delta, estos controles permiten establecer y mantener, dentro de unos límites, la carga neta atrapada en el dieléctrico a valores prefijados, que pueden cambiarse con el tiempo. Esto permite mitigar problemas de fiabilidad a largo plazo como por ejemplo las derivas de la curva capacidad-tensión (C-V) en condensadores MOS y MIM. Adicionalmente, las tramas de bits generadas por los lazos de control proporcionan información en tiempo real sobre la evolución de la carga. Los controles propuestos permiten también compensar los efectos de la carga atrapada en dieléctricos debida a perturbaciones externas como la radiación. Esto se ha demostrado experimentalmente con condesadores MOS sometidos a diversos tipos de radiación ionizante (rayos X y gamma) mientras se les aplicaba un control de carga. Este resultado abre la posibilidad tanto de establecer técnicas de compensación activa de carga inducida por radiación en estructuras MOS, como una nueva estrategia de sensado de radiación. Se presenta también una estrategia de modelado para caracterizar la dinámica de la carga dieléctrica en condensadores MOS. La naturaleza difusiva de los fenómenos de captura y eliminación de carga en dieléctricos permite caracterizar dichos fenómenos empleando herramientas de Representación Difusiva. Los experimentos realizados demuestran una muy buena correspondencia entre las predicciones del modelo y los resultados experimentales obtenidos. Se muestra también como las variaciones temporales de los modelos son debidas a cambios en las formas de onda de actuación del dispositivo y/o a perturbaciones externas. Además, la dinámica de carga en condensadores MOS bajo control sigma-delta se analiza utilizando herramientas de control en modo deslizante (SMC), considerando la aproximación de frecuencia de muestreo infinita. Con ello se obtiene un modelo analítico simplificado que permite predecir y analizar con éxito la secuencia de señales de control. Este modelo se ha validado satisfactoriamente con datos experimentales. Finalmente, las estrategias de control anteriores se han extendido a otros dispositivos susceptibles de sufrir efectos de carga atrapada que pueden afectar su fiabilidad. Así, se han llevado a cabo experimentos preliminares cuyos resultados demuestran que la aplicación de controles de carga permite controlar y estabilizar la característica C-V de un condensador eMIM y la característica corriente-tensión (J-V) de una célula solar basada en perovskitas

Sigma-Delta control of charge trapping in heterogeneous devices

Dielectric charging represents a major reliability issue in a variety of semiconductor devices. The accumulation of charge in dielectric layers of a device often alters its performance, affecting its circuital features and even reducing its effective lifetime. Although several contributions have been made in order to mitigate the undesired effects of charge trapping on circuit performance, dielectric charge trapping still remains an open reliability issue in several applications. The research work underlying this Thesis mainly focuses on the design, analysis and experimental validation of control strategies to compensate dielectric charging in heterogeneous devices. These control methods are based on the application of specifically designed voltage waveforms that produce complementary effects on the charge dynamics. Using sigma-delta loops, these controls allow to set and maintain, within some limits, the net trapped charge in the dielectric to desired levels that can be changed with time. This allows mitigating long-term reliability issues such as capacitance-voltage (C-V) shifts in MOS and MIM capacitors. Additionally, the bit streams generated by the control loops provide real-time information on the evolution of the trapped charge. The proposed controls also allow compensating the effects of the charge trapping due to external disturbances such as radiation. This has been demonstrated experimentally with MOS capacitors subjected to various types of ionizing radiation (X-rays and gamma rays) while a charge control is being applied. This approach opens up the possibility of establishing techniques for active compensation of radiation-induced charge in MOS structures as well as a new strategy for radiation sensing. A modeling strategy to characterize the dynamics of the dielectric charge in MOS capacitors is also presented. The diffusive nature of the charge trapping phenomena allows their behavioral characterization using Diffusive Representation tools. The experiments carried out demonstrate a very good matching between the predictions of the model and the experimental results obtained. The time variations in the charge dynamics due to changes in the volatges applied and/or due to external disturbances have been also investigated and modeled. Moreover, the charge dynamics of MOS capacitors under sigma-delta control is analyzed using the tools of Sliding Mode Controllers for an infinite sampling frequency approximation. A phenomenological analytical model is obtained which allows to predict and analyze the sequence of control signals. This model has been successfully validated with experimental data. Finally, the above control strategies are extended to other devices such as eMIM capacitors and perovskite solar cells. Preliminary results including open loop and closed loop control experiments are presented. These results demonstrate that the application of the controls allows to set and stabilize both the C-V characteristic of an eMIM capacitor and the current-voltage characteristic (J-V) of a perovskite solar cell.La carga atrapada en dieléctricos suele implicar un problema importante de fiabilidad en muchos dispositivos semiconductores. La acumulación de dicha carga, normalmente provocada por las tensiones aplicadas durante el uso del dispositivo, suele alterar el rendimiento de éste con el tiempo, afectar sus prestaciones a nivel de circuital e, incluso, reducir su vida útil. Aunque durante años se han realizado muchos trabajos para mitigar sus efectos no deseados, sobre todo a nivel circuital, la carga atrapada en dieléctricos sigue siendo un problema abierto que frena la aplicabilidad práctica de algunos dispositivos. El trabajo de investigación realizado en esta Tesis se centra principalmente en el diseño, análisis y validación experimental de estrategias de control para compensar la carga atrapada en dieléctricos de diversos tipos de dispositivos, incluyendo condensadores MOS, condensadores MIM fabricados con nanotecnología y dispositivos basados en perovskitas. Los controles propuestos se basan en utilizar formas de onda de tensión, específicamente diseñadas, que producen efectos complementarios en la dinámica de la carga. Mediante el uso de lazos sigma-delta, estos controles permiten establecer y mantener, dentro de unos límites, la carga neta atrapada en el dieléctrico a valores prefijados, que pueden cambiarse con el tiempo. Esto permite mitigar problemas de fiabilidad a largo plazo como por ejemplo las derivas de la curva capacidad-tensión (C-V) en condensadores MOS y MIM. Adicionalmente, las tramas de bits generadas por los lazos de control proporcionan información en tiempo real sobre la evolución de la carga. Los controles propuestos permiten también compensar los efectos de la carga atrapada en dieléctricos debida a perturbaciones externas como la radiación. Esto se ha demostrado experimentalmente con condesadores MOS sometidos a diversos tipos de radiación ionizante (rayos X y gamma) mientras se les aplicaba un control de carga. Este resultado abre la posibilidad tanto de establecer técnicas de compensación activa de carga inducida por radiación en estructuras MOS, como una nueva estrategia de sensado de radiación. Se presenta también una estrategia de modelado para caracterizar la dinámica de la carga dieléctrica en condensadores MOS. La naturaleza difusiva de los fenómenos de captura y eliminación de carga en dieléctricos permite caracterizar dichos fenómenos empleando herramientas de Representación Difusiva. Los experimentos realizados demuestran una muy buena correspondencia entre las predicciones del modelo y los resultados experimentales obtenidos. Se muestra también como las variaciones temporales de los modelos son debidas a cambios en las formas de onda de actuación del dispositivo y/o a perturbaciones externas. Además, la dinámica de carga en condensadores MOS bajo control sigma-delta se analiza utilizando herramientas de control en modo deslizante (SMC), considerando la aproximación de frecuencia de muestreo infinita. Con ello se obtiene un modelo analítico simplificado que permite predecir y analizar con éxito la secuencia de señales de control. Este modelo se ha validado satisfactoriamente con datos experimentales. Finalmente, las estrategias de control anteriores se han extendido a otros dispositivos susceptibles de sufrir efectos de carga atrapada que pueden afectar su fiabilidad. Así, se han llevado a cabo experimentos preliminares cuyos resultados demuestran que la aplicación de controles de carga permite controlar y estabilizar la característica C-V de un condensador eMIM y la característica corriente-tensión (J-V) de una célula solar basada en perovskitas.Postprint (published version