Neutron Detection Using Gadolinium-Based Diodes

P-n heterojunction diodes consisting of a thin n-type layer of Gd2O3 deposited on both p-type Si and p-type 4H SiC substrates were explored as possible solid-state neutron detectors. 79 keV internal conversion electrons from the de-excitation of the meta-stable Gd-158 nucleus can create ionization in the depletion region of the reverse-biased diodes resulting in a detectable signal. The diodes were modeled with Davinci software to determine the feasibility of signal detection above the reverse-bias leakage current. A CASINO simulation showed that less than one percent of the internal conversion electrons deposit their full energy within the achievable depletion region. After depositing contacts on samples prepared at the University of Nebraska, Lincoln, the diodes were exposed to thermal neutron fluxes of approximately 103 n/cm2·s in the AFIT Standard Graphite Pile and 109 n/cm2·s in the thermal column of the Ohio State University Research Reactor. Pulse height spectra collected during irradiations at various reverse bias voltages ranging from - 0.5 V to -5.0 V revealed no discernable neutron induced features. Oscilloscope traces captured during the high thermal neutron flux irradiations show pulses; however, no evidence exists to attribute these pulses to neutron interactions

Electrical and Optical Modeling of Thin-Film Photovoltaic Modules

Heutzutage ist durch viele wissenschaftliche Studien nachgewiesen, dass die Erde längst dem Klimawandel unterworfen ist. Daher muss die gesamte Menschheit vereint handeln, um die schlimmsten Katastrophenszenarien zu verhindern. Ein vielversprechender Ansatz - wenn nicht sogar der vielversprechendste überhaupt - um diese angesprochene, größte Herausforderung in der Geschichte der Menschheit zu bewältigen, ist es, den Energiehunger der Menschheit durch die Erzeugung erneuerbarer und unerschöpflicher Energie zu sättigen. Die Photovoltaik (PV)-Technologie ist ein vielversprechender Anwärter, die leistungsstärkste erneuerbare Energiequelle zu stellen, und spielt aufgrund ihrer direkten Umwandlung des Sonnenlichtes und ihrer skalierbaren Anwendbarkeit in Form von großflächigen Solarmodulen bereits jetzt eine große Rolle bei der Erzeugung erneuerbarer Energie. Im PV-Sektor sind Solarmodule aus Siliziumwafern die derzeit vorherrschende Technologie. Neu aufkommende PV-Technologien wie die Dünnschichttechnologie haben jedoch vorteilhafte Eigenschaften wie einen sehr geringen Kohlenstoffdioxid (CO2)-Fußabdruck, eine kurze energetische Amortisierungszeit und das Potenzial für eine kostengünstige monolithische Massenproduktion, obwohl diese derzeit noch nicht final ausgereift ist. Um die Dünnschichttechnologie jedoch gezielt in Richtung einer breiten Marktreife zu entwickeln, sind numerische Simulationen eine wichtige Säule für das wissenschaftliche Verständnis und die technologische Optimierung. Während sich traditionelle Simulationsliteratur häufig mit materialspezifischen Herausforderungen befasst, konzentriert sich diese Arbeit auf industrieorientierte Herausforderungen auf Modulebene, ohne die zugrundeliegenden Materialparameter zu verändern. Um ein allumfassendes, digitales Modell eines Solarmoduls zu erstellen, werden in dieser Arbeit mehrere Simulationsansätze aus verschiedenen physikalischen Bereichen kombiniert. Zur Abbildung elektrischer Effekte, einschließlich der räumlichen Spannungsvariation innerhalb des Moduls, wird eine Finite Elemente Methode (FEM) zur Lösung der räumlich quantisierten Poisson-Gleichung verwendet. Um optische Effekte zu berücksichtigen, wird eine generalisierte Transfermatrix-Methode (TMM) verwendet. Alle Simulationsmethoden sind in dieser Arbeit von Grund auf neu programmiert worden, um eine Verknüpfung aller Simulationsebenen mit dem höchstmöglichen Grad an Anpassung und Verknüpfung zu ermöglichen. Die Simulation und die Korrektheit der Parameter wird durch externe Quanteneffizienz (EQE)-Messungen, experimentelle Reflexionsdaten und gemessene Strom-Spannungs (I-U)-Kennlinien verifiziert. Der Kernpunkt der Vorgehensweise dieser Arbeit ist eine ganzheitliche Simulationsmethodik auf Modulebene. Dies ermöglicht es, die Lücke zwischen der Simulation auf Materialebene über die Berechnung von Laborwirkungsgraden bis hin zur Bestimmung der von zahlreichen Umweltfaktoren beeinflusste Leistung der Module im Freifeld zu überbrücken. Durch diese Verknüpfung von Zellsimulation und Systemdesign ist es lediglich aus Laboreigenschaften möglich, das Freifeldverhalten von Solarmodulen zu prognostizieren. Sogar das Zurückrechnen von experimentellen Messungen zu Materialparameter ist mittels des in dieser Arbeit entwickelten Verfahrens des Reverse Engineering Fittings (REF) möglich. Das in dieser Arbeit entwickelte numerische Verfahren kann für mehrere Anwendungen genutzt werden. Zunächst können durch die Kombination von elektrischen und optischen Simulationen ganzheitliche Top-Down-Verlustanalysen durchgeführt werden. Dies ermöglicht eine wissenschaftliche Einordnung und einen quantitativen Vergleich aller Verlustleistungsmechanismen auf einen Blick, was die zukünftige Forschung und Entwicklung in Richtung von technologischen Schwachstellen von Solarmodulen lenkt. Darüber hinaus ermöglicht die Kombination von Elektrik und Optik die Detektion von Verlusten, die auf dem nichtlinearen Zusammenspiel dieser beiden Ebenen beruhen und auf eine räumliche Spannungsverteilung im Solarmodul zurückzuführen sind. Diese Arbeit verwendet die entwickelten numerischen Modelle ebenfalls für Optimierungsprobleme, die an digitalen Modellen realer Solarmodule durchgeführt werden. Häufig auftretende Fragestellungen bei der Entwicklung von Solarmodulen sind beispielsweise die Schichtdicke des vorderen optisch transparenten, elektrisch leitfähigen Oxids (TCO) oder die Breite von monolithisch verschalteten Zellen. Die Bestimmung des Optimums dieser mehrdimensionalen Abwägungen zwischen optischer Transparenz, elektrischer Leitfähigkeit und geometrisch inaktiver Fläche zwischen den einzelnen Zellen ist ein Hauptmerkmal der Methodik dieser Arbeit. Mittels des FEM-Ansatzes dieser Arbeit ist es möglich, alle gegenseitigen Wechselwirkungen über verschiedene physikalische Ebenen hinweg zu berücksichtigen und ein ganzheitlich optimiertes Moduldesign zu finden. Auch topologisch komplexere Probleme, wie das Finden eines geeigneten Designs für das Metallisierungsgitter, können auf Grundlage der Simulation mittels der Methode der Topologie-Optimierung (TO) gelöst werden. In dieser Arbeit wurde das TO-Verfahren zum ersten Mal für monolithisch integrierte Zellen eingesetzt. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass sowohl einfache Optimierungen der TCO-Schichtdicken als auch Topologie-Optimierungen stark von den vorherrschenden Beleuchtungsverhältnissen abhängen. Daher ist eine Optimierung auf den Jahresertrag anstelle des Laborwirkungsgrades für industrienahe Anwendungen wesentlich sinnvoller, da die mittleren Jahreseinstrahlungen deutlich von den Laborbedingungen abweichen. Mit Hilfe dieser Ertragsoptimierung wurde in dieser Arbeit für die Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid CuIn$_{1-x}$Ga$_x$Se$_2$ (CIGS)-Technologie ein Leistungsgewinn von über 1 % im Ertrag für einige geografische Standorte und gleichzeitig eine Materialeinsparung für die Metallisierungs- und TCO-Schicht von bis zu 50 % errechnet. Mit Hilfe der numerischen Simulationen dieser Arbeit können alle denkbaren technologischen Verbesserungen auf Modulebene in das Modell eingebracht werden. Auf diese Weise wurde das aktuelle technologische Limit für CIGS-Dünnschicht-Solarmodule berechnet. Unter Verwendung der Randbedingungen der derzeit verfügbaren Materialien, Technologie- und Fertigungstoleranzen und des derzeit besten in der Literatur veröffentlichten CIGS-Materials ergibt sich ein theoretisches Wirkungsgradmaximum von 24 % auf Modulebene. Das derzeit beste veröffentlichte Modul mit den gegebenen Restriktionen weist einen Wirkungsgrad von 19,2 % auf [1]. Verbessert sich der CIGS-Absorber vergleichbar mit jenem von Galliumarsenid (GaAs) im Hinblick auf dessen Rekombinationsrate, ergibt sich ein erhöhtes Wirkungsgradlimit von etwa 28 %. Im Falle eines idealen CIGS-Absorbers ohne intrinsische Rekombinationsverluste wird in dieser Arbeit eine maximale Effizienzobergrenze von 29 % berechnet

Kinetic Intersections as a Source of Information on Rate Coefficients

C

Electromagnetic Wave Theory and Applications

Contains table of contents for Section 3, reports on four research projects and a list of publications.National Aeronautics and Space Administration Grant NAGW-1617National Aeronautics and Space Administration Agreement 958461National Aeronautics and Space Administration Grant NAGW-1272U.S. Army Corp of Engineers Contract DACA39-87-K-0022U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-89-J-1107U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-92-J-1616Digital Equipment CorporationJoint Services Electronics Program Contract DAAL03-92-C-0001U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-90-J-1002U.S. Navy - Office of Naval Research Grant N00014-89-J-1019U.S. Department of Transportation Agreement DTRS-57-88-C-00078TTD13U.S. Department of Transportation Agreement DTRS-57-88-C-00078TTD30U.S. Department of Transportation Agreement DTRS-57-92-C-00054TTD1DARPA/Consortium for Superconducting Electronics Contract MDA972-90-C-0021National Science Foundation Fellowship MIP 88-5876

Resonant tunnelling diode optoelectronic receivers and transmitters

This thesis describes the research work on double barrier quantum well (DBQW) resonant tunneling diode (RTD) based optoelectronic transmitters and receivers, focused on the design and characterization of resonant tunneling diode photodetectors (RTD-PD) implemented in the In53Ga47As/InP material system for operation at 1.55 μm and 1.31 μm wavelengths, and evaluate numerically the merits of the integration of an RTD/RTD-PD with a laser diode (LDs) to act as simple optoelectronic transmitters. The aim of the work was to investigate simple, low-cost, high-speed transmitter and receiver architectures taking advantage of RTDs properties such as the structural simplicity, high frequency (up to terahertz), and wide-bandwidth built-in electrical gain (roughly, from dc to terahertz). Also described are the preliminary studies of RTD-PDs operation as single photon detector at room temperature utilizing the excitability property. In this work, we evaluate which factors affect the bandwidth of RTD-PDs. Knowing the answer to this, we propose rules and optimizations necessary to achieving high bandwidth (>10 GHz) RTD-PDs. Furthermore, we show how to utilize the built-in amplification, arising from the RTD non-linear current-voltage (IV) curve and the presence of a negative differential resistance region (NDR) to building high responsivity photodetectors that can outperform current commercial technologies, particularly PIN photodiodes, in novel applications. The design and modeling work relied on numerical simulations utilizing the nonequilibrium Green’s function formalism (NEGF), which we implement using Silvaco ATLAS. We briefly introduce the NEGF method and Silvaco ATLAS and utilize them to do the design of the epitaxial structure of novel devices. The results of which are novel models which allow us to predict the effect that the RTD structural parameters (doping concentration and the lengths of both the emitter and collector) have on the peak voltage of the RTD. We study experimentally the factors affecting the bandwidth by optical characterization of several epitaxial layer stacks and propose hypotheses that help to explain the measured bandwidths. We show that for high-speed RTD-PDs (sub nanosecond), the light absorption layers should be confined to the locations where the electric field is sufficiently high and avoiding highly doped thick contact layers with band gap energies below the energy of the photons being detected. Additionally, we outline a set of rules for the design of RTD-PD detectors based on ni-n and p-i-n heterostructures, where the length, location, and doping level of the absorption regions are the relevant parameters to be considered in determining the bandwidth and responsivity of the devices. Moreover, we measure and report on the responsivity of RTDPDs under both DC and AC optical excitation. We show that RTD-PDs can have very high responsivity values reaching up to 1×107 A/W, and electrical bandwidth of around 1.26 GHz (1.75 GHz optical) that is limited by the lifetime of the photo-generated minority carriers (the holes). The last part of the thesis is dedicated to the study of RTD-PD circuits, where the integration between an RTD-PD and a laser diode (LD) is thoroughly examined. The LD acts as a load that is driven by the RTD-PD current. We derive and investigate the equivalent circuit for such a system incorporating the Schulman function for the RTD-PD IV, using the solution to study several operation regimes using MATLAB code. These regimes include the RTD-PD biased in the positive differential resistance region (PDR), when it is biased in the NDR region, and when induced to switch between the PDR and NDR regions. We also show how the excitability property of the RTD-PD can be used for detecting very low signal intensity levels, and the ability of RTDs to operate as voltage-controlled oscillators while biased in the NDR region

Compact modeling of thin-film silicon transistors fabricated on glass

The semiconductor industry, now entering its seventh decade, continues to innovate and evolve at a breakneck pace. E. O. Wilson, the famous Harvard biologist who is an expert on ants, estimates that there are 1017 ants on earth. The semiconductor industry is now shipping 100 transistors per ant every year. In addition, the pace of growth means we are building more electronics in a year than existed on January 1st of that year! A major driver for this growth in recent years is the portable consumer electronics market which includes cell phones, personal digital assistants, and tablets. The focus of this dissertation is centered on a new thin-film silicon technology on glass introduced by Corning Inc., and targeted to meet the needs of the portable product display market. The work presented in this dissertation revolves around a new technology developed by Corning Inc. known as Silicon on Glass or SiOG which permits the transfer of a thin single-crystal silicon film to a glass substrate. This technology coupled with a low-temperature CMOS process has the potential to create devices with performance characteristics rivaling those developed using conventional bulk CMOS processes. These higher performing devices permit an increased level of circuit integration directly on the glass substrate and have the potential to enable new display technologies such as OLED (Organic Light Emitting Diode). The SiOG CMOS devices are distinctly different from traditional thin-film, silicon-on-insulator, and bulk CMOS devices in that they rely on both surface and bulk conduction. Furthermore, their current-voltage characteristics are heavily influenced by fringing electric fields in the glass substrate. This dissertation presents an overview of display technology as well as a review of computer- aided design tools for integrated circuit development with a focus on compact modeling. In addition, some early work on developing advanced OLED display driver circuits using SiOG technology is presented.The bulk of this dissertation is focused on the development of compact models which properly describe the electrical characteristics of SiOG CMOS devices. For all but the most trivial cases, the set of coupled nonlinear partial differential equations that describe semiconductor device behavior has not been solved analytically. Even when the semiconductor equations that represent current flow, charge distribution, and potential distribution are decoupled and device-specific simplifications are applied, analytic solutions remain elusive. Two different methods for developing compact models for the SiOG CMOS devices are presented with distinct methods for developing approximate solutions. In addition, a model for the fringing electric field is developed using conformal mapping techniques, and its effect on drain current is explored. Finally, a new technique for solving the nonlinear semiconductor equations is explored. The application of a new mathematical technique known as the Homotopy Analysis Method (HAM) is presented as it relates to the general Poisson\u27s equation for semiconductor devices

Análisis y diseño de multiplicadores y mezcladores mediante el Método de Monte CArlo en la banda de THZ

[ES]La región del espectro electromagnético comprendida entre 100 GHz y 10 THz alberga una gran variedad de aplicaciones en campos tan dispares como la radioastronomía, espectroscopía molecular, medicina, seguridad, radar, etc. Los principales inconvenientes en el desarrollo de estas aplicaciones son los altos costes de producción de los sistemas trabajando a estas frecuencias, su costoso mantenimiento, gran volumen y baja fiabilidad. Entre las diferentes tecnologías a frecuencias de THz, la tecnología de los diodos Schottky juega un importante papel debido a su madurez y a la sencillez de estos dispositivos. Además, los diodos Schottky pueden operar tanto a temperatura ambiente como a temperaturas criogénicas, con altas eficiencias cuando se usan como multiplicadores y con moderadas temperaturas de ruido en mezcladores. El principal objetivo de esta tesis doctoral es analizar los fenómenos físicos responsables de las características eléctricas y del ruido en los diodos Schottky, así como analizar y diseñar circuitos multiplicadores y mezcladores en bandas milimétricas y submilimétricas. La primera parte de la tesis presenta un análisis de los fenómenos físicos que limitan el comportamiento de los diodos Schottky de GaAs y GaN y de las características del espectro de ruido de estos dispositivos. Para llevar a cabo este análisis, un modelo del diodo basado en la técnica de Monte Carlo se ha considerado como referencia debido a la elevada precisión y fiabilidad de este modelo. Además, el modelo de Monte Carlo permite calcular directamente el espectro de ruido de los diodos sin necesidad de utilizar ningún modelo analítico o empírico. Se han analizado fenómenos físicos como saturación de la velocidad, inercia de los portadores, dependencia de la movilidad electrónica con la longitud de la epicapa, resonancias del plasma y efectos no locales y no estacionarios. También se ha presentado un completo análisis del espectro de ruido para diodos Schottky de GaAs y GaN operando tanto en condiciones estáticas como variables con el tiempo. Los resultados obtenidos en esta parte de la tesis contribuyen a mejorar la comprensión de la respuesta eléctrica y del ruido de los diodos Schottky en condiciones de altas frecuencias y/o altos campos eléctricos. También, estos resultados han ayudado a determinar las limitaciones de modelos numéricos y analíticos usados en el análisis de la respuesta eléctrica y del ruido electrónico en los diodos Schottky. La segunda parte de la tesis está dedicada al análisis de multiplicadores y mezcladores mediante una herramienta de simulación de circuitos basada en la técnica de balance armónico. Diferentes modelos basados en circuitos equivalentes del dispositivo, en las ecuaciones de arrastre-difusión y en la técnica de Monte Carlo se han considerado en este análisis. El modelo de Monte Carlo acoplado a la técnica de balance armónico se ha usado como referencia para evaluar las limitaciones y el rango de validez de modelos basados en circuitos equivalentes y en las ecuaciones de arrastre-difusión para el diseño de circuitos multiplicadores y mezcladores. Una notable característica de esta herramienta de simulación es que permite diseñar circuitos Schottky teniendo en cuenta tanto la respuesta eléctrica como el ruido generado en los dispositivos. Los resultados de las simulaciones presentados en esta parte de la tesis, tanto para multiplicadores como mezcladores, se han comparado con resultados experimentales publicados en la literatura. El simulador que integra el modelo de Monte Carlo con la técnica de balance armónico permite analizar y diseñar circuitos a frecuencias superiores a 1 THz.[EN]The terahertz region of the electromagnetic spectrum (100 GHz-10 THz) presents a wide range of applications such as radio-astronomy, molecular spectroscopy, medicine, security and radar, among others. The main obstacles for the development of these applications are the high production cost of the systems working at these frequencies, high maintenance, high volume and low reliability. Among the different THz technologies, Schottky technology plays an important rule due to its maturity and the inherent simplicity of these devices. Besides, Schottky diodes can operate at both room and cryogenic temperatures, with high efficiency in multipliers and moderate noise temperature in mixers. This PhD. thesis is mainly concerned with the analysis of the physical processes responsible for the characteristics of the electrical response and noise of Schottky diodes, as well as the analysis and design of frequency multipliers and mixers at millimeter and submillimeter wavelengths. The first part of the thesis deals with the analysis of the physical phenomena limiting the electrical performance of GaAs and GaN Schottky diodes and their noise performance. To carry out this analysis, a Monte Carlo model of the diode has been used as a reference due to the high accuracy and reliability of this diode model at millimeter and submillimter wavelengths. Besides, the Monte Carlo model provides a direct description of the noise spectra of the devices without the necessity of any additional analytical or empirical model. Physical phenomena like velocity saturation, carrier inertia, dependence of the electron mobility on the epilayer length, plasma resonance and nonlocal effects in time and space have been analysed. Also, a complete analysis of the current noise spectra of GaAs and GaN Schottky diodes operating under static and time varying conditions is presented in this part of the thesis. The obtained results provide a better understanding of the electrical and the noise responses of Schottky diodes under high frequency and/or high electric field conditions. Also these results have helped to determine the limitations of numerical and analytical models used in the analysis of the electrical and the noise responses of these devices. The second part of the thesis is devoted to the analysis of frequency multipliers and mixers by means of an in-house circuit simulation tool based on the harmonic balance technique. Different lumped equivalent circuits, drift-diffusion and Monte Carlo models have been considered in this analysis. The Monte Carlo model coupled to the harmonic balance technique has been used as a reference to evaluate the limitations and range of validity of lumped equivalent circuit and driftdiffusion models for the design of frequency multipliers and mixers. A remarkable feature of this reference simulation tool is that it enables the design of Schottky circuits from both electrical and noise considerations. The simulation results presented in this part of the thesis for both multipliers and mixers have been compared with measured results available in the literature. In addition, the Monte Carlo simulation tool allows the analysis and design of circuits above 1 THz

State-Space Model Representation to Characterize an Energy Harvesting Circuit

International audienceThis paper presents a method to model an energy harvesting circuit and a propagation channel as parts of a wireless power transfer (WPT) system. Previously , an original solution was proposed by the authors to maximize the collected DC power level, implying to model the different parts of the system by using state space representation and using convex optimization algorithms to calculate multi carrier signal weights. Firstly, a state-space model of the radio channel is obtained by the use of multivariable output-error state space (MOESP) algorithm. Then, by the vector fitting method a state-space representation is obtained in order to model the linear part of the energy harvesting circuit. At last, by the polynomial-nonlinear state-space (PNLSS) method, the non-linear part of the rectifier is also modeled

The Conference on High Temperature Electronics

The status of and directions for high temperature electronics research and development were evaluated. Major objectives were to (1) identify common user needs; (2) put into perspective the directions for future work; and (3) address the problem of bringing to practical fruition the results of these efforts. More than half of the presentations dealt with materials and devices, rather than circuits and systems. Conference session titles and an example of a paper presented in each session are (1) User requirements: High temperature electronics applications in space explorations; (2) Devices: Passive components for high temperature operation; (3) Circuits and systems: Process characteristics and design methods for a 300 degree QUAD or AMP; and (4) Packaging: Presently available energy supply for high temperature environment