Análisis y diseño de multiplicadores y mezcladores mediante el método de Monte Carlo en la banda de THz = Analysis and design of multipliers and mixers via Monte Carlo modelling at THz bands

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, espectroscopíamolecular, 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 arrastredifusión 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 paramultiplicadores comomezcladores, 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. ABSTRACT 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, highmaintenance, 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.

DPSK signals demodulation based on a multimode fiber with a central dip

Differential Phase Shift Keying (DPSK) modulation format has been shown as a robust solution for next-generation optical transmission systems. One key device enabling such systems is a delay interferometer, converting the phase modulation signal into the intensity modulation signal to be detected by the photodiodes. Usually, a standard Mach-Zehnder interferometer (MZI) is used for demodulating a DPSK signal. In this paper, we develop an MZI which is based on all-fiber Multimode Interference (MI) structure: a multimode fiber (MMF) with a central dip, located between two single-mode fibers (SMFs) without any transition zones. The MI based MZI (MI-MZI) is more stable than the standard MZI as the two arms share the same MMF, reducing the impact of the external effects, such as temperature and others. Performance of this MI-MZI is analyzed theoretically and experimentally from transmission spectrum. Experimental results shows that high interference extinction ratio is obtained, which is far higher than that obtained from a normal graded-index based MI-MZI. Finally, by software simulation, we demonstrate that our proposed MI-MZI can be used for demodulating a 40 Gbps DPSK signal. The performance of the MI-MZI based DPSK receiver is analyzed from the sensitivity. Simulation results show that sensitivity of the proposed receiver is about -22.3 dBm for a BER of 10-15 and about -23.8 dBm for a BER of 10-9.

Transferencia inalámbrica de energía

El trabajo presentado en este documento se centra en la temática de la transferencia inalámbrica de energía, concretamente en aplicaciones de campo lejano, para llevar a cabo dicho trabajo nos centraremos en el diseño, implementación y medición de una rectenna operando en la banda ISM concretamente a una frecuencia de 2.45GHz, el objetivo primordial de este trabajo será analizar que parámetros intervienen en la eficiencia de conversión en la etapa de RF-DC a fin de lograr la máxima eficiencia de conversión posible. Para llevar a cabo dicho análisis se emplearán herramientas informáticas, concretamente se hará uso del software AWR Microwave Office, a través del cual se realizarán simulaciones SourcePull a fin de determinar la impedancia óptima de entrada que se le debe presentar a la etapa rectificadora RF-DC para conseguir la máxima eficiencia de conversión, una vez realizadas dichas pruebas se implementará físicamente un circuito rectenna a través del cual realizar medidas de SourcePull mediante un Wide Matching Range Slide Screw Tuner de MAURY MICROWAVE para cotejar las posibles diferencias con los resultados obtenidos en las simulaciones. Tras la fase de pruebas SourcePull se extrapolará una red de entrada en base a los datos obtenidos en las mediciones anteriores y se diseñará y fabricará un circuito rectenna con máxima eficiencia de conversión para un conjunto de valores de potencia de entrada de RF y carga de DC, tras lo cual se analizará la eficiencia del circuito diseñado para diferentes valores de potencia de RF de entrada y carga de DC. Como elemento rectificador emplearemos en nuestro trabajo el diodo Schottky HSMS-2820, los diodos Schottky se caracterizan por tener tiempos de conmutación relativamente bajos y pérdidas en directa reducidas los cual será fundamental a la hora de trabajar con niveles reducidos de potencia de RF de entrada, para implementar el circuito se empleará un substrato FR4 con espesor de 0.8mm para disminuir en la mayor medida posible las pérdidas introducidas por el dieléctrico, se analizarán diferentes posibilidades a la hora de implementar el filtro de RF a la salida del diodo rectificador y finalmente se optará por el empleo de un stub radial ya que será este el que mejor ancho de banda nos proporcione. Los resultados simulados se compararán con los resultados medidos sobre el circuito rectenna para determinar la similitud entre ambos. ABSTRACT. The work presented in this paper focuses on the issue of wireless transfer of energy, particularly applied to far-field applications, to carry out this work we focus on the design, implementation and measurement of a rectenna operating in the ISM band specifically at a frequency of 2.45GHz, the primary objective of this study is to analyze any parameter involved in the RF-DC conversion efficiency in order to achieve the maximum conversion efficiency as possible. Computer analysis tools will be used, particularly AWR Microwave Office software, in order to carry out SourcePull simulations to determine the optimal input impedance which must be presented to the rectifier stage for maximum conversion efficiency, once obtained, a rectenna circuit will be implemented to compute SourcePull measurements, and finally simulated results will be compared to measured results. Once obtained the result, an input network impedance is extrapolated based on data from previous measurements to design and implement a rectenna circuit with high conversion efficiency for a set of RF input power and DC load values , after that, the designed circuit efficiency will be analyzed for different values of RF input power and DC load. In this work a HSMS-2820 Schottky diode will be used as the rectifier , Schottky diodes are characterized by relatively low switching times and reduced direct losses, that properties will be essential when working with low RF input power levels , to implement the circuit a FR4 substrate with 0.8mm thickness is used to reduce as much as possible the dielectric losses, different possibilities to implement the RF filter to the output of the rectifier diode will be analyzed, finally we will opt for the use of a radial stub as this will provide the best bandwidth possible. The simulated results are compared with the results measured on the rectenna circuit to determine the similarity between them.

Detectores monolíticos y sensores compatibles con altos campos magnéticos para tomografía por emisión de positrones

Esta tesis recoje un trabajo experimental centrado en profundizar sobre el conocimiento de los bloques detectores monolíticos como alternativa a los detectores segmentados para tomografía por emisión de positrones (Positron Emission Tomography, PET). El trabajo llevado a cabo incluye el desarrollo, la caracterización, la puesta a punto y la evaluación de prototipos demostradores PET utilizando bloques monolíticos de ortosilicato de lutecio ytrio dopado con cerio (Cerium-Doped Lutetium Yttrium Orthosilicate, LYSO:Ce) usando sensores compatibles con altos campos magnéticos, tanto fotodiodos de avalancha (Avalanche Photodiodes, APDs) como fotomultiplicadores de silicio (Silicon Photomultipliers, SiPMs). Los prototipos implementados con APDs se construyeron para estudiar la viabilidad de un prototipo PET de alta sensibilidad previamente simulado, denominado BrainPET. En esta memoria se describe y caracteriza la electrónica frontal integrada utilizada en estos prototipos junto con la electrónica de lectura desarrollada específicamente para los mismos. Se muestran los montajes experimentales para la obtención de las imágenes tomográficas PET y para el entrenamiento de los algoritmos de red neuronal utilizados para la estimación de las posiciones de incidencia de los fotones γ sobre la superficie de los bloques monolíticos. Con el prototipo BrainPET se obtuvieron resultados satisfactorios de resolución energética (13 % FWHM), precisión espacial de los bloques monolíticos (~ 2 mm FWHM) y resolución espacial de la imagen PET de 1,5 - 1,7 mm FWHM. Además se demostró una capacidad resolutiva en la imagen PET de ~ 2 mm al adquirir simultáneamente imágenes de fuentes radiactivas separadas a distancias conocidas. Sin embargo, con este prototipo se detectaron también dos limitaciones importantes. En primer lugar, se constató una falta de flexibilidad a la hora de trabajar con un circuito integrado de aplicación específica (Application Specific Integrated Circuit, ASIC) cuyo diseño electrónico no era propio sino comercial, unido al elevado coste que requieren las modificaciones del diseño de un ASIC con tales características. Por otra parte, la caracterización final de la electrónica integrada del BrainPET mostró una resolución temporal con amplio margen de mejora (~ 13 ns FWHM). Tomando en cuenta estas limitaciones obtenidas con los prototipos BrainPET, junto con la evolución tecnológica hacia matrices de SiPM, el conocimiento adquirido con los bloques monolíticos se trasladó a la nueva tecnología de sensores disponible, los SiPMs. A su vez se inició una nueva estrategia para la electrónica frontal, con el ASIC FlexToT, un ASIC de diseño propio basado en un esquema de medida del tiempo sobre umbral (Time over Threshold, ToT), en donde la duración del pulso de salida es proporcional a la energía depositada. Una de las características más interesantes de este esquema es la posibilidad de manejar directamente señales de pulsos digitales, en lugar de procesar la amplitud de las señales analógicas. Con esta arquitectura electrónica se sustituyen los conversores analógicos digitales (Analog to Digital Converter, ADCs) por conversores de tiempo digitales (Time to Digital Converter, TDCs), pudiendo implementar éstos de forma sencilla en matrices de puertas programmable ‘in situ’ (Field Programmable Gate Array, FPGA), reduciendo con ello el consumo y la complejidad del diseño. Se construyó un nuevo prototipo demostrador FlexToT para validar dicho ASIC para bloques monolíticos o segmentados. Se ha llevado a cabo el diseño y caracterización de la electrónica frontal necesaria para la lectura del ASIC FlexToT, evaluando su linealidad y rango dinámico, el comportamiento frente a ruido así como la no linealidad diferencial obtenida con los TDCs implementados en la FPGA. Además, la electrónica presentada en este trabajo es capaz de trabajar con altas tasas de actividad y de discriminar diferentes centelleadores para aplicaciones phoswich. El ASIC FlexToT proporciona una excelente resolución temporal en coincidencia para los eventos correspondientes con el fotopico de 511 keV (128 ps FWHM), solventando las limitaciones de resolución temporal del prototipo BrainPET. Por otra parte, la resolución energética con bloques monolíticos leidos por ASICs FlexToT proporciona una resolución energética de 15,4 % FWHM a 511 keV. Finalmente, se obtuvieron buenos resultados en la calidad de la imagen PET y en la capacidad resolutiva del demostrador FlexToT, proporcionando resoluciones espaciales en el centro del FoV en torno a 1,4 mm FWHM. ABSTRACT This thesis is focused on the development of experimental activities used to deepen the knowledge of monolithic detector blocks as an alternative to segmented detectors for Positron Emission Tomography (PET). It includes the development, characterization, setting up, running and evaluation of PET demonstrator prototypes with monolithic detector blocks of Cerium-doped Lutetium Yttrium Orthosilicate (LYSO:Ce) using magnetically compatible sensors such as Avalanche Photodiodes (APDs) and Silicon Photomultipliers (SiPMs). The prototypes implemented with APDs were constructed to validate the viability of a high-sensitivity PET prototype that had previously been simulated, denominated BrainPET. This work describes and characterizes the integrated front-end electronics used in these prototypes, as well as the electronic readout system developed especially for them. It shows the experimental set-ups to obtain the tomographic PET images and to train neural networks algorithms used for position estimation of photons impinging on the surface of monolithic blocks. Using the BrainPET prototype, satisfactory energy resolution (13 % FWHM), spatial precision of monolithic blocks (~ 2 mm FWHM) and spatial resolution of the PET image (1.5 – 1.7 mm FWHM) in the center of the Field of View (FoV) were obtained. Moreover, we proved the imaging capabilities of this demonstrator with extended sources, considering the acquisition of two simultaneous sources of 1 mm diameter placed at known distances. However, some important limitations were also detected with the BrainPET prototype. In the first place, it was confirmed that there was a lack of flexibility working with an Application Specific Integrated Circuit (ASIC) whose electronic design was not own but commercial, along with the high cost required to modify an ASIC design with such features. Furthermore, the final characterization of the BrainPET ASIC showed a timing resolution with room for improvement (~ 13 ns FWHM). Taking into consideration the limitations obtained with the BrainPET prototype, along with the technological evolution in magnetically compatible devices, the knowledge acquired with the monolithic blocks were transferred to the new technology available, the SiPMs. Moreover, we opted for a new strategy in the front-end electronics, the FlexToT ASIC, an own design ASIC based on a Time over Threshold (ToT) scheme. One of the most interesting features underlying a ToT architecture is the encoding of the analog input signal amplitude information into the duration of the output signals, delivering directly digital pulses. The electronic architecture helps substitute the Analog to Digital Converters (ADCs) for Time to Digital Converters (TDCs), and they are easily implemented in Field Programmable Gate Arrays (FPGA), reducing the consumption and the complexity of the design. A new prototype demonstrator based on SiPMs was implemented to validate the FlexToT ASIC for monolithic or segmented blocks. The design and characterization of the necessary front-end electronic to read-out the signals from the ASIC was carried out by evaluating its linearity and dynamic range, its performance with an external noise signal, as well as the differential nonlinearity obtained with the TDCs implemented in the FPGA. Furthermore, the electronic presented in this work is capable of working at high count rates and discriminates different phoswich scintillators. The FlexToT ASIC provides an excellent coincidence time resolution for events that correspond to 511 keV photopeak (128 ps FWHM), resolving the limitations of the poor timing resolution of the BrainPET prototype. Furthermore, the energy resolution with monolithic blocks read by FlexToT ASICs provides an energy resolution of 15.4 % FWHM at 511 keV. Finally, good results were obtained in the quality of the PET image and the resolving power of the FlexToT demonstrator, providing spatial resolutions in the centre of the FoV at about 1.4 mm FWHM.

Ti/Pd/Ag Contacts to n-Type GaAs for High Current Density Devices

The metallization stack Ti/Pd/Ag on n-type Si has been readily used in solar cells due to its low metal/semiconductor specific contact resistance, very high sheet conductance, bondability, long-term durability, and cost-effectiveness. In this study, the use of Ti/Pd/Ag metallization on n-type GaAs is examined, targeting electronic devices that need to handle high current densities and with grid-like contacts with limited surface coverage (i.e., solar cells, lasers, or light emitting diodes). Ti/Pd/Ag (50 nm/50 nm/1000 nm) metal layers were deposited on n-type GaAs by electron beam evaporation and the contact quality was assessed for different doping levels (from 1.3 × 1018 cm−3 to 1.6 × 1019 cm−3) and annealing temperatures (from 300°C to 750°C). The metal/semiconductor specific contact resistance, metal resistivity, and the morphology of the contacts were studied. The results show that samples doped in the range of 1018 cm−3 had Schottky-like I–V characteristics and only samples doped 1.6 × 1019 cm−3 exhibited ohmic behavior even before annealing. For the ohmic contacts, increasing annealing temperature causes a decrease in the specific contact resistance (ρ c,Ti/Pd/Ag ~ 5 × 10−4 Ω cm2). In regard to the metal resistivity, Ti/Pd/Ag metallization presents a very good metal conductivity for samples treated below 500°C (ρ M,Ti/Pd/Ag ~ 2.3 × 10−6 Ω cm); however, for samples treated at 750°C, metal resistivity is strongly degraded due to morphological degradation and contamination in the silver overlayer. As compared to the classic AuGe/Ni/Au metal system, the Ti/Pd/Ag system shows higher metal/semiconductor specific contact resistance and one order of magnitude lower metal resistivity.

Optical properties of ZnMgO films grown by spray pyrolysis and their application to UV photodetection

This work presents a comprehensive optical characterization of Zn1−xMgxO thin films grown by spray pyrolysis (SP). Absorption measurements show the high potential of this technique to tune the bandgap from 3.30 to 4.11 eV by changing the Mg acetate content in the precursor solution, leading to a change of the Mg-content ranging from 0 up to 35%, as measured by transmission electron microscopy-energy dispersive x-ray spectroscopy. The optical emission of the films obtained by cathodoluminescence and photoluminescence spectroscopy shows a blue shift of the peak position from 3.26 to 3.89 eV with increasing Mg incorporation, with a clear excitonic contribution even at high Mg contents. The linewidth broadening of the absorption and emission spectra as well as the magnitude of the observed Stokes shift are found to significantly increase with the Mg content. This is shown to be related to both potential fluctuations induced by pure statistical alloy disorder and the presence of a tail of band states, the latter dominating for medium Mg contents. Finally, metal–semiconductor–metal photodiodes were fabricated showing a high sensitivity and a blue shift in the cut-off energy from 3.32 to 4.02 eV, i.e., down to 308 nm. The photodiodes present large UV/dark contrast ratios (102 − 107), indicating the viability of SP as a growth technique to fabricate low cost (Zn, Mg)O-based UV photodetectors reaching short wavelengths.