Electron transport and azimuthal oscillations in hall thrusters

The Hall Effect Thruster (HET) is a type of satellite electric propulsion device initially developed in the 1960’s independently by USA and the former USSR. The development continued in the shadow during the 1970’s in the Soviet Union to reach a mature status from the technological point of view in the 1980’s. In the 1990’s the advanced state of this Russian technology became known in western countries, which rapidly restarted the analysis and development of modern Hall thrusters. Currently, there are several companies in USA, Russia and Europe manufacturing Hall thrusters for operational use. The main applications of these thrusters are low-thrust propulsion of interplanetary probes, orbital raising of satellites and stationkeeping of geostationary satellites. However, despite the well proven in-flight experience, the physics of the Hall Thruster are not completely understood yet. Over the last two decades large efforts have been dedicated to the understanding of the physics of Hall Effect thrusters. However, the so-called anomalous diffusion, short name for an excessive electron conductivity along the thruster, is not yet fully understood as it cannot be explained with classical collisional theories. One commonly accepted explanation is the existence of azimuthal oscillations with correlated plasma density and electric field fluctuations. In fact, there is experimental evidence of the presence of an azimuthal oscillation in the low frequency range (a few kHz). This oscillation, usually called spoke, was first detected empirically by Janes and Lowder in the 1960s. More recently several experiments have shown the existence of this type of oscillation in various modern Hall thrusters. Given the frequency range, it is likely that the ionization is the cause of the spoke oscillation, like for the breathing mode oscillation. In the high frequency range (a few MHz), electron-drift azimuthal oscillations have been detected in recent experiments, in line with the oscillations measured by Esipchuk and Tilinin in the 1970’s. Even though these low and high frequency azimuthal oscillations have been known for quite some time already, the physics behind them are not yet clear and their possible relation with the anomalous diffusion process remains an unknown. This work aims at analysing from a theoretical point of view and via computer simulations the possible relation between the azimuthal oscillations and the anomalous electron transport in HET. In order to achieve this main objective, two approaches are considered: local linear stability analyses and global linear stability analyses. The use of local linear stability analyses shall allow identifying the dominant terms in the promotion of the oscillations. However, these analyses do not take into account properly the axial variation of the plasma properties along the thruster. On the other hand, global linear stability analyses do account for these axial variations and shall allow determining how the azimuthal oscillations are promoted and their possible relation with the electron transport.

Thermal, stress, and traps effects in AlGaN/GaN HEMTs

GaN y AlN son materiales semiconductores piezoeléctricos del grupo III-V. La heterounión AlGaN/GaN presenta una elevada carga de polarización tanto piezoeléctrica como espontánea en la intercara, lo que genera en su cercanía un 2DEG de grandes concentración y movilidad. Este 2DEG produce una muy alta potencia de salida, que a su vez genera una elevada temperatura de red. Las tensiones de puerta y drenador provocan un stress piezoeléctrico inverso, que puede afectar a la carga de polarización piezoeléctrica y así influir la densidad 2DEG y las características de salida. Por tanto, la física del dispositivo es relevante para todos sus aspectos eléctricos, térmicos y mecánicos. En esta tesis se utiliza el software comercial COMSOL, basado en el método de elementos finitos (FEM), para simular el comportamiento integral electro-térmico, electro-mecánico y electro-térmico-mecánico de los HEMTs de GaN. Las partes de acoplamiento incluyen el modelo de deriva y difusión para el transporte electrónico, la conducción térmica y el efecto piezoeléctrico. Mediante simulaciones y algunas caracterizaciones experimentales de los dispositivos, hemos analizado los efectos térmicos, de deformación y de trampas. Se ha estudiado el impacto de la geometría del dispositivo en su auto-calentamiento mediante simulaciones electro-térmicas y algunas caracterizaciones eléctricas. Entre los resultados más sobresalientes, encontramos que para la misma potencia de salida la distancia entre los contactos de puerta y drenador influye en generación de calor en el canal, y así en su temperatura. El diamante posee une elevada conductividad térmica. Integrando el diamante en el dispositivo se puede dispersar el calor producido y así reducir el auto-calentamiento, al respecto de lo cual se han realizado diversas simulaciones electro-térmicas. Si la integración del diamante es en la parte superior del transistor, los factores determinantes para la capacidad disipadora son el espesor de la capa de diamante, su conductividad térmica y su distancia a la fuente de calor. Este procedimiento de disipación superior también puede reducir el impacto de la barrera térmica de intercara entre la capa adaptadora (buffer) y el substrato. La muy reducida conductividad eléctrica del diamante permite que pueda contactar directamente el metal de puerta (muy cercano a la fuente de calor), lo que resulta muy conveniente para reducir el auto-calentamiento del dispositivo con polarización pulsada. Por otra parte se simuló el dispositivo con diamante depositado en surcos atacados sobre el sustrato como caminos de disipación de calor (disipador posterior). Aquí aparece una competencia de factores que influyen en la capacidad de disipación, a saber, el surco atacado contribuye a aumentar la temperatura del dispositivo debido al pequeño tamaño del disipador, mientras que el diamante disminuiría esa temperatura gracias a su elevada conductividad térmica. Por tanto, se precisan capas de diamante relativamente gruesas para reducer ele efecto de auto-calentamiento. Se comparó la simulación de la deformación local en el borde de la puerta del lado cercano al drenador con estructuras de puerta estándar y con field plate, que podrían ser muy relevantes respecto a fallos mecánicos del dispositivo. Otras simulaciones se enfocaron al efecto de la deformación intrínseca de la capa de diamante en el comportamiento eléctrico del dispositivo. Se han comparado los resultados de las simulaciones de la deformación y las características eléctricas de salida con datos experimentales obtenidos por espectroscopía micro-Raman y medidas eléctricas, respectivamente. Los resultados muestran el stress intrínseco en la capa producido por la distribución no uniforme del 2DEG en el canal y la región de acceso. Además de aumentar la potencia de salida del dispositivo, la deformación intrínseca en la capa de diamante podría mejorar la fiabilidad del dispositivo modulando la deformación local en el borde de la puerta del lado del drenador. Finalmente, también se han simulado en este trabajo los efectos de trampas localizados en la superficie, el buffer y la barrera. Las medidas pulsadas muestran que tanto las puertas largas como las grandes separaciones entre los contactos de puerta y drenador aumentan el cociente entre la corriente pulsada frente a la corriente continua (lag ratio), es decir, disminuir el colapse de corriente (current collapse). Este efecto ha sido explicado mediante las simulaciones de los efectos de trampa de superficie. Por su parte, las referidas a trampas en el buffer se enfocaron en los efectos de atrapamiento dinámico, y su impacto en el auto-calentamiento del dispositivo. Se presenta también un modelo que describe el atrapamiento y liberación de trampas en la barrera: mientras que el atrapamiento se debe a un túnel directo del electrón desde el metal de puerta, el desatrapamiento consiste en la emisión del electrón en la banda de conducción mediante túnel asistido por fonones. El modelo también simula la corriente de puerta, debida a la emisión electrónica dependiente de la temperatura y el campo eléctrico. Además, también se ilustra la corriente de drenador dependiente de la temperatura y el campo eléctrico. ABSTRACT GaN and AlN are group III-V piezoelectric semiconductor materials. The AlGaN/GaN heterojunction presents large piezoelectric and spontaneous polarization charge at the interface, leading to high 2DEG density close to the interface. A high power output would be obtained due to the high 2DEG density and mobility, which leads to elevated lattice temperature. The gate and drain biases induce converse piezoelectric stress that can influence the piezoelectric polarization charge and further influence the 2DEG density and output characteristics. Therefore, the device physics is relevant to all the electrical, thermal, and mechanical aspects. In this dissertation, by using the commercial finite-element-method (FEM) software COMSOL, we achieved the GaN HEMTs simulation with electro-thermal, electro-mechanical, and electro-thermo-mechanical full coupling. The coupling parts include the drift-diffusion model for the electron transport, the thermal conduction, and the piezoelectric effect. By simulations and some experimental characterizations, we have studied the device thermal, stress, and traps effects described in the following. The device geometry impact on the self-heating was studied by electro-thermal simulations and electrical characterizations. Among the obtained interesting results, we found that, for same power output, the distance between the gate and drain contact can influence distribution of the heat generation in the channel and thus influence the channel temperature. Diamond possesses high thermal conductivity. Integrated diamond with the device can spread the generated heat and thus potentially reduce the device self-heating effect. Electro-thermal simulations on this topic were performed. For the diamond integration on top of the device (top-side heat spreading), the determinant factors for the heat spreading ability are the diamond thickness, its thermal conductivity, and its distance to the heat source. The top-side heat spreading can also reduce the impact of thermal boundary resistance between the buffer and the substrate on the device thermal behavior. The very low electrical conductivity of diamond allows that it can directly contact the gate metal (which is very close to the heat source), being quite convenient to reduce the self-heating for the device under pulsed bias. Also, the diamond coated in vias etched in the substrate as heat spreading path (back-side heat spreading) was simulated. A competing mechanism influences the heat spreading ability, i.e., the etched vias would increase the device temperature due to the reduced heat sink while the coated diamond would decrease the device temperature due to its higher thermal conductivity. Therefore, relative thick coated diamond is needed in order to reduce the self-heating effect. The simulated local stress at the gate edge of the drain side for the device with standard and field plate gate structure were compared, which would be relevant to the device mechanical failure. Other stress simulations focused on the intrinsic stress in the diamond capping layer impact on the device electrical behaviors. The simulated stress and electrical output characteristics were compared to experimental data obtained by micro-Raman spectroscopy and electrical characterization, respectively. Results showed that the intrinsic stress in the capping layer caused the non-uniform distribution of 2DEG in the channel and the access region. Besides the enhancement of the device power output, intrinsic stress in the capping layer can potentially improve the device reliability by modulating the local stress at the gate edge of the drain side. Finally, the surface, buffer, and barrier traps effects were simulated in this work. Pulsed measurements showed that long gates and distances between gate and drain contact can increase the gate lag ratio (decrease the current collapse). This was explained by simulations on the surface traps effect. The simulations on buffer traps effects focused on illustrating the dynamic trapping/detrapping in the buffer and the self-heating impact on the device transient drain current. A model was presented to describe the trapping and detrapping in the barrier. The trapping was the electron direct tunneling from the gate metal while the detrapping was the electron emission into the conduction band described by phonon-assisted tunneling. The reverse gate current was simulated based on this model, whose mechanism can be attributed to the temperature and electric field dependent electron emission in the barrier. Furthermore, the mechanism of the device bias via the self-heating and electric field impact on the electron emission and the transient drain current were also illustrated.

How should the sustainability of the location of dry ports be measured? A proposed methodology using Bayesian networks and multi-criteria decision analysis

The global economic structure, with its decentralized production and the consequent increase in freight traffic all over the world, creates considerable problems and challenges for the freight transport sector. This situation has led shipping to become the most suitable and cheapest way to transport goods. Thus, ports are configured as nodes with critical importance in the logistics supply chain as a link between two transport systems, sea and land. Increase in activity at seaports is producing three undesirable effects: increasing road congestion, lack of open space in port installations and a significant environmental impact on seaports. These adverse effects can be mitigated by moving part of the activity inland. Implementation of dry ports is a possible solution and would also provide an opportunity to strengthen intermodal solutions as part of an integrated and more sustainable transport chain, acting as a link between road and railway networks. In this sense, implementation of dry ports allows the separation of the links of the transport chain, thus facilitating the shortest possible routes for the lowest capacity and most polluting means of transport. Thus, the decision of where to locate a dry port demands a thorough analysis of the whole logistics supply chain, with the objective of transferring the largest volume of goods possible from road to more energy efficient means of transport, like rail or short-sea shipping, that are less harmful to the environment. However, the decision of where to locate a dry port must also ensure the sustainability of the site. Thus, the main goal of this article is to research the variables influencing the sustainability of dry port location and how this sustainability can be evaluated. With this objective, in this paper we present a methodology for assessing the sustainability of locations by the use of Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA) and Bayesian Networks (BNs). MCDA is used as a way to establish a scoring, whilst BNs were chosen to eliminate arbitrariness in setting the weightings using a technique that allows us to prioritize each variable according to the relationships established in the set of variables. In order to determine the relationships between all the variables involved in the decision, giving us the importance of each factor and variable, we built a K2 BN algorithm. To obtain the scores of each variable, we used a complete cartography analysed by ArcGIS. Recognising that setting the most appropriate location to place a dry port is a geographical multidisciplinary problem, with significant economic, social and environmental implications, we consider 41 variables (grouped into 17 factors) which respond to this need. As a case of study, the sustainability of all of the 10 existing dry ports in Spain has been evaluated. In this set of logistics platforms, we found that the most important variables for achieving sustainability are those related to environmental protection, so the sustainability of the locations requires a great respect for the natural environment and the urban environment in which they are framed.

Metodología para la evaluación de la calidad de la localización de puertos secos

La estructura económica mundial, con centros de producción y consumo descentralizados y el consiguiente aumento en el tráfico de mercancías en todo el mundo, crea considerables problemas y desafíos para el sector del transporte de mercancías. Esta situación ha llevado al transporte marítimo a convertirse en el modo más económico y más adecuado para el transporte de mercancías a nivel global. De este modo, los puertos marítimos se configuran como nodos de importancia capital en la cadena de suministro al servir como enlace entre dos sistemas de transporte, el marítimo y el terrestre. El aumento de la actividad en los puertos marítimos produce tres efectos indeseables: el aumento de la congestión vial, la falta de espacio abierto en las instalaciones portuarias y un impacto ambiental significativo en los puertos marítimos. Los puertos secos nacen para favorecer la utilización de cada modo de transporte en los segmentos en que resultan más competitivos y para mitigar estos problemas moviendo parte de la actividad en el interior. Además, gracias a la implantación de puertos secos es posible discretizar cada uno de los eslabones de la cadena de transporte, permitiendo que los modos más contaminantes y con menor capacidad de transporte tengan itinerarios lo más cortos posible, o bien, sean utilizados únicamente para el transporte de mercancías de alto valor añadido. Así, los puertos secos se presentan como una oportunidad para fortalecer las soluciones intermodales como parte de una cadena integrada de transporte sostenible, potenciando el transporte de mercancías por ferrocarril. Sin embargo, su potencial no es aprovechado al no existir una metodología de planificación de la ubicación de uso sencillo y resultados claros para la toma de decisiones a partir de los criterios ingenieriles definidos por los técnicos. La decisión de dónde ubicar un puerto seco exige un análisis exhaustivo de toda la cadena logística, con el objetivo de transferir el mayor volumen de tráfico posible a los modos más eficientes desde el punto de vista energético, que son menos perjudiciales para el medio ambiente. Sin embargo, esta decisión también debe garantizar la sostenibilidad de la propia localización. Esta Tesis Doctoral, pretende sentar las bases teóricas para el desarrollo de una herramienta de Herramienta de Ayuda a la Toma de Decisiones que permita establecer la localización más adecuada para la construcción de puertos secos. Este primer paso es el desarrollo de una metodología de evaluación de la sostenibilidad y la calidad de las localizaciones de los puertos secos actuales mediante el uso de las siguientes técnicas: Metodología DELPHI, Redes Bayesianas, Análisis Multicriterio y Sistemas de Información Geográfica. Reconociendo que la determinación de la ubicación más adecuada para situar diversos tipos de instalaciones es un importante problema geográfico, con significativas repercusiones medioambientales, sociales, económicos, locacionales y de accesibilidad territorial, se considera un conjunto de 40 variables (agrupadas en 17 factores y estos, a su vez, en 4 criterios) que permiten evaluar la sostenibilidad de las localizaciones. El Análisis Multicriterio se utiliza como forma de establecer una puntuación a través de un algoritmo de scoring. Este algoritmo se alimenta a través de: 1) unas calificaciones para cada variable extraídas de información geográfica analizada con ArcGIS (Criteria Assessment Score); 2) los pesos de los factores obtenidos a través de un cuestionario DELPHI, una técnica caracterizada por su capacidad para alcanzar consensos en un grupo de expertos de muy diferentes especialidades: logística, sostenibilidad, impacto ambiental, planificación de transportes y geografía; y 3) los pesos de las variables, para lo que se emplean las Redes Bayesianas lo que supone una importante aportación metodológica al tratarse de una novedosa aplicación de esta técnica. Los pesos se obtienen aprovechando la capacidad de clasificación de las Redes Bayesianas, en concreto de una red diseñada con un algoritmo de tipo greedy denominado K2 que permite priorizar cada variable en función de las relaciones que se establecen en el conjunto de variables. La principal ventaja del empleo de esta técnica es la reducción de la arbitrariedad en la fijación de los pesos de la cual suelen adolecer las técnicas de Análisis Multicriterio. Como caso de estudio, se evalúa la sostenibilidad de los 10 puertos secos existentes en España. Los resultados del cuestionario DELPHI revelan una mayor importancia a la hora de buscar la localización de un Puerto Seco en los aspectos tenidos en cuenta en las teorías clásicas de localización industrial, principalmente económicos y de accesibilidad. Sin embargo, no deben perderse de vista el resto de factores, cuestión que se pone de manifiesto a través del cuestionario, dado que ninguno de los factores tiene un peso tan pequeño como para ser despreciado. Por el contrario, los resultados de la aplicación de Redes Bayesianas, muestran una mayor importancia de las variables medioambientales, por lo que la sostenibilidad de las localizaciones exige un gran respeto por el medio natural y el medio urbano en que se encuadra. Por último, la aplicación práctica refleja que la localización de los puertos secos existentes en España en la actualidad presenta una calidad modesta, que parece responder más a decisiones políticas que a criterios técnicos. Por ello, deben emprenderse políticas encaminadas a generar un modelo logístico colaborativo-competitivo en el que se evalúen los diferentes factores tenidos en cuenta en esta investigación. The global economic structure, with its decentralized production and the consequent increase in freight traffic all over the world, creates considerable problems and challenges for the freight transport sector. This situation has led shipping to become the most suitable and cheapest way to transport goods. Thus, ports are configured as nodes with critical importance in the logistics supply chain as a link between two transport systems, sea and land. Increase in activity at seaports is producing three undesirable effects: increasing road congestion, lack of open space in port installations and a significant environmental impact on seaports. These adverse effects can be mitigated by moving part of the activity inland. Implementation of dry ports is a possible solution and would also provide an opportunity to strengthen intermodal solutions as part of an integrated and more sustainable transport chain, acting as a link between road and railway networks. In this sense, implementation of dry ports allows the separation of the links of the transport chain, thus facilitating the shortest possible routes for the lowest capacity and most polluting means of transport. Thus, the decision of where to locate a dry port demands a thorough analysis of the whole logistics supply chain, with the objective of transferring the largest volume of goods possible from road to more energy efficient means of transport, like rail or short-sea shipping, that are less harmful to the environment. However, the decision of where to locate a dry port must also ensure the sustainability of the site. Thus, the main goal of this dissertation is to research the variables influencing the sustainability of dry port location and how this sustainability can be evaluated. With this objective, in this research we present a methodology for assessing the sustainability of locations by the use of Multi-Criteria Decision Analysis (MCDA) and Bayesian Networks (BNs). MCDA is used as a way to establish a scoring, whilst BNs were chosen to eliminate arbitrariness in setting the weightings using a technique that allows us to prioritize each variable according to the relationships established in the set of variables. In order to determine the relationships between all the variables involved in the decision, giving us the importance of each factor and variable, we built a K2 BN algorithm. To obtain the scores of each variable, we used a complete cartography analysed by ArcGIS. Recognising that setting the most appropriate location to place a dry port is a geographical multidisciplinary problem, with significant economic, social and environmental implications, we consider 41 variables (grouped into 17 factors) which respond to this need. As a case of study, the sustainability of all of the 10 existing dry ports in Spain has been evaluated. In this set of logistics platforms, we found that the most important variables for achieving sustainability are those related to environmental protection, so the sustainability of the locations requires a great respect for the natural environment and the urban environment in which they are framed.