Membrane selectivity versus sensor response in hydrogenated amorphous silicon CHEMFETs using a semi-empirical model

Toxic amides, such as acrylamide, are potentially harmful to Human health, so there is great interest in the fabrication of compact and economical devices to measure their concentration in food products and effluents. The CHEmically Modified Field Effect Transistor (CHEMFET) based onamorphous silicon technology is a candidate for this type of application due to its low fabrication cost. In this article we have used a semi-empirical modelof the device to predict its performance in a solution of interfering ions. The actual semiconductor unit of the sensor was fabricated by the PECVD technique in the top gate configuration. The CHEMFET simulation was performed based on the experimental current voltage curves of the semiconductor unit and on an empirical model of the polymeric membrane. Results presented here are useful for selection and design of CHEMFET membranes and provide an idea of the limitations of the amorphous CHEMFET device. In addition to the economical advantage, the small size of this prototype means it is appropriate for in situ operation and integration in a sensor array.

Phototransistor with nanocrystalline Si/amorphous Si bilayer channel

We report a field-effect phototransistor with a channel comprising a thin nanocrystalline silicon transport layer and a thicker hydrogenated amorphous silicon absorption layer. The semiconductor and dielectric layers were deposited by radio-frequency plasma enhanced chemical vapor deposition. The phototransistor with channel length of 24 microns and photosensitive area of 1.4 mm(2) shows an off-current of about 1 pA, and high photoconductive gain in the subthreshold region. Measurements of the quantum efficiency at different incident light intensities and biasing conditions, along with spectral-response characteristics, and threshold voltage stability characterization demonstrate the feasibility of the phototransistor for low light level detection.

Implementação de WDM com dispositivos semicondutores

Este trabalho utiliza uma estrutura pin empilhada, baseada numa liga de siliceto de carbono amorfo hidrogenado (a-Si:H e/ou a-SiC:H), que funciona como filtro óptico na zona visível do espectro electromagnético. Pretende-se utilizar este dispositivo para realizar a demultiplexagem de sinais ópticos e desenvolver um algoritmo que permita fazer o reconhecimento autónomo do sinal transmitido em cada canal. O objectivo desta tese visa implementar um algoritmo que permita o reconhecimento autónomo da informação transmitida por cada canal através da leitura da fotocorrente fornecida pelo dispositivo. O tema deste trabalho resulta das conclusões de trabalhos anteriores, em que este dispositivo e outros de configuração idêntica foram analisados, de forma a explorar a sua utilização na implementação da tecnologia WDM. Neste trabalho foram utilizados três canais de transmissão (Azul – 470 nm, Verde – 525 nm e Vermelho – 626 nm) e vários tipos de radiação de fundo. Foram realizadas medidas da resposta espectral e da resposta temporal da fotocorrente do dispositivo, em diferentes condições experimentais. Variou-se o comprimento de onda do canal e o comprimento de onda do fundo aplicado, mantendo-se constante a intensidade do canal e a frequência de transmissão. Os resultados obtidos permitiram aferir sobre a influência da presença da radiação de fundo e da tensão aplicada ao dispositivo, usando diferentes sequências de dados transmitidos nos vários canais. Verificou-se, que sob polarização inversa, a radiação de fundo vermelho amplifica os valores de fotocorrente do canal azul e a radiação de fundo azul amplifica o canal vermelho e verde. Para polarização directa, apenas a radiação de fundo azul amplifica os valores de fotocorrente do canal vermelho. Enquanto para ambas as polarizações, a radiação de fundo verde, não tem uma grande influência nos restantes canais. Foram implementados dois algoritmos para proceder ao reconhecimento da informação de cada canal. Na primeira abordagem usou-se a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa e directa. Pela comparação das duas medidas desenvolveu-se e testou-se um algoritmo que permite o reconhecimento dos canais individuais. Numa segunda abordagem procedeu-se ao reconhecimento da informação de cada canal mas com aplicação de radiação de fundo, tendo-se usado a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa sem aplicação de radiação de fundo com a informação contida nas medidas de fotocorrente geradas pelo dispositivo sob polarização inversa com aplicação de radiação de fundo. Pela comparação destas duas medidas desenvolveu-se e testou-se o segundo algoritmo que permite o reconhecimento dos canais individuais com base na aplicação de radiação de fundo.

Nanocrystalline p-layer for a-Si:H p-i-n solar cells and photodiodes

We report on structural, electronic, and optical properties of boron-doped, hydrogenated nanocrystalline silicon (nc-Si:H) thin films deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition (PECVD) at a substrate temperature of 150 degrees C. Film properties were studied as a function of trimethylboron-to-silane ratio and film thickness. The absorption loss of 25% at a wavelength of 400 nm was measured for the 20 nm thick films on glass and glass/ZnO:Al substrates. By employing the p(+) nc-Si:H as a window layer, complete p-i-n structures were fabricated and characterized. Low leakage current and enhanced sensitivity in the UV/blue range were achieved by incorporating an a-SiC:H buffer between the p- and i-layers.

Image and color recognition using amorphous silicon p-i-n photodiodes

Large area hydrogenated amorphous silicon single and stacked p-i-n structures with low conductivity doped layers are proposed as monochrome and color image sensors. The layers of the structures are based on amorphous silicon alloys (a-Si(x)C(1-x):H). The current-voltage characteristics and the spectral sensitivity under different bias conditions are analyzed. The output characteristics are evaluated under different read-out voltages and scanner wavelengths. To extract information on image shape, intensity and color, a modulated light beam scans the sensor active area at three appropriate bias voltages and the photoresponse in each scanning position ("sub-pixel") is recorded. The investigation of the sensor output under different scanner wavelengths and varying electrical bias reveals that the response can be tuned, thus enabling color separation. The operation of the sensor is exemplified and supported by a numerical simulation.

Large area image sensing structures based on a-SiC : H: a dynamic characterization

In recent works large area hydrogenated amorphous silicon p-i-n structures with low conductivity doped layers were proposed as single element image sensors. The working principle of this type of sensor is based on the modulation, by the local illumination conditions, of the photocurrent generated by a light beam scanning the active area of the device. In order to evaluate the sensor capabilities is necessary to perform a response time characterization. This work focuses on the transient response of such sensor and on the influence of the carbon contents of the doped layers. In order to evaluate the response time a set of devices with different percentage of carbon incorporation in the doped layers is analyzed by measuring the scanner-induced photocurrent under different bias conditions.

Boron-doped nanocrystalline silicon thin films for solar cells

This article reports on the structural, electronic, and optical properties of boron-doped hydrogenated nanocrystalline silicon (nc-Si: H) thin films. The films were deposited by plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD) at a substrate temperature of 150 degrees C. Crystalline volume fraction and dark conductivity of the films were determined as a function of trimethylboron-to-silane flow ratio. Optical constants of doped and undoped nc-Si: H were obtained from transmission and reflection spectra. By employing p(+) nc-Si: H as a window layer combined with a p' a-SiC buffer layer, a-Si: H-based p-p'-i-n solar cells on ZnO:Al-coated glass substrates were fabricated. Device characteristics were obtained from current-voltage and spectral-response measurements. (C) 2011 Elsevier B. V. All rights reserved.

Fotodetector e dispositivo WDM integrados

Ao longo deste trabalho é apresentada a caracterização optoelectrónica de uma estrutura semicondutora empilhada de fotodíodos PIN (Positive-Intrinsic-Negative), baseados em silício amorfo hidrogenado (a-Si:H - Hydrogenated Amorphous Silicon) e siliceto de carbono amorfo hi-drogenado (a-SiC:H - Hydrogenated Amorphous Silicon Carbide), em que ambos funcionam como filtros ópticos na zona visível do espectro electromagnético e cuja sensibilidade espectral na região do visível é modulada pelo sinal de tensão eléctrico aplicado e pela presença de polarização óptica adicional (radiação de fundo). Pretende-se utilizar a característica de sensor de cor destes dispositivos semicondutores para realizar a demultiplexagem de sinais ópticos e desenvolver um algoritmo que permita fazer o reco-nhecimento autónomo do sinal transmitido em cada canal, tendo em vista a utilização de vários ca-nais para a transmissão de sinais a curta distância. A transmissão destes sinais deverá ser suportada no meio de transmissão fibra óptica, que constituirá uma importante mais-valia na optimização do sistema WDM (Wavelength Division Mul-tiplexing), permitindo optimizar a transmissão de sinais. Pelas suas capacidades intrínsecas, as fi-bras ópticas de plástico (POF - Plastic Optical Fibers) são uma solução adequada para a transmis-são de sinais no domínio visível do espectro electromagnético a curtas distâncias. Foi realizada uma sucinta caracterização optoelectrónica da estrutura semicondutora sob diferentes condições de iluminação, variando o comprimento de onda e a iluminação de fundo que influencia a resposta espectral do dispositivo semicondutor, variando as cores dos fundos inciden-tes, variando o lado incidente do fundo sobre a estrutura semicondutora, variando a intensidade des-ses mesmos fundos incidentes e também variando a frequência do sinal de dados. Para a transmissão dos sinais de dados foram utilizados três dispositivos LED (Light-Emitting Diode) com as cores vermelho (626nm), verde (525nm) e azul (470nm) a emitir os respec-tivos sinais de dados sobre a estrutura semicondutora e onde foram aplicadas diversas configurações de radiação de fundo incidente, variando as cores dos fundos incidentes, variando o lado incidente do fundo sobre a estrutura semicondutora e variando também a intensidade desses mesmos fundos incidentes. Com base nos resultados obtidos ao longo deste trabalho, foi possível aferir sobre a influên-cia da presença da radiação de fundo aplicada ao dispositivo, usando diferentes sequências de dados transmitidos nos vários canais. Sob polarização inversa, e com a aplicação de um fundo incidente no lado frontal da estrutura semicondutora os valores de fotocorrente gerada são amplificados face aos valores no escuro, sendo que os valores mais altos foram encontrados com a aplicação do fundo de cor violeta, contribuindo para tal, o facto do sinal do canal vermelho e canal verde serem bastan-te amplificados com a aplicação deste fundo. Por outro lado, com a aplicação dos fundos incidentes no lado posterior da estrutura semi-condutora, o sinal gerado não é amplificado com nenhuma cor, no entanto, a aplicação do fundo de cor azul proporciona a distinção do sinal proveniente do canal azul e do canal vermelho, sendo que quando está presente um sinal do canal vermelho, o sinal é fortemente atenuado e com a presença do sinal do canal azul o sinal gerado aproxima-se mais do valor de fotocorrente gerada com a estru-tura no escuro. O algoritmo implementado ao longo deste trabalho, permite efectuar o reconhecimento au-tónomo da informação transmitida por cada canal através da leitura do sinal da fotocorrente forne-cida pelo dispositivo quando sujeito a uma radiação de fundo incidente violeta no lado frontal e uma radiação de fundo incidente azul no lado posterior. Este algoritmo para a descodificação dos sinais WDM utiliza uma aplicação gráfica desenvolvida em Matlab que com base em cálculos e compara-ções de sinal permite determinar a sequência de sinal dos três canais ópticos incidentes. O trabalho proposto nesta tese é um módulo que se enquadra no desenvolvimento de um sistema integrado de comunicação óptica a curta distância, que tem sido alvo de estudo e que resulta das conclusões de trabalhos anteriores, em que este dispositivo e outros de configuração idêntica foram analisados, de forma a explorar a sua utilização na implementação da tecnologia WDM den-tro do domínio do espectro visível e utilizando as POF como meio de transmissão.

Photodiode with nanocrystalline Si/amorphous Si absorber bilayer

This letter reports a near-ultraviolet/visible/near-infrared n(+)-n-i-delta(i)-p photodiode with an absorber comprising a nanocrystalline silicon n layer and a hydrogenated amorphous silicon i layer. Device modeling reveals that the dominant source of reverse dark current is deep defect states in the n layer, and its magnitude is controlled by the i layer thickness. The photodiode with the 900/400 nm thick n-i layers exhibits a reverse dark current density of 3nA/cm(2) at -1V. Donor concentration and diffusion length of holes in the n layer are estimated from the capacitance-voltage characteristics and from the bias dependence of long-wavelength response, respectively. (C) 2011 American Institute of Physics. [doi: 10.1063/1.3660725]

Optoelectronic properties of a-Si(1-x)C(x)H films grown in hydrogen diluted silane-methane plasma

This work reports on the optoelectronic properties and device application of hydrogenated amorphous silicon carbide (a-Si(1-x)C(x):H) films grown by plasma-enhanced chemical vapour deposition (PECVD). The films with an optical bandgap ranging from about 1.8 to 2.0 eV were deposited in hydrogen diluted silane-methane plasma by varying the radio frequency power. Several n-i-p structures with an intrinsic a-Si(1-x)C(x):H layer of different optical gaps were also fabricated. The optimized devices exhibited a diode ideality factor of 1.4-1.8, and a leakage current of 190-470 pA/cm(2) at -5 V. The density of deep defect states in a-Si(1-x)C(x):H was estimated from the transient dark current measurements and correlated with the optical bandgap and carbon content. Urbach energies for the valence band tail were also determined by analyzing the spectral response within sub-bandgap energy range. (C) 2010 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim

Implementação de WDM com 4 canais no espetro do visível

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações

Sistema WDM de 4 canais

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia de Electrónica e Telecomunicações