An alternative methodology in Schottky diode physics

The fabrication and electrical characterization of Schottky junction diodes have been extensively researched for three-quarters of a century since the original work of Schottky in 1938. This study breaks from the highly standardized regime of such research and provides an alternative methodology that prompts novel, more efficient applications of the adroit Schottky junction in areas such as chemical and thermal sensing. The core departure from standard Schottky diode configuration is that the metal electrode is of comparable or higher resistance than the underlying semiconductor. Further, complete electrical characterization is accomplished through recording four-probe resistance-temperature (R-D-T) characteristics of the device, where electrical sourcing and sensing is done only via the metal electrode and not directly through the semiconductor. Importantly, this results in probing a nominally unbiased junction while eliminating the need for an Ohmic contact to the semiconductor. The characteristic R-D-T plot shows two distinct regions of high (metal) and low (semiconductor) resistances at low and high temperatures, respectively, connected by a crossover region of width, DT, within which there is a large negative temperature coefficient of resistance. The R-D-T characteristic is highly sensitive to the Schottky barrier height; consequently, at a fixed temperature, R-D responds appreciably to small changes in barrier height such as that induced by absorption of a chemical species (e.g., H-2) at the interface. A theoretical model is developed to simulate the R-D-T data and applied to Pd/p-Si and Pt/p-Si Schottky diodes with a range of metal electrode resistance. The analysis gives near-perfect fits to the experimental R-D-T characteristics, yielding the junction properties as fit parameters. The modelling not only helps elucidate the underlying physics but also helps to comprehend the parameter space essential for the discussed applications. Although the primary regime of application is limited to a relatively narrow range (DT) for a given type of diode, the alternative methodology is of universal applicability to all metal-semiconductor combinations forming Schottky contacts. (C) 2015 AIP Publishing LLC.

Microstructure design of Titanate-based electroceramics

Electrocerâmicos são uma classe de materiais avançados com propriedades eléctricas valiosas para aplicações. Estas propriedades são geralmente muito dependentes da microestrutura dos materiais. Portanto, o objectivo geral deste trabalho é investigar o desenho da resposta dieléctrica de filmes espessos obtidos por Deposição Electroforética (EPD) e cerâmicos monolíticos, através do controlo da evolução da microestrutura durante a sinterização de electrocerâmicos à base de titanatos. Aplicações sem fios na indústria microelectrónica e de comunicações, em rápido crescimento, tornaram-se um importante mercado para os fabricantes de semicondutores. Devido à constante necessidade de miniaturização, redução de custos e maior funcionalidade e integração, a tecnologia de filmes espessos está a tornar-se uma abordagem de processamento de materiais funcionais cada vez mais importante. Uma técnica adequada neste contexto é EPD. Os filmes espessos resultantes necessitam de um passo subsequente de sinterização que é afectada pelo substrato subjacente, tendo este um forte efeito sobre a evolução da microestrutura. Relacionado com a miniaturização e a discriminação do sinal, materiais dieléctricos usados como componentes operando a frequências das microondas em aplicações na industria microelectrónica de comunicações devem apresentar baixas perdas dieléctricas e elevadas permitividade dieléctrica e estabilidade com a temperatura. Materiais do sistema BaO-Ln2O3- TiO2 (BLnT: Ln = La ou Nd), como BaLa4Ti4O15 (BLT) e Ba4.5Nd9Ti18O54 (BNT), cumprem esses requisitos e são interessantes para aplicações, por exemplo, em estações de base para comunicações móveis ou em ressonadores para telefones móveis, onde a miniaturização dos dispositivos é muito importante. Por sua vez, o titanato de estrôncio (SrTiO3, STO) é um ferroeléctrico incipiente com constante dieléctrica elevada e baixas perdas, que encontra aplicação em, por exemplo, condensadores de camada interna, tirando partido de fronteiras de grão altamente resistivas. A dependência da permitividade dieléctrica do campo eléctrico aplicado torna este material muito interessante para aplicações em dispositivos de microondas sintonizáveis. Materiais à base de STO são também interessantes para aplicações termoeléctricas, que podem contribuir para a redução da actual dependência de combustíveis fósseis por meio da geração de energia a partir de calor desaproveitado. No entanto, as mesmas fronteiras de grão resistivas são um obstáculo relativamente à eficiência do STO para aplicações termoeléctricas. Para além do efeito do substrato durante a sinterização constrangida, outros factores, como a presença de fase líquida, a não-estequiometria ou a temperatura de sinterização, afectam significativamente não apenas a microestrutura dos materiais funcionais, mas também a sua resposta dieléctrica. Se adequadamente compreendidos, estes factores podem ser intencionalmente usados para desenhar a microestrutura dos electrocerâmicos e, desta forma, as suas propriedades dieléctricas. O efeito da não-estequiometria (razão Sr/Ti 0.995-1.02) no crescimento de grão e resposta dieléctrica de cerâmicos de STO foi investigado neste trabalho. A mobilidade das fronteiras de grão aumenta com a diminuição da razão Sr/Ti. A resistividade do interior dos grãos e das fronteiras de grão é sistematicamente diminuída em amostras não-estequiométricas de STO, em comparação com o material estequiométrico. O efeito é muito mais forte para as fronteiras de grão do que para o seu interior. Dependências sistemáticas da não-estequiometria foram também observadas relativamente à dependência da condutividade da temperatura (muito mais afectada no caso da contribuição das fronteiras de grão), à capacitância do interior e fronteiras de grão e à espessura das fronteiras de grão. Uma anomalia no crescimento de grão em cerâmicos de STO ricos em Ti foi também observada e sistematicamente analisada. Foram detectadas três descontinuidades na dependência do tipo Arrhenius do crescimento de grão relativamente à temperatura com diminuições no tamanho de grão a temperaturas em torno de 1500, 1550 e 1605 °C. Além disso, descontinuidades semelhantes foram também observadas na dependência da energia de activação relativamente à condutividade das fronteiras de grão e na espessura das fronteiras de grão, avaliadas por Espectroscopia de Impedância. Estas notáveis coincidências suportam fortemente a formação de diferentes complexos de fronteira de grão com transições entre os regimes de crescimento de grão observados, que podem ser correlacionados com diferentes mobilidades de fronteira de grão e propriedades dieléctricas. Um modelo é sugerido, que se baseia na diminuição da fase líquida localizada nas fronteiras de grão, como o aumento da temperatura de sinterização, um cenário compatível com um fenómeno de solubilidade retrógrada, observado anteriormente em metais e semicondutores, mas não em cerâmicos. A EPD de filmes espessos de STO em substratos de folha de Pt e a sinterização constrangida dos filmes fabricados foram também preliminarmente tratadas. Filmes espessos de STO foram depositados com êxito por EPD sobre substratos de Pt e, depois de sinterizados, atingiram densidades elevadas. Um aumento da densificação e do tamanho de grão assim como o alargamento da distribuição de tamanho do grão foram observados com a diminuição da razão Sr/Ti, tal como anteriormente observado em amostras cerâmicas. Grãos equiaxiados foram observados para todas as composições, mas um certo grau de anisotropia na orientação dos poros foi detectado: os poros revelaram uma orientação vertical preferencial. Este trabalho focou-se também na sinterização constrangida do sistema BLnT (Ln = La ou Nd), nomeadamente de filmes espessos de BLT e BNT sobre substratos de folha de platina, e na relação do desenvolvimento de anisotropia microestrutural com as propriedades dieléctricas. As observações durante a sinterização constrangida foram comparadas com cerâmicos monolíticos equivalentes sinterizados livremente. Filmes espessos de BLnT (Ln = La ou Nd) com elevada densidade foram obtidos por EPD e subsequente sinterização constrangida. A anisometria cristalográfica do material em conjunto com um passo de sinterização constrangida resultou em grãos alongados e microestruturas anisotrópicas. O efeito do stress do substrato durante a sinterização constrangida originou graus mais elevados de anisotropia (grãos e poros alongados e orientação preferencial, bem como textura cristalográfica) nos filmes sinterizados relativamente aos cerâmicos equivalentes sinterizados livremente, não obstante o estado equivalente das amostras em verde. A densificação dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é retardada em comparação com os cerâmicos, mas depois de longos tempos de sinterização densidades semelhantes são obtidas. No entanto, em oposição a observações na sinterização constrangida de outros sistemas, o crescimento do grão em filmes de BLnT (Ln = La ou Nd) é favorecido pelo constrangimento causado pelo substrato. Além disso, grãos e poros alongados orientados paralelamente ao substrato foram desenvolvidos durante a sinterização constrangida de filmes espessos. Verificou-se uma forte correlação entre a evolução de grãos e poros, que começou assim que o crescimento do grão se iniciou. Um efeito da tensão do substrato no aumento do crescimento de grão, bem como um forte “Zener pinning”, origina microestruturas altamente texturizadas, o que também é observado a nível cristalográfico. Efeitos marcantes da anisotropia microestrutural foram também detectados nas propriedades dieléctricas dos filmes de BLnT (Ln = La ou Nd). Juntamente com o aumento da razão de aspecto dos grãos, do factor de orientação e do grau de textura cristalográfica, a permitividade relativa é ligeiramente diminuída e o coeficiente de temperatura da permitividade evolui de negativo para positivo com o aumento do tempo isotérmico de sinterização. Este trabalho mostra que a não-estequiometria pode ser usada para controlar a mobilidade das fronteiras de grão e, portanto, desenhar a microestrutura e as propriedades dieléctricas de electrocerâmicos à base de STO, com ênfase nas propriedades das fronteiras de grão. O papel da não-estequiometria no STO e dos complexos de fronteira de grão no desenvolvimento microestrutural é discutido e novas oportunidades para desenhar as propriedades de materiais funcionais são abertas. As observações relativamente à sinterização constrangida apontam para o efeito de tensões mecânicas desenvolvidas devido ao substrato subjacente no desenvolvimento da microestrutura de materiais funcionais. É assim esperado que a escolha adequada de substrato permitia desenhar a microestrutura de filmes espessos funcionais com desempenho optimizado. “Stress Assisted Grain Growth” (SAGG) é então proposto como uma técnica potencial para desenhar a microestrutura de materiais funcionais, originando microestruturas anisotrópicas texturizadas com propriedades desejadas.

Tailoring the Microwave Dielectric Properties of BaRE2Ti4012 and BaRE2Ti5014 Ceramics by Compositional Variations

Ceramic dielectric resonators in the BaO-RE2O3-TiO2 (RE = rare earth) system have been prepared by the conventional solid state ceramic route. The dielectric properties have been tailored by substitution of different rare earth oxides and by bismuth oxide addition. The dielectric constants increased with Bi addition whereas the 0 decreased. The temperature coefficient of the resonant frequency improved with bismuth addition

Microwave Characterisation of BaCe2Ti5O15 and Ba5Nb4O15 Ceramic Dielectric Resonators Using Whispering Gallery Mode Method

A microwave dielectric ceramic resonator based on BaCe2Ti5O15 and Ba5Nb4O15 have been prepared by conventional solid state ceramic route. The dielectric resonators (DRs) have high dielectric constant 32 and 40 for BaCe2Ti5O15 and Ba5Nb4O15, respectively. The whispering gallery mode (WGM) technique was employed for the accurate determination of the dielectric properties in the microwave frequency range. The BaCe2Ti5O15 and Ba5Nb4O15 have quality factors (Q X F) of 30,600 and 53,000 respectively. The quality factor is found to depend on the azimuthal mode numbers. The temperature coefficient of resonant frequency (Tr) of BaCe2Ti5O15 and Ba5Nb4O15 have been measured accurately using different resonant modes and are + 41 and + 78 ppm/K, respectively

Ba(Tb1/2Nb1/2)03: A New Ceramic Microwave Dielectric Resonator

A new microwave dielectric resonator Ba(Tb1/2Nb1/2)03 has been prepared and characterized in the microwave frequency region. 1 wt% CeO2 is used as additive to reduce the sintering temperature. The sintered samples were characterized by XRD, SEM and Raman spectroscopic methods. Microwave DR properties such as er, Q factor and temperature-coefficient of resonant frequency (Ti) have been measured using a HP 8510 B Network Analyzer. Cylindrical DRs of Ba(Tb1/2Nbi/2)03 showed high Er (~ 37), high Q (~3,200) and low Tf (~10 ppm /°C) at 4 GHz and hence are useful for practical applications

Thermo-optics parameters measurements in photorefractive sillenite Bi(12)SiO(20) crystals by thermal lens technique

The present work reports on the thermo-optical properties of photorefractive sillenite Bi(12)SiO(20) (BSO) crystals obtained by applying the Thermal Lens Spectrometry technique (TLS). This crystals presents one high photorefractive sensitivity in the region blue-green spectra, since the measurements were carried out at two pump beam wavelengths (514.5 nm and 750 nm) to study of the light-induced effects in this material (thermal and/or photorefractive). We determine thermo-optical parameters like thermal diffusivity (D), thermal conductivity (K) and temperature coefficient of the optical path length change (ds/dT) in sillenite crystals. These aspects, for what we know, not was studied in details up to now using the lens spectrometry technique and are very important against of the promising potentiality of applications these crystals in non linear optics, real time holography and optical processing data.

Thermal lens spectrometry in pyroelectric lithium niobate crystals

In this work, the light-induced lens effect due to thermal and/or photorefractive processes was studied in pyroelectric (undoped and Fe(2+)-doped) lithium niobate crystals (LiNbO(3)) using thermal lens spectrometry with a two-beam (pump-probe) mode-mismatched configuration. The measurements were carried out at two pump beam wavelengths (514.5 and 750 nm) to establish a full understanding of the present effects in this material (thermal and/or photorefractive). We present an easy-to-implement method to determine quantitative values of the pyroelectric coefficient (dPs/dT), its contribution to the thermal effect and other thermo-optical parameters like thermal diffusivity (D), thermal conductivity (K) and temperature coefficient of the optical path length change (ds/dT). These measurements were performed in LiNbO(3) and LiNbO(3): Fe (0.1 ppm Fe(2+)) crystals with c axis along the direction of laser propagation.

Electrical Evaluation of a Low Concentrating PVT Collector Based on Performance Ratio

Photovoltaic Thermal/Hybrid collectors are an emerging technology that combines PV and solar thermal collectors by producing heat and electricity simultaneously. In this paper, the electrical performance evaluation of a low concentrating PVT collector was done through two testing parts: power comparison and performance ratio testing. For the performance ratio testing, it is required to identify and measure the factors affecting the performance ratio on a low concentrating PVT collector. Factors such as PV cell configuration, collector acceptance angle, flow rate, tracking the sun, temperature dependence and diffuse to irradiance ratio. Solarus low concentrating PVT collector V12 was tested at Dalarna University in Sweden using the electrical equipment at the solar laboratory. The PV testing has showed differences between the two receivers. Back2 was producing 1.8 energy output more than Back1 throughout the day. Front1 and Front2 were almost the same output performance. Performance tests showed that the cell configuration for Receiver2 with cells grouping (6- 32-32-6) has proved to have a better performance ratio when to it comes to minimizing the shading effect leading to more output power throughout the day because of lowering the mismatch losses. Different factors were measured and presented in this thesis in chapter 5. With the current design, it has been obtained a peak power at STC of 107W per receiver. The solar cells have an electrical efficiency of approximately 19% while the maximum measured electrical efficiency for the collector was approximately 18 % per active cell area, in addition to a temperature coefficient of -0.53%/ ˚C. Finally a recommendation was done to help Solarus AB to know how much the electrical performance is affected during variable ambient condition and be able to use the results for analyzing and introducing new modification if needed.

Desenvolvimento de antenas de microfita e antenas DRA Broadband

The search for ever smaller device and without loss of performance has been increasingly investigated by researchers involving applied electromagnetics. Antennas using ceramics materials with a high dielectric constant, whether acting as a substract element of patch radiating or as the radiant element are in evidence in current research, that due to the numerous advantages offered, such as: low profile, ability to reduce the its dimensions when compared to other devices, high efficiency of ratiation, suitability the microwave range and/or millimeter wave, low temperature coefficient and low cost. The reason for this high efficiency is that the dielectric losses of ceramics are very low when compared to commercially materials sold used in printed circuit boards, such as fiberglass and phenolite. These characteristics make ceramic devices suitable for operation in the microwave band. Combining the design of patch antennas and/or dielectric resonator antenna (DRA) to certain materials and the method of synthesis of these powders in the manufacture of devices, it s possible choose a material with a dielectric constant appropriate for the design of an antenna with the desired size. The main aim of this work is the design of patch antennas and DRA antennas on synthesis of ceramic powders (synthesis by combustion and polymeric precursors - Pe- chini method) nanostructured with applications in the microwave band. The conventional method of mix oxides was also used to obtain nanometric powders for the preparation of tablets and dielectric resonators. The devices manufactured and studied on high dielectric constant materials make them good candidates to have their small size compared to other devices operating at the same frequency band. The structures analyzed are excited by three different techniques: i) microstrip line, ii) aperture coupling and iii) inductive coupling. The efficiency of these techniques have been investigated experimentally and compared with simulations by Ansoft HFSS, used in the accurate analysis of the electromagnetic behavior of antennas over the finite element method (FEM). In this thesis a literature study on the theory of microstrip antennas and DRA antenna is performed. The same study is performed about the materials and methods of synthesis of ceramic powders, which are used in the manufacture of tablets and dielectric cylinders that make up the devices investigated. The dielectric media which were used to support the analysis of the DRA and/or patch antennas are analyzed using accurate simulations using the finite difference time domain (FDTD) based on the relative electrical permittivity (er) and loss tangent of these means (tand). This work also presents a study on artificial neural networks, showing the network architecture used and their characteristics, as well as the training algorithms that were used in training and modeling some parameters associated with the devices investigated

Comportamento elétrico a alta temperatura de termistor cerâmico alfa-Fe2O3 com coeficiente de temperatura negativo

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Relation among optical, thermal and thermo-optical properties and niobium concentration in tellurite glasses

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Thermal-optical properties of Ga : La : S glasses measured by thermal lens technique

In this work the quantitative theoretical treatment for two beam mode mismatched thermal lens spectrometry is applied to investigate the thermo-optical properties of chalcohalide (chalcolgenides and halides mixture) glasses. For the three kinds of glass studied the thermal diffusivity varied between 2.5 and 2.7 x 10(-3) cm(2) s(-1). Using these results and supposing Dulong-Petit specific heats we estimated the thermal conductivity and temperature ratio of optical path length (ds/dT) and temperature coefficient of refractive index (dn/dT). All samples had positive ds/dT(similar to 3.3 x 10(-6) K-1) and negative dn/dT (similar to -26 x 10(-6) K-1). The difference between these parameters and the change of signal are consequences of the expansion coefficient (13 x 10(-6) K-1) and refractive index (n similar to 2.6) of chalcohalides. (C) 1999 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

Structural and electrical characterization of semiconducting barium-lead-titanate ceramics

BaTiO3 is usually doped to achieve the temperature stability required by device applications, as well as to obtain a large positive temperature coefficient anomaly of resistivity (PTCR). Uniform distribution of dopants among the submicron dielectric particles is the key for optimal control of grain size and microstructure to maintain a high reliability. The system Ba0.84Pb0.16TiO3 was synthesized from high purity BaCO3, TiO2, PbO oxide powders as raw materials. Sb2O3, MnSO4 and ZnO were used as dopants and Al2O3, TiO2 and SiO2 as grain growth controllers. Phase composition was analyzed by using XRD and the microstructure was investigated by SEM. EDS attached to SEM was used to analyze phase composition specially related to abnormal grain growth. Electrical resistivities were measured as a function of temperature and the PTCR effect characterized by an abrupt increase on resistivity.

Thermo-optical characterization of tellurite glasses by thermal lens, thermal relaxation calorimetry and interferometric methods

In this work the thermal lens, thermal relaxation calorimetry and interferometric methods are applied to investigate the thermo-optical properties of tellurite glasses (in mol%: 80TeO(2)-20 Li2O(TeLi), 80TeO(2)-15Li(2)O-5TiO(2) (TeLiTi-5) and 80TeO(2)-10Li(2)O-10TiO(2) (TeLiTi-10)). Thermal diffusivity, thermal conductivity, specific heat and the temperature coefficients of refractive index, optical path length, thermal expansion and electronic polarizability were determined. The use of three independent methods was useful for a complete characterization of the studied tellurite glasses. In addition, our results showed that the thermal expansion coefficient and the temperature coefficient of the optical path length (dS/dT) were significantly modified with the introduction of titanium, which may be relevant for the application of these glasses in the photonic area. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Rietveld refinement, microstructure, conductivity and impedance properties of Ba[Zr0.25Ti0.75]O-3 ceramic

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)