Estudio teórico de enfriamiento óptico de fotodetectores de unión np de silicio con película delgada de Ge en la zona de depleción
Martín Cabañas, Miguel Ángel
Estudio teórico de enfriamiento óptico de fotodetectores de unión np de silicio con película delgada de Ge en la zona de depleción [recurso electrónico] / Miguel Ángel Martín Cabañas; director, Carlos Villa Angulo - Mexicali, Baja California, 2019 - 1 recurso en línea, 150 p. ; il. col.
Maestría y Doctorado en Ciencias e Ingeniería
Tesis (Doctorado)--Universidad Autónoma de Baja California, Instituto de Ingeniería, Mexicali, 2019.
Las características de desempeño de los fotodetectores están siendo rebasadas por las
necesidades reales de la industria en términos de su aplicación y fabricación.
Características como eficiencia y potencia son claves para la competencia en el
mercado, así como también para el desarrollo de nuevas aplicaciones empresa Esta tesis
propone conocer la estructura básica de un fotodetector o celda unitaria del tipo unión
Si-np (Silicio np) y sus características eléctricas y ópticas, esto con el fin de obtener
resultados de su desempeño en el espectro de la luz solar. Así mismo, se presenta una
opción de mejora en sus características con la inclusión de un pozo cuántico de Ge
(Germanio) de 5 nm de espesor que es colocado en el medio de las región de
agotamiento de la capa activa de la unión. Por sus características de confinamiento de
cargas, el pozo aporta electrones a la corriente de difusión que contribuyen al incremento
de la densidad de corriente final de la celda, incrementando la eficiencia de conversión
electrónica en aproximadamente 80%.
Por otro lado, está documentado que la inserción de pozos cuánticos finitos en
sólidos contribuye al proceso de enfriamiento óptico, promoviendo la disipación de calor
a través de la generación de frecuencias anti-stoke por procesos de inversión de
población y desprendimiento de energía a través de emisión fotónica. Por esta razón, se
estudió la interacción del pozo con el sistema a fin de verificar la generación de
fotoluminiscencia y así calcular el valor de la diferencial de calor. Para ello, se calculó el
coeficiente de absorción del pozo y se determinó la potencia neta de emisión utilizando
las ecuaciones de no equilibrio de van Roosbroeck-Shockley en donde se pudo conocer
el pico máximo de emisión y su respuesta a diferentes longitudes de onda en donde el
Ge tiene características de emisión deseables para el sistema. De esta forma, se
determinó la fotoluminiscencia del sistema integral N-Si/p-Si/Ge/p-Si. Posteriormente se
realizó el Cálculo de la potencia neta de emisión en el rango de longitudes de onda
establecido para poderla comparar con la potencia neta de absorción, obteniendo valores
negativos en la potencia neta que reflejan un enfriamiento real de aproximadamente de
7
30 ̊K en su pico máximo de emisión. En esta tesis solo se realizar un estudio teórico
utilizando las técnicas de análisis existentes con el fin de conocer las posibles respuestas
del sistema propuesto en términos de su desempeño eléctrico con o sin pozo cuántico y
su capacidad de generar enfriamiento óptico, no se realiza ninguna aplicación
experimental.
En el capítulo uno se propone una introducción general de la tesis, en donde se
presentan los mecanismos generales de conducción y procesos de conductividad que
justifican el sistema óptico propuesto, describiendo las bandas de conducción, conceptos
de transiciones electrónicas, definición de bandas prohibidas, entre otros. Así también se
muestran algunos resultados obtenidos experimentalmente respecto a la degradación de
la eficiencia electrónica en celdas solares respecto al incremento de la temperatura
interna lo cual es el concepto principal de la tesis propuesta.
El capítulo dos presentan en detalle las técnicas de análisis matemáticos y los
conceptos que fueron utilizados para el análisis del diseño de las celdas sin pozo y con
pozo. Se incluyen, las características corriente-voltaje (I-V) en diodos de unión en estado
de equilibrio y su modificación cuando son estas uniones son estimuladas ópticamente,
el análisis multicapa en la técnica de la matriz de transferencia óptica de primer grado y
la deducción de los coeficientes de Fresnel, la deducción de las ecuaciones para obtener
los niveles discretos de energía en los pozos cuánticos a través de las intersecciones
entre los eigenvalores pares e impares y las gráficas de circunferencia energética
dependientes del espesor del pozo. Así también se muestra el Cálculo del dopaje de
cada una de las capas de la unión y las técnicas y ecuaciones que se utilizaron para
obtenerlo, en donde la capa n se reportó con un dopaje de n = 8.3 × 1014 cm−3 y la capa
p se encuentra dopada con p = 7.6 × 1015 cm−3
.
En el capítulo tres se propone el diseño de la celda unitaria N-Si/p-Si. Se explican
las capas componentes, se calculan las dimensiones de la zona de depleción en función
los dopajes, se obtienen sus características eléctricas de unión np en estado de equilibrio
térmico (sin excitación óptica) y en estado de excitación por incidencia óptica, se
proponen las dimensiones físicas finales a partir de los criterios de dimensión comercial
y de factibilidad en la fabricación. Con esto, se realiza su análisis multicapa cuando el
sólido es impactado por el campo óptico, calculando el campo eléctrico, la disipación del
8
campo y la generación de exitones GL en el sólido. Finalmente, se concluye con la
evaluación de su desempeño, obteniendo sus parámetros eléctricos como fuente de
energía eléctrica, tales como eficiencia, voltaje máximo, corriente máxima y factor de
llenado.
En el capítulo cuatro se realiza el mismo estudio que en el capítulo tres, sin
embargo, ahora se incluye el pozo cuántico de Ge en la zona de depleción de la capa
activa. El diseño de la celda unitaria ahora queda como N-Si/p-Si/Ge/p-Si. Los Cálculos
en esta sección incluyen la obtención de los niveles discretos de energía del pozo en
función del ancho, el Cálculo de la banda prohibida efectiva incluyendo los primeros
niveles energéticos del pozo y su análisis multicapa para el campo eléctrico, la disipación
del campo eléctrico y la generación de exitones GL en el sólido como consecuencia de
la inclusión del pozo. Finalmente se concluye con la caracterización paramétrica de la
celda.
En el capítulo cinco se presenta el estudio sobre el enfriamiento óptico del sistema
propuesto en donde se explican las ecuaciones utilizadas para el CÁLCULO de la
potencia neta de emisión, el perfil de absorción fotónica, la fotoluminiscencia espectral y
el diferencial de temperatura teórico que se genera en el sistema a partir del impacto del
campo óptico en él.
Finalmente se incluye una sección de conclusiones y trabajo futuro junto con los
anexos complementarios.
Biosensores--Tesis y disertaciones académicas
Bioingeniería--Tesis y disertaciones académicas
R857 .B54 / M37 2019
Estudio teórico de enfriamiento óptico de fotodetectores de unión np de silicio con película delgada de Ge en la zona de depleción [recurso electrónico] / Miguel Ángel Martín Cabañas; director, Carlos Villa Angulo - Mexicali, Baja California, 2019 - 1 recurso en línea, 150 p. ; il. col.
Maestría y Doctorado en Ciencias e Ingeniería
Tesis (Doctorado)--Universidad Autónoma de Baja California, Instituto de Ingeniería, Mexicali, 2019.
Las características de desempeño de los fotodetectores están siendo rebasadas por las
necesidades reales de la industria en términos de su aplicación y fabricación.
Características como eficiencia y potencia son claves para la competencia en el
mercado, así como también para el desarrollo de nuevas aplicaciones empresa Esta tesis
propone conocer la estructura básica de un fotodetector o celda unitaria del tipo unión
Si-np (Silicio np) y sus características eléctricas y ópticas, esto con el fin de obtener
resultados de su desempeño en el espectro de la luz solar. Así mismo, se presenta una
opción de mejora en sus características con la inclusión de un pozo cuántico de Ge
(Germanio) de 5 nm de espesor que es colocado en el medio de las región de
agotamiento de la capa activa de la unión. Por sus características de confinamiento de
cargas, el pozo aporta electrones a la corriente de difusión que contribuyen al incremento
de la densidad de corriente final de la celda, incrementando la eficiencia de conversión
electrónica en aproximadamente 80%.
Por otro lado, está documentado que la inserción de pozos cuánticos finitos en
sólidos contribuye al proceso de enfriamiento óptico, promoviendo la disipación de calor
a través de la generación de frecuencias anti-stoke por procesos de inversión de
población y desprendimiento de energía a través de emisión fotónica. Por esta razón, se
estudió la interacción del pozo con el sistema a fin de verificar la generación de
fotoluminiscencia y así calcular el valor de la diferencial de calor. Para ello, se calculó el
coeficiente de absorción del pozo y se determinó la potencia neta de emisión utilizando
las ecuaciones de no equilibrio de van Roosbroeck-Shockley en donde se pudo conocer
el pico máximo de emisión y su respuesta a diferentes longitudes de onda en donde el
Ge tiene características de emisión deseables para el sistema. De esta forma, se
determinó la fotoluminiscencia del sistema integral N-Si/p-Si/Ge/p-Si. Posteriormente se
realizó el Cálculo de la potencia neta de emisión en el rango de longitudes de onda
establecido para poderla comparar con la potencia neta de absorción, obteniendo valores
negativos en la potencia neta que reflejan un enfriamiento real de aproximadamente de
7
30 ̊K en su pico máximo de emisión. En esta tesis solo se realizar un estudio teórico
utilizando las técnicas de análisis existentes con el fin de conocer las posibles respuestas
del sistema propuesto en términos de su desempeño eléctrico con o sin pozo cuántico y
su capacidad de generar enfriamiento óptico, no se realiza ninguna aplicación
experimental.
En el capítulo uno se propone una introducción general de la tesis, en donde se
presentan los mecanismos generales de conducción y procesos de conductividad que
justifican el sistema óptico propuesto, describiendo las bandas de conducción, conceptos
de transiciones electrónicas, definición de bandas prohibidas, entre otros. Así también se
muestran algunos resultados obtenidos experimentalmente respecto a la degradación de
la eficiencia electrónica en celdas solares respecto al incremento de la temperatura
interna lo cual es el concepto principal de la tesis propuesta.
El capítulo dos presentan en detalle las técnicas de análisis matemáticos y los
conceptos que fueron utilizados para el análisis del diseño de las celdas sin pozo y con
pozo. Se incluyen, las características corriente-voltaje (I-V) en diodos de unión en estado
de equilibrio y su modificación cuando son estas uniones son estimuladas ópticamente,
el análisis multicapa en la técnica de la matriz de transferencia óptica de primer grado y
la deducción de los coeficientes de Fresnel, la deducción de las ecuaciones para obtener
los niveles discretos de energía en los pozos cuánticos a través de las intersecciones
entre los eigenvalores pares e impares y las gráficas de circunferencia energética
dependientes del espesor del pozo. Así también se muestra el Cálculo del dopaje de
cada una de las capas de la unión y las técnicas y ecuaciones que se utilizaron para
obtenerlo, en donde la capa n se reportó con un dopaje de n = 8.3 × 1014 cm−3 y la capa
p se encuentra dopada con p = 7.6 × 1015 cm−3
.
En el capítulo tres se propone el diseño de la celda unitaria N-Si/p-Si. Se explican
las capas componentes, se calculan las dimensiones de la zona de depleción en función
los dopajes, se obtienen sus características eléctricas de unión np en estado de equilibrio
térmico (sin excitación óptica) y en estado de excitación por incidencia óptica, se
proponen las dimensiones físicas finales a partir de los criterios de dimensión comercial
y de factibilidad en la fabricación. Con esto, se realiza su análisis multicapa cuando el
sólido es impactado por el campo óptico, calculando el campo eléctrico, la disipación del
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campo y la generación de exitones GL en el sólido. Finalmente, se concluye con la
evaluación de su desempeño, obteniendo sus parámetros eléctricos como fuente de
energía eléctrica, tales como eficiencia, voltaje máximo, corriente máxima y factor de
llenado.
En el capítulo cuatro se realiza el mismo estudio que en el capítulo tres, sin
embargo, ahora se incluye el pozo cuántico de Ge en la zona de depleción de la capa
activa. El diseño de la celda unitaria ahora queda como N-Si/p-Si/Ge/p-Si. Los Cálculos
en esta sección incluyen la obtención de los niveles discretos de energía del pozo en
función del ancho, el Cálculo de la banda prohibida efectiva incluyendo los primeros
niveles energéticos del pozo y su análisis multicapa para el campo eléctrico, la disipación
del campo eléctrico y la generación de exitones GL en el sólido como consecuencia de
la inclusión del pozo. Finalmente se concluye con la caracterización paramétrica de la
celda.
En el capítulo cinco se presenta el estudio sobre el enfriamiento óptico del sistema
propuesto en donde se explican las ecuaciones utilizadas para el CÁLCULO de la
potencia neta de emisión, el perfil de absorción fotónica, la fotoluminiscencia espectral y
el diferencial de temperatura teórico que se genera en el sistema a partir del impacto del
campo óptico en él.
Finalmente se incluye una sección de conclusiones y trabajo futuro junto con los
anexos complementarios.
Biosensores--Tesis y disertaciones académicas
Bioingeniería--Tesis y disertaciones académicas
R857 .B54 / M37 2019
