DISPOSITIVO PINIP - CARACTERISTICA IV / RESPOSTA ESPECTRAL

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AFORS-HET, Silício Amorfo Hidrogenado (a-Si:H), dispositivo PIN a-Si:H, dispositivo PINIP,DOS

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  • Um DOS alto em um nível específico de energia significa que há muitos estados disponíveis para ocupação. Um DOS nulo, zero, significa que nenhum estado pode ser ocupado em um nível de energia.
  • Quando um semicondutor é dopado do tipo N, existe uma maior concentração de electrões do que lacunas,
    á num semicondutor dopado do tipo P, existem mais lacunas do que electrões

    A possibilidade de através do depósito controlado de elementos químicos como o germânio ou o carbono alterar o seu perfil de absorção espectral, resultando em materiais com diferentes bandas proibidas

    assim a resposta espectral das estruturas PINIP poderem ser controladas através de vários níveis de tensão tornam o a-SI:H ideal para dispositivos optoelectrónicos que excluem o uso de filtros de cores pois o vermelho, o azul e o verde podem ser detectados selectivamente, conforme poderemos observar neste trabalho.
  • De notar que o gap observado na tabela 2 relativo ao intervalo de comprimentos de onda do verde para o vermelho – 560-635nm – é o relativo às cores amarela e laranja. Como não são objecto de estudo não são consideradas.

    As espessuras dos materiais são um ponto chave neste dispositivo pois elas vão ajudar a que determinados comprimentos de onda provenientes da fonte de luz sejam absorvidos para que a separação das cores possa ser facilitada.

    O aSiCH foi usado para as camadas P e N, o aSiH para a camada intrínseca I (espessura de 100nm e de 400nm) e a prata (Ag) foi utilizado como “parede” para que luz não atravesse.

    Inicialmente existiu um problema na definição do aSiCH que levava a resultados não esperados. O debug foi feito com ajuda do gráfico da DOS no Afors-Het e o erro estava na calibração do valor de chi (afinidade electrónica) colocado face ao do aSiH (0.2).

  • Os lambdas correspondentes às cores azul e vermelho são bem distinguidos pelo PINIP
    mas a cor verde não acompanha este resultado.

    Podemos concluir que não é possível uma distinção das três cores ideal com os parâmetros escolhidos.
    Consegue-se ver o nível de corrente (current density) onde existe saturação.
  • Como podemos observar pela Figura 2, o incremento do fluxo de fotões degrada imenso a capacidade do dispositivo de detectar as cores.

    Outra conclusão é que mantendo a gama de tensões entre os -1 e 1 Volt, não visualizamos a saturação da corrente.
  • A diminuição da densidade do fluxo de fotões parece melhorar ligeiramente a detecção das cores por parte do PINIP e a corrente parece saturar mais rapidamente mas mesmo assim não é suficiente para que as três cores tenham curvas separadas
  • De notar que o gap observado na tabela 2 relativo ao intervalo de comprimentos de onda do verde para o vermelho – 560-635nm – é o relativo às cores amarela e laranja. Como não são objecto de estudo não são consideradas.

    As espessuras dos materiais são um ponto chave neste dispositivo pois elas vão ajudar a que determinados comprimentos de onda provenientes da fonte de luz sejam absorvidos para que a separação das cores possa ser facilitada.

    O aSiCH foi usado para as camadas P e N, o aSiH para a camada intrínseca I (espessura de 100nm e de 400nm) e a prata (Ag) foi utilizado como “parede” para que luz não atravesse.

    Inicialmente existiu um problema na definição do aSiCH que levava a resultados não esperados. O debug foi feito com ajuda do gráfico da DOS no Afors-Het e o erro estava na calibração do valor de chi (afinidade electrónica) colocado face ao do aSiH (0.2).

  • Analisando a Figura 5, podemos observar um claro pico de resposta para comprimentos de onda na ordem dos 480 e 530nm
  • Afinidade eletrônica é definida como a energia que seria liberada caso um elétron com energia de vácuo fosse introduzido na amostra

    afinidade eletrônica seja uma quantidade endotérmica. Eletronegatividade, χ(chi) De maneira geral, se um átomo tem forte tendência em adquirir elétrons, diz-se que ele é eletronegativo. Se tiver tendência a perder elétrons, diz-se que ele é eletropositivo. Tem sido definida de muitas maneiras..
  • DISPOSITIVO PINIP - CARACTERISTICA IV / RESPOSTA ESPECTRAL

    1. 1. Instituto Superior de Engenharia de Lisboa Discente Daniel Ferreira ODS- MEET Lisboa, 16 de Julho de 2014
    2. 2. Índice INTRODUÇÃO RESUMO CARACTERÍSTICA I-V EFICIÊNCIA ESPECTRAL CONCLUSÕES BIBLIOGRAFIA 2ODS
    3. 3. 3
    4. 4. INTRODUÇÃO(1/4)  O AFORS-HET é um software Open Source que permite uma simulação numérica de vários parâmetros de células solares e de dispositivos constituídos por materiais optoelectrónicos  Modelização e simulação 1D de uma estrutura constituída por vários layers semicondutores e interfaces  Variações de parâmetros arbitrários (simulações de variáveis externas que afectam o funcionamento do dispositivo) e variações do(s) parâmetro(s) em estudo 4  Diagramas de banda, estudo IV, recombinação, mudanças de fase, resposta espectral, etc.  Modelização e simulação 1D de uma estrutura constituída por vários layers semicondutores e interfaces
    5. 5. INTRODUÇÃO–CONCEITODOS(2/4)  Uma Banda simples possui N – estados – Apenas uma fracção deles está ocupada  Pergunta: Quantos estados estão ocupados até E? Ou quantos estados por unidade de energia? (DOS)  A DOS de uma estrutura caracteriza o número de estados por intervalo de energia por cada nível que podem ser ocupados por electrões; 5
    6. 6. INTRODUÇÃO–CONCEITODOS(3/4) 6
    7. 7. INTRODUÇÃO–PIN/PINIP(4/4)  Os dispositivos são PINIP são baseados nos dispositivos PIN.  Os PINIP obtém a sua designação através da camada I (região intrínseca situada entre a camada P e a camada N  O PINIP pode ser representado como um díodo, que depende to bias (tensão) aplicada para que conduza.  O a-SI:H (silício amorfo hidrogenado) é mais indicado para aplicações de detecção de cores em virtude da sua eficiência de absorção nomeadamente na zona visível do espectro 7
    8. 8. 8
    9. 9. Consideraçõesiniciais  Estudo assentou em três cores no espectro do visível;Vermelho, Verde e Azul (RGB – Red. Green & Blue) 9 COR λ Escolhido[nm] Intervalo de λ [nm] Azul 455 450-490 Verde 555 490-560 Vermelho 655 635-700  Estrutura do dispositivo por camadas
    10. 10. 10
    11. 11.  Foi considerada iluminação monocromática com uma densidade de fluxo de fotões de 2,8E+17 1/cm2 s e uma range de tensão entre -1 e 1V  Cada cor representa o comprimento de onda em estudo  Cor azul e vermelha distinguem- se bem 11 CaracterísticaI-V(1/4) COR λ Escolhido[nm] Intervalo de λ [nm] Azul 455 450-490 Verde 555 490-560 Vermelho 655 635-700
    12. 12.  O próximo teste foi alterar o fluxo de fotões para 2,8E+20 1/cm2 s 12 CaracterísticaI-V(2/4)
    13. 13.  Característica IV para PINIP, fluxo fotões de 2,8E+15 1/cm2 s 13 CaracterísticaI-V(3/4)
    14. 14. CaracterísticaI-V(4/4)  Após várias tentativas… 14
    15. 15. 15
    16. 16. RespostaEspectral  Para uma melhor visualização da resposta aumentou-se a gama de comprimentos de onda, “alargando-a” do visível para uma gama que compreende comprimentos de onda entre os 200nm e os 700nm  Em termos das cores em estudo, esta gama é mais próxima do Azul e doVerde, sendo a cor Vermelha a cor que este dispositivo tem mais dificuldades em identificar 16
    17. 17. 17
    18. 18. Conclusões(1/2)  O AFORS-HET possui algumas limitações. Por exemplo, na simulação dos três comprimentos de onda para as cores pretendidas, não podemos utilizar três comprimentos de onda com valores que não sejam proporcionais entre si senão dá um erro  Uma vantagem da simulação 1D, foi a verificação que a luz atravessa as várias camadas sendo fundamental que o valor do hiato energético (Eg) das camadas seja feito do maior para o menor  Em relação à resposta espectral, podemos concluir que estudos e experiências relativos à melhoria dos resultados dos comprimentos de onda do Vermelho podem ser realizados com materiais/espessuras tornando este dispositivo mais selectivo e robusto  A DOS, com os seus parâmetros Cb_Tail – aceitadores,VbTail – receptores permitiu a correcção do parâmetro chi num layer da estrutura 18
    19. 19. Conclusões(2/2)  Em relação ao dispositivo PINIP, para detecção de cores,  ESTRUTURA DO DISPOSITIVO  ESPESSURA DAS CAMADAS  INTENSIDADE DE FLUXO DE FOTÕES 19
    20. 20. 20
    21. 21. Bibliografiaesitesinteressantes 21 [1] Silício amorfo: http://wikienergia.com/~edp/index.php?title= Sil%C3%ADcio_amorfo [Acedido a 13 de Julho de 2014]. [2] Silício amorfo http://www.cgomes.uac.pt/TE/Estagio/0405/W bQs/wqRG/Carac/nautilus/Silicio/S%EDlicio%2 0P%E1gina%20Principal_ficheiros/e01400.ht m [Acedido a 13 de Julho de 2014]. [3] P. Louro,Y.Vygranenko, J. Martins, M. Fernandes, M.Vieira, Colour sensitive devices based on double p-i-n-i-p stacked photodiodes, 2007. [4] P. Louro, Y. Vygranenko, J. Martins, M. Fernandes, M. Vieira, Alessandro Fantoni,Image and color recognition using amorphous silicon p–i–n photodiodes [5] DOS: http://ecee.colorado.edu/~bart/book/welcome.htm [Acedido a 13-07-2014] [6] DOS: Calculation of the density of states in 1, 2 and 3 dimensions http://ecee.colorado.edu/~bart/book/book/chapter2 /pdf/ch2_4_2.pdf [Acedido a 13-07-2014]
    22. 22. Daniel Ferreira – 35919@alunos.isel.pt Obrigado pela atenção!

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