Στο πλαίσιο αυτής της εργασίας μελετήθηκαν οι διατάξεις επεξεργαστών και πιο συγκεκριμένα οι συστολικές διατάξεις επεξεργαστών. Επίσης αναπτύχθηκε CAD εργαλείο για την αυτόματη VLSI σχεδίαση συστολικών διατάξεων επεξεργαστών για αλγόριθμους επεξεργασίας σήματος. / In this book were studied the processor arrays and more concretely the systolic processor arrays. Also was developed CAD tool for the automatic VLSI designing of systolic processor arrays on signal processing algorithms.

Τα Πνευματικά του Ήρωνα (1ος αιώνας μ.Χ.), προϊόν μακράς παράδοσης. Στην εισαγωγή του έργου εκτίθεται το θεωρητικό υπόβαθρο που υποστηρίζει τη λειτουργία των διατάξεων που παρουσιάζονται στη συνέχεια, αλλά και υποστηρίζεται πειραματικά από ορισμένες. Η δομή του έργου ακολουθεί τη δομή του ολοκληρωμένου μαθηματικού λόγου της κλασικής αρχαιότητας, προσαρμοσμένο κατάλληλα. Θέματα που αναδεικνύουμε είναι: Η ολοκλήρωση της αρχής των συγκοινωνούντων δοχείων με την αυστηρή απόδειξη του αντίστροφου της πρότασης του Αρχιμήδη για τη σφαιρικότητα της επιφάνειας του ηρεμούντος υγρού. Η πειραματική απόδειξη της υλικότητας του αέρα. Διαδικασία που εναρμονίζει το πείραμα με προϋπάρχουσα θεωρία. Η πειραματική απόδειξη της ελαστικότητας του αέρα, ο οποίος μέχρι και τον Αριστοτέλη θεωρείται ασυμπίεστος, καθώς και της ύπαρξης κενού σε μακροσκοπική κλίμακα. Θέση που υποστηρίζεται πειραματικά από τρείς διαφορετικές διατάξεις. Η εξέλιξη της θεωρίας της αναθυμίασης (δημιουργία των ανέμων), προσθέτοντας στη φωτιά την ιδιότητα (δυνατότητα) δημιουργίας κενού. Η πειραματική (με τη διάταξη Ι.23) επαλήθευση της θέσης (που ανάγεται στον 5ο π.Χ. αιώνα) ότι τα ρευστά εναλλάσσονται στον ίδιο χώρο κατά ίσους όγκους. Μέσα από τα θέματα αυτά και την ανάδειξη των διατάξεων που τα υποστηρίζουν, επισημαίνουμε την ενσυνείδητη αποκατάσταση ενότητας θεωρίας και πράξης, ενώ φέρνουμε στο φως μια όχι ιδιαίτερα προσεγμένη κατηγορία διατάξεων αυτή των πειραματικών. / Heron’s (1st century A.D.) Pneumatics is the product of a long tradition. In the introduction to the work the theoretical background which explains the functioning of the devices which are analysed later in the work is presented. At the same time it is endorsed experimentally by some of them. The structure of the work follows that of the integrated mathematical language of classical antiquity, but appropriately adapted to the task at hand. The subjects which are highlighted are the following: The completion of the proposition of communicating vessels with the rigorous proof of the inverse of Archimedes’ proposition for the sphericity of the surface of liquids in rest; the experimental demonstration of the corporeity of air, a procedure that harmonises the experiment with a pre-existing theory; the experimental demonstration of the elasticity of air, which, until Aristotle, had been considered to be incompressible, as well as the existence of the macroscopic vacuum, a position which is supported by three different experimental devices; the evolution of exhalation theory (wind creation) adding to fire the property of being able to create a vacuum; the experimental verification (by means of device I.23) of the position (dating from the 5th century BC) that liquids alternate in the same space in equal volumes. Through these issues and the examination of the devices that support them, we draw attention to the conscious unification of theory and practice, while we also bring to light a rather neglected area, that of experimental devices.

Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής μελετήθηκαν και αναπτύχθηκαν νανοδομημένα λεπτά υμένια διοξειδίου του τιτανίου (TiO2) και λευκόχρυσου (Pt) για χρήση σε ευαισθητοποιημένες φωτοβολταϊκές κυψελίδες. Αφού πραγματοποιήθηκε η μελέτη των υμενίων, παρασκευάστηκαν υμένια TiO2 και Pt και βελτιστοποιήθηκαν, ώστε να έχουν τις επιθυμητές ιδιότητες. Για το χαρακτηρισμό των υμενίων TiO2 χρησιμοποιήθηκε ηλεκτρονικό μικροσκόπιο σάρωσης (SEM) και περίθλαση ακτίνων X (XRD). Μάλιστα προτάθηκε η χρήση νιτρικού οξέος, ανάμεσα σε 4 διαφορετικά οξέα, για την αποτελεσματική διασπορά των σωματιδίων του TiO2 και την παρασκευή ομοιόμορφων υμενίων, χωρίς την παρουσία ρωγμών και με πάχος πάνω από 10 μm. Τα υμένια που παρασκευάστηκαν χρησιμοποιήθηκαν σε ευαισθητοποιημένες φ/β κυψελίδες και μελετήθηκε η επίδραση της δομής τους στην απόδοση των κυψελίδων. Για τα υμένια Pt αναπτύχθηκαν δυο διαφορετικοί τρόποι παρασκευής (θερμική διάσπαση αλάτων Pt, ηλεκτροαπόθεση). Τα υμένια που προέκυψαν αξιολογήθηκαν με βάση τη μορφολογία και τις καταλυτικές τους ιδιότητες ως προς την αναγωγή των ιόντων τριωδίου και προτάθηκαν τρόποι για τη βελτιστοποίησή τους. Ιδιαίτερη βαρύτητα δόθηκε στη σταθερότητα των υμενίων Pt κατά την παραμονή τους σε διάλυμα ηλεκτρολύτη, ίδιο με αυτό που χρησιμοποιείται στις ευαισθητοποιημένες κυψελίδες. Τέλος τα υμένια TiO2 και Pt ενσωματώθηκαν σε πρότυπες φωτοηλεκτροχρωμικές διατάξεις, στις οποίες η ενέργεια που απαιτείται για τη μεταβολή της διαπερατότητάς τους παρέχεται από την ενσωματωμένη φ/β κυψελίδα. Μάλιστα προτάθηκε και μελετήθηκε ένας νέος τύπος διάταξης. / In this PhD thesis we have studied and prepared nanostructured titanium dioxide (TiO2) and platinum (Pt) thin films, in order to use them for dye sensitized solar cells. The morphology and the structure of the TiO2 films were examined with scanning electron microscopy (SEM) and x-ray diffraction (XRD). We have proposed the use of nitric acid, among four other acids, in order to achieve a more efficient dispersion of TiO2 nanoparticles and to prepare uniform and crack free films, with thickness above 10 μm. The TiO2 films were used in dye sensitized solar cells and was examined the relation between the structure of the films and the efficiency of the cells. For the deposition of Pt films we have used two different methods (thermal decomposition of Pt salts and electrodeposition). The films were characterized according to their morphology and their catalytic activity towards triiodide ions reduction. Moreover we have proposed methods for improving the properties of Pt films and we have studied their stability, especially when the films were stored in the same electrolyte solution as that in dye sensitized solar cells. Finally the TiO2 and Pt films were used in photoelectrochromic devices, where the energy produced by the photovoltaic cell is used for the modulation of device’s transmittance. Also a new type of a photoelectrochromic device was introduced and studied.

Στη παρούσα Διατριβή διερευνήθηκε η χρήση υλικών υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς (high-k) ως οξειδίων ελέγχου σε διατάξεις παγίδευσης φορτίου τύπου MONOS (Μetal-Οxide-Νitride-Οxide-Silicon). Τα οξείδια που εξετάστηκαν ήταν το HfO2, τo ZrO2 και το Al2O3. Η ανάπτυξή τους πραγματοποιήθηκε με χρήση της μεθόδου εναπόθεσης ατομικού στρώματος (ALD). Οι ιδιότητες των δομών μνήμης μελετήθηκαν συναρτήσει: (α) των πρόδρομων μορίων της εναπόθεσης για τα HfO2 και ZrO2, (β) του οξειδωτικού μέσου της εναπόθεσης για την περίπτωση του Al2O3 και (γ) της επακόλουθης ανόπτησης. Η ηλεκτρική συμπεριφορά των δομών εξετάστηκε με την κατασκευή πυκνωτών τύπου MOS. Τα υμένια του HfO2 αναπτύχθηκαν επί διστρωματικής στοίβας SiO2/Si3N4 με (α) αλκυλαμίδιο του χαφνίου (ΤΕΜΑΗ) και Ο3 στους 275 oC, και (β) κυκλοπενταδιενύλιο του χαφνίου (HfD-04) και Ο3 στους 350 οC. Ομοίως, τα υμένια του ZrO2 αναπτύχθηκαν επί διστρωματικής στοίβας SiO2/Si3N4 με: (α) αλκυλαμίδιο του ζιρκονίου (ΤΕΜΑΖ) και Ο3 στους 275 oC και (β) κυκλοπενταδιενύλιο του ζιρκονίου (ZrD-04) με Ο3 στους 350 oC. Ο δομικός χαρακτηρισμός, για το HfO2, φανέρωσε πως η ύπαρξη ή όχι κρυσταλλικού χαρακτήρα και η σύσταση του οξειδίου εξαρτάται τόσο από το πρόδρομο μόριο αλλά και από την ανόπτηση (600 οC, 2 min). Αντίθετα, το ZrO2 έχει σε κάθε περίπτωση κρυσταλλικότητα. Τα ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των πυκνωτών Si/SiO2/Si3N4/high-k/Pt, δείχνουν ότι οι δομές έχουν ικανοποιητική συμπεριφορά ως στοιχεία μνήμης αφού όλες οι ιδιότητες πληρούν τις βασικές προϋποθέσεις ως στοιχεία μνήμης, παρά την ανυπαρξία ενεργειακού φραγμού μεταξύ στρώματος παγίδευσης και οξειδίου ελέγχου. Η ικανότητα παγίδευσης και η επίδοση των δομών με HfO2 και ZrO2 δεν διαφοροποιούνται σημαντικά με χρήση διαφορετικού πρόδρομου μορίου ή με την ανόπτηση. Ο έλεγχος όμως της αντοχής των δομών σε επαναλαμβανόμενους παλμούς εγγραφής/διαγραφής αναδεικνύει ότι αμφότερες οι δομές που ανεπτύχθησαν με βάση το κυκλοπενταδιενύλιο έχουν μειωμένη αντοχή ηλεκτρικής καταπόνησης. Τo Al2O3 αναπτύχθηκε χρησιμοποιώντας το μόριο ΤΜΑ και ως οξειδωτικό μέσο: (α) H2O, (β) O3 και (γ) Plasma Ο2 (μέθοδος PE-ALD) σε συνδυασμό με ΤΜΑ. Οι δομές στην αρχική κατάσταση, χωρίς ανόπτηση, χαρακτηρίζονται από ισχυρό ρεύμα έγχυσης ηλεκτρονίων από την πύλη (υπό αρνητικές τάσεις) περιορίζοντας την ικανότητα φόρτισης και την επίδοση διαγραφής. Η ανόπτηση σε φούρνο και αδρανές περιβάλλον (850 ή 1050 oC, 15 min) προκάλεσε σημαντική βελτίωση των ηλεκτρικών χαρακτηριστικών των δομών λόγω του σημαντικού περιορισμού του παραπάνω φαινομένου. Μετά το στάδιο της ανόπτησης οι συνδυασμοί ΤΜΑ/Η2Ο και ΤΜΑ/Plasma Ο2 έχουν καλύτερες χαρακτηριστικές σε σχέση με αυτές του συνδυασμού ΤΜΑ/Ο3. Το φαινόμενο της διαρροής ηλεκτρονίων από την πύλη αποδίδεται στη μεγάλη συγκέντρωση και χωρική κατανομή του υδρογόνου στο υμένιο υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς. Τέλος, διερευνήθηκε η τροποποίηση των ιδιοτήτων μνήμης των δομών με εμφύτευση ιόντων αζώτου χαμηλής ενέργειας και υψηλής δόσης στο Al2O3 και επακόλουθη ανόπτηση υψηλής θερμοκρασίας. Η παρουσία αζώτου στο υμένιο καθώς και ο χημικός δεσμός του εμφυτευμένου αζώτου είναι συνάρτηση της θερμοκρασίας ανόπτησης. Επομένως, οι ιδιότητες μνήμης εξαρτώνται από τη μορφή σύνδεσης και την συγκέντρωση του εμφυτευμένου αζώτου στο τροποποιημένο Al2O3. Η υψηλή θερμοκρασία ανόπτησης (1050 οC, 15 min) φαίνεται να αποφέρει δομές με τις καλύτερες ιδιότητες μνήμης. / This thesis studies the functionality of high-k oxides as blocking oxide layers in SONOS type charge-trap memory devices. The oxide materials that were examined were the HfO2, the ZrO2 and the Al2O3. All these blocking oxide layers were deposited by atomic layer deposition technique (ALD). The electrical performance of the trilayer stacks was examined using Pt-gate MOS-type capacitors. The properties of the memory structures were examined as a function of: (a) precursor chemistry of HfO2 and ZrO2 deposition, (b) the deposition oxidizing agent in the case of Al2O3 and (c) subsequent high temperature annealing steps. The HfO2 films were deposited on SiO2/Si3N4 bilayer stacks using: (a) hafnium alkylamide (TEMAH) and O3 at 275 oC, and (b) hafnium cyclopentadienyl (HfD-04) and O3 at 350 oC. Similarly the ZrO2 films were deposited by (a) zirconium alkylamide (TEMAZ) and O3 at 275 oC, and (b) zirconium cyclopentadienyl (ZrD-04) and O3 at 350 oC The structural characterization of the HfO2 showed that the crystallinity of the deposited high-k material depends on the precursor choice and the post deposition annealing step (600 °C, 2 min). On the contrary ZrO2 is deposited in a crystalline phase independent of the deposition conditions and the choice of the precursors. The electrical characterization of Si/SiO2/Si3N4/high-k/Pt capacitors showed that all fabricated structures operate well as memory elements, despite the absence of an energy barrier between the trapping layer and control oxide. The trapping efficiency and the performance of structures with HfO2 or ZrO2 blocking layers do not revealed a dependence upon the precursor chemistry. However, endurance testing using continuous write/erase pulses showed that both structures deposited by cyclopentadienyl precursors cannot sustain the resulting electrical stress. The Al2O3 layers were deposited using the TMA molecule while three different oxidizing agents were used: (a) H2O, (b) O3 and (c) oxygen plasma. Electrical testing of the resulting Pt-gate trilayer capacitors showed that in the deposited condition all three samples were characterized by gate electrode induced electron leakage currents in the negative bias regime, which completely masked the substrate hole injection effects. This effect limits the performance and the functionality of the memory stacks. After a high temperature annealing step (850 or 1050 oC, 15 min) this leakage current is reduced significantly and the stacks can function as memory elements. The results point to suggest that after annealing the best performance is exhibited by the TMA/H2O and TMA/Plasma O2 samples. The effect of gate induced electron leakage current is attributed to hydrogen related contamination, which has been verified by ToF-ERDA in depth profile measurements, at least for the case of TMA/H2O samples. The modification of the memory properties of the SiO2/Si3N4/Al2O3 stacks was also investigated using low energy and high fluence nitrogen implantation into Al2O3 layer. The concentration and the chemical bonding of the implanted nitrogen is a function of annealing temperature. The memory properties of the stack depend therefore on the chemical bonding and the concentration of the remaining nitrogen in the modified Al2O3. The high temperature annealing (1050 oC, 15 min) appears to provide the structures with improved memory properties in terms of retention and fast erase performance.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή εστιάστηκε στη μελέτη συστημάτων ακουστικής εκπομπής για απευθείας αναπαραγωγή ψηφιακού ήχου. Η ερευνητική διαδικασία βασίστηκε στον προσδιορισμό και βελτίωση των δυνατοτήτων δύο διαφορετικών υλοποιήσεων ακουστικής μετατροπής: i. Ένα υβριδικό πρωτότυπο θερμοακουστικό στοιχείο και ii. Μια συστοιχία 32 ηλεκτροδυναμικών μεγαφώνων σχεδιασμένη, ώστε να αναπαράγει ψηφιακά ηχητικά σήματα. Η θερμοακουστική μετατροπή προσφέρει μια εναλλακτική τεχνική για υλοποιήσεις ακουστικών στοιχείων. Είναι βασισμένη στο μετασχηματισμό των διακυμάνσεων της θερμικής ενέργειας σε ακουστικό κύμα που προκαλούνται από τη ροή του ηλεκτρικού σήματος ήχου σε μια συσκευή στερεάς κατάστασης που λειτουργεί χωρίς τη χρήση οποιουδήποτε κινούμενου τμήματος ή μηχανισμού. Η υλοποίηση αυτής της τεχνικής ηχητικής αναπαραγωγής, μελετάται με τη χρήση ενός πρωτότυπου μετατροπέα ο οποίος αναπτύχθηκε πάνω σε πλακέτα κρυσταλλικού πυριτίου (silicon wafer). H απόδοση της συσκευής αυτής βελτιώνεται ιδίως όσον αφορά στις μη γραμμικές παραμορφώσεις που προσθέτει ο φυσικός μηχανισμός κατά την αναπαραγωγή των ακουστών συχνοτήτων. Για τις ανάγκες της ερευνητικής μελέτης κατασκευάσθηκε εξειδικευμένο στάδιο οδήγησης, ενώ επίσης αναπτύχθηκαν εργαλεία που προσομοιώνουν την απόδοση αυτών των συσκευών. Οι ψηφιακές συστοιχίες μεγαφώνων (DLAs) σήμερα βασίζονται σε μικρούς μετατροπείς κινούμενου πηνίου για την ανακατασκευή ακουστικών σημάτων από ροές ψηφιακού ήχου. Τα σημαντικά ζητήματα απόδοσης για τα συστήματα αυτά αναλύονται από την παρούσα διατριβή, με στόχο να ερμηνευθεί η απόκριση συχνότητας και οι ρυθμοί των διακριτών (on/off) μεταβάσεων των μεγαφώνων, εξαιτίας των ψηφιακών σημάτων. Λεπτομερείς προσομοιώσεις που επιτρέπουν την πραγματοποίηση συγκρίσεων για μια πανομοιότυπη συστοιχία 32 μετατροπέων η οποία τροφοδοτείται από αναλογικά σήματα, σε παρόμοια τοποθέτηση και ενεργοποίηση των στοιχείων. Οι μελέτες αυτές παράγουν πρωτότυπα αποτελέσματα για τις απαιτήσεις σε ηλεκτρική ενέργεια και την ευαισθησία της συστοιχίας, καταλήγοντας στο συμπέρασμα ότι αυτά τα δύο συστήματα επιτυγχάνουν συγκρίσιμες επιδόσεις. / The present Phd Thesis is focused on the study of acoustic transduction systems for direct digital audio signal emission. The research process was based on the evaluation and optimization of the behavior of two different implementations: i. A novel hybrid thermoacoustic device and ii. A loudspeaker array consisting of 32 moving coil speakers designed for digital audio reproduction. Thermoacoustic transduction offers an alternative technique for transducer implementations, based on the transformation of thermal energy fluctuations into sound after the direct application of the electrical audio signal on a solid state device which operates without the use of any moving/mechanical components. Here, an implementation of this sound generation technique is studied based on a prototype developed on silicon wafer and its performance is optimised, especially with respect to non-linear distortions within the audio band. For the purposes of the research study a specialised driving circuit was constructed and also the appropriate tools were developed to simulate the performance of these devices. Digital loudspeaker arrays currently are based on small moving-coil speakers to reconstruct acoustic signals out of binary audio streams. An overview of significant performance issues for such systems is given here to explain frequency response and speaker discrete transition rates due to the digital data. Detailed simulations provided comparisons for a 32-speaker DLA with similar arrangements of speakers driven by analogue signals. These tests produce novel results for electrical power requirements and array sensitivity, concluding that these two systems achieve comparable performance.