Essa tese apresenta uma metodologia para calcular os níveis confinados de energia e suas respectivas funções de onda em estruturas de poços quânticos usando o método de matriz de transferência (TMM). Este trabalho visa prover ferramentas para a estimação de absorção devido a transições interbanda e intersubbanda em fotodetectores infravermelhos a poços quânticos (QWIPs). O uso de fotodetectores desse tipo tem se intensificado nos últimos anos, principalmente em imageadores infravermelhos para identificação de alvos de interesse militar e civil. São estudados os conceitos básicos para o entendimento dos fenômenos quânticos que envolvem a detecção por dispositivos desse tipo. Partindo de um Hamiltoniano 8x8 utilizado para o cálculo da estrutura de bandas em materiais semicondutores, desenvolve-se um modelo que representa a dinâmica dos portadores nas bandas de valência e de condução que permite o cálculo dos níveis confinados (subbandas) e suas respectivas funções de onda. Efeitos de não-parabolicidade, tensão/compressão e segregação de compostos são considerados no modelo. A solução numérica das equações diferenciais envolvidas é feita utilizando-se o método de matriz de transferência, que é adaptado para acomodar qualquer perfil de potencial devido à combinação de camadas de compostos semicondutores. Foram desenvolvidos programas para realizar o cálculo das variáveis em discussão. Os resultados obtidos demonstraram uma boa concordância com aqueles reportados na literatura e com medidas realizadas em laboratório em dispositivos reais. A partir dos resultados, estuda-se o efeito das incertezas nos parâmetros dos materiais semicondutores no cálculo em questão. Erros que variam de 0.2 a 5%, dependendo da estrutura, permitem concluir que método desenvolvido pode ser utilizado no projeto de QWIPs com estruturas complexas.

Este trabalho apresenta a caracterização eletro-óptica de fotodetectores para o infravermelho operando nas janelas atmosféricas de ondas médias e longas. Utilizou-se sensores QWIP (Quantum Well Infrared Photodetector) baseados em estruturas semicondutoras de poços quânticos múltiplos de GaAs/AlGaAs e InGaAs/AlInAs, utilizando transições intrabanda. As estruturas semicondutoras foram crescidas pela técnica de Epitaxia de Fase Vapor de compostos Metalorgânicos (MOVPE). As amostras foram medidas na geometria de guia de onda com incidência da radiação a 45 pela borda do substrato. Os dispositivos foram caracterizados quanto sua corrente de escuro e responsividade a 77K. A responsividade foi determinada por dois métodos: usando um simulador de corpo negro como padrão de fonte luminosa e por comparação com um detector comercial de resposta conhecida. A responsividade de ambos os detectores foi determinada como uma função da tensão aplicada. O QWIP de Al0,27Ga0,73As/GaAs apresenta um pico de resposta em torno de ?p = 9,1 ?m e o QWIP de In0,53Ga0,47As/Al0,52In0,48As um pico de resposta em torno ?p = 4,1 ?m.

Esta tese apresenta uma proposta de metodologia para simulação de Fotodetectores Infravermelhos a Poços Quânticos, empregando-se o programa ATLAS. O ATLAS é um programa comercial, que realiza a simulação das características elétricas, ópticas e térmicas de dispositivos semicondutores. Este trabalho apresentou a simulação das estruturas que fazem parte de um dispositivo monolítico capaz de detectar, simultaneamente, nas faixas do infravermelho próximo (near infrared - NIR), médio (medium-wave infrared - MWIR) e distante (long-wave infrared - LWIR).

Este trabalho apresenta o estudo de circuitos de fotodetecção óptica para aplicações em sensores a fibra óptica. O objetivo principal é o domínio do tema e o desenvolvimento de uma técnica experimental que forneça as características de freqüência e ruído destes dispositivos. O estudo da física de fotodetectores é realizado através da implementação de um programa computacional de simulação. Codificado em FORTRAN, a saída deste programa fornece os perfis das bandas de condução e valência, assim como as concentrações de portadores de carga para fotodiodos de HgCdTe e PbSnTe sob várias condições de operação. As fontes de ruído, incluindo particularmente o ruído shot e Johnson, são revistas para fundamentar uma estratégia de projeto. Um sistema de caracterização é implementado para levantar a resposta em freqüência de circuitos de fotodetecção, formados por um fotodetector e um amplificador de transimpedância. Uma fonte de ruído branco é usada como entrada para obter o diagrama de Bode destes circuitos, sendo implementada pelo ruído de partição de modos de um diodo laser multimodo com comprimento de onda de 780 nm acoplado a uma fibra birefringente de 1,8 m e comprimento de batimento de 1,2 mm. Outra montagem é realizada para determinar as características de ruído de circuitos de fotodetecção. São encontradas freqüências de corte de 100, 4, 1,25 e 0,50 MHz para os circuitos estudados, contra a especificação de 400, 5, 1,25 e 0,30 MHz. São determinadas também a potência equivalente de ruído e a detectividade. O ruído encontrado para os circuitos estudados está entre 50nW e 1mW.

Justificadamente, o século XX poderia ser qualificado como o século da Eletrônica. Em 50 anos, os dispositivos eletrônicos revolucionaram a sociedade, incluindo desde os brinquedos eletrônicos e os eletrodomésticos, até os gigantescos supercomputadores usados em previsões climáticas. Toda esta revolução ocorreu à sombra de uma técnica para tornar os dispositivos menores e mais eficientes: esta técnica é conhecida como miniaturização ou top-down. No entanto, à medida que as dimensões dos dispositivos se aproximam das atômicas, parece que esta abordagem precisa ser substituída por uma nova: bottom-up. E é assim que acontece na Nanoeletrônica, da qual a Spintrônica pode ser considerada como uma sub-área. Nesta tese, estudamos teoricamente dois tipos de transistores spintrônicos: um bipolar e um a efeito de campo. Em linhas gerais, observamos que os dispositivos spintrônicos são melhores que os convencionais, mas sempre há um desafio associado (para assegurar este melhor desempenho). Paralela e conjuntamente à Spintrônica, diversos dispositivos têm sido propostos utilizando-se nanoestruturas semicondutoras. Em particular, com os pontos quânticos pode-se controlar o estado de um elétron individualmente, inclusive o seu spin, o que pode abrir caminho para a Computação Quântica ou para a Spintrônica de um único elétron. Nesta tese, estudamos pontos quânticos de GaN numa matriz de AlN, utilizando uma metodologia que aplica, de forma inédita, cálculos de primeiros princípios ao estudo destas nanoestruturas com célula unitária com uma quantidade de átomos da ordem de 10 milhões.

Este trabalho investiga pela primeira vez o crescimento epitaxial por MBE - Molecular Beam Epitaxy - e análise in-situ com RHEED - Reflection High Energy Electron Diffraction - de compostos IV-VI diretamente sobre silício. Exceto por alguns poucos e incompletos trabalhos anteriores, esta estrutura é praticamente desconhecida. Estas heteroestruturas necessitam ainda de uma investigação mais ampla e detalhada dos aspectos físico-químicos da interface, para sua otimização. Devido ao elevado descasamento dos parâmetros de rede, as estruturas apresentam vários aspectos interessantes para investigação em heteroepitaxia e heterojunções. Um modelo qualitativo foi proposto para explicar algumas observações experimentais originais quanto à morfologia do crescimento epitaxial. A integração de materiais sensíveis ao infravermelho, diretamente com o silício, tem grande importância tecnológica para aplicações em dispositivos. Até o presente, esta integração tem sido obtida com o uso de camadas intermediárias de CaF2 e BaF2, que permitem acomodar as diferenças entre os parâmetros de rede do PbTe e do Si. O crescimento direto do PbTe sobre o Si(100) simplifica o processo e abre novas perspectivas para a engenharia de heteroestruturas e dispositivos, permitindo a redução de custos e conferindo maior flexibilidade ao sistema. Esforços neste sentido têm sido feitos com compostos II-IV sobre Si, cuja diferença dos parâmetros de rede é ainda maior que aquela entre o PbTe e o Si. O silício poroso também tem se mostrado um material com propriedades bastante interessantes e, sua utilização como substrato para o PbTe pode ser vantajosa no que diz respeito à relaxação de tensões. Neste trabalho mostra-se que o sistema PbTe/Si(100) é funcional como detector para o infravermelho e suas características são aqui apresentadas e discutidas.

Esta tese trata do Efeito Rashba ou interação spin- órbita em nanoestruturas semicondutoras de materiais do tipo IV-VI. Os materiais semicondutores do tipo IV-VI apresentam uma estrutura de múltiplos vales e uma forte interação spin-órbita, sendo bons candidatos para aplicações em spintrônica. As energias dos estados quantizados para eletrons confinados em poços quânticos assimétricos crescidos nas direções [11

O desenvolvimento de qualquer projeto visando aplicações espaciais ou aplicações aeronáuticas em voos de grande altitude deve considerar os efeitos que a contínua ação da radiação cósmica provoca em materiais e componentes. Os efeitos da radiação devem ser conhecidos para que medidas corretivas possam ser consideradas no projeto de equipamentos que deverão operar por tempo prolongado imersos em um ambiente com radiação ionizante permanente. Quando instrumentos eletrônicos são operados sob radiação ionizante, estes sofrem efeitos adversos no seu desempenho, resultantes da interação da radiação com seus componentes básicos (transistores e diodos). Dessa forma, para aplicações espaciais ou em ambientes hostis, os componentes básicos de um circuito devem ser previamente qualificados quanto à sua tolerância à radiação através de ensaios que determinam a sua resposta à radiação ionizante. Neste trabalho são estudados os efeitos da radiação ionizante em transistores CMOS que são os componentes básicos dos circuitos integrados e demais sistemas eletrônicos, visando o conhecimento da variação dos seus parâmetros elétricos conforme a dose total ionizante (TID) acumulada. O objetivo do trabalho foi desenvolver e aplicar uma metodologia de medida dos efeitos de dose acumulada de radiação ionizante nos parâmetros elétricos de transistores CMOS utilizando a metodologia tradicional e o método EKV para extração dos valores destes parâmetros a partir das curvas de resposta dos transistores obtidas com um analisador de parâmetros de semicondutores. O conhecimento da variação paramétrica dos transistores permite ao projetista de um circuito integrado simular os efeitos finais no circuito e inserir no projeto técnicas de endurecimento no projeto de layout do dispositivo e técnicas de mitigação no desenvolvimento do hardware e software dentro do circuito integrado ou no sistema eletrônico. Neste trabalho foram avaliados cinco transistores CMOS na tecnologia de 180 nm produzidos no processo XC018 da XFAB com diferentes dimensões e as variações paramétricas são apresentadas em função da dose acumulada até 1 Mrad(Si). Os transistores foram irradiados com radiação gama proveniente de uma fonte radioativa de 60Co na temperatura ambiente.

A cluster expansion method combined with Density Functional Theory is used to derive structural properties of quaternary AlGaInN and binary GeSn alloys. The energy gaps for both systems are calculated including quasiparticle effects within the framework of the computationally inexpensive and parameter free DFT-1/2 method. The model developed is able to treat the complexity of semiconductor alloys, which have important application in heterostructures, band gap engineering and lattice constant matching. The transition energy of the effective electronic bands is calculated including statistical disored and compared to spectroscopic measurements. The range of the tunable energy gap of cubic and hexagonal AlGaInN alloys lattice matched to GaN is calculated, together with the direct-indirect gap transition region in the cubic alloy. We also discuss trends for phase separation of GeSn alloys and do not observe any significant indication of decomposition in the binodal-spinodal composition range. It is shown that the oscillator strength of the optical transition in the alloy is considerably higher than that of pure Ge. Results are contextualized in light of applications of AlGaInN alloys for ultraviolet and GeSn alloys for mid-infrared photoemission. Differences and similarities between our model and other calculations in the existing literature are also elucidated.

Neste trabalho estudamos comportamento assintótico de problemas parabólicos semilineares do tipo ut ¡div(p(x)Nu)+l u = h(u) em um domí?nio limitado e suave W ½ Rn, com condições de Neumann na fronteira, quando o coeficiente de difusão p se torna grande em uma sub-região W0 que é interior ao domí?nio físico W. Provamos que, sob determinadas hipóteses, a família de atratores se comporta semicontinuamente inferior e superiormente quando a difusão explode em W0 / In this work we study the asymptotic behavior of semilinear parabolic problems of the form ut ¡div(p(x)Ñu)+l u = h(u) in a bounded smooth domain W ½ Rn and Neumann boundary conditions when the diffusion coefficient p becomes large in a subregion W0 which is interior to the physical domain W. We prove, under suitable assumptions, that the family of attractors behave upper and lowersemicontinuously as the diffusion blows up in W0.