Investigación

Control de Flujo Activo Versus Pasivo en Filtros UVC para la Contención de COVID-19

Este artículo presenta un estudio sobre la efectividad de los filtros de luz ultravioleta (UVC) para la purificación del aire en interiores en respuesta a la pandemia de COVID-19. El documento compara sistemas de control de flujo activo y pasivo en unidades portátiles de filtración UVC de bajo costo, diseñadas para inactivar patógenos, incluido el virus SARS-CoV-2, responsable del COVID-19. El objetivo fue mejorar la calidad del aire y las tasas de desactivación de patógenos en entornos interiores, lo cual es crucial durante situaciones pandémicas.

Los autores diseñaron, simularon y construyeron dos dispositivos diferentes: uno utilizando control de flujo activo con componentes electrónicos y otro con elementos mecánicos pasivos para regular el flujo de aire. Ambos sistemas fueron probados, y el dispositivo pasivo demostró un mejor rendimiento en términos de eficiencia energética, costos de producción y mantenimiento a largo plazo, mientras que alcanzaba tasas de inactivación de patógenos similares.

Esta tecnología, desarrollada durante la pandemia de COVID-19, ofrece importantes beneficios para la salud pública, no solo para la contención del COVID-19, sino también para otros patógenos transmitidos por el aire. En particular, el dispositivo pasivo demostró ser una solución altamente eficiente para entornos como hospitales y espacios públicos, donde el aire limpio es fundamental para reducir la propagación de enfermedades infecciosas.

Contribuciones Principales

• Desarrollo de un dispositivo de filtración de aire UVC pasivo que logra la inactivación de patógenos a un menor costo y con mayor eficiencia energética que los sistemas electrónicos activos.
• Diseño y simulación de dispositivos de filtración UVC activos y pasivos, con validación experimental de las tasas de inactivación de patógenos, demostrando que ambos sistemas logran más del 99% de desactivación de patógenos.
• Aplicación de la tecnología de filtración UVC para la contención de COVID-19 y otras necesidades de salud pública durante la pandemia.

Aspectos Clave

• Los filtros UVC, tanto activos como pasivos, demuestran efectividad en la purificación del aire interior mediante la inactivación de patógenos, incluidos virus y bacterias.
• Los sistemas de control de flujo pasivo ofrecen un menor consumo de energía y costos de producción reducidos, lo que los hace adecuados para un despliegue a gran escala en espacios públicos durante emergencias sanitarias.
• El estudio contribuye al desarrollo de tecnologías de purificación de aire que ayudan a mitigar la propagación de enfermedades transmitidas por el aire, especialmente en entornos interiores de alto riesgo.

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Un modelo analítico para MOSFETs cuadrados de puerta alrededor (GAA) incluyendo efectos cuánticos

La principal contribución de este trabajo es el desarrollo de un modelo analítico para los MOSFETs de puerta alrededor cuadrada (GAA), que incluye efectos cuánticos. Este modelo permite describir de manera precisa la distribución de carga de inversión en estos dispositivos, lo que es crucial para su modelado compacto. Además, se utilizan las funciones de distribución de carga de inversión para calcular parámetros importantes como el centroide de la carga de inversión y la capacitancia entre la puerta y el canal, lo que hace que este modelo sea fundamental para la optimización de estos dispositivos en futuras tecnologías de circuitos integrados sub-22 nm.

La ecuación que se presenta a continuación:

\[ \rho(y, z) = q N_{inv} \left| A_0 \sin\left(\frac{\pi y}{t_{Si}}\right)^{\frac{1}{2}} \sin\left(\frac{\pi z}{t_{Si}}\right)^{\frac{1}{2}} \left(e^{-\frac{b(t_{Si} - y)}{t_{Si}}} + e^{-\frac{by}{t_{Si}}}\right) \left(e^{-\frac{b(t_{Si} - z)}{t_{Si}}} + e^{-\frac{bz}{t_{Si}}}\right) \right|^2 \]

Es fruto de un proceso creativo en el cual se construye una representación analítica de la densidad de carga \(\rho(y, z)\) a partir del voltaje de puerta y de la geometría del dispositivo. Esta ecuación describe cómo los portadores de carga (electrones o huecos) se distribuyen dentro de la estructura del dispositivo MOSFET de múltiples puertas, en función de los parámetros geométricos y eléctricos. La forma en que los portadores se distribuyen está profundamente influenciada por el potencial eléctrico generado, el cual es una solución a la ecuación de Poisson, que gobierna la relación entre la densidad de carga y el potencial electrostático. En escalas nanométricas, la situación se complica debido a los efectos cuánticos. Aquí, los portadores no pueden ocupar cualquier posición dentro del dispositivo, sino que deben obedecer las restricciones impuestas por la ecuación de Schrödinger, que gobierna la probabilidad de encontrar un portador en una ubicación particular dentro de la geometría confinada del dispositivo.

Este proceso da lugar a una cuantización de los estados disponibles para los portadores, lo que significa que los portadores solo pueden ocupar ciertos niveles energéticos y posiciones específicas dentro del dispositivo. La ecuación presentada refleja esta cuantización, ya que describe cómo los portadores se distribuyen en función de probabilidades que dependen tanto de la geometría del silicio (\(t_{Si}\)) como del potencial aplicado, a través de las funciones sinusoidales y exponenciales en \(y\) y \(z\).

La principal contribución de esta ecuación es su capacidad para integrar de manera precisa los efectos cuánticos en el modelado de dispositivos a nanoescala, representando cómo los portadores de carga responden a la interacción entre la solución clásica de Poisson y los dictados cuánticos de Schrödinger. Es un avance significativo en la comprensión de dispositivos MOSFET multipuerta en tecnologías subnanométricas.

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Un modelo analítico para MOSFETs cuadrados de puerta alrededor (GAA) resolviendo la ecuación de Poisson en 2D

Este trabajo es, hasta la fecha, la mejor contribución que he realizado en el campo de la investigación. Esto se debe principalmente a que logramos resolver una ecuación diferencial parcial (PDE) estimadamente no lineal, algo que representa un avance significativo en la modelización de dispositivos MOSFET tipo "Gate-All-Around" (GAA).

La ecuación diferencial clave que resolvimos, la ecuación de Poisson en 2D, incluye la densidad de carga de inversión, lo que permitió modelar con precisión el potencial eléctrico dentro de estos dispositivos avanzados. A continuación, se muestra la ecuación principal que aparece en el artículo:

\[ \frac{\partial^2 \psi(x, y)}{\partial x^2} + \frac{\partial^2 \psi(x, y)}{\partial y^2} = \frac{q}{\epsilon_{Si}} n_i e^{\frac{q \psi(x, y)}{kT}} \]

Donde \( q \) es la carga del electrón, \( \epsilon_{Si} \) es la permitividad del silicio, \( k \) es la constante de Boltzmann, \( T \) la temperatura y \( n_i \) la densidad de electrones intrínseca. Esta ecuación es fundamental para calcular el potencial eléctrico y la densidad de carga de inversión en los dispositivos GAA MOSFET de geometría cuadrada, lo cual no había sido modelado con tanta precisión hasta ahora.

Este avance permitió el desarrollo de un modelo compacto que facilita el diseño y la optimización de dispositivos MOSFET en escalas nanométricas, particularmente en aplicaciones de bajo consumo y alta frecuencia. La integración de los efectos cuánticos y la solución precisa de esta ecuación son un aporte significativo a la comunidad científica, especialmente en la modelización de dispositivos sub-22 nm.

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Dificultades en Resolver Ecuaciones Diferenciales Parciales No Lineales

Las ecuaciones diferenciales en derivadas parciales (PDE) no lineales son considerablemente más difíciles de resolver que las ecuaciones lineales por varias razones fundamentales:

• Superposición no aplicable: En las PDE lineales, se puede aplicar el principio de superposición, que permite construir soluciones complejas sumando soluciones más simples. Esto no es posible en el caso de las PDE no lineales, donde los términos no lineales introducen interacciones complejas entre las variables.
• Comportamiento impredecible: Las ecuaciones no lineales suelen mostrar un comportamiento caótico o muy sensible a las condiciones iniciales y de contorno. Pequeñas diferencias en los datos de entrada pueden generar resultados completamente distintos, lo que dificulta mucho encontrar soluciones exactas o aproximadas.
• No existen métodos generales: Mientras que para muchas PDE lineales existen métodos analíticos bien establecidos (como separación de variables, transformadas de Fourier o Laplace), no existe un método general para resolver PDE no lineales. Cada tipo de ecuación puede requerir técnicas específicas que suelen ser más complejas y, en muchos casos, sólo es posible obtener soluciones aproximadas o numéricas.
• Fenómenos complejos: Las PDE no lineales a menudo representan fenómenos complejos de la naturaleza, como la turbulencia en fluidos, la propagación de ondas no lineales, o la dinámica de sistemas biológicos. Estos fenómenos no tienen soluciones simples o intuitivas, ya que las interacciones entre las variables tienden a ser no triviales.

El Trabajo del Matemático I. K. Sabitov

I. K. Sabitov, destacado matemático ruso, es conocido por sus contribuciones a la solución de ecuaciones diferenciales parciales no lineales, como se muestra en su influyente trabajo "Solutions of \[\Delta u = f(x, y)e^{cu}\] in some special cases" "https://istina.msu.ru/publications/article/6764725/" . Sabitov exploró métodos avanzados para resolver ecuaciones complejas en derivadas parciales, aplicando técnicas que han permitido un progreso significativo en la comprensión de sistemas no lineales.

Su trabajo sobre estas ecuaciones, en particular, ha proporcionado a la comunidad científica herramientas valiosas para abordar problemas no triviales en una variedad de campos. La habilidad de Sabitov para aplicar funciones especiales y holomorfas en el plano complejo fue esencial para comprender mejor cómo resolver ecuaciones diferenciales parciales no lineales bajo condiciones específicas.

Gracias a los trabajos de I. K. Sabitov sobre funciones holomorfas en el plano complejo, fue posible aplicar sus métodos a mi investigación, lo que me permitió resolver con éxito la ecuación diferencial parcial no lineal presentada en este trabajo.

Por otro lado, el trabajo del Matemático Ruso S. Yu. Savitóv que no se debe confundir con I. K. Sabitov

S. Yu. Savitóv fue un matemático y físico ruso conocido por sus aportaciones a la teoría de ondas no lineales y solitones, fenómenos que están fuertemente asociados con ecuaciones diferenciales parciales no lineales.

Uno de los problemas más importantes que abordó fue el estudio de ondas solitarias, que son soluciones estables de ciertas PDE no lineales, como la ecuación de Korteweg-de Vries (KdV). Estas ondas viajan sin dispersarse, a pesar de la presencia de no linealidades, y han encontrado aplicaciones en áreas como la óptica, la teoría de fluidos y la física de plasmas.

El trabajo de Savitóv se enfocó particularmente en el desarrollo de métodos matemáticos para analizar la estabilidad y la formación de solitones en sistemas no lineales. Entre los avances clave de Savitóv, destaca su uso de métodos analíticos y numéricos para demostrar cómo las soluciones tipo solitón emergen en sistemas donde las ecuaciones no lineales describen la interacción de ondas. Su investigación no solo proporcionó una mejor comprensión de las propiedades de estos sistemas, sino que también fue crucial para aplicar los solitones en tecnología moderna, como la transmisión de datos por fibras ópticas.

Modelización Numérica en el Dominio del Tiempo de Antenas Fotoconductoras THz

Este artículo presenta un procedimiento computacional innovador para simular el comportamiento en el dominio del tiempo de antenas fotoconductoras (PCA) hechas de materiales semiconductores y metálicos. El estudio aborda uno de los principales desafíos en la tecnología THz: la correcta modelización de la interacción entre los portadores de carga y los campos electromagnéticos en el régimen de terahercios (THz). La importancia de este modelo radica en su capacidad para representar con precisión la radiación electromagnética a partir de estos dispositivos, un aspecto crucial para diversas aplicaciones como la espectroscopia en el rango de terahercios.

Una de las contribuciones más notables es el desarrollo de un conjunto detallado de ecuaciones numéricas explícitas, derivadas mediante técnicas de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD), que acoplan las ecuaciones de Poisson y Maxwell con el modelo de deriva-difusión de portadores de carga. A través de este enfoque, se modela la distribución de los portadores en estado transitorio y estacionario, lo que permite evaluar los campos electromagnéticos generados por la aceleración de estos portadores dentro de las PCAs. Este procedimiento muestra una excelente correlación con datos experimentales previamente reportados, lo que subraya la precisión del modelo.

Contribuciones Principales

• Desarrollo de un simulador numérico robusto que acopla las ecuaciones de Maxwell y el modelo de deriva-difusión, lo que permite simular tanto los procesos de generación como la radiación en antenas fotoconductoras THz. Este enfoque es particularmente útil para aplicaciones de espectroscopía en el dominio del tiempo en el rango de terahercios.
• Introducción de un procedimiento detallado para resolver el estado estacionario de los portadores de carga en las PCAs, lo que proporciona una base precisa para calcular los campos radiados. Este estado estacionario es crucial, ya que afecta directamente la eficiencia de radiación y el comportamiento de las antenas.
• Validación del modelo numérico mediante comparación con mediciones experimentales, demostrando la capacidad del simulador para predecir con precisión el comportamiento real de las PCAs en diversas condiciones operativas.
• El estudio también profundiza en la importancia de considerar las movilidades no homogéneas y dependientes del campo eléctrico en los semiconductores, lo que mejora significativamente la precisión de los modelos en comparación con enfoques más simplificados que no incluyen estas variaciones espaciales.

Aspectos Clave

• El modelo describe cómo los portadores de carga, inducidos por un pulso láser, interactúan con el campo electromagnético generado en la antena fotoconductora, lo que permite analizar el comportamiento de las PCAs en el régimen THz. La generación y recombinación de pares electrón-hueco juegan un papel crucial en la dinámica de las antenas y en la emisión de ondas electromagnéticas.
• Se destacó cómo la elección de diferentes configuraciones geométricas de los electrodos (como los dipolos cara a cara y los dipolos de línea de transmisión) afecta el rendimiento de las PCAs, proporcionando información valiosa para mejorar su diseño.
• El artículo también introduce una metodología novedosa para el análisis de la fase transitoria y estacionaria de los campos eléctricos y magnéticos, utilizando un procedimiento de actualización doble de las distribuciones de portadores. Este enfoque garantiza la estabilidad numérica y la precisión del modelo a lo largo de las simulaciones en el dominio del tiempo.
• Una de las características más interesantes del modelo es la capacidad de reproducir el efecto de histéresis debido a la precondición en el semiconductor, lo que permite simular con mayor precisión los fenómenos transitorios y estacionarios en las PCAs. Esta consideración no se había incluido previamente en otros modelos.

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Sobre la Modelización Numérica de Antenas Fotoconductoras Terahertz

Este artículo explora el impacto significativo de los modelos de movilidad en la descripción de la dinámica de los portadores para el análisis de dispositivos fotoconductores radiativos de semiconductores en el régimen de terahercios (THz). Los autores desarrollaron un simulador que resuelve de manera autocoherente tanto la física del dispositivo semiconductor como las ecuaciones de Maxwell para estudiar los campos electromagnéticos radiados. Un enfoque clave de este trabajo es la importancia de modelar con precisión el régimen estacionario del dispositivo semiconductor, lo cual es crucial para el cálculo preciso de los campos radiados, especialmente en la dirección de la normal.

Una de las principales contribuciones de este artículo es la demostración de cómo una descripción precisa del régimen estacionario del potencial eléctrico, las distribuciones de campo y la movilidad local es esencial para lograr resultados realistas en las simulaciones de antenas fotoconductoras terahercios (PCA). El estudio muestra que los modelos previos, que no consideraban detalladamente los regímenes estacionarios, no lograban capturar toda la complejidad de las interacciones de los portadores y sus efectos en los campos electromagnéticos radiados.

Contribuciones Principales

• El artículo introduce un modelo numérico integral que integra tanto las ecuaciones de Poisson como las de Maxwell con un modelo de deriva-difusión, proporcionando una descripción altamente precisa de la dinámica de los portadores de semiconductores en el régimen THz.
• Se enfatiza la importancia de los modelos de movilidad precisos en condiciones de estado estacionario, mostrando que incluso pequeñas inexactitudes en el régimen estacionario pueden llevar a errores significativos en los campos radiados predichos.
• El estudio demuestra, mediante simulaciones numéricas, la necesidad de una consideración detallada de las distribuciones de movilidad en estado estacionario, los campos eléctricos y la influencia de las concentraciones de dopaje en el comportamiento del dispositivo.
• Es la primera vez que se demuestra que una consideración detallada del estado estacionario influye significativamente en los resultados de las simulaciones de PCA, marcando un cambio en la forma en que se modelan estos dispositivos en el rango de terahercios.

Aspectos Clave

• Los resultados de la simulación se validan con datos experimentales, lo que confirma la superior precisión de los modelos numéricos presentados en el estudio en comparación con modelos más simples previos.
• Los autores destacan la importancia de modelar con precisión la movilidad de los portadores en el semiconductor. En particular, el modelo de movilidad dependiente del campo utilizado en este trabajo permite una descripción mucho más precisa del comportamiento del dispositivo bajo diferentes condiciones operativas.
• Este artículo también presenta un enfoque novedoso al considerar las precondiciones (régimen estacionario) antes de la excitación del pulso láser, introduciendo por primera vez el concepto de histéresis en los dispositivos THz.
• Se muestra que este efecto de histéresis desempeña un papel crítico en el comportamiento transitorio de los dispositivos, influyendo en los campos electromagnéticos radiados finales y conduciendo a una mejor comprensión del rendimiento del dispositivo.

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Comparación del Rendimiento de Antenas Fotoconductoras THz

Este documento es uno de los más importantes en mi tesis, ya que proporciona, a partir de un modelo relativamente simple, una descripción de los comportamientos no lineales necesarios para modelar adecuadamente las antenas fotoconductoras en el régimen de terahercios (THz). En su momento, métodos como Monte Carlo o elementos finitos fueron sugeridos como esenciales para este tipo de modelado debido a la complejidad intrínseca de los fenómenos involucrados. Sin embargo, este estudio demuestra que, utilizando una simplificación basada en la dependencia de la movilidad de los portadores de carga con respecto al campo eléctrico, se pueden obtener resultados experimentales precisos y altamente eficientes.

El artículo explora la influencia de la geometría de los electrodos de polarización sobre el rendimiento de las antenas fotoconductoras. Se presenta una metodología para calcular de forma numérica el ancho de banda operativo y la eficiencia de radiación de las PCAs (antenas fotoconductoras). Los resultados numéricos se validan mediante comparaciones con mediciones experimentales, lo que otorga credibilidad a las simulaciones presentadas.

Contribuciones Principales

• Se introduce un modelo numérico basado en el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD), que resuelve las ecuaciones de deriva-difusión y de Maxwell de forma autocoherente.
• El estudio destaca cómo la elección de la geometría de los electrodos puede duplicar la eficiencia de las antenas, con una penalización en el ancho de banda generalmente menor al 10%.
• Se presenta la influencia de factores como el voltaje de polarización, el dopaje del semiconductor y la potencia óptica incidente sobre el rendimiento global de las antenas.
• Por primera vez, se demuestra cómo el uso de configuraciones óptimas de electrodos puede incrementar significativamente la eficiencia de radiación en PCAs.

Aspectos Clave

• Se validan los resultados numéricos mediante comparaciones con mediciones experimentales, lo que confirma la precisión de las simulaciones y su capacidad para predecir el rendimiento real de las PCAs bajo diferentes condiciones operativas.
• El estudio también muestra cómo el aumento de la potencia óptica puede provocar un efecto de saturación en las antenas, debido a la acumulación de portadores fotogenerados cerca de los electrodos.
• Además, se analiza cómo la movilidad de los portadores se ve afectada por el campo eléctrico aplicado, lo que tiene un impacto directo en la eficiencia de radiación.

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Time-domain Numerical Modeling of Terahertz Receivers Based on Photoconductive Antennas

This paper marked a turning point in my research, published after my PhD defense, and played a significant role in advancing the understanding of photoconductive antennas (PCAs) in the terahertz (THz) domain. It laid the foundation for the process of both emission and reception in near-field PCAs, which would later be presented at a prominent conference in Tucson, Arizona https://doi.org/10.1109/IRMMW-THz.2014.6956333.

The paper focuses on developing a simulator that couples semiconductor charge transport equations with Maxwell's equations to study the performance of terahertz receivers based on PCAs. This model allowed for an accurate characterization of PCAs, confirming experimental results through simulations. The key breakthrough was the detailed analysis of how a photoconductive receiver antenna detects THz radiation by convolving the photoconductivity of the receiver with the electric field generated by an emitter PCA. This simulation tool was critical for understanding and optimizing THz time-domain spectroscopy (THz-TDS) systems.

Main Contributions

• The development of a robust simulator to model photoconductive antennas, essential for THz-TDS applications.
• The introduction of a simple yet highly accurate numerical approach to model the reception processes in PCAs, balancing the trade-off between simplicity and accuracy.
• Numerical results were validated against experimental data, showcasing the simulator's precision in reproducing real-world measurements.
• The simulation tool allowed for the study of key factors such as carrier lifetime, mobility, and noise levels, which are crucial for the signal-to-noise ratio (SNR) in THz detectors.

Key Insights

• The model accurately simulated the current generated in a PCA when exposed to an incident electric field, highlighting how factors such as photoconductivity and incident field strength influence the detected signal.
• The study demonstrated how omitting certain components, like the PCA lens and semi-insulating substrate, could still yield reliable results in specific scenarios, reducing computational complexity.
• This paper established the drift-diffusion model as a viable approach for simulating PCA behavior, offering faster computation times compared to Monte Carlo methods while maintaining accuracy.
• The paper also introduced a new method to model the PCA reception process coherently, providing both amplitude and phase information without requiring additional complex techniques like Kramers-Kronig.

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Un modelo analítico para MOSFETs con esquinas redondeadas utilizando Skirkels

Este trabajo representa un avance clave en la modelización de MOSFETs cuadrados de puerta alrededor (GAA) con esquinas redondeadas, que refleja el proceso real de fabricación. El redondeo de las esquinas ocurre naturalmente debido a ataques químicos durante la fabricación. Este modelo se basa en marcos de trabajo de MOSFET existentes, pero los mejora con skirkels, una forma de representación matemática basada en squircles, para determinar analíticamente la distribución de los portadores de carga de inversión.

La siguiente ecuación combina de manera creativa ideas tanto de la Ecuación 5 como de la Ecuación 8 en este artículo para describir la distribución de portadores en MOSFETs con esquinas redondeadas:

\[ n(r, \alpha) = N_{inv} A^2 \cos \left( \frac{\pi r}{t(\alpha)} \right)^{\alpha} \cosh \left( \frac{r_b}{t(\alpha)} \right)^{(1 + c \sqrt{r})} S(r, \alpha) \]

Esta ecuación es el resultado de un proceso creativo que incorpora la función squircle para tener en cuenta la naturaleza redondeada de las esquinas, que los modelos anteriores habían ignorado. La función \(S(r, \alpha)\) representa la forma del semiconductor, y el parámetro \(t(\alpha)\) se ajusta para las distancias variables entre el centro y los bordes redondeados del dispositivo. Al usar este enfoque, el modelo describe con precisión la distribución de la carga de inversión en toda la región activa del MOSFET, ofreciendo una representación más precisa que los modelos que suponen geometrías perfectamente cuadradas.

Este modelo fue desarrollado porque, en los procesos reales de fabricación de MOSFETs, las esquinas nunca son perfectamente cuadradas, sino que se redondean debido a las interacciones del material. La inclusión de esta geometría mejora la precisión de las simulaciones y proporciona una mejor comprensión de cómo se comportan los MOSFETs a escalas nanométricas. Los parámetros de ajuste del modelo—\(\alpha\), \(b\), y \(c\)—se afinan en función de los resultados experimentales, lo que garantiza una fuerte correlación entre la simulación y los datos del mundo real.

Contribuciones Principales

• El desarrollo de un novedoso modelo analítico para MOSFETs cuadrados GAA que incorpora efectos cuánticos y la curvatura real de las esquinas del dispositivo.
• La introducción de la función squircle (skirkel), que modela con precisión las esquinas redondeadas y describe cómo cambia la densidad de carga de inversión en estas geometrías.
• Validación del modelo mediante comparaciones con los solucionadores de Poisson y Schrödinger más avanzados, asegurando una fuerte alineación entre la simulación y los resultados empíricos.

Aspectos Clave

• Este modelo permite calcular con mayor precisión las características clave del MOSFET, como el centroide de la carga de inversión y la capacitancia entre la puerta y el canal, en comparación con los modelos tradicionales.
• El uso de una función simple pero precisa para tener en cuenta las esquinas redondeadas de los MOSFETs muestra que incluso pequeños ajustes en la geometría pueden tener un impacto significativo en la distribución de carga y el rendimiento del dispositivo.
• La aplicación de skirkels demuestra cómo la creatividad matemática puede simplificar problemas complejos, ofreciendo tanto eficiencia computacional como precisión física en la modelización de dispositivos.

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Un modelo analítico preciso para la velocidad de deriva y movilidad en InGaAs

Este artículo introduce un modelo analítico para describir con precisión la velocidad de deriva y la movilidad de los electrones y huecos en In0.53Ga0.47As bajo diferentes condiciones de campo eléctrico y concentraciones de dopantes. Utilizando datos simulados por métodos de Monte Carlo, el modelo combina simplicidad matemática con precisión, lo que lo hace ideal para su implementación en simulaciones compactas y eficientes.

La siguiente ecuación (Ecuación 1) modela la velocidad de deriva de los electrones como función del campo eléctrico:

\[ v_e(|\vec{E}|) = \left\{ \begin{array}{ll} \frac{A_e\left(\sin\left( \frac{\pi|\vec{E}|}{10}\right)\right)^{b_e}}{e^{c_e|\vec{E}|^2}} & \text{si } |\vec{E}| < E_{c,e} \\ \frac{D_e|\vec{E}|}{\left(1+\frac{|\vec{E}|-E_{c,e}}{3}\right)^f_e} & \text{si } |\vec{E}| \geq E_{c,e} \end{array} \right. \]

Esta ecuación describe cómo la velocidad de los electrones aumenta con el campo eléctrico hasta alcanzar un valor de saturación, capturando de manera efectiva las transiciones entre los diferentes regímenes de transporte.

De manera similar, la Ecuación 3 se utiliza para describir la velocidad de deriva de los huecos en función del campo eléctrico:

\[ v_h(|\vec{E}|) = \left\{ \begin{array}{ll} \frac{A_h\ln(|\vec{E}|+1)}{(|\vec{E}|+1)^{b_h}} & \text{si } |\vec{E}| < E_{c,h} \\ \frac{C_h\tanh(|\vec{E}|)}{\ln(|\vec{E}|+d_n)^{f_h}} & \text{si } |\vec{E}| \geq E_{c,h} \end{array} \right. \]

Ambas ecuaciones permiten capturar con precisión la dinámica de los portadores en el material InGaAs, facilitando simulaciones rápidas y exactas de dispositivos electrónicos a nivel macroscópico.

Contribuciones Principales

• Desarrollo de un modelo analítico sencillo y preciso para la movilidad en In0.53Ga0.47As que puede aplicarse en simulaciones compactas.
• El modelo tiene en cuenta tanto la velocidad de deriva de electrones como la de huecos, ofreciendo una solución integral para el transporte de carga en este material semiconductor.
• Validación del modelo mediante comparaciones con simulaciones basadas en métodos de Monte Carlo y datos experimentales.

Aspectos Clave

• El modelo es fácil de implementar en simulaciones de dispositivos electrónicos, proporcionando resultados rápidos y precisos sobre el comportamiento de los portadores de carga.
• Este modelo captura tanto los regímenes de transporte a bajos como a altos campos eléctricos, ofreciendo una descripción más realista del transporte en InGaAs.
• La simplicidad del modelo garantiza una baja carga computacional, lo que permite su uso en simulaciones intensivas de circuitos y dispositivos.

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Modelado de lentes Axicon con propiedades de enfoque quiral mediante funciones analíticas

Este artículo trata sobre el modelado de lentes axicon con propiedades de enfoque quiral utilizando funciones analíticas. Las lentes axicon tienen la capacidad de enfocar la luz incidente paralela a lo largo de una gran profundidad de campo, produciendo haces de Bessel no difractivos. Estos haces se utilizan ampliamente en el procesamiento de señales ópticas, el procesamiento de materiales transparentes y el corte de metales. El estudio explora cómo las lentes axicon asimétricas y retorcidas pueden crear campos de luz estructurados complejos con distribuciones diseñadas específicamente de intensidad, fase y polarización.

Los autores proporcionan un conjunto de funciones analíticas que permiten definir tales lentes, asegurando libertad en el diseño del perfil de la lente. Antes de fabricar estas lentes, se realizan simulaciones utilizando el método de Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (FDTD) para predecir su salida electromagnética, optimizando los diseños de las lentes para maximizar la eficiencia de recursos.

El trabajo también demuestra el modelado de los campos electromagnéticos generados por las lentes axicon a través de simulaciones. La verificación analítica relacionada con magnitudes conservativas, como el vector de Poynting y el flujo de quiralidad, también está incluida. Los resultados numéricos muestran representaciones 3D de estos campos y confirman la precisión de las lentes diseñadas.

En particular, se introduce la Ecuación 19 que describe la relación entre el flujo de quiralidad y el vector de Poynting. Esta ecuación es clave para demostrar la conservación de magnitudes en un sistema libre de fuentes, donde se puede asumir que el vector de Poynting es una fuente parcial del flujo de quiralidad. Esto es importante para validar las implementaciones numéricas, ya que el cumplimiento de esta relación asegura la precisión en la simulación del campo electromagnético generado por las lentes axicon. \[ \nabla \times \Omega(\mathbf{r}, t) = (\mathbf{E} \times \nabla) \times \mathbf{E}(\mathbf{r}, t) + (\mathbf{H} \times \nabla) \times \mathbf{H}(\mathbf{r}, t) \]

Además, las Ecuaciones 11, 12 y 13 ofrecen ejemplos analíticos de cómo esculpir la estructura de una lente para generar iluminación con quiralidad. Estas ecuaciones describen perfiles asimétricos y retorcidos de lentes axicon, permitiendo un control preciso sobre la distribución de la intensidad, fase y polarización del haz de luz generado, lo que es fundamental para aplicaciones avanzadas de manipulación óptica. \[ x(\theta, z) = \begin{cases} f_r(z) \cos(\theta) e^{-c\theta} + x_{\text{ref}} & \text{if } \theta < \theta_{\text{limit}} \\ f_r(z) \cos(\theta) e^{-c\theta_{\text{limit}}} + x_{\text{ref}} & \text{if } \theta \geq \theta_{\text{limit}} \end{cases} \] \[ y(\theta, z) = \begin{cases} f_r(z) \sin(\theta) e^{-c\theta} + y_{\text{ref}} & \text{if } \theta < \theta_{\text{limit}} \\ f_r(z) \sin(\theta) e^{-c\theta_{\text{limit}}} + y_{\text{ref}} & \text{if } \theta \geq \theta_{\text{limit}} \end{cases} \] \[ z(\theta, z) = \begin{cases} \sqrt{\theta z_{\text{jump}}^2} + z_{\text{ref}} & \text{if } \theta < \theta_{\text{limit}} \\ \sqrt{\theta_{\text{limit}} z_{\text{jump}}^2} + z_{\text{ref}} & \text{if } \theta \geq \theta_{\text{limit}} \end{cases} \]

Contribuciones Principales

• Introducción de funciones analíticas para diseñar lentes axicon con libertad en el diseño del perfil.
• Simulación de lentes axicon utilizando el método FDTD para predecir la salida electromagnética y optimizar los diseños.
• Verificación analítica de cantidades conservativas como el vector de Poynting y el flujo de quiralidad en las lentes modeladas.
• Demostración de la generación de haces de Bessel no difractivos para aplicaciones en el procesamiento óptico y de materiales.

Aspectos Clave

• Las lentes axicon proporcionan un enfoque con gran profundidad de campo y generan haces de Bessel no difractivos para varias aplicaciones.
• El estudio muestra la importancia de las simulaciones para optimizar los diseños de las lentes antes de su producción.
• El modelado analítico asegura la precisión y eficiencia de los diseños de lentes, validados a través de resultados numéricos.

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Modelado Numérico Completo en el Dominio del Tiempo para Simulaciones de Electromagnetismo No Lineal en Nanoestructuración Láser Ultrafast

Este artículo introduce un método totalmente explícito de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD) para modelar el electromagnetismo no lineal, centrándose en su aplicación a la nanoestructuración láser ultrarrápida. Aqui desarrollamos un algoritmo estable capaz de manejar fenómenos no lineales complejos como los efectos Kerr y Raman, la generación de plasma, y las interacciones de la luz en interfaces metal-dieléctrico. La precisión y estabilidad del algoritmo fueron probadas teóricamente, convirtiéndolo en una herramienta poderosa para simular interacciones láser-material a escala nanométrica.

Una de las contribuciones más significativas de este trabajo es el estudio detallado de la estabilidad numérica, en particular la identificación de condiciones de estabilidad que aseguran la convergencia. La investigación destaca cómo optimizar el marco para mantener la convergencia al tratar con efectos altamente no lineales en materiales nanoestructurados.

Los efectos no lineales considerados incluyen la ionización multiphotónica, la generación de plasma de electrones libres y la dispersión en metales. Además, este artículo también aborda las condiciones de estabilidad para el algoritmo FDTD. El Apéndice A del artículo proporciona una derivación detallada de los criterios de estabilidad de Von Neumann y el criterio de Routh-Hurwitz, asegurando la robustez del esquema numérico en varios escenarios no lineales.

Contribuciones Principales

• Desarrollo de un método FDTD completamente explícito capaz de manejar efectos electromagnéticos no lineales en la nanoestructuración láser ultrarrápida.
• Simulación precisa de fenómenos complejos como el efecto Kerr, el efecto Raman y la generación de plasma en interfaces metal-dieléctrico a escala nanométrica.
• Introducción de un algoritmo estable con pruebas teóricas de conservación de energía y estabilidad numérica.

Aspectos Clave

• La investigación establece marcos claros de estabilidad para simulaciones no lineales, asegurando la convergencia de los resultados bajo diversas condiciones físicas.
• El método modela eficientemente la generación de plasma de electrones libres y las no linealidades inducidas por el efecto Kerr en dieléctricos nanoestructurados.
• Este enfoque mejora significativamente la precisión de las simulaciones que involucran interacciones luz-materia, especialmente a escala nanométrica.

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Estudio comparativo de rejillas basadas en el sistema cristalino cúbico para la solución FDTD de la ecuación de ondas

Este artículo introduce un análisis comparativo de diferentes rejillas basadas en el sistema cristalino cúbico para la solución explícita de la ecuación de ondas mediante el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD). Las rejillas estudiadas incluyen el cubo simple (SC), el cubo centrado en el cuerpo (BCC), el cubo centrado en las caras (FCC) y el cubo de empaquetamiento compacto (CPC).

Una de las contribuciones más importantes de este trabajo es el estudio detallado de las condiciones de estabilidad numérica y la identificación de los marcos en los que las rejillas son más eficientes y precisas. Se pone un énfasis particular en cómo cada rejilla ofrece ventajas en términos de error de dispersión física y anisotropía relativa en función de las características del problema a resolver.

El artículo también aborda el estudio de la complejidad computacional, evaluando el costo asociado a la implementación de cada rejilla en términos de tiempo de simulación y carga computacional. Los resultados demuestran que la rejilla BCC, aunque compleja, ofrece el mejor compromiso entre precisión y costos computacionales para aplicaciones específicas.

Contribuciones Principales

• Desarrollo de un análisis comparativo exhaustivo de rejillas cúbicas (SC, BCC, FCC y CPC) para la solución de la ecuación de ondas mediante FDTD.
• Estudio detallado de la estabilidad numérica y las condiciones de convergencia, basándose en el análisis de la matriz Hessiana.
• Análisis del error de dispersión física mínima y la anisotropía relativa en las diferentes rejillas bajo el mismo número de puntos por longitud de onda.
• Evaluación del costo computacional asociado a cada rejilla, demostrando que la rejilla BCC ofrece un equilibrio óptimo entre precisión y eficiencia.

Aspectos Clave

• El trabajo establece marcos claros para elegir la rejilla adecuada según las características del problema, destacando la importancia del equilibrio entre precisión y costo computacional.
• La rejilla BCC mostró ser la más eficiente en cuanto a error de dispersión física bajo las mismas condiciones, superando incluso a la rejilla FCC en algunas situaciones específicas.
• La rejilla FCC sigue siendo la mejor opción en casos donde la anisotropía relativa debe mantenerse baja, mientras que la rejilla SC es preferida para problemas con una única dirección de propagación dominante.

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Estudio de la iluminación en un diodo MIM cuántico para el infrarrojo medio

Este artículo explora los efectos de la iluminación en diodos cuánticos de metal-aislante-metal (MIM) en el rango de infrarrojo medio, centrándose en la mejora de la corriente de túnel generada a través de técnicas de iluminación optimizadas. El estudio investiga el uso de un método de iluminación distribuida combinado con una configuración basada en el prisma de Kretschmann y Reather. Esta técnica extiende el evento de túnel cuántico a lo largo de toda la unión del diodo, aumentando significativamente tanto la corriente de túnel cuántico como la responsividad del diodo.

Una de las contribuciones más notables de este trabajo es la exploración de la estabilidad numérica y la optimización en la responsividad del diodo. La investigación destaca cómo la iluminación distribuida conduce a un campo eléctrico más uniforme en la unión, mejorando el proceso de rectificación cuántica en comparación con los métodos tradicionales. También se enfatiza el estudio de los efectos no lineales, particularmente en el contexto de cómo se mejora el túnel cuántico mediante la configuración de iluminación aplicada.

Además, este estudio examina el modelado computacional utilizando el método ADE-FDTD para resolver las ecuaciones de Maxwell incorporando el túnel cuántico. Este enfoque numérico ayuda a simular con precisión la interacción entre los campos electromagnéticos y el diodo MIM, proporcionando ideas sobre cómo los diferentes ángulos de iluminación y espesores de los metales afectan al rendimiento.

Contribuciones Principales

• Desarrollo de una nueva técnica de iluminación distribuida utilizando un prisma de Kretschmann y Reather para mejorar el túnel cuántico a través del diodo MIM.
• Mejora de la responsividad del diodo cuántico mediante el aumento de la uniformidad del campo eléctrico a lo largo de la unión.
• Uso del método ADE-FDTD para modelar la interacción de los campos electromagnéticos con la estructura MIM, mejorando la precisión de las simulaciones numéricas.

Aspectos Clave

• La iluminación distribuida aumenta significativamente la corriente recogida, con una responsividad de 0,24 A/W, aproximadamente 12 veces mayor que las técnicas anteriores.
• La configuración del prisma de Kretschmann facilita una mayor penetración del campo electromagnético en la unión MIM, lo que conduce a una rectificación cuántica más efectiva.
• La distribución uniforme del campo a lo largo de la unión del diodo mejora el rendimiento en comparación con las técnicas de iluminación focalizada convencionales.

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BCC-Grid versus SC-Grid en el modelado de una hoja de grafeno como condición de contorno superficial en el contexto de ADE-FDTD

Este artículo presenta un estudio comparativo entre la rejilla cúbica simple (SC-Grid) y la rejilla cúbica centrada en el cuerpo (BCC-Grid) para el modelado de una hoja de grafeno como condición de contorno superficial utilizando el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo con ecuaciones diferenciales auxiliares (ADE-FDTD). El estudio se centra en las contribuciones intrabanda e interbanda de la conductividad del grafeno, considerando al metal en contacto como un medio dispersivo.

Una de las contribuciones clave de este trabajo es el uso de la BCC-Grid, que evita discontinuidades en los componentes normales de los campos eléctrico y magnético en la superficie del grafeno, demostrando ser superior a la rejilla SC-Grid tradicional para estas aplicaciones. La BCC-Grid ofrece ventajas computacionales al reducir la complejidad manteniendo la precisión, especialmente en frecuencias de infrarrojo medio y lejano, donde los modelos volumétricos del grafeno se vuelven impracticables.

Contribuciones Principales

• Desarrollo de una condición de contorno superficial para el grafeno utilizando ADE-FDTD, incorporando tanto las contribuciones de conductividad intrabanda como interbanda.
• Introducción de la BCC-Grid, que garantiza la continuidad de los componentes de los campos eléctrico y magnético en la superficie del grafeno, mejorando el enfoque de la SC-Grid.
• Reducción significativa de la carga computacional con BCC-Grid, logrando la misma precisión que la SC-Grid con ocho veces menos puntos de rejilla.
• La capacidad de representar un objeto tridimensional como el grafeno mediante una condición de contorno matemática bidimensional es crucial para la eficiencia computacional y la precisión en la simulación. Este enfoque reduce los requisitos de procesamiento al evitar la necesidad de modelar el volumen completo, permitiendo simulaciones más rápidas y manejables.

Aspectos Clave

• La BCC-Grid elimina la necesidad de manejar discontinuidades en el campo eléctrico en la interfaz del grafeno, lo que representa un problema en la SC-Grid.
• El método permite la simulación precisa de las interacciones entre el grafeno y el metal, útil para una amplia gama de aplicaciones electrónicas y fotónicas.
• La eficiencia computacional ganada al usar BCC-Grid la hace ideal para simulaciones de alto rendimiento, reduciendo significativamente los requisitos de memoria y tiempo.
• La modelización del grafeno como una condición de contorno matematica bidimensional es fundamental para simular correctamente los fenómenos que ocurren en su superficie, al mismo tiempo que se evita la complejidad de un objeto tridimensional completo. Este enfoque mejora la precisión sin sacrificar la eficiencia de la simulación.

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Antenas fotoconductoras pulsadas para la emisión en el régimen de terahercios

Este artículo presenta un análisis detallado sobre el uso de antenas fotoconductoras pulsadas para emitir en el rango de terahercios (THz). Utilizando simulaciones con software comercial, el estudio aborda aspectos como la eficiencia, la geometría de las antenas y la distribución de dopaje del sustrato. Además, explora el papel clave de los efectos plasmónicos en el aumento de la absorción del láser en el semiconductor.

Los plasmones, que son colectividades de electrones sincronizados bajo la influencia de un campo electromagnético, permiten inyectar un campo electromagnético en estructuras más pequeñas que la longitud de onda, logrando una mayor eficiencia en la generación de corriente fotoconductora en las antenas fotoconductoras. Este fenómeno permite iluminar zonas de dispositivos que de otro modo no podrían ser alcanzadas.

Además, mediante una distribución de dopaje apropiada, se consigue que el transporte a través del semiconductor lo realicen principalmente los electrones, que tienen una movilidad mucho mayor que los huecos, lo que contribuye a una mayor eficiencia en los dispositivos. Este enfoque se aplica en los casos donde se logra la máxima eficiencia, permitiendo que los electrones sean los principales portadores de carga.

El efecto fotodember también es relevante y puede ser aprovechado en dispositivos verticales cuando la iluminación láser se aplica en la misma dirección que el flujo de corriente, es decir, en la misma dirección espacial. Esta alineación permite maximizar la generación de fotocorriente y mejorar la eficiencia general del dispositivo.

Contribuciones Principales

• Mejora de la absorción del láser en el semiconductor mediante el uso de nanoantenas plasmónicas, incrementando la generación de fotocorriente.
• Comparación entre antenas fotoconductoras verticales y planas, demostrando que las antenas verticales optimizadas logran mayor eficiencia gracias a la alineación de la corriente fotogenerada con el campo del láser.
• Incorporación de una estructura plasmónica tridimensional que maximiza la eficiencia en las frecuencias de terahercios, permitiendo una mayor resolución en aplicaciones a nanoescala.
• Optimización de la coincidencia de impedancia entre el semiconductor y la longitud de onda del láser, mejorando significativamente la generación de terahercios.

Aspectos Clave

• Los efectos plasmónicos permiten inyectar campos electromagnéticos en estructuras sub-longitud de onda, expandiendo las capacidades de las antenas fotoconductoras.
• Las antenas verticales superan a las planas en cuanto a eficiencia, especialmente cuando se combinan con estructuras plasmónicas tridimensionales y optimización de impedancia.
• Las simulaciones realizadas demuestran la importancia de la distribución de dopaje en el semiconductor y la alineación de la corriente con la dirección de iluminación del láser.

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Perforación súper eficiente de metales con haces láser ultrarrápidos no difractivos

Este artículo presenta un proceso de perforación altamente eficiente en materiales metálicos no transparentes, habilitado por el uso de haces láser ultrarrápidos no difractivos de tipo Bessel. Aplicado para la perforación profunda a través de una placa de acero de 200 μm de espesor, el haz Bessel demuestra ser dos veces más eficiente en comparación con un haz Gaussiano de fluencia y tamaño de punto similares. A pesar de que la ablación superficial ocurre con la misma eficiencia para ambos haces, el aumento en la eficiencia de perforación resulta de la autorreplicación y reconstrucción del haz a lo largo del eje, impulsada por reflexiones internas dentro del cráter en una incidencia casi rasante, eludiendo posibles obstáculos.

El mecanismo es consecuencia de una geometría de vectores de onda oblicuos con baja dispersión angular, lo que genera una longitud de propagación más allá del rango permitido por la proyección geométrica del canal. Con solo el lóbulo principal seleccionado por la entrada del canal, la reflexión en las paredes laterales determina el repliegue del lóbulo en el eje, mejorando y replicando el haz múltiples veces dentro del canal. Este proceso es asistido críticamente por la reducción del efecto de protección de partículas, facilitado por la capacidad de autocuración intrínseca del haz Bessel. Por lo tanto, el proceso de perforación se sostiene de una manera que es única en comparación con el haz Gaussiano convencional.

Contribuciones Principales

• Perforación súper eficiente de metales no transparentes utilizando haces Bessel no difractivos en comparación con haces Gaussianos.
• Demostración de la autorreplicación y reconstrucción del haz Bessel dentro del canal de perforación, aumentando su eficiencia en profundidad.
• Simulaciones basadas en el método de diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD) para cuantificar la propagación del haz y su interacción con obstáculos en el camino.

Aspectos Clave

• Los haces Bessel ofrecen una mayor eficiencia de perforación en aplicaciones de perforación profunda, superando las limitaciones de los haces Gaussianos en términos de dispersión y protección de partículas.
• La propiedad de autocuración del haz Bessel asegura una entrega continua de energía incluso en presencia de obstáculos, lo que contribuye a su rendimiento superior.
• El diseño geométrico del haz es clave para garantizar un mayor rendimiento en aplicaciones avanzadas de procesamiento láser.

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Implementación de Problemas de Frontera Abierta en Antenas Fotoconductoras Usando Capas Perfectamente Adaptadas Convolucionales

Este artículo presenta un método para simular un problema de frontera abierta utilizando el método de Diferencias Finitas en el Dominio del Tiempo (FDTD) en el contexto de la emisión de antenas fotoconductoras. Para lograrlo, la simulación emplea Capas Perfectamente Adaptadas Convolucionales (CPML). La región del semiconductor, donde se generan corrientes transitorias durante la simulación, se trata como un medio "activo", extendido virtualmente más allá de sus límites físicos o del dominio computacional.

El uso de CPML permite una simulación eficiente de los campos electromagnéticos transitorios dentro de los semiconductores, ayudando a evitar discontinuidades en el campo. Este enfoque es particularmente relevante para modelar características multiescala, presentes en la estructura y respuesta de la antena fotoconductora. El artículo también destaca cómo las densidades de corriente dentro de la región CPML se modelan utilizando ecuaciones de deriva-difusión, asegurando precisión incluso cuando el campo eléctrico varía espacialmente.

Además, una distribución de dopaje adecuada garantiza que la mayor parte del transporte en el semiconductor sea realizado por electrones, que tienen una movilidad mucho mayor que los huecos. Esta optimización es crucial para lograr una mayor eficiencia en los dispositivos. Al diseñar cuidadosamente el perfil de dopaje, los electrones se convierten en los principales portadores de carga, lo que mejora el rendimiento.

El efecto fotodember también es importante y puede aprovecharse en dispositivos verticales cuando la iluminación láser se aplica en la misma dirección que el flujo de corriente, maximizando la generación de fotocorriente y mejorando la eficiencia general del dispositivo.

Contribuciones Principales

• Desarrollo de un método para simular problemas de frontera abierta en antenas fotoconductoras utilizando CPML, mejorando la precisión de las simulaciones FDTD.
• Introducción de un enfoque de modelado multiescala que tiene en cuenta el comportamiento transitorio de la región del semiconductor, mejorando los resultados de la simulación.
• Validación del método de simulación comparando resultados entre dominios computacionales grandes y truncados, mostrando una salida precisa y confiable.
• Uso de modelos de deriva-difusión para la simulación de la densidad de corriente en la región CPML, manteniendo una solución estable para las variaciones del campo eléctrico.

Aspectos Clave

• El método CPML evita discontinuidades en el campo eléctrico y ayuda a simular con precisión fenómenos electromagnéticos transitorios en antenas fotoconductoras.
• A través de una cuidadosa distribución de dopaje, se maximiza la movilidad de los electrones, lo que lleva a dispositivos semiconductores más eficientes.
• El efecto fotodember se aprovecha eficazmente en dispositivos verticales donde la iluminación láser y el flujo de corriente están alineados, mejorando el rendimiento del dispositivo.

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Formulación del campo total y el campo disperso en una rejilla no uniforme mediante FDTD-DPW

Este artículo presenta la extensión de la técnica de ondas planas discretas en diferencias finitas en el dominio del tiempo (FDTD-DPW) a una malla no uniforme. Mediante el esquema de campo total/campo disperso, esta técnica permite la propagación de una onda plana de manera casi perfecta, aislada en el dominio del campo total sin reflexiones significativas en el dominio del campo disperso (con un margen de -300 dB). El método es aplicable a cualquier ángulo de propagación y relación de aspecto de la celda de la rejilla.

El uso de FDTD-DPW facilita la simulación de ondas planas en rejillas no uniformes, lo que lo hace adecuado para problemas electromagnéticos multiescala. A diferencia de la formulación estándar, esta técnica no requiere interpolación y mantiene la velocidad de fase entre la onda incidente unidimensional y la tridimensional generada, lo que elimina reflejos no físicos en la región de campo disperso.

Además, esta técnica permite la propagación de ondas de banda ancha o múltiples ondas planas en una malla no uniforme, sin necesidad de medios artificiales para corregir los errores de velocidad de fase. Aunque se introduce una pérdida de diferencia central y se compromete la exactitud de segundo orden, la reducción en la carga computacional compensa este efecto, y los resultados muestran una buena concordancia entre el campo incidente y el propagado.

Esta técnica se valida en dominios computacionales tanto uniformes como no uniformes, mostrando una reducción significativa en los requisitos computacionales y manteniendo la precisión suficiente para muchas aplicaciones prácticas de dominios multiescala.

Contribuciones Principales

• Extensión de la técnica FDTD-DPW desde mallas uniformes a mallas no uniformes para la propagación de ondas planas de banda ancha.
• Eliminación de la necesidad de interpolaciones al mantener la velocidad de fase de las ondas planas incidente y generada en mallas no uniformes.
• Reducción significativa de la carga computacional, especialmente en problemas multiescala donde se utiliza una malla no uniforme para capturar características detalladas en ciertas áreas del dominio computacional.
• Validación de la técnica en simulaciones que muestran buena precisión y aislamiento del campo disperso, incluso en mallas no uniformes.

Aspectos Clave

• El método FDTD-DPW evita reflexiones no físicas en el dominio de campo disperso al eliminar la necesidad de interpolaciones en la propagación de ondas planas.
• La técnica es aplicable a una amplia gama de problemas electromagnéticos, particularmente aquellos que presentan características multiescala.
• Aunque hay una ligera pérdida de precisión debido a la falta de diferencia central, la reducción de la carga computacional compensa este efecto en aplicaciones prácticas.

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Estudio numérico de esparcidores de calor de grafeno para un diodo cuántico THz basado en una unión G-MGIM

Este artículo presenta un estudio numérico sobre esparcidores de calor de grafeno para un receptor en el rango de terahercios (THz) basado en una unión metal-aislante-metal (MIM). El estudio explora cómo una capa superior de grafeno multilámina es capaz de eliminar el calor de una fina capa de metal donde impacta el láser, gracias a la alta conductividad térmica del grafeno. Este calor se transfiere a las almohadillas metálicas laterales del receptor, que funcionan como disipadores térmicos.

El uso de plasmones polaritones de superficie (SPP-TW) permite la propagación de ondas electromagnéticas en estructuras cuyo tamaño está por debajo del límite de difracción, introduciendo el campo electromagnético en la unión MIM y mejorando la responsividad del diodo.

Además, dos capas de grafeno, una sobre el contacto metálico superior y otra en la región donde se induce el SPP-TW, mejoran el rendimiento del dispositivo. El grafeno ayuda a aumentar la asimetría en la curva corriente-voltaje mediante un efecto Seebeck, que es inducido por las ondas SPP-TW.

Este trabajo también evalúa el comportamiento térmico de las capas de grafeno como esparcidores de calor y cómo afectan a la conductividad eléctrica del contacto metálico superior, siguiendo las leyes de Wiedemann-Franz y considerando la reducción en la conductividad debida al aumento de temperatura.

Contribuciones Principales

• Estudio numérico del uso de grafeno como esparcidor de calor en un receptor cuántico basado en una unión MIM.
• Mejora de la asimetría en la curva corriente-voltaje mediante un efecto Seebeck inducido por SPP-TW en la unión G-MGIM.
• Evaluación de la conductividad térmica y eléctrica del grafeno bajo contacto con aluminio, analizando la influencia de la temperatura en la conductividad.
• Simulación del proceso de disipación térmica en la unión MIM con capas de grafeno, demostrando una reducción significativa del calor en el contacto metálico superior.

Aspectos Clave

• El grafeno actúa como esparcidor de calor eficiente debido a su alta conductividad térmica, transfiriendo calor a las almohadillas metálicas laterales.
• Las capas de grafeno también contribuyen a mejorar el rendimiento eléctrico del diodo mediante el efecto Seebeck y SPP-TW.
• El uso de grafeno reduce la degradación térmica del contacto metálico superior, asegurando una mejor estabilidad en la operación del dispositivo cuántico.

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Observación in situ de la respuesta nano-sináptica de baja potencia en óxido de grafeno usando microscopía de fuerza atómica conductiva

Este artículo presenta una investigación sobre la respuesta sináptica de baja potencia en nanodispositivos basados en óxido de grafeno (GO) utilizando microscopía de fuerza atómica conductiva (CAFM). Se exploran las sinapsis electrónicas con tamaños confinados de <50 nm², demostrando una plasticidad sináptica a escalas nanométricas. Los dispositivos de nano-sinapsis de GO/metal muestran fenómenos como la potenciación, la facilitación por pulsos emparejados (PPF) y corrientes post-sinápticas excitatorias (EPSC), con niveles de corriente de escritura inferiores a 1 µA (≈3 µW de consumo de potencia).

La respuesta sináptica es posible debido al comportamiento resistivo (RS) en los dispositivos GO, donde se observan comportamientos volátiles y no volátiles dependiendo de las condiciones de tensión. A bajas corrientes, la RS volátil imita los fenómenos sinápticos como la potenciación a corto plazo (STP) y la facilitación por pulsos emparejados (PPF), mientras que a mayores corrientes se logran comportamientos no volátiles como la potenciación a largo plazo (LTP).

El uso de GO se justifica por su bajo coste de fabricación y su capacidad para mostrar fenómenos de conmutación resistiva en áreas muy pequeñas. La investigación destaca la posibilidad de fabricar sinapsis electrónicas de ultra alta densidad que cumplan los requisitos para sistemas neuromórficos con más de 1010 dispositivos/mm².

Contribuciones Principales

• Observación de fenómenos sinápticos en dispositivos GO/metal con áreas de <50 nm² mediante microscopía de fuerza atómica conductiva.
• Exploración de la plasticidad sináptica, como la potenciación, la PPF y las corrientes post-sinápticas excitatorias (EPSC) a niveles de corriente extremadamente bajos.
• Demostración de la conmutación resistiva volátil y no volátil, incluyendo la potenciación a largo plazo (LTP) en sinapsis electrónicas de baja potencia.
• Uso de óxido de grafeno para la fabricación de sinapsis electrónicas de bajo coste con una alta integración para redes neuronales artificiales (ANNs).

Aspectos Clave

• Las sinapsis basadas en GO muestran un comportamiento sináptico estable y controlable a bajos niveles de corriente, lo que resulta en un bajo consumo de potencia (≈3 µW).
• La respuesta sináptica observada incluye fenómenos similares a los de las sinapsis biológicas, como la PPF y la EPSC, en dispositivos GO/metal.
• La conmutación resistiva no depende de la formación de filamentos conductivos, lo que permite su implementación en sistemas neuromórficos de alta densidad.

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Temperatura de los Nanofilamentos Conductivos en Memristores Basados en Nitruro de Boro Hexagonal con Conmutación Resistiva por Umbral

Este artículo presenta un estudio sobre la temperatura de los nanofilamentos conductivos (CNFs) en memristores basados en nitruro de boro hexagonal (h-BN) que exhiben conmutación resistiva por umbral (RS). Los dispositivos, compuestos por estructuras de Ag/h-BN/Au, operan con un consumo de energía ultra-bajo y demuestran comportamientos de conmutación estables a diferentes niveles de corriente. A baja corriente (≈1 μA), la temperatura de los CNFs se mantiene baja (≈310 K), mientras que niveles de corriente más altos (≈200 μA) resultan en un comportamiento no volátil con temperaturas que superan los 500 K, suficientes para formar nanofilamentos conductivos estables.

El estudio destaca la relación entre la temperatura del CNF y el mecanismo de conmutación, con temperaturas más bajas que resultan en una conmutación volátil tipo umbral, y temperaturas más altas que forman CNFs no volátiles. Se enfatiza el papel de la alta conductividad térmica en el plano de h-BN y su estructura delgada como factores clave para lograr una conmutación resistiva estable a niveles de energía tan bajos.

La distribución de la temperatura a lo largo del CNF durante la conmutación se simula utilizando tanto modelos analíticos como solucionadores de ecuaciones de calor en 3D, mostrando una correlación estrecha entre los niveles de corriente y el aumento de temperatura. Este estudio proporciona información valiosa sobre la dinámica térmica dentro de los dispositivos memristores y los factores que permiten una operación confiable en conmutación resistiva por umbral.

Contribuciones Principales

• Análisis integral de las temperaturas de los CNFs en memristores Ag/h-BN/Au durante la conmutación resistiva por umbral y no volátil.
• Identificación del nivel crítico de corriente (≈200 μA) en el que el dispositivo pasa de un comportamiento volátil a uno no volátil debido al aumento de temperatura en el CNF.
• Simulaciones térmicas que demuestran el impacto de la corriente en la temperatura del CNF, revelando la importancia de la disipación de calor para mantener la fiabilidad del dispositivo.
• Exploración del papel de la alta conductividad térmica de h-BN para controlar la temperatura del CNF, asegurando una operación estable a bajas corrientes.

Aspectos Clave

• Temperaturas más bajas en el CNF (≈310 K) conducen a una conmutación resistiva por umbral, mientras que temperaturas más altas (≈500 K) resultan en un comportamiento no volátil.
• La conductividad térmica en el plano de h-BN ayuda a mantener niveles bajos de temperatura, crucial para una operación eficiente de los memristores con consumo ultra-bajo de energía.
• Los efectos térmicos influyen significativamente en la dinámica de conmutación y en la fiabilidad de los dispositivos memristores basados en materiales bidimensionales como h-BN.

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Modelos térmicos para la simulación de circuitos de memoria de acceso aleatorio resistiva

Este artículo presenta una extensa revisión de los modelos térmicos utilizados para la simulación de circuitos de memorias de acceso aleatorio resistivas (RRAM). El estudio enfatiza el papel esencial de la temperatura en los procesos de conmutación resistiva (RS), ya que la mayoría de los mecanismos de RS se activan térmicamente. La revisión destaca varios modelos numéricos basados en la ecuación de calor, incluidos modelos compactos simplificados para el diseño de circuitos y simulaciones físicas de dispositivos RRAM.

Un aspecto clave de este estudio es el análisis detallado de las diferentes geometrías de los filamentos conductores (CF), las pérdidas de calor laterales y el impacto de la temperatura en la operación de RS. El artículo también explora cómo los efectos térmicos pueden incorporarse en modelos generales de memristores, permitiendo simulaciones precisas a nivel de circuito.

Además, el estudio introduce el concepto de interferencia térmica en arquitecturas de rejilla cruzada, donde el calor generado por un dispositivo influye en sus vecinos. El documento también explora la influencia de los efectos cuánticos en el transporte de carga dependiente de la temperatura en RRAM.

Contribuciones Principales

• Revisión exhaustiva de los modelos térmicos en RRAM, enfatizando el papel de la ecuación de calor en los mecanismos de conmutación resistiva.
• Introducción de geometrías de filamentos conductores y su impacto en la temperatura del dispositivo, incluidas las formas cilíndricas y de cono truncado.
• Presentación de una solución numérica 3D para la ecuación de calor en el contexto de la simulación de circuitos RRAM, permitiendo un análisis térmico detallado.
• Análisis de la interferencia térmica en arquitecturas de rejilla cruzada y la inclusión de la temperatura como una variable de estado en modelos generales de memristores.

Aspectos Clave

• Los efectos térmicos son cruciales en la operación de RRAM, afectando tanto el comportamiento de conmutación resistiva como la fiabilidad del dispositivo.
• El estudio proporciona métodos para modelar la disipación térmica e integrar los efectos de calor en las simulaciones de circuitos para dispositivos RRAM.
• Se exploran los efectos cuánticos relacionados con la temperatura, proporcionando información sobre el modelado térmico del transporte de carga en RRAM.

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Haz Bessel No Difractivo para Plataforma de Escaneo Láser Ultrarrápido y Pulido de Pared Lateral en Piezas Fabricadas Aditivamente: Prueba de Concepto

Este artículo reporta el uso potencial de haces Bessel no difractivos para el procesamiento láser ultrarrápido en entornos de fabricación aditiva. Se muestra la integración del haz Bessel en una plataforma de escaneo de alta velocidad y la prueba de concepto para el pulido de las paredes laterales de piezas fabricadas aditivamente en acero inoxidable. El haz Bessel demuestra dos ventajas significativas: su longitud extendida no difractiva, que mejora la tolerancia de posicionamiento de la muestra, y su propiedad única de autorreconstrucción, que permite un acceso ininterrumpido del haz a pesar de las obstrucciones causadas por polvos metálicos en el entorno de fabricación aditiva.

El haz Bessel fue integrado en una plataforma de escáner Galvano, que mantuvo un perfil de haz estable en un campo de escaneo de 35 × 35 mm². La prueba de concepto demuestra la capacidad avanzada de esta plataforma al reducir significativamente la rugosidad superficial de la pared lateral de una pieza fabricada aditivamente, de Ra 10 µm a Ra 1 µm.

Contribuciones Principales

• Integración exitosa del haz Bessel no difractivo en una plataforma de escaneo de alta velocidad para el procesamiento láser ultrarrápido.
• Demostración de la propiedad de autorreconstrucción del haz Bessel bajo la obstrucción de polvos metálicos en el entorno de fabricación aditiva.
• Prueba de concepto del pulido de paredes laterales para piezas de acero inoxidable fabricadas mediante técnicas aditivas, logrando una mejora en la rugosidad superficial de Ra 10 µm a Ra 1 µm.

Aspectos Clave

• El haz Bessel proporciona una longitud extendida no difractiva, ofreciendo una tolerancia significativa para el posicionamiento de la muestra.
• La propiedad de autorreconstrucción del haz permite un procesamiento ininterrumpido a pesar de las obstrucciones comunes en la fabricación aditiva, como nubes de polvo metálico.
• La plataforma tiene un gran potencial para integrarse en sistemas híbridos de fabricación aditiva para procesos de pulido en línea.

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Modelo térmico cuántico vs clásico para memorias de acceso aleatorio resistivas

Este artículo proporciona un análisis detallado de los modelos térmicos cuántico y clásico aplicados a las memorias de acceso aleatorio resistivas (RRAM). Se enfatiza la complejidad computacional adicional y el tiempo requerido para el modelado de transporte térmico cuántico en las celdas de RRAM, pero se destacan las diferencias significativas en los resultados entre los enfoques cuántico y clásico. El modelo cuántico presenta predicciones más precisas, particularmente para las propiedades del filamento conductor (CF) durante la conmutación resistiva, que los modelos clásicos no logran capturar con precisión.

El estudio introduce una metodología que combina los resultados de simulaciones con datos experimentales para caracterizar los filamentos conductivos en celdas RRAM nanométricas. El enfoque principal se centra en las diferencias de temperatura máxima de los filamentos entre los modelos cuántico y clásico y cómo estas influyen en el rendimiento general de los dispositivos RRAM.

El análisis revela que el enfoque cuántico lleva a predicciones significativamente más bajas de temperatura en los filamentos conductores durante los procesos de conmutación, lo que afecta la longevidad y la eficiencia del dispositivo. Estos hallazgos son cruciales para mejorar el diseño de las RRAM utilizadas en las tecnologías de memoria modernas y en aplicaciones de inteligencia artificial, donde la eficiencia energética es fundamental.

Contribuciones Principales

• Comparación exhaustiva entre los modelos térmicos cuántico y clásico para dispositivos RRAM, destacando las ventajas del modelado cuántico.
• Introducción de un sistema multipropósito para el modelado de celdas RRAM, combinando propiedades eléctricas y térmicas para optimizar el rendimiento del dispositivo.
• Predicción precisa de las propiedades del filamento conductor, incluido el perfil de temperatura y su efecto en el comportamiento de conmutación resistiva.
• Aplicación de los efectos de túnel cuántico y su impacto en el transporte térmico dentro de la celda RRAM.

Aspectos Clave

• El modelo térmico cuántico proporciona predicciones más precisas de la temperatura del filamento, lo que mejora la fiabilidad y eficiencia del dispositivo.
• Los modelos clásicos subestiman los efectos térmicos en los dispositivos RRAM, particularmente en los filamentos conductores a escala nanométrica.
• El efecto túnel cuántico juega un papel crucial en la determinación de las propiedades térmicas y eléctricas de las celdas RRAM, especialmente durante los ciclos de conmutación.

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Modelado Térmico Compacto y Análisis de Conmutación Resistiva en Memristores Basados en Óxido de Titanio

Este artículo presenta un estudio exhaustivo sobre el modelado térmico compacto y el comportamiento de conmutación resistiva en memristores basados en óxido de titanio. Estos memristores, que son componentes clave en dispositivos de memoria no volátil de próxima generación, dependen de la formación y ruptura de nanofilamentos conductores (CNFs) dentro de la capa de TiO₂. El estudio explora las respuestas eléctricas y térmicas de dispositivos de pila Au/Ti/TiO₂/Au, empleando tanto datos experimentales como simulaciones numéricas para comprender mejor cómo se comportan los CNFs bajo diversas condiciones.

Una de las características clave de este trabajo es la integración de la microscopía térmica de barrido (SThM), una técnica altamente sensible que permite la localización precisa de puntos calientes de temperatura en la superficie del memristor. Esto proporciona datos térmicos en tiempo real, lo cual es crucial para entender la relación entre la generación de calor y la conmutación resistiva. Además, el estudio utiliza simulaciones de COMSOL Multiphysics para modelar el comportamiento térmico y eléctrico de los dispositivos, ofreciendo información valiosa sobre la distribución del calor dentro de las nanoestructuras.

Los valores de resistencia térmica extraídos de estos resultados experimentales y simulados se integran en modelos compactos, que se utilizan para mejorar la precisión de las simulaciones de circuitos. Estos modelos compactos permiten la simulación eficiente de matrices de memristores a gran escala, proporcionando a los ingenieros mejores herramientas para diseñar sistemas de memoria de bajo consumo y alta eficiencia.

Contribuciones Principales

• Desarrollo de modelos térmicos compactos que incorporan datos de resistencia térmica experimentales y simulados para mejorar las simulaciones de circuitos en dispositivos de memristores.
• Uso de la microscopía térmica de barrido (SThM) para mapear las variaciones de temperatura en la superficie del dispositivo y correlacionarlas con el comportamiento eléctrico durante los eventos de conmutación resistiva.
• Análisis de los mecanismos de conmutación resistiva y su variabilidad mediante la aplicación de diferentes métodos numéricos a las curvas corriente-voltaje (I-V), ayudando a comprender mejor la fiabilidad y el rendimiento del dispositivo bajo diferentes condiciones de operación.

Aspectos Clave

• El comportamiento térmico es un factor crucial en el mecanismo de conmutación resistiva de los memristores, ya que el calor influye en la formación y ruptura de los nanofilamentos conductores.
• La combinación de datos térmicos y eléctricos precisos conduce a mejores modelos compactos, que son esenciales para optimizar el rendimiento de los circuitos basados en memristores en aplicaciones del mundo real.
• Los hallazgos de este estudio son fundamentales para el futuro desarrollo de dispositivos de memoria de bajo consumo y alto rendimiento, con aplicaciones potenciales en inteligencia artificial y tecnologías de almacenamiento de datos.

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Estudio térmico de memorias resistivas de acceso aleatorio multicapa basadas en óxidos de HfO2 y Al2O3

Este artículo presenta un estudio térmico exhaustivo de memorias resistivas de acceso aleatorio (RRAM) multicapa compuestas por capas de óxidos de HfO2 y Al2O3. El estudio incluye tanto la simulación como la caracterización experimental de estos dispositivos. Utilizando un solucionador de ecuaciones de calor en 3D creado por el autor de esta web, el artículo analiza los efectos térmicos y el comportamiento de los filamentos conductivos (CF) durante el proceso de cambio resistivo en dispositivos con diferentes configuraciones de capas de óxidos y electrodos de Ni y Si-n+.

Según las simulaciones, la sección más estrecha del CF se forma consistentemente en la capa de HfO2, independientemente del orden de las capas. Este resultado se atribuye al mayor flujo de calor en Al2O3 en comparación con HfO2, lo que determina el comportamiento térmico y el funcionamiento general del cambio resistivo. La transferencia de calor desde el CF hacia los electrodos y el óxido circundante se analiza en detalle, mostrando que el flujo de calor lateral desde el CF hacia el dieléctrico circundante es significativo.

Los resultados sugieren que, en los dispositivos con una capa de HfO2, se alcanzan temperaturas más altas en las regiones alrededor de la parte estrecha del CF, lo que reduce el voltaje de reinicio. En cambio, los dispositivos con una capa dieléctrica compuesta solo por Al2O3 requieren voltajes de reinicio más altos debido a la mayor conductividad térmica de Al2O3, que disipa el calor de manera más eficiente.

El estudio enfatiza la importancia de considerar tanto los flujos de calor laterales como verticales en los dispositivos RRAM, ya que estos efectos térmicos influyen directamente en las características del cambio resistivo. Los autores también destacan la necesidad de incluir resistencias térmicas relacionadas con el flujo de calor lateral en los modelos compactos de RRAM para realizar simulaciones precisas.

Contribuciones Principales

• Análisis numérico y experimental de los efectos térmicos en RRAM basados en HfO2 y Al2O3 durante el cambio resistivo.
• Identificación del papel de la capa de HfO2 en la formación de la sección estrecha del filamento conductivo, independientemente del orden de las capas.
• Estudio detallado del flujo de calor desde el CF hacia el dieléctrico circundante y los electrodos, enfatizando el componente del flujo de calor lateral.
• Simulación de las distribuciones de temperatura en dispositivos RRAM, demostrando que los dispositivos con dieléctricos únicamente de Al2O3 requieren voltajes de reinicio más altos debido a una mejor disipación del calor.

Aspectos Clave

• Los efectos térmicos juegan un papel crucial en el comportamiento del cambio resistivo de los dispositivos RRAM, particularmente en la formación y ruptura de los filamentos conductivos.
• El flujo de calor lateral desde el filamento conductivo hacia el dieléctrico circundante es significativo y debe ser considerado en los modelos térmicos de RRAM.
• Los dispositivos con capas de HfO2 muestran temperaturas más altas alrededor del filamento conductivo, lo que reduce el voltaje de reinicio en comparación con los dispositivos con dieléctricos solo de Al2O3.

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