基于CMOS工艺的太赫兹探测器

提出了一种新型多频太赫磁探测器电路结构,采用圆形、菱形以及环形天线嵌套式构成多频探测单元,四个探测器相互之间设计保护层包围隔离,防止外部电路对其影响.在高频结构仿真器(HFSS)下对设计的双环差分天线、单环差分天线、圆形开槽天线和菱形天线进行模型与特性参数仿真优化.基于TSMC CMOS 0.18 μm工艺制备了多频太赫兹探测器芯片,该芯片能实现280,290,320,600和806 GHz多频段探测功能.测试结果表明,双环天线结构、圆形开槽天线结构、菱形天线结构和单环差分天线结构的探测器在阈值电压为0.42 V时,最佳响应度分别为366.6,1 286.6,366.3和701.2 V/W,最小噪声等效功率分别为0.578,0.211,0.594和0.261 nW/√Hz.     

采用CMOS太赫兹波探测器的成像系统

太赫兹波成像技术在生物医疗和安全检测等领域具有广阔的应用前景。针对新一代信息技术对便携式太赫兹波成像设备的需求，设计了基于CMOS太赫兹波探测器的成像系统。该系统包括一款CMOS太赫兹波探测器、片外模数转换器（ADC）、FPGA数字信号处理器、二位步进机、四个抛物面镜和太赫兹波辐射源等。CMOS太赫兹波探测器集成了片上贴片天线以及作为检波元件的NMOS晶体管，探测器由180 nm标准CMOS工艺制成。太赫兹波探测器的输出被片外模数转换器（ADC）采集并转换为数字信号，该数字信号被FPGA采集并传输到电脑上成像。所有上述元件均被装备在印刷线路板（PCB）上以减小系统体积。该系统实现了透射式太赫兹波扫描成像而无需斩波-锁相技术，并给出在860 GHz的太赫兹波照射下隐藏在信封内部金属的成像结果。     

基于THz QCL 和THz QWP 的数字通信演示系统

随着无线通信速率需求的增加和材料生长、器件工艺制作水平的提高,太赫兹（THz）通信已成为未来高速无线通信系统发展的一个重要方向。介绍了太赫兹通信的特点以及国际上太赫兹通信系统的发展现状,并报导了一种利用太赫兹量子级联激光器（THz QCL）作为发射源,太赫兹量子阱探测器（THz QWP）作为接收器的太赫兹数字通信演示系统。该系统采用On-Off-Key（OOK）调制和直接强度检测方式,通信频点为3.9 THz,通信距离为2.2 m,传输速率可达1 Mbps 以上。最后探讨了该系统的带宽限制因素及其在通信速率方面的潜力。     

基于CMOS工艺的150 GHz正交外差探测器电路设计

传统太赫兹探测器仅能获取信号幅值信息,为此提出一种正交外差混频结构,可同时获得信号的幅值、相位和极化信息,有效提升探测器的灵敏度和信息量。该探测器基于40 nm互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺,在传统吉尔伯特双平衡混频结构的开关级与跨导级之间串联电感,输出级联cascode中频放大器,进一步提高探测器响应电压。经过仿真优化,该探测器在 -50 dBm射频功率,0 dBm本振功率条件下,1 GHz中频信号的电压响应度为1 100 kV/W,噪声等效功率为26.8 fW/Hz^1/2,输出波形显示了良好的正交性。同时,设计了一个1∶8层叠式功分器用于分配本振功率,在150 GHz频率处,该功分器的插入损耗约为5 dB,四路差分输出信号的幅值差为0.8~1.2 dB,相位差为0.4°~1.7°。     

标准CMOS工艺下Si光电探测器的模拟与设计

设计了与标准CMOS工艺兼容的硅双光电探测器,并从理论上计算和分析了其绝对光谱响应.0.5μm CMOS工艺条件数值模拟结果显示,在无抗反射膜情况下该探测器在400～900nm波长范围内响应度都在0.2A/W以上,尤其是在短波长处效果比一般的探测器要好.还就反向偏压以及CMOS工艺中介质与钝化层等因素对探测器响应度的影响进行了讨论.     

太赫兹量子阱探测器研究进展

太赫兹量子阱探测器具有皮秒级的响应时间和1 GHz以上的高速调制性能,是太赫兹快速成像和高速无线通信应用领域非常有前景的探测器.文章综述了太赫兹量子阱探测器的探测原理和设计方法、器件主要性能指标和基于该探测器的应用技术研究进展.研究表明,基于太赫兹量子阱探测器的快速成像系统可以获得物体的细节信息,有望用于安全检查和无损...     

一种基于CMOS的高集成度太赫兹近场传感器

为了解决太赫兹波段近场传感器分辨率低和成本高的问题,提出了一种高图像分辨率、高集成度的传感器设计方案.该330 GHz传感器基于55 nm互补金属氧化物半导体（complementary metal oxide semiconductor,CMOS）工艺仿真实现,由330~336 GHz调谐范围的单端输出环形振荡器、宽带谐振器和功率探测器在单一硅片下集成.仿真结果表明,环形振荡器在偏置电压为2 V时达到峰值输出功率0.9 dBm@330 GHz,即1.23 mW.根据振荡器调谐范围,设计了一个宽带谐振器用于对待测物进行近场感测,通过放置不同介电常数的物体于其顶端表面,再通过探测器读出输出电压,与未放置物体时探测器的输出电压的差值即为该传感器的响应.此单片集成的传感器可以在单片上实现太赫兹照明、探测、传感以及成像功能,在未来太赫兹近场成像领域有较强的应用潜力.     

CMOS探测器

芯片上的处理技术和新的快门技术增加了高速成像的机会。     

场效应晶体管太赫兹探测器在太赫兹成像领域的研究进展(上)

太赫兹(Terahertz, THz)波具有能量低、穿透性强、分辨率高等特性,因而THz成像技术在安全检测、医学诊断、无损探伤等领域具有广阔的应用前景。THz探测器作为THz成像系统的重要组成部分,其性能对成像分辨率、成像速度等有重要影响。由于具备可室温工作、易大面积集成、响应速度快等特性,场效应晶体管(Field Effect Transistor, FET) THz探测器在成像应用中潜力巨大。综述了近年来FET THz探测器在THz成像领域的研究进展(包括成像阵列、材料选择等方面),分析了设计和制造中存在的问题;指出天线和像素间距是限制大规模阵列化的重要因素,并在此基础上对未来的研究方向进行了展望;指出新的材料和结构设计将进一步改善器件性能,从而实现更快速、更清晰的THz成像。     

基于CMOS工艺的太赫兹振荡器

在太赫兹频段,无源器件电容电感的品质因数低、电路的寄生参数以及MOS管的截止频率影响使太赫兹振荡器电路难以实现高功率输出。提出一种300 GHz可调谐振荡器,首先,采用改进的交叉耦合双推(Push-Push)振荡器结构,通过输出功率叠加的方法输出二次谐波300 GHz信号,增加了振荡器的输出功率并突破了MOS管截止频率,并通过增加栅极互连电感增加输出功率。其次,太赫兹振荡器摒弃传统片上可变电容调谐的方式,通过调节MOS管衬底电压改变MOS管的栅极寄生电容实现频率调谐,避免太赫兹频段引入低Q值电容,进一步增加了输出功率。提出的太赫兹振荡器采用台积电40 nm CMOS工艺,基波工作频率为154.5 GHz,输出二次谐波为 309.0 GHz,输出功率可达-3.0 dBm,相位噪声为-79.5 dBc/Hz@1 MHz,功耗为28.6 mW,频率调谐范围为303.5~315.4 GHz。     

Exploration of high-speed 3.0 THz imaging with a 65 nm CMOS process

This paper describes a promising route for the exploration and development of 3.0 THz sensing and imaging with FET-based power detectors in a standard 65 nm CMOS process. Based on the plasma-wave theory proposed by Dyakonov and Shur, we designed high-responsivity and low-noise multiple detectors for monitoring a pulse-mode 3.0 THz quantum cascade laser(QCL). Furthermore, we present a fully integrated high-speed 32 × 32-pixel 3.0 THz CMOS image sensor(CIS). The full CIS measures 2.81 × 5.39 mm     

基于CMOS工艺的双层非制冷热敏电阻型红外探测器

采用0.5μm标准CMOS工艺和微机械加工工艺,设计并制作了低成本双层非制冷热敏电阻型红外探测器。探测器采用隐藏桥腿式微桥结构,使用表面牺牲层技术实现,其中包括Al、W和Si3种牺牲层材料。CMOS工艺加工完成后,双层微桥结构的微机械加工过程只需进行湿法腐蚀即可,成本较低。对双层红外探测器的热性能和光电特性进行测试,其热导为1.96×10-5 W/K,热容为2.23×10-8 J/K,热时间常数为1.14ms。当红外辐射调制频率为10Hz时,双层红外探测器的电压响应率为2.54×104 V/W,探测率为1.6×108 cm·Hz1/2/W。     

基于CMOS的高响应度太赫兹探测器线阵

本文提出了一种基于CMOS 0.18μm工艺的改进型高响应度太赫兹探测器线阵,各探测像素单元由高增益片上天线、高耦合度差分自混频功率探测电路和集成电压放大器组成。其中,差分探测电路利用源极差分驱动场效应管的交叉耦合电容,将太赫兹差分信号耦合至场效应管的栅极与源极,增强场效应管沟道内自混频太赫兹信号的强度,实现高响应度。其次,该探测器配备高增益片上环形差分天线与集成电压放大器,可有效放大混频后的信号,进而提高系统信噪比,最终达到增强探测器响应度的目的。探测器1×3线阵系统充分利用CMOS工艺多层结构的特点,将电压放大器布置在天线地平面下方,提高了芯片面积的利用率,有效降低了制作成本,整个系统的面积为0.5 mm²。测试结果表明,当场效应管的栅极偏置为0.42 V时,该探测系统对0.3 THz辐射信号的电压响应度(Rv)最大可达到43.8 kV/W,对应的最小噪声等效功率(NEP)为20.5 pW/Hz^1/2。动态测试结果显示该探测器可对不同材质的隔挡物进行区分。     

HEMT太赫兹探测器的二维电子气特性分析

采用分子束外延技术(MBE)对GaAs/Al_xGa_(1-x)As二维电子气(2DEG)样品进行了制备,样品制备过程中,通过改变Al的组分含量、隔离层厚度、对比体掺杂与δ掺杂两种方式,在300 K条件下对制备的样品进行了霍尔测试,获得了室温迁移率7.205E3cm~2/Vs,载流子浓度为1.787E12/cm~3的GaAs/Al_xGa_(1-x)As二维电子气沟道结构,并采用Mathematica软件分别计算了不同沟道宽度时300 K、77 K温度下GaAs基HEMT结构的太赫兹探测响应率,为HEMT场效应管太赫兹探测器的研究和制备提供了参考依据.     

用于太赫兹成像的CMOS肖特基二极管三维结构

提出了一种简单、科学、有效的高截止频率肖特基势垒二极管设计方法。通过SMIC 180 nm工艺制备的肖特基二极管的截止频率为800 GHz,分析测试结果和仿真数据优化后的肖特基势垒二极管截止频率可以达到1 THz左右。完成了包括天线、匹配电路和肖特基势垒二极管的集成探测器,在220 GHz下其测试响应率可达130 V/W,等效噪声功率估计为400 pw/。完成了陶瓷瓶内不可见液面的成像实验并取得了良好的效果。     

一种65nm CMOS工艺的6-bit时间交替ADC设计

描述了一种改进计时的基于65nm CMOS工艺的6位流水线模数转换器（ADC）实例。采用4个通道均由一个标有刻度的全动态流水线式二分查找 (PLBS)架构,并在折叠前端采用基于25%工作周期的计时同步方案,可将ADC转换率提高至3 GS/s,其功率损耗为4.1 mW。ADC实测结果,在低输入频率条件下测得的无杂散动态范围(SFDR)和信噪失真比（SNDR）分别为44.1和31.2 dB。与类似高速ADC相比,该设计将PLBS架构的速度提高了60%,同时也提高了ADC的功率效率。模数转换器原型核心电路面积为250 × 120 μm2。     

采用CMOS工艺的W波段相控阵收发机设计

W波段（75~110 GHz）拥有大可用带宽、低大气损耗、短波长以及在多尘和多雾条件下工作的能力,因此具有巨大的应用潜力,涵盖从通信、传感、成像到短程高速数据通信的多个领域。因此,W波段收发机的研究和应用受到了越来越多的关注。本文提出了基于耦合线的收发开关、移相器和衰减器,旨在对应用于W波段的CMOS毫米波相控阵收发机芯片中重要模块和关键技术予以研究。其中,收发开关在复用为功率放大器的输出匹配网络和低噪声放大器的输入匹配网络的同时有效降低了插入损耗,移相器和衰减器实现了极高的分辨率。以上3个关键模块的实现原理和电路设计均在文中进行了详细的阐述,并通过了流片验证。仿真结果和测试结果说明了采用CMOS工艺制造W波段相控阵芯片的可实现性。     

一种65 nm CMOS 60 GHz高增益功率放大器

设计了一种基于65 nm CMOS工艺的60 GHz功率放大器。采用共源共栅结构与电容中和共源级结构相结合的方式来提高功率放大器的增益,并采用两路差分结构来提高输出功率。采用片上变压器作为输入/输出匹配及级间匹配,以减小芯片的面积,从而降低成本。采用Cadence、ADS和Momentum等软件进行联合仿真。后仿真结果表明,在工作频段为60 GHz时,最大小信号增益为26 dB,最大功率附加效率为18.6%,饱和输出功率为15.2 dBm。该功率放大器具有高增益、高效率、低成本等优点。     

基于标准CMOS工艺用于非制冷红外探测器的低成本红外吸收结构

This paper introduces a low-cost infrared absorbing structure for an uncooled infrared detector in a standard 0.5 m CMOS technology and post-CMOS process. The infrared absorbing structure can be created by etching the surface sacrificial layer after the CMOS fabrication, without any additional lithography and deposition procedures. An uncooled infrared microbolometer is fabricated with the proposed infrared absorbing structure.The microbolometer has a size of 6565 m2and a fill factor of 37.8%. The thermal conductance of the microbolometer is calculated as 1.3310 5W/K from the measured response to different heating currents. The fabricated microbolometer is irradiated by an infrared laser, which is modulated by a mechanical chopper in a frequency range of 10–800 Hz. Measurements show that the thermal time constant is 0.995 ms and the thermal mass is 1.3210 8J/K. The responsivity of the microbolometer is about 3.03104V/W at 10 Hz and the calculated detectivity is 1.4108cm Hz1=2/W.     

A toroidal inductor integrated in a standard CMOS process

This paper presents a toroidal inductor integrated in a standard 0.13 μm CMOS process. Finite-elements preliminary simulations are provided to prove the validity of the concept. In order to extract fundamental parameters by means of direct calculations, two different and well-known approaches are followed and the results are compared; this comparison provides useful guidelines for the design of the device. A very simple Π model for low frequencies is derived from 1-port and 2-port measurements, and a good matching with general theory is observed. The coil exhibits an inductance between 0.9 nH and 1.1 nH up to 20 GHz (physical limit for the measurement equipment) and a quality factor approaching 10 at 15 GHz. No self-resonance is observed within the measurement range.