基于Ritz-Galerkin方法的太赫兹二极管检波器非线性分析

肖特基二极管检波器是太赫兹ASK/OOK通信系统的关键器件之一, 为了更好地分析肖特基二极管检波器的非线性特性, 从检波器的电路模型出发, 基于Ritz-Galerkin方法, 建立了检波器非线性特性的理论分析模型。并利用模型对检波器输出信号强度和灵敏度作了理论预测, 表明该理论模型能够精确预测检波器的非线性特性。最后利用该理论模型研究了输入信号强度、负载阻抗和外界温度对0.34 THz肖特基二极管检波器非线性特性的影响。结果表明随着功率的增加, 检波器由平方率区渐变至线性区只在特定条件下才成立, 在实际条件下很容易出现高阶效应。     

基于Ritz-Galerkin方法的太赫兹二极管检波器非线性分析

肖特基二极管检波器是太赫兹ASK/OOK通信系统的关键器件之一, 为了更好地分析肖特基二极管检波器的非线性特性, 从检波器的电路模型出发, 基于Ritz-Galerkin方法, 建立了检波器非线性特性的理论分析模型。并利用模型对检波器输出信号强度和灵敏度作了理论预测, 表明该理论模型能够精确预测检波器的非线性特性。最后利用该理论模型研究了输入信号强度、负载阻抗和外界温度对0.34 THz肖特基二极管检波器非线性特性的影响。结果表明随着功率的增加, 检波器由平方率区渐变至线性区只在特定条件下才成立, 在实际条件下很容易出现高阶效应。     

不同封装方式对肖特基二极管高频性能的影响

肖特基二极管是太赫兹接收机的关键器件,通过在高频下对不同封装形式的肖特基二极管进行建模仿真,研究不同封装方式对肖特基二极管性能的影响。首先通过建立肖特基二极管的仿真模型,在高频结构仿真软件HFSS中对肖特基二极管在0~120GHz频段进行仿真,得到该肖特基二极管的S参数,并对S参数仿真结果和实测结果进行对比,证明了该二极管模型的准确性。然后分别建立肖特基二极管的普通封装模型和肖特基二极管的倒装芯片(flip-chip)封装模型,并对这两种封装模型进行仿真,得到其在两种不同封装结构下的S参数,进而对两种不同封装方式的S参数的-3dB带宽以及相位一致性进行对比分析。最终,对应用于太赫兹波段的肖特基二极管由于封装不同而带来的带宽以及相位的区别及其成因进行分析,论证了flipchip封装更适合应用于太赫兹波段的肖特基二极管,与普通封装相比,该封装在高频下对肖特基二极管的电性能有比较大的改进。     

不同封装方式对肖特基二极管高频性能的影响

肖特基二极管是太赫兹接收机的关键器件,通过在高频下对不同封装形式的肖特基二极管进行建模仿真,研究不同封装方式对肖特基二极管性能的影响。首先通过建立肖特基二极管的仿真模型,在高频结构仿真软件HFSS中对肖特基二极管在0~120 GHz频段进行仿真,得到该肖特基二极管的S参数,并对S参数仿真结果和实测结果进行对比,证明了该二极管模型的准确性。然后分别建立肖特基二极管的普通封装模型和肖特基二极管的倒装芯片(flip-chip)封装模型,并对这两种封装模型进行仿真,得到其在两种不同封装结构下的S参数,进而对两种不同封装方式的S参数的-3 dB带宽以及相位一致性进行对比分析。最终,对应用于太赫兹波段的肖特基二极管由于封装不同而带来的带宽以及相位的区别及其成因进行分析,论证了flip-chip封装更适合应用于太赫兹波段的肖特基二极管,与普通封装相比,该封装在高频下对肖特基二极管的电性能有比较大的改进。     

太赫兹硅雪崩渡越时间二极管低温特性研究

本文给出了准确描述硅雪崩渡越时间二极管工作特性的大信号仿真模型,研究了影响硅雪崩越时间(IMPATY,Impact Avalanche Transit Time)二极管工作状态的离化率和饱和漂移速度,考虑Si-IMPATT二极管热限制的条件下,计算了二极管的最大工作电流.通过大信号仿真分析,我们得到如下结果:(1)随着温度的降低,二极管输出功率提高;(2)随着温度的降低,二极管工作频率向高端偏移,本文还建立了液氮制冷环境下IMPATT振荡器的测试系统,与常温工作相比,77K低温环境下IMPATT二极管的输出功率提高了47.8%,频率也向高端偏移了6.3%,实验结果与仿真预测一致.     

基于四波混频效应的窄带太赫兹波源

采用频率差在太赫兹范围的双波长激光器进行泵浦,利用光纤的四波混频效应,得到结构紧凑、频率可调的窄带太赫兹波源。为减小光纤材料对太赫兹波的吸收,采用了表面发射机制。从耦合波理论出发,详细分析了保偏光纤中的四波混频过程,得到了太赫兹波输出功率的解析表达式,并讨论了实现相位匹配的条件。结果表明,太赫兹波功率与泵浦光功率和光纤长度成正比,与太赫兹波长的3次方成反比。当泵浦光峰值功率为1 kW,在6 THz处得到的太赫兹波峰值功率达350 mW,功率转换效率约为0.01%。通过合理设置泵浦波长,可以实现太赫兹辐射在3～8 THz 范围内连续调谐。该方案提供了一种新型的高功率、紧凑型的窄带太赫兹辐射源。     

基于四波混频效应的窄带太赫兹波源

采用频率差在太赫兹范围的双波长激光器进行泵浦,利用光纤的四波混频效应,得到结构紧凑、频率可调的窄带太赫兹波源。为减小光纤材料对太赫兹波的吸收,采用了表面发射机制。从耦合波理论出发,详细分析了保偏光纤中的四波混频过程,得到了太赫兹波输出功率的解析表达式,并讨论了实现相位匹配的条件。结果表明,太赫兹波功率与泵浦光功率和光纤长度成正比,与太赫兹波长的3次方成反比。当泵浦光峰值功率为1 kW,在6 THz处得到的太赫兹波峰值功率达350 mW,功率转换效率约为0.01%。通过合理设置泵浦波长,可以实现太赫兹辐射在3~8 THz范围内连续调谐。该方案提供了一种新型的高功率、紧凑型的窄带太赫兹辐射源。     

基于CSMRC结构和容性肖特基二极管的220GHz三倍频器

设计了基于容性肖特基二极管的220 GHz非平衡三倍频器。首先对容性肖特基二极管进行测试和关键参数提取,建立了肖特基二极管的等效电路模型,以此为基础进行三倍频电路设计;在倍频电路设计中通过引入紧凑悬置微带谐振单元(CSMRC)滤波结构来减小信号传输损耗;由于三倍频电路设计中难以实现全波阻抗匹配,因此采用了整体电路结构谐波平衡调匹配方法设计倍频电路,最后对制备出的倍频器进行测试和分析;实验测试结果表明：倍频器在213.1~221.6 GHz范围内输出功率大于10 mW,倍频效率大于5%,最高输出功率为18.7 mW@218.6 GHz,最高倍频效率为8.24%@217.9 GHz。     

图案化石墨烯/氮化镓复合超表面对太赫兹波在狄拉克点的动态多维调制

提出一种基于图案化石墨烯/氮化镓肖特基二极管与类电磁诱导透明超表面集成的新型太赫兹调制器.通过施加连续激光或偏置电压改变异质结肖特基势垒,进而致使石墨烯的费米能级在价带、狄拉克点与导带之间移动,使得异质结的电导率发生变化.在太赫兹时域光谱上表现出透射振幅的增减变化,并观察到在狄拉克点上的调制行为.因费米能级接近狄拉克点,对外加光电激励非常敏感,施加4.9—162.4 m W/cm~2的光功率或者0.5—7.0 V的偏压,调制深度先增加后减小,相位差线性增加,其中最大调制深度达90%,最大相位差为189°,该器件实现了太赫兹波的超灵敏多维动态调制.总之,该图案化石墨烯/氮化镓复合超表面调制器在超灵敏光学设备中存在潜在的应用价值.     

太赫兹波段表面等离子光子学研究进展

表面等离子光子学是研究金属、 半导体纳米结构材料独特的光学特性, 是目前光子学中最有吸引力、 发展最快的领域之一. 伴随着微/纳制造技术与计算机模拟技术的进步, 表面等离子光子学在可见光、 红外、 太赫兹以及微波频域得到了广泛研究, 在高灵敏生化传感、 亚波长光波导、 近场光学显微、 纳米光刻等领域有潜在的应用价值. 特别是人工超材料的发展, 为自然界长期缺乏响应太赫兹波的材料和器件奠定了基础, 从而也促进了太赫兹波段表面等离子光子学的研究. 本文从太赫兹表面等离子波的激发、 传导、 最新应用及未来发展趋势等几个方面进行了回顾和讨论, 将最新研究成果展示给读者.     

High frequency doubling efficiency THz GaAs Schottky barrier diode based on inverted trapezoidal epitaxial cross-section structure

A high-performance terahertz Schottky barrier diode (SBD) with an inverted trapezoidal epitaxial cross-sectional structure featuring high varactor characteristics and reverse breakdown characteristics is reported in this paper. Inductively coupled plasma dry etching and dissolution wet etching are used to define the profile of the epitaxial layer, by which the voltage-dependent variation trend of the thickness of the metal-semiconductor contact depletion layer is modified. The simulation of the inverted trapezoidal epitaxial cross-section SBD is also conducted to explain the physical mechanism of the electric field and space charge region area. Compared with the normal structure, the grading coefficient M increases from 0.47 to 0.52, and the capacitance modulation ratio (C_max/C_min) increases from 6.70 to 7.61. The inverted trapezoidal epitaxial cross-section structure is a promising approach to improve the variable-capacity ratio by eliminating the accumulation of charge at the Schottky electrode edge. A 190 GHz frequency doubler based on the inverted trapezoidal epitaxial cross-section SBD also shows a doubling efficiency of 35% compared to that 30% of a normal SBD.     

0.38 THz混频器关键器件设计和仿真优化

太赫兹混频器是太赫兹波收发系统中的关键器件,是将信号频率从一个量值变换为另一个量值的电路器件,其中肖特基二极管是太赫兹混频器中的核心器件,除了肖特基二极管以外,低频滤波器、本振端口等也属于太赫兹混频器中的关键器件。对0.38 THz混频器中的关键组件包括波导管、肖特基二极管、滤波器等在HFSS中进行了建模、仿真,最后通过对仿真结果的分析,实现了可以满足0.38 THz太赫兹混频器的各个关键模块的模型,通过这些模型实现了混频器整体的优化。     

基于二极管精确电路模型的183 GHz分谐波混频器设计

针对亚毫米波混频二极管管对电路模型不够精确的问题,采用场路结合协同分析,将进出二极管的频率信号分类处理,建立了一种应用于亚毫米波分谐波混频器电路的反向并联二极管对精确电路模型。基于获取的管对精确电路模型,建立了全局性的分谐波混频器电路的集总元件等效电路模型,设计并实现了一款183 GHz分谐波混频器。测试结果表明混频器在本振频率为92 GHz、功率为2 mW,射频频率176～192 GHz范围内,双边带变频损耗小于6.8 dB,等效噪声温度小于800 K,在182 GHz测得最小双边带变频损耗为4.9 dB,与仿真数据吻合较好。     

Measured mixer noise temperature and conversion loss of a cryogenic Schottky diode mixer near 800 GHz

We accurately measured the noise temperature and conversion loss of a cryogenically cooled Schottky diode operating near 800 GHz, using the UCB/MPE Submillimeter Receiver at the James Clerk Maxwell Telescope. The receiver temperature was in the range of the best we now routinely measure, 3150 K (DSB). Without correcting for optical loss or IF mismatch, the raw measurements set upper limits ofT _M=2850 K andL _M=9.1 dB (DSB), constant over at least a 1 GHz IF band centered at 6.4 GHz with an LO frequency of 803 GHz. Correction for estimated optical coupling and mismatch effects yieldsT _M=1600 K andL _M=5.5 dB (DSB) for the mixer diode itself. These values indicate that our receiver noise temperature is dominated by the corner cube antenna's optical efficiency and by mixer noise, but not by conversion loss or IF mismatch. The small fractional IF bandwidth, measured mixer IF band flatness from 2 to 8 GHz, and similarly good receiver temperatures at other IF frequencies imply that these values are representative over a range of frequencies near 800 GHz.     

基于高速肖特基二极管的100 ps瞬态取样门设计与仿真

 皮秒级瞬态取样门主要应用于激光聚变实验和高能物理实验中,对单次高速脉冲进行实时取样。提出了一种新颖的基于肖特基二极管桥的平衡取样门,给出其模型和具体电路设计。电路仿真结果表明,对称的选通设计保证了选通脉宽为100 ps时,取样间隔也为100 ps,取样门带宽为4.4 GHz,可应用于多路超短激光脉冲取样。     

Effect of nanopatches on electrical behavior of Ni/n-type Si Schottky diode

Topological surface measurement of thin metal film using a conducting probe atomic force microscope (C-AFM) shows that thin metal film deposited on Ni/n-Si Schottky diode (SD) consists of patches. These patches are sets of parallel connected and electrically cooperating nano-contacts of size between 50 and 100nm. Every individual patch acts as an individual diode with different I-V curve, barrier height (BH) and ideality factor (n). Between these diodes or patches, there are spot field distributions; the patches with different local work functions are in direct electric contact with surrounding patches. As a result, a potential difference between surfaces of patches, the so-called electrostatic spot field E_f, is formed. It is shown that in real metal-semiconductor (MS) contacts, patches with quite different configurations, various geometrical sizes and local work functions are randomly distributed on the surface of metal; hence direction and intensity of spot field are non-uniformly distributed along the surface of metal. There is a linear dependence between barrier height and ideality factor, which is the consequence of reduction of distance of the maximum of BH from the interface. This dependency is the sign of reduction of contribution of a peripheral current.     

静电放电对功率肖特基二极管I-V及低频噪声特性的影响

本文基于人体放电模型分别对肖特基势垒二极管的阴极和阳极进行同一电压脉冲下的多次放电, 利用热电子发射理论、1/f噪声的迁移率涨落模型和白噪声理论, 分别深入研究静电放电损伤对器件I-V和低频噪声的影响. 结果表明, 静电放电作用于肖特基二极管阴极时损伤更严重, 噪声参量变化率更大. 随着放电次数的增加, 正向特性无变化, 反向电流总体增大, 偶有减小; 而正向和反向 1/f噪声均增大. 鉴于噪声与应力条件下器件内部产生的缺陷与损伤有关, 且更敏感, 故可将低频噪声特性用作肖特基二极管的静电放电损伤灵敏表征工具.