用于FED和PDP平板显示高压驱动电路的CMOS器件

在Synopsys TCAD软件环境下,结合中国科学院微电子研究所0.8μm标准CMOS工艺条件对于高压CMOS器件进行了工艺和器件模拟。由于考虑到与标准CMOS工艺的兼容性,高压CMOS器件均采用LDMOS结构;根据RESURF技术,对于器件的漂移区进行了优化。器件模拟结果表明,高压NMOS器件源漏击穿电压为220 V;阈值电压和驱动能力分别为0.8 V和1×10-4A/μm。高压PMOS器件源漏击穿电压为-135 V;阈值电压和驱动能力分别为-9.7 V和1.8×10-4A/μm。高压CMOS器件的研制可为进一步研制FED和PDP平板显示高压驱动电路奠定基础。     

低温功率器件驱动电路实验研究

低温电力电子技术的发展日益得到重视,主要是由于功率器件(如功率MOSFET和IGBT等)在低温下表现出更好的性能,如更低的通态阻抗,更高的开关频率等.为了实验测试和充分利用功率器件在低温下的这些性能,急需寻找或设计可以在低温下稳定可靠工作的功率器件驱动电路.我们在对目前商业化的驱动芯片进行分析的基础上,从中挑选了三种在低温下进行实验,对其输出波形随温度的变化进行研究,首次发现了可以在-196℃(77K)稳定工作的驱动芯片,其驱动性能基本能够满足低温下驱动功率器件的要求,为功率器件低温特性测试及低温功率变换电路的设计奠定了坚实的基础.     

数字微光器件研究进展

数字微光器件作为新一代微光夜视装备的核心器件,相比于传统真空微光器件因具有数字化输出的优势而备受各国重视。本文综述了低照度CCD(charge-coupled devices)/CMOS(complementary metal oxide semiconductor)、科学级CMOS、像增强型CCD/CMOS、电子倍增CCD及电子轰击APS(active pixel sensor)/CCD等数字微光器件的研究现状,分析了数字微光器件的应用情况。最后,提出了微光技术和数字微光器件的发展趋势。     

CMOS电路瞬态辐照脉冲宽度效应的实验研究

 在“强光一号”加速器上,对两种CMOS反相器和一种CMOS存储器进行了长脉冲状态和短脉冲状态下的辐照实验,测量了CMOS电路的瞬时辐照效应规律,得到了CMOS电路辐射损伤阈值与脉冲宽度的关系,分析了CMOS电路在不同脉冲宽度下的效应差异。实验结果表明：CMOS电路的辐射损伤阈值随脉冲宽度的增加而降低,在20 ns的脉冲宽度辐照下,CMOS反相器4007和4069的闩锁阈值大约为150 ns脉冲辐照下的2倍,CMOS存储器6264的翻转阈值在20 ns脉冲宽度辐照下为150 ns脉冲宽度辐照下的3倍。     

互补金属氧化物半导体器件空间低剂量率辐射效应预估模型研究

给出了一种新的预估互补金属氧化物半导体器件(CMOS器件)空间低剂量率辐射效应模型,相对线性响应预估模型,该模型在预估CMOS器件低剂量率辐射效应方面更接近实际试验结果,且不同剂量率辐射试验结果证实了所建模型的正确性.最后利用新建模型对处于空间低剂量率环境下CMOS器件的敏感参数进行了预估.     

CMOS电路低温特性及其仿真

本文采用0.25微米工艺制备了CMOS器件和电路,通过对300K、77K和4K温度下器件和电路特性的测量,研究了工作温度降低对CMOS电路特性的影响.通过讨论MOSFET器件和互连线主要特性参数随温度的变化情况,修改了常温CMOS BSIM3模型以及互连线参数,建立了77K、4K温度下的低温电路仿真模型.利用上述新建立的低温电路仿真模型对CMOS电路进行仿真,并将仿真结果与实际测量结果比较,获得了比较一致的结果.研究表明在4K温度下CMOS电路的工作性能大约有50%到60%的改善.     

基于窄脉冲传输的脉冲展宽IGBT驱动电路

设计了一种采用高压隔离脉冲变压器传输窄脉冲,然后应用脉冲展宽电路实现宽脉冲驱动信号输出的无源IGBT驱动电路。采用正电压turn-on窄脉冲和负电压turn-off窄脉冲组合传输的方式以减小高压隔离脉冲变压器的体积和重量,脉冲展宽电路使IGBT在turn-on脉冲上升沿导通,在turn-off脉冲上升沿关断,且其具备储能功能,无需高压隔离辅助直流电源为其供电。脉冲信号发生电路和过流保护电路耦合设计,使IGBT在正常关断和过流保护关断情况下,其栅极都处于反压偏置状态,以提高IGBT关断的快速性和可靠性。将驱动电路用于级联Marx高压电路中IGBT开关的驱动,turn-on脉冲和turn-off脉冲的脉宽均选择为2 μs,结果表明,Marx电路在输出脉冲电压峰值为20 kV时工作稳定,且脉宽在3.5~50 μs之间连续可调,等离子体负载下的输出电压和电流波形显示,打火情况发生时,过流保护电路工作稳定可靠。该驱动电路可有效实现宽脉冲驱动信号的产生,具有较强的可靠性和实用性。     

基于谐振电路与脉冲变压器的高压脉冲源设计

提出一种基于谐振电路与脉冲变压器结合的高压脉冲实现方案,该方案利用电容与电感的谐振效应,结合脉冲变压器的升压作用,在仅使用一个半导体开关的条件下,实现高压脉冲的输出,其结构简单,成本低,并且可实现零电压关断。并对于电路的运行模式进行了理论分析,搭建了原理样机进行实验。容性负载条件下,实现频率1～ 15 kHz、幅值0～ 10 kV可调的高压脉冲输出,对比分析了续流支路以及续流电阻对于输出高压脉冲波形的影响。利用该脉冲电源进行DBD放电实验,成功驱动介质阻挡放电反应器,验证了该方案的可行性。     

PM-OLED带恒流源的驱动电路

一种带恒流源的驱动电路,能实现对小尺寸OLED屏(30 mm×38 mm)的驱动,该屏分辨率为64×56。OLED属电流型器件,对该屏采用恒流源驱动,即在每一列电极上接一个恒流源,只要保证流过每个OLED像素的电流为一常数,就能保证其亮度一致。从而可消除因ITO阳极电阻压降所引起的显示亮度不均匀性问题。其中恒流源的设计是整个驱动电路设计的重点。采用的晶体管恒流源,以晶体三极管为主要组成器件,同时采用一定的温度补偿和稳压措施,通过计算分析和实验测试改进完成设计。该恒流源驱动电路的设计较为简单、成本低、而且易于集成,在改进PM-OLED驱动电路方面作了相应的尝试。     

新型低功耗金属氧化物TFT集成行驱动电路

金属氧化物薄膜晶体管(TFT)属于耗尽型器件,其集成的TFT的行驱动电路一般采用双负电源方案,存在与外围驱动芯片的匹配困难和功耗较大的不足。本文设计了一种新型耦合电路结构,可以产生比负电源更低的电压从而完全关闭输出模块的下拉晶体管,防止氧化物TFT耗尽模式引起的电流泄露问题,并由此设计了新型氧化物TFT行驱动电路拓扑。由于只采用一个负电源,其电源电压范围比采用双负电源方案的小,从而节省了功耗且有利于与外围驱动芯片的匹配连接。实验结果表明,基于刻蚀阻挡层(ESL)结构的氧化物TFT工艺,在玻璃衬底上成功制备了该行驱动电路,在电阻负载R L=3 kΩ和容性负载C L=30 pF下,所设计的行驱动电路在33.3 kHz时钟频率下实现脉宽10μs的全摆幅输出,每级功耗仅为160μW。基于新型耦合电路结构的行驱动电路能够满足60 Hz的刷新频率的1980×1080分辨率的显示需求。     

高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化技术研究进展

传统的高功率重复频率脉冲功率源通常以低电压储能、升压、高压脉冲形成线、输出的顺序工作。因而系统至少包括低压储能和高压脉冲形成线两个储能环节,同时高压脉冲形成线的体积随着电压的升高快速增长。针对这些问题,课题组提出了一种高功率重复频率Marx型脉冲功率源小型化研究的设计思路和实现方式,并开展了相关技术研究。主要介绍了课题组在关键技术上取得的重要进展,包括高储能密度的储能/脉冲成形一体化技术、低抖动重复频率气体开关技术、低抖动高能触发技术、紧凑型Marx高压串叠技术等一系列关键技术。同时介绍了课题组研制的几种典型紧凑结构重复频率Marx型脉冲功率装置:同轴结构快Marx发生器、基于薄膜介质线的脉冲功率源、模块化低阻抗紧凑型Marx发生器、20 GW高功率重复频率脉冲驱动源。通过探讨关键技术研究及其发展现状,为未来脉冲功率源小型化研究的发展和应用方向提供参考。     

光栅-液晶复合结构太赫兹移相器

随着太赫兹技术及其应用的快速发展,各类太赫兹控制器件需求也随之增加,作为太赫兹系统重要器件之一,太赫兹波移相器成为当前研究热点。已有移相器存在着尺寸较大、结构复杂、相移量较小等问题,为克服上述缺陷,提出一种光栅-液晶复合结构太赫兹移相器,该器件结构为石英、石墨烯、液晶盒、光栅结构、石墨烯和石英组成。通过改变石墨烯电极上电压,使液晶折射率发生改变,相移器的相位因折射率改变而发生变化,通过控制外加电压可以实现对太赫兹波相移量有效调控。计算结果表明,该移相器在0.39~0.46 THz频率范围内实现了400°相移量,回波损耗小于-11 dB,在频率0.43 THz处,最大相移量达到422°。太赫兹波入射角在0°~30°范围内变化,移相器的相移量保持不变,而且该器件对入射太赫兹波偏振态不敏感。所设计的太赫兹移相器具有相移量大、结构尺寸小等优点,在未来的太赫兹通信、安检、医疗、传感、成像等领域中具有广阔的应用前景。     

Resistive switching of silicon-rich-oxide featuring high compatibility with CMOS technology for 3D stackable and embedded applications

This paper discusses the resistive switching devices based on highly compatible silicon-rich-oxide, including silicon monoxide (SiO) and SiO _x N _y material, which can be fabricated by low temperature process, and thus fully compatible with the back-end CMOS technology. The demonstrated SiO based RRAM suitable for 3D stackable applications shows repeatable unipolar resistive switching behavior with excellent on/off resistance ratio and good retention performance, but a little bit high switching voltage. The presented silicon-rich silicon-oxynitride RRAM device can effectively reduce the switching voltages (∼1 V) and shows good retention capability under 180°C baking as well as fast speed, giving great potentials for 3D stackable and embedded applications. The switching mechanisms in the studied devices are discussed. The method of switching voltage reduction through nitrogen doping, as a kind of defect engineering, can provide some guidelines for RRAM design.     

基于高频交流链接技术的串联谐振变换器

 提出了一种基于高频交流链接技术的串联谐振变换器,简要分析了该变换器的工作原理及一个周期内的工作过程,给出了变换器的控制方式和控制系统的框图,并进行了仿真和实验验证。实验结果表明,该变换器能够实现网侧电压和电流同相位,且网侧电流谐波含量低,同时串联谐振又具有高效率和恒流特性。因而,变换器具有高功率因数、高效率和低谐波的优点。     

高分辨紫外电子轰击互补金属氧化物半导体器件的实验研究

基于真空紫外光电阴极和背照式互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器研制了紫外光响应的电子轰击CMOS(EBCMOS)器件,实现了EBCMOS器件在40 mlx光照度环境下的高分辨探测,电子图像灰度随电子能量的变化呈现出极好的线性关系.对器件成像分辨率测试的结果表明,在电场强度为5000 V/mm时,器件的空间分辨率可以达到25 lp/mm,与国际相关报道水平相当.研制的EBCMOS器件可直接在紫外弱光探测领域应用,如天文观察、高能物理、遥感测绘等,同时也可为下一步研制可见光和近红外敏感的EBCMOS器件提供参考.     

相变材料与超表面复合结构太赫兹移相器

利用相变材料嵌入超表面组成复合结构实现太赫兹移相器,该器件自上而下依次为二氧化钒嵌入金属层、液晶、二氧化钒嵌入金属层、二氧化硅层.通过二氧化钒的相变特性和液晶的双折率特性同时作用实现对器件相位调控.随着外加温度变化二氧化钒电导率发生改变,器件的相位随之产生移动,同样的对液晶层施加不同的电压导致液晶折射率发生变化,器件相位也会有影响.经过这两种介质共同作用,最终实现对太赫兹波相位有效调控.仿真结果验证了该相移器在频率f=0.736 THz时,太赫兹移相器的最大相移量达到355.37°,在0.731—0.752 THz(带宽为22 GHz)频率范围相移量超过350°.这种基于相变材料与超表面复合结构为灵活调控太赫兹波提供了一种新思路,将在太赫兹成像、通信等领域有着广泛的应用前景.     

一种基于波导并联结构的高功率铁氧体移相器

提出了一种多路波导并联结构,用于实现高功率移相器。目前的铁氧体移相器,为实现高功率容量,通常采用双铁氧体磁环结构。仿真分析了各尺寸参数对双环移相器传播模式、相移效率及功率容量的影响,并进行优化设计,使移相器功率容量达到百kW量级。基于双环形式,采用一种多路波导并联结构,使其功率容量达到MW量级。经匹配设计后,移相器在9.25~9.8 GHz频率范围内,驻波比小于1.4,饱和差相移在390左右,可实现X波段MW级高功率360电控移相。     

YBCO带材低熔点焊接接头研究进展

以YBa_(2)Cu_(3)O_(7)(YBCO)带材为代表的二代高温超导带材被广泛应用于各类超导装备中,由于YBCO超导带材生产长度的限制,其接头技术将在带材的实用化发展中起到至关重要的作用,其中低熔点焊料焊接接头技术由于其工艺简单且能够满足目前二代高温超导材料的应用需求,成为现阶段接头制备的主流技术.本文基于YBCO基本属性,结合目前国内外的YBCO带材生产现状,系统全面地调研了低熔点焊料焊接接头技术的制作工艺及其性能的影响因素,明确了低熔点焊料焊接接头的关键影响因素,梳理了二代高温超导带材接头的焊接工艺流程,为二代高温超导带材接头的制备提供参考。     

Gate tunable Rashba spin-orbit coupling at CaZrO3/SrTiO3 heterointerface

High mobility quasi two-dimensional electron gas (2DEG) found at the CaZrO₃/SrTiO₃ nonpolar heterointerface is attractive and provides a platform for the development of functional devices and nanoelectronics. Here we report that the carrier density and mobility at low temperature can be tuned by gate voltage at the CaZrO₃/SrTiO₃ interface. Furthermore, the magnitude of Rashba spin-orbit interaction can be modulated and increases with the gate voltage. Remarkably, the diffusion constant and the spin-orbit relaxation time can be strongly tuned by gate voltage. The diffusion constant increases by a factor of ～ 19.98 and the relaxation time is reduced by a factor of over three orders of magnitude while the gate voltage is swept from -50 V to 100 V. These findings not only lay a foundation for further understanding the underlying mechanism of Rashba spin-orbit coupling, but also have great significance in developing various oxide functional devices.