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低雜訊耦合器及電流模式之接收機射頻前端電路設計

本論文實現了一操作在電流模式之射頻前端電路，接收機包含低雜訊放大器，混頻器，電流電壓轉換器以及輸出級放大器。低雜訊放大器內結合耦合器之設計，使得放大器輸出即有I/Q兩路。本設計輸入端操作在12 GHz，而輸出端設計在40 MHz，系統的供應電源為2.0-伏，並使用聯電55奈米製程。總系統增益為36.68 dB，雜訊指數為9.79 dB，三階輸入截止點在-16.13 dBm，共消耗69.2 毫瓦特之功率。I/Q兩路之增益差為1.35 dB，相位差為98度。 為了降低於前一接收機中使用的耦合器之雜訊比，本論文將傳統接在耦合器的截止埠之電阻，改為一主動式電路。此低雜訊指數之耦合器操作在12 GHz，並使用聯電0.18微米製程。與傳統之電阻截止之連接方式相比，此主動電路之截止可將雜訊指數降低1.1 dB，由原先之3.7 dB降低至2.6 dB，並同時消耗6.1毫瓦特之功率。

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一個0.016mm2使用電容倍增技術之次取樣鎖相迴路

隨著物聯網技術的進步以及普及，有著多樣化的應用及產品，而串連起他們的便是無線傳輸，因此，晶片內的收發器便扮演著不可或缺的色。在大多數的收發器內，頻率合成器提供其傳輸訊號的參考頻率 ，而頻率合成器則為鎖相迴路的其中一種應用。然而，鎖相迴路佔據收發器電路內大量的面積造成晶片面積也較大。對於小體積的電子產品來說，其產品的體積會受到晶片大小的限制，例如:穿戴式裝置。而對於生產來說，因為晶片面積較大，所以同一片晶圓能製成的晶片數量相對較少，需花費較多的成本也會是現實上的重要考量之一。本篇論文中將針對上述之議題提出架構上的討論及改善的設計方法。我們提出了一個基於電容倍增迴路濾波器之單一電荷泵次取樣鎖相迴路 ，其操作頻率為2.4GHz。晶片採用TSMC 90nm標準CMOS製程實現，晶片面積和核心面積分別0.3975mm2和0.016mm2。在操作頻率為2.4GHz時，位移1MHz的相位雜訊為-94 dBc/Hz，積分範圍從10kHz到10MHz的方均根抖動量為 3.43ps，參考突波為-52.34dBc，功率消耗為4.33mW。由於迴路濾波器電容在採用環形震盪器的鎖相迴路中佔據大量面積我們將採用電容倍增技術來縮小面積，並根據迴路濾波器帶通的特性以及適當的設計，濾除此技術引入之雜訊，再與傳統二階迴路濾波器之阻抗及相位做比較，來證明其與傳統二階迴路濾波器為等效的操作。針對相位雜訊的問題，我們採用了次取樣鎖定迴路的技術來抑制頻帶內的相位雜訊和抖動。並使用緩衝器隔絕次取樣相位偵測器的副作用，藉此抑制參考突波。除此之外，使用邏輯電路來取代頻率鎖定迴路之電荷泵，整個鎖相迴路內僅使用了一個電荷泵來減少面積消耗。

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藉積項分配為量化布林公式解決與認證最小化

量化布林公式是一種泛用且簡明的方法，以表示許多計算機科學的問題，包括機器人規劃、硬體與軟體之合成與驗證等等。實際應用時，如何有效地解決此公式並提供認證至關重要。此篇論文中，我們提出「積項分配」，為量化布林公式之解決與認證提出新觀點。此方法為公式之解決提供了大量靈活性，並以隨意項將認證化簡。我們將此新方法，實作於先前「字句選擇」的量化布林公式求解架構之上。實驗結果展示了我們的方法在解決與認證大小上，都勝於具認證功能的其它現有方法。

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具製程、電壓與溫度背景校正之倍頻延遲鎖定迴路

本論文實現一具製程、溫度與電壓背景校正之倍頻延遲鎖定迴路，為了降低參考突波與相位抖動，本論文提出一具延遲校正之次取樣相位偵測器來校正頻率誤差，其中相位偵測器與電荷泵的相位雜訊不會被放大N2倍，為了增加迴路的頻率涵蓋與降低製程、溫度與電壓所造成的非理想效應，本論文也提出一背景執行之頻率選擇器，本論文已於台積電40奈米製程實踐與驗證，本電路輸出時脈為2.4GHz，其輸入參考頻率為150MHz，電路佈局面積為0.0135 mm2，於1V之工作電壓下，總功率消耗為5.2mW，量測之方均根抖動量為229fs，參考突波為-54.3dBc。

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重組基礎之基因電路中非確定性行為的電路合成

在合成生物學中，重組酶時常被用來設計各種用途的基因電路。先前的研究主要集中在合成具有確定性行為的組合邏輯電路或序向邏輯電路。然而，不確定性在生物化學系統中無處不在，並且是實現生物化學過程的重要資源，例如細胞分化和模式形成。在這篇論文中，我們研究如何合成由布爾關係指定的基於非確定性重組酶的基因電路。我們開發了一些方法來表達非確定性並合成預期的非確定性電路。合成方法顯示在構建的基因電路中DNA序列長度可以被有效的減少。

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應用於低電壓大電流負載的直流-直流轉換器之電源管理技術

科技日新月異，像是5G通訊、大數據、物聯網、人工智慧興起。未來，各種不同應用會大量需要高速電腦運算能力與高速資料傳輸速度。因此，高速類比與數位電路在高速運算與高速傳輸介面扮演關鍵角色。根據摩爾定律發展，半導體製程技術不斷進步，使得電路的供應電壓不斷往下降。為了提升性能，電子元件的功耗卻不斷上升。因此，近年來應用於低電壓大電流負載直流-直流轉換器成為研究重點。在低電壓大電流應用下，負載可區分為高速數位電路與高速類比電路兩種。高速數位電路有中央處理器(CPUs)、圖形處理器(GPUs)、人工智慧運算晶片(AI chips)等；而高速類比電路有高速無線傳輸器(High-speed RF transmitters)、高速無線接收器(High-speed RF receivers)、高速數位類比轉換器(High-speed digital-to-analog converters)、高速類比數位轉換器(High-speed analog-to-digital converters)、光通訊電路(Optical communication circuits)等。這些高速電路需要具快速的暫態響應、低電磁干擾、大電流承載能力、與高轉換效率的直流-直流轉換器。傳統解決方案使用線性穩壓器(Low dropout regulators)，達到快速暫態響應能力、與低漣波輸出(Low-ripple output voltage)的電源。但線性穩壓器不適合高功率應用，而且線性穩壓器受限於最小電壓差(Dropout voltage)，會導致在高功率應用下轉換效率不高。為了在高功率應用下達到快速暫態響應、快速動態調節響應、大電流承載能力、高轉換效率、與低電磁干擾，本論文聚焦於低電壓大電流負載的直流-直流轉換器之電源管理技術相關研究。本論文所發展的電源管理技術有以下三個部份： 第一部份為了提升直流-直流轉換器的暫態響應速度與動態電壓調整響應速度，因此提出應用於射頻電路下最適定導通時間控制之類電壓平方磁滯控制降壓型直流-直流轉換器。為了實現最適定導通時間控制(Adaptive constant on-time control)，本論文提出具暫態加速技術的最適定導通時間電路，並對系統補償進行最佳化，以達到高速暫態響應與高速動態電壓調整響應。本晶片採用台積電T18 1P6M製程，面積1.81mm2，最高轉換效率為90.1%。藉由晶片量測結果，當負載電流往上變化600mA，回復時間為0.6μs；當負載電流往下變化600mA，回復時間為0.6μs。而參考電壓從1.8跳升到2.4V，輸出電壓響應速度為2μs；參考電壓從2.4V跳降1.8V，輸出電壓響應速度為2μs。 第二部份為了提高直流-直流轉換器的電流承載能力與轉換效率，因此提出具電感電流均流校正技術之快速延遲鎖定迴路應用於固定導通時間控制之四相位降壓型直流-直流轉換器。本晶片除了採用類電壓平方控制與固定導通時間調變之外，也採用延遲相位鎖定迴路產生四相位的脈波控制訊號且彼此錯相九十度，達到低漣波輸出電壓。為了達到快速暫態響應能力，本研究提出一組自動切換單/雙向觸發相位偵測器(Automatically switching single/dual triggered phase detector)應用於快速延遲鎖定迴路(Fast-locking delay-locked loop)。此外，為了解決主、被動元件的非理想效應所造成多相位電感電流不均流問題，本論文提出脈波縮減電路(Pulse-width-shrunk technique)進行均流背景校正。本晶片使用台積電T18 1P6M製程，面積6.17mm2。最後透過後模擬驗證結果，當負載電流往上變化1.4A，回復時間與電壓降為2.5μs/6.5mV；當負載電流往下變化1.4A，回復時間與電壓升為2.5μs/8mV。因為四相位均流且正確錯相九十度，最高效率達85%且輸出電壓漣波為4mV。 第三部份為了解決電磁干擾問題，因此提出具抗電磁干擾之類電壓平方磁滯控制降壓型直流-直流轉換器。傳統類電壓磁滯控制降壓型轉換器可視為一組壓控振盪器(Voltage control oscillator)。為了定頻控制，將傳統類電壓磁滯控制降壓型轉換器結合鎖相控制迴路。本論文的抗電磁干擾技術是整合鎖相控制迴路(Phase-locked loop)與全數位二級一階和差積分調變器(MASH 1-1 all-digital Δ-Σ modulator)，將脈波控制訊號的頻率進行調變，使得輸出電壓頻譜達到展頻效果。此晶片採用台積電T18 1P6M製程，面積1.81mm2，最高轉換效率為90%。透過後模擬驗證，展頻前後頻譜改善20dB。當負載電流往上變化500mA，回復時間與電壓降為4.47μs/34.3mV；當負載電流往下變化500mA，回復時間與電壓降 5.12μs /32.3mV。

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以單導程腦電圖訊號進行睡眠覺醒事件偵測之研究

過去幾年來智慧醫療領域越來越受重視，許多資訊科技包括雲端、遠距、大數據及人工智慧等，都已經大量應用於醫療領域。應用在病患監測服務、行動照護的需求大增，而睡眠診斷這一塊在其中受到非常大的重視，睡眠影響人的生活作息，要是沒有好的睡眠，人體就會失去正常機能運作。 在本國，睡眠醫療專家在診斷睡眠覺醒以及睡眠呼吸中止症這些症狀的方式還是必須讓病人在醫院睡一個晚上，利用睡眠多項生理儀(PSG)紀錄病人在這一個晚上的腦波圖、肌電圖、心電圖、眼動圖、血氧飽和濃度、胸腹呼吸動作還有口鼻呼吸氣流這些諸多的生理特徵，接著再由兩至三位睡眠專家根據以上的生理紀錄進行討論並且判斷這一位病人在某些時段是屬於正常的狀況或是發病的狀態，但這個階段非常曠日費時，甚至不同的睡眠專家之間也會有不同的意見，因此本論文透過近年快速崛起的深度學習以及機器學習技術，提出一套系統化、並且可靠、客觀的方式，在觀察大量資料之下，利用單一導程的腦電圖訊號，成功的將病人的睡眠覺醒(Sleep Arousal)狀態分辨出來，提供睡眠醫療專家參考，輔助監測病人身體狀態。 本論文首章節為論文簡介，第二章以及第三章為背景知識介紹，從第四章開始為本論文的主要貢獻，也就是系統架構設計，包含腦波訊號的前處理、特徵抽取、分類器架構…等，並在第五章探討模擬測試結果，末章則為結語與未來展望。

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以化學氣相沉積法製備之單晶二硒化鎢與其元件應用

在本論文中，我們使用化學氣相沉積法成長單晶二硒化鎢薄膜，並且藉由控制薄膜成長溫度，可以得到最佳成長溫度為 950 ℃，接下來藉由控制氧化鎢粉的重量，可以控制單晶二硒化鎢的疏密程度，之後將最佳化之薄膜製作成上閘極式場效電晶體，由於氧化層不易沉積於二維材料上，因此對於氧化層沉積方面進行改進，我們先以電子槍沉積一層薄的氧化鋁，再使用原子層沉積氧化鋁，先以物理性沉積一層薄的氧化鋁在二硒化鎢表面上，利用這層薄的氧化鋁當中間層，使得 ALD 化學性沉積順利的成長氧化鋁，成功解決了過渡金屬硫屬化合物 (TMDs) 表面不易沉積氧化層的問題。接下來，我們探討二維結構的銻烯成長於單晶二硒化鎢上，在 120 ℃ 的製程條件下，成功的成長出二維結構的銻烯於單晶二硒化鎢表面上，銻烯薄膜層與層之間的間距經由量測為 3.8 Å，由於銻烯薄膜有著與石墨烯相當接近的片電阻，製程溫度又比石墨烯低了許多，故有著作為二維材料元件接觸電極的潛力。由於二硒化鎢與銻烯對於酸鹼性溶液抗性的不同發展出選擇性的蝕刻，我們將銻烯應用於二硒化鎢的上閘極式場效電晶體，與傳統鈦金電極的元件比較，很明顯汲極電流大幅度的上升，使電子遷移率也大大的提升，此證明了以二維金屬當作二維材料的接觸電極，可以有效的降低金屬電極與二維材料的接觸電阻。

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具適應智能之可程式化深度學習處理器

深度學習已廣泛使用於各種領域，並且在某些應用上已達到超越人類的性能。為了滿足於對於運算能力的需求，目前已有許多客製化的深度神經網路推論加速器。主動學習機制對於安全與隱私保護有顯著的提升，特別是用於醫療照護及身份認證，針對使用者特徵進行神經網路調整更可進一步提高辨識準確度。這些功能都仰賴晶片上訓練，但目前支援晶片上訓練卻相當有限。考量訓練計算所需的運算複雜度比起推論高上許多，設計具高能量效率能支援推論及訓練的深度學習處理器相當具有挑戰。本設計提出文獻上第一顆可同時支援深度神經網路推論與訓練的客制化卷積式神經網路處理器，可支援各種神經網路維度與多種精準度需求。針對推理及訓練的卷積運算流程進行資料重新排序，並將卷積層及完全連接層的運算轉換成相同運算以大幅提升處理器性能。最大池化層與線性整流器的共同設計可以降低近75%的記憶體需求。簡化後的歸一化函數可省下78%的硬體資源。浮點數與固定點數整合分別為乘法器與加法器省下56.8%與17.3%的硬體資源，合併兩者之乘加器更能進一步節省33%的硬體資源。透過資料閘控及時脈閘控，可以在低精準度模式省下62%功率消耗。處理器以40nm實現，推理階段能達到1.25 TOPS/W的能量效能，與文獻上之推理加速器效能相當。操作於訓練模式之能量效能可達 327 GOPS/W之，達到高於CPU 105倍的能量效率。

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操作於近紅外光之垂直式和平面式鍺錫光二極體研究和比較

由於鍺錫材料可藉由調變錫濃度以調變能隙，以延長偵測波段；並且和矽同為四族元素，其易整合於矽基板的特性，使得近幾十年被廣泛研究，並應用於紅外波段的光通訊。然而，也由於鍺錫材料擁有較窄能隙的緣故，使得以鍺或鍺錫材料作為主動區地光電二極體被普遍認為有非常高的暗電流，也因此光感測度始終及不上其他三五族作為主動區的近紅外波段光檢測器。 本論文的實驗中，我們製作了三種不同的元件，兩種垂直結構及一種平面式結構的光二極體。垂直結構的光二極體包含了不同厚度的高品質鍺錫材料作為主動層。並對他們進行暗電流、光響應和光檢測度(detectivity)的量測。兩種垂直結構的二極體，其鍺錫材料的厚度為315nm和162nm，並在1550nm的波長和逆向偏壓0.2V的情況下，以正向入射光入射兩種二極體，分別量測到光響應度為0.4A/W和0.01A/W，以及光檢測度分別為9.1×108cm-Hz1/2W-1和1.0×1010cm-Hz1/2W-1。 在暗電流的方面，由實驗結果可以得知，在垂直結構中主要造成暗電流的原因為表面漏電流，而暗電流的居高不下正是造成較低的光檢測度的主要原因，於是我們成功製作了平面式的光二極體試圖降低暗電流。同樣以正向入射的雷射光照射平面式光二極體，我們成功得到了0至-1V之間的較低暗電流，並在1550nm的波長，我們將該平面式光檢測器操作在逆向偏壓0.2V，得到了光響應度為0.04A/W，以及最高的光檢測度，為5.2×1010cm-Hz1/2W-1。