中央大學電機工程學系學位論文
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傳統電離層觀測技術，如電離層雷達（Ionosonde）、非同調散射雷達（Incoherent Scattering Radar, ISR）觀測技術，僅能獲得雷達本地上空之電離層電子濃度資訊。相較而言，電離層斷層掃描技術(Ionospheric Tomography)可經由衛星與全球地面接收站之電波訊號，探測較大尺度及多維度之電離層結構。本論文對常用之斷層掃描演算法(algorithm)，代數演算法(algebraic reconstruction techniques, ART)、倍數代數演算法(multiplicative algebraic reconstruction techniques, MART)、以及同步迭代演算法(simultaneous iterations reconstruction technique, SIRT)，透過對數個典型之電離層電子濃度分佈場景(scenario)進行有系統的參數分析(parametric study)，以期瞭解各演算法中參數設定對反衍結果之影響，進而一窺各演算法之特性及其適用之反衍結構，此研究對於實際電離層觀測資料反衍時演算法選取將有很大的助益。
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本論文第一部份是利用單石微波積體電路(MMIC’s)來製作Ka-頻段交錯耦合雙推式壓控振盪器，其電路的實現乃利用穩懋半導體公司(WIN) 0.15 um InGaAs pHEMT 製程技術。在此電路中之被動元件的設計是採用微帶線(Microstrip line)來取代，以進行電路之匹配與偏壓電路設計，並利用交錯耦合對(cross-coupled pair)的方式來產生一負電阻以達到振盪，而共振腔的可變電容是利用pHEMT電晶體的接面操作在逆向偏壓下所得之接面電容所實現。電路特性表現方面，其量測結果在44 mW的功率消耗下，振盪頻率在30.07 GHz有輸出功率 -6.9 dBm，而相位雜訊在偏移中心頻率1 MHz時為 -95.81 dBc/Hz，以及在調變電壓為0.2 ~ 1.5 V的調整下，有69 MHz的調諧範圍，F.O.M為-168.94 dBc/Hz。 第二部份則是利用負載推移(Load-pull)系統之調諧器(Tuner)來改變壓控振盪器電路之負載阻抗，以觀察其對輸出功率的影響，量測結果發現在 ， 的調整範圍下，最大之輸出功率是在ΓL = 0.5∠0的位置，其值為 -3 dBm左右，最小之輸出功率在ΓL =0.5 ∠2π/3的位置，其值為 -13 dBm左右，而ΓL = 0之輸出功率則為 -7 dBm左右。 附錄中是介紹一新穎的共平面波導佈局 (CPW Layout) 設計來應用於交錯耦合式壓控振盪器中，使得電路在交錯耦合的位置不會有重疊發生，可避免一些在高頻之下的耦合效應。
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本論文前部分為概述濺鍍原理及氧化鋅薄膜製作流程，並利用霍爾量測、X光繞射量測分析氧化鋅層在不同的退火溫度下遷移率、濃度及電阻率等特性，提出以平臺式（Mesa-type）及重新成長法（Regrowth Method）的製程方法製作完成氧化鋅/氮化鎵二極體、氮化鎵/氧化鋅異質接面雙載子電晶體（GaN/ZnO Heterojunction Bipolar Transistors），且對電晶體進行直流量測、分析與討論，完成之元件製程均於國立中央大學光電科學研究中心完成。元件量測部份主要包括室溫直流特性、低溫直流特性；量測的射極面積主要為Ac= 150×150 um2，最後對量測結果進行討論和分析。 此電晶體在常溫無真空環境下VBE=2.4V時所得到電流增益約為11，崩潰電壓大於3伏特，且此電晶體在低溫200k、100k下所量測之電流增益分別約為620及1200，最後亦證明無蝕刻p-Type氮化鎵有較佳的金屬和半導體特性。
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本篇論文解決大型線性系統分散式穩定與成本控制問題。其中，大型系統是由數個子系統所結合而成，並且利用Takagi-Sugeno (T-S)模糊模型來表示。而兩個子系統互相連結的方式是以線性連結或是滿足相稱的非線性項連結。本文中，係利用平行分配補償(Parallel Distributed Compensation)來設計分散式糊模控制器。本文的主要貢獻有 (一)利用李亞普諾夫(Lyapunov)法則及瑞卡地(Riccate)不等式，提出對於模糊大型系統的穩定條件，並且滿足系統的相稱非線性連結限制。 (二)對於以線性連結的T-S模糊大型系統，提出兩個穩定條件。第一種條件是利用兩條不等式去滿足每個子系統，使整個大型系統漸近穩定。第二種條件是利用一個大型負定矩陣，一次就滿足整個大型系統漸近穩定；而大型矩陣當中包含了每個子系統與子系統的互相連結項。 (三)對於模糊大型系統的成本控制與穩定條件，我們也將討論，並且提出充分條件同時達成以上兩項目的。 (四)每一章所提出的控制方法或條件，我們都將以數值的例子或實際例子，利用線性矩陣不等式(Linear Matrix Inequality)求解，來實現並驗證其效能。
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在目前最新奈米級半導體元件的發展上，量子力學扮演了相當重要的角色，同時在元件模擬與設計上也同樣要予以考量。因此開發一個包含量子效應的元件模擬器是必要的。在本論文中，我們將介紹一維薛丁格(Schrodinger)計算與密度梯度模型(density gradient model) 來模擬量子效應。首先我們提出了等效電路法與高效率特徵值解法器來解薛丁格波動方程式，根據這個薛丁格等效電路模型，我們可以建立柏松─薛丁格互解方程式等效電路模型來模擬金氧半(MOS)元件在反轉區的量子效應。此外，我們也將分別使用簡化數值法與等效電路法來模擬克若尼-潘尼(Kronig-Penney)模型，以觀察半導體元件中能帶的特性。在元件模擬中，為了使所有變數都能有相同數量級而不需比例縮放參數(scaling factor)，我們提出了對數比例法(log-scale)以幫助其在牛頓疊代法的收斂。為了解決記憶體空間不足的問題，我們也提出了帶狀不完全LU(Banded incomplete LU)法來改善這問題。最後，我們將建立起密度梯度公式的等效電路模型，並利用分離模式(decoupled method)與對數比例法來解量子飄移擴散模型(quantum drift-diffusion model)。
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論文採用台積電(TSMC)所提供的矽鍺(SiGe) 0.35 um BiCMOS製程，設計兩種不同的功率電晶體佈局方式，藉以探討元件在高操作電壓下所受到之熱效應影響，並提出利用改變部分射極與射極之間距大小，進以改善元件散熱之方法。 首先在直流方面，採用C++模擬軟體模擬兩種佈局中的溫度分布，並實際量測在不同溫度下，兩種佈局的動態與靜態之電流-電壓圖，進以分析兩種佈局在抑制自發熱效應的動態量測下之差異，再探討其靜態量測下作用區的輸出傳導值。利用所量測在不同溫度下的電流-電壓圖萃取熱電阻值，在室溫下兩種佈局之熱阻值，新佈局的熱阻值約為85~90K/W，而傳統舊佈局的熱阻值約為125至130 K/W，藉此了解兩種佈局之散熱特性，發現新佈局設計方式在散熱方面會比傳統舊佈局設計佳。 在高頻小訊號方面，採用ADS模擬軟體模擬兩種佈局在穩定溫度下的高頻小訊號，並實際量測其在偏壓VCE = 3V與IB = 0.25、0.5mA中高頻小訊號特性之差異，並針對其脈衝與連續性S參數量測所得之結果加以分析，探討兩種佈局由於散熱特性的不同對高頻小訊號之影響。在功率大訊號方面則採用負載-推移量測系統分別針對兩種佈局設計在功率大訊號特性量測，並藉以分析兩種佈局設計其功率大訊號特性與其線性度之差異，發現新佈局設計在RF特性上(包含高頻小訊號，例如：fT,、fMAX；與功率大訊號，例如：power gain, P1dB, PAE, OIP3)會比傳統舊佈局佳，以偏壓VCE = 3V與IB = 0.5mA為例說明，新佈局的脈衝性與連續性fT值分別約為18.5 GHz與17.45 GHz，而Power Gain約為14.64 dB，PAE 約為25.6%，OIP3值約為31.63 dBm；傳統舊佈局的脈衝性與連續性fT值分別約為18.1 GHz與14.95 GHz，而Power Gain約為14.03 dB，PAE約為26.6%，OIP3值約為31.46 dBm。
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本論文利用0.18 um CMOS及0.35 um BiCMOS標準製程實現光檢測器。在BiCMOS光檢測器部分，使用SiGe 高崩潰HBT製程中Base及Collector所形成之二極體，並利用Local Collector區域吸收光。在11.06V的逆偏壓下，響應度為0.26 A/W，頻寬為1.65 GHz，操作資料速率為1.25 Gb/s。在CMOS光檢測器部分，使用n型、p型井製程及離子佈值製作光檢測器元件。元件操作在雪崩崩潰區域時，由於漂移載子的劇烈增加減少了慢速擴散載子的影響，因此光檢測器的頻寬得以大幅增加。結果可得到文獻最高記錄頻寬為1.6 GHz及最高操作資料速率為3.5 Gb/s。此論文中還提出使用Body Contact對前述CMOS光檢測器改善。當外加偏壓至Body Contact時，在光檢測器的下方會形成一電流路徑而有效消除慢速擴散載子，得以增加光檢測器頻寬及速度。當Body 偏壓為10 V時，可得到頻寬為2.8 GHz，並且操作資料速率可至 5 Gb/s。除此之外，論文中亦分析出漂移載子的比例，結果顯示：一、當操作在雪崩崩潰區域時，漂移載子的比例將遠大於擴散載子的比例，因此光檢測器的頻寬得以提升；二、加入Body偏壓時，光檢測器下方的電流後可以掃除慢速擴散載子，且元件並不需要操作在雪崩崩潰區域即可得到高比例的漂移載子，證明本論文所提出的改善方法相當有效。
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本論文是利用覆晶的技術，來實現MIC的ku-頻段的低雜訊放大器。由於傳統的MIC電路，在高頻電路的應用上，頻段愈高而波長愈短，傳統的鎊線(Wire Bonding)在高頻操作時所產生寄生效應會影響整體電路的特性表現，不再適用。所以採用覆晶的方式來作為主動元件與被動電路的連結，根據先前學長們製作的金錫凸塊(Au-Sn bump)和建立的模型(model)，觀察出在Ku頻段的寄生效應並不嚴重，因此延用之前實驗的數據和模型，來設計的低雜訊放大器。 在製作覆晶式的低雜訊放大器前，必需先確定金錫凸塊模型、RF pad 模型、被動元件。金錫凸塊模型是為了在模擬小訊號特性的需要，更精準的預測小訊號的特性。RF pad 模型的建立，是利用穩懋(WIN)半導體公司所建立的元件大訊號模型，並加上萃取的RF pad模型和金錫凸塊的模型，以模擬大訊號特性。最後被動元件的模擬，是使用安捷倫ADS momentum來進行電磁模擬，預測被動元件的高頻特性，有了以上的三項結果我們即可設計覆晶式低雜訊放大器。 最後完成了三個ku-頻段覆晶式的低雜訊放大器:(1)尺寸2×50 um單級低雜訊放大器其特性分別為 S11 = -12.6 dB、S22 = -18.9 dB、S21 = 9.22 dB、輸出P1dB功率 = 2.81 dBm、NF = 4.02 dB。(2)尺寸2×50 um兩級低雜訊放大器其特性分別為 S11 = -11.7 dB、S22 = -9.4 dB、S21 = 14.6 dB。(3)尺寸4×85um單級低雜訊放大器其特性分別為 S11 = -12 dB、S22 = -14.5 dB、S21 =9 dB、輸出P1dB功率= 3.9 dBm、NF = 3.3 dB。
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在此篇論文中，目的在於改善本研究室已開發前幾代單電子/電洞電晶體元件之缺點。提升元件之良率與特性，進一步探討量子傳輸效應。首先，將高摻雜物以離子佈值的方式植入複晶矽層中。在之後的高溫熱氧化形成鍺量子點的同時，摻雜物會經由擴散的方式移動至穿隧氧化物旁，形成自我對準至量子點的源∕汲極電極。用此方法可避免在定義完閘極後才離子佈值所衍生的問題，包括源∕汲極會因為閘極在電子束微影對準上之誤差而不具對稱性，導致有寄生金氧半場效電晶體的非理想效應存在。 使用上述之方法，再藉由電子束微影、氮化矽對複晶矽具有乾蝕刻高選擇比之技術，搭配製程的設計，本論文成功製作出源、汲與閘極皆能自我對準至鍺量子點地點接觸式之高溫單電子/單電洞電晶體。整體元件的製程技術含鍺量子點的形成(經完全氧化矽鍺奈米細線以形成單一顆小於10nm的鍺量子點於通道中)完全與CMOS製程相容，並且製程簡易、再現性高。在適當的偏壓下，由於庫倫阻斷的現象，使得在室溫下電壓-電流曲線即可呈現週期性震盪，且峰谷值比可高達500以上。本論文成功地提升單電子電晶體之Ion/Ioff、切換速度和降低功率消耗，並藉由非對稱穿隧氧化層之電流特性探討載子在量子點中的穿隧過程。
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隨著微波技術的日趨重要，對主動元件的要求愈來愈高，而砷化鎵假形高電子遷移率電晶體(pHEMT)在Ⅲ-Ⅴ族半導體中是一個很重要的元件，主要應用在軍事和商業通訊的毫米波和微波頻率上。在設計單晶微波積體電路(MMIC)時，準確的電晶體模型是很重要的，它能精確的提供元件直流和高頻特性，對設計時有極大的幫助。 本論文包含了砷化鎵假形高電子遷移率電晶體的小訊號和大訊號模型萃取技術。利用Yang-Long直流、Cold FET高頻量測方法，萃取電晶體外部寄生元件參數，再經由矩陣轉換求得內部本質元件參數，進而建立電晶體小訊號等效模型。再者，利用EEHEMT1模型及其溫度參數來建立一個具有可預測溫度變化的等效模型，此大訊號模型無論在室溫下或高溫下(125 °C)的直流與高頻特性模擬都具有良好的準確度。