臺灣大學電子工程學研究所學位論文
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隨著行動裝置使用率的提升和無線網路技術的快速發展，多種無線網路服務已部署於世界各地。然而，在台灣的台北市，雖然政府提供許多免費使用的Wi-Fi熱點，但是無線網路的涵蓋範圍卻是有限的，移動到涵蓋範圍間的區域將會造成網路斷線的情況發生，這對於需要高穩定性傳輸的醫療服務是個重大的挑戰。在本篇論文中，我們設計了一個行動感知無線電之中介軟體，用以改善上述所提的網路連線問題，感知無線電能夠感知周遭的環境並且將頻譜使用率最佳化，因此中介軟體負責整合現有的無線通訊系統，在異質網路下提供無接縫通訊的服務，保持無線網路連線的連續性並且避免在網路切換過程中遺失網路封包。最後我們移植行動感知無線電之中介軟體至嵌入式系統中，能夠在不更改現有的系統架構下，相容於現實的網路環境中。
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在本論文中，實現了一種使用65-nm CMOS製程製作之60-Gb/s傳輸器，其中主要電路包括偽隨機二進制序列產生器、鎖相迴路以及多工器。 在本晶片中的偽隨機二進制序列產生器會輸出四路等相位的15-Gb/s的偽隨機二進制序列，因此在進行量測晶片時不再需要額外的偽隨機二進制序列產生器。 接著是一個30-Gb/s的鎖相迴路，其中包含了一個差動電壓控制震盪器、除數為64的除頻器鏈、一個相位頻率偵測器以及一個三階的迴圈濾波器，其中相位頻率偵測器藉由單邊混頻器與低通濾波器的架構達到壓制參考饋入的目的。 傳輸器的最後一個部分是多工器。四對一的多工器是由兩個30-Gb/s二對一多工器與一個60-Gb/s二對一多工器所組成，其中60-Gb/s二對一多工器包含了60-Gb/s選擇電路和30-Gb/s的重新取樣器，60-Gb/s選擇電路採用基於分佈式放大器的架構，以達到60-Gb/s的操作頻率。 此電路共佔了2.1 × 1 mm2，並在1.5-V的電壓供應下消耗了900 mW的功耗。
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由於安全性及低成本的考量，超音波影像一直是醫師在臨床診斷中的一大利器。近年來隨著高速電路的技術愈趨成熟，高頻超音波的系統也漸漸的被實作出來。為了提高系統整合度、降低成本及減少寄生效應，必須發展CMOS超音波前端發射電路。在此論文中，使用了0.25-μm高電壓互補式金氧半導體製程實現兩個超音波前端發射電路。第一章對超音波成像系統進行基本的介紹，第二章則對超音波前端發射電路的設計流程及背景知識進行說明。 第三章提出了一個以0.25-μm高電壓互補式金氧半導體製程實現超音波前端發射電路，包含了脈衝發射器和發/收切換開關。為了達到高速的需求，脈衝發射器直接從電源供應器對探頭進行充放電以產生高頻超音波，發/收切換開關則使用以電晶體為主的開關並針對高線性度及低功耗進行設計。 第四章實作了一個高速高電壓數位類比轉換器可提供任意波型激發探頭，架構上使用了電流模式的數位類比轉換器以達到高速的需求，並使用單位元切換方式及共質心對稱式佈局降低靜態與切換的誤差。最後，在第五章會進行本論文的總結。
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本篇論文提出了一種計算用於電路佈局圖中集總元件數值的方法，透過該方法可快速的計算出指定的電感值與電容值，利用求出的電感值與電容值搭配電路佈局圖可以快速的檢查電路的正確性。而在計算過程中，由於一般電感與電容在佈局圖中會透過貫孔來連接，因此在在計算中必須考慮貫孔對電容與電感的影響。而在求出各電感值與電容值後，必須透過貫孔將各元件的兩端連接，以判定兩元件之間的連接關係，透過此方法建立元件連接表，並將其轉換成一般常見的電路圖模式，利用此電路圖可以搭配先前已完成的程式進行完整的電路驗證程序。
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本文主要係進行複晶矽薄膜電晶體、非晶矽太陽能電池及矽鰭式場效電晶體之可靠度研究與分析。對於金屬氧化物半導體場效電晶體及薄膜電晶體來說，為了確保元件的穩定性及確定其生命週期，直流偏壓溫度不穩定性的分析已成為一個重要的可靠度研究。當施加負偏壓於P型薄膜電晶體時，因表面的施體缺陷造成臨界電壓往負偏壓方向移動。若在進行負偏壓溫度不穩定性的量測時有存在著延遲時間的影響，則會低估或是高估實際臨界電壓的移動量。在本文中將研究複晶矽薄膜電晶體的不同直流偏壓溫度不穩定性量測方式。並提出一改良後的量測方式以同時萃取出臨界電壓移動量及載子移動率的減少量。 本文的第二部份將探討非晶矽太陽能電池的可靠度。近年光伏產業積極發展薄膜太陽能電池以期降低生產成本。在眾多薄膜太陽能技術中，以非晶矽太陽能電池發展最成熟。但非晶矽太陽能電池在光照後會因更多斷鍵的產生而劣化。而此光致劣化可以經由在特定溫度下施加負偏壓來回復其部份效率。本文的第三章及第四章主要係研究光致劣化後的非晶矽基太陽能電池於施加負偏壓後的效率回復。實驗結果顯示效率回復比例與施加偏壓的電場大小呈正相關，並發現在非晶矽/微晶矽疊層電晶體上僅需要較小的負偏壓就可以回復其光致劣化效應。在本文的第五章也同時探討了不同非晶矽基太陽能電池的溫度係數。 本文的最後一個主題係研究矽鰭式場效電晶體的電性及熱效應分析。為了遵循摩爾定律，當互補式金屬氧化物半導體技術持續微縮到22奈米以下，傳統電晶體將達到其根本性的限制。而為了更有效的控制電晶體特性及降低短通道效應，像鰭式場效電晶體這樣的全空乏多閘極元件便被提出。而元件在操作時會產生熱，對於晶片的可靠度及壽命有著非常大的影響，且當元件尺寸持續微縮時，此類奈米尺寸元件的熱效應研究變得更加重要而需要考慮其影響。塊狀基板矽鰭式場效電晶體在高溫時的電特性與傳統電晶體相同，其汲極電流會隨著溫度上升而下降。而多根鰭的矽鰭式場效電晶體也會因散熱路徑較單根少而使元件溫度較高。但多鰭的鰭式場效電晶體溫度可藉由改變連線的組成材料而大幅降低。
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本論文之研究主要在探討生長於非平面結構P型矽基板之金氧半電容元件於電性上與平面結構元件之間電性的差別並探討反轉區之電流特性。首先，在閘極施加正電壓的反轉區發現非平面結構的電流比平面結構的電流大上2到3個數量級，而且電流沒有像平面結構一樣的飽和特性。進一步分析可以發現非平面結構反轉區電流隨著氧化層厚度增加而有漸小的趨勢，而平面結構則相反。為了瞭解非平面結構電特性對於電流的影響，吾人使用Silvaco TCAD 模擬非平面結構的電場、電位以及少數載子於反轉區的分布情形，並進一步探討電流的分布。結果發現非平面結構的矽基板於凹入處電位梯度較平面處大，因此電場也較大，經由模擬也發現此處的電流較為大，此外再加上蝕刻所造成的矽基板表面的粗糙度使氧化層在生長時會有均勻度的問題，造成在大電場下容易有漏電流路徑形成。所以相對於平面結構，非平面結構多了此處的穿隧電流而使反轉電流大上許多。至於非平面結構其反轉電流不易飽和的原因則是由於在矽基板凸出處有少數載子聚集的現象，因此多了可以持續提供電子的區域使得電流較不易達到飽和。 接著，吾人藉著定電壓應力測試元件的穩定性中發現，平面結構隨著施予電壓應力的增加，其反轉區電流有先減而後增的現象。一開始的電流減少是因為施予一段時間的負電壓之後氧化層會有負電荷被抓陷於其中，當電極給予正偏壓時，由於屏蔽效應使得電洞的位障增加進而降低電流；隨後則是由於局部氧化層破壞而使電流隨電壓上升。非平面結構則由轉角處的非均勻氧化層的局部破壞主導，因此隨著應壓增大而電流隨之上升。此外，在計算介面陷阱密度後可以發現非平面結構的陷阱密度大於平面結構，且兩者皆會有隨應電壓增加而上升的現象。 在本論文中，非平面結構矽基板在反應式離子蝕刻之後另有一組予以濕式短暫蝕刻來減緩矽基板粗糙程度的元件，結果發現其電特性與沒經濕式蝕刻的元件相似，同樣具有不飽和的反轉區電流，但其反轉區電流小了將近一個數量級且介面陷阱密度也較小，顯示出短暫的濕式蝕刻可以增進非平面結構於轉角處氧化層均勻度與穩定度。另外，電子穿隧式顯微鏡影像亦顯示出經濕式蝕刻的確增進了氧化層的均勻性。
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隨著雲端技術發展，雲端遊戲將是未來的遊戲趨勢，透過雲端遊戲，玩家不需要購買高階的顯示卡和處理器，只需要一台低階的電腦、智慧型手機或是平板電腦，就可以隨時隨地玩想玩的遊戲並透過雲端將存檔資料同步，受限於頻寬與實時運算的限制，目前大多數的雲端遊戲服務只提供720P的解析度，但隨著4G 網路的發展頻寬將不再是問題。互動延遲在遊戲中是一個很嚴重的問題，越高的互動延遲會帶來較差的遊戲體驗並降低大眾對雲端遊戲的遊玩意願，互動延遲受限於伺服器和客戶端的節點距離，無法透過網路頻寬的增加而降低，3G網路的延遲相較於wifi以及有線的網路又更加嚴重，使得我們無法隨時隨地使用雲端遊戲服務，為了消除這樣的限制降低互動延遲是必須的。現今幾乎所有的行動裝置都配備了繪圖晶片，然而在目前得雲端遊戲服務中，繪圖晶片只被利用來顯示遊戲畫面串流的結果。在本篇論文中呈現了一套混合式雲端遊戲系統，將前景物體(可互動)與背景(非互動)分開，背景在雲端伺服器進行渲染，前景物體根據玩家的操作在客戶端渲染來降低互動延遲。每當玩家送出任意的控制訊號，背景會透過伺服器所送來的參照背景資訊利用三維影像捲繞的技術所得到，而前景物體會用客戶端的顯示晶片進行解耦渲染，來呈現出玩家控制後的影像結果，因此玩家不再需要等待漫長的網路傳輸時間就可以得到回應。在高網路延遲的環境下，相較於現今的雲端遊戲架構，本篇論文所提出的系統可將玩家進行高互動需求遊戲的遊戲平均意見分數從1提升到3.5。
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以40奈米CMOS製程實現的一個單通道非同步六位元每秒十二億次的連續漸近式類比數位轉換器被提出來。 此設計中，使用了一次兩位元轉換的技術。比較於先前一次兩位元轉換的連續漸近式類比數位轉換器，此架只用了三排電容陣列，以節省硬體及功耗。 這本作品，以單通道達到每秒十二億次的取樣頻率。為了降低比較器的偏移電壓，本設計使用了基板端電容的前景校正方式。 此晶片量測結果，使用了不同的電壓以測試類比數位轉換器最大的速度效能。此連續漸近式的類比數位轉換器在供應電壓為1伏時，可達到每秒十億次取樣，功耗為4.18毫瓦。操作在1.1伏時，可達每秒十二億次取樣功耗為6.24毫瓦。取樣頻率為每秒十億次時，最高的SNDR可達34.75dB。取樣頻率為每秒十二億次時，最高的SNDR可達34.66dB。全晶片的面積大小為0.39 mm2，而主動電路所占面積只有0.016 mm2。
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本論文將介紹一個利用時間域後級電壓放大取代傳統轉導放大器放大的管線式類比數位轉換器。隨著先進製程對時脈精確度的提升，利用電流充電電容技巧將電壓訊號線性轉換成時脈訊號。此種技巧的實現只需使用到類比開關、電流源、電容以及閾值偵測比較器就可以達到電壓放大的效果。相較於傳統利用轉導放大器的形式，除了可以省面積外，又可以避免功耗較大的轉導放大器以及類比電壓驅動電路的設計，達到更為省電的目標。 此技巧驗證於65nm CMOS GP製成。根據模擬結果，操作在100MHz之取樣頻率，Nyquist之輸入頻率下，其訊號雜訊失真比為54.74dB，有效位元為8.8位元，總功耗為3.9mW。效能品質( FoM )為88 fJ/C.S，主動電路所佔之面積為0.09mm2。
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本研究嘗試設計開發一種可應用於生理量測之壓電式微型觸覺感測模組，以利於對人體脈搏波形及脈搏波傳速度進行量測和分析。該模組主要利用壓電效應做為感測機制：當壓電材料受到外部應力時，會產生電位差變化，藉由量測上下電極間之電位差變化，即可瞭解施加在感測元件之外部應力變化。 感測元件以半導體製程製作，以矽晶圓或不鏽鋼做為基材，使用鋯鈦酸鉛(PZT)製作壓電層，而上、下電極分別由金和鉑製作。後端量測模組包含具有放大及濾波功能之信號處理電路，搭配美商國家儀器公司生產的資料擷取介面(DAQ)卡，將類比信號轉為數位信號傳送至筆記型電腦，最後以LabVIEW軟體進行相關量測計算和儲存。 本研究之壓電式微型觸覺感測模組共以兩種不同基材製作感測元件，分別為矽晶圓型感測元件和不鏽鋼型感測元件。對於一名26歲健康男性作脈搏量測，矽晶圓和不鏽鋼型感測元件皆可在橈骨動脈及頸動脈之搏動點量測出可辨別週期的波形。在脈搏波傳速度的量測上，以矽晶圓型為基板之感測器，在橈骨動脈量得之波速為5.33~2.28 m/s，在頸動脈為2~8 m/s。以不鏽鋼型為基板之感測器，在橈骨動脈量得之波速為1.6~0.37 m/s，在頸動脈為4~8 m/s。
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