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適用於溫度感知三維晶片內網路的基於熱預算環狀路由演算法和架構設計

本篇論文針對熱感知三維晶片內網路交通與溫度上的不均所導致的效能降低問題，提出基於熱預算環狀主動式路由演算法，並藉此減少被節流的路由器與提升晶片內網路之吞吐量。傳統上，我們採取最小路徑可適性路由演算法以滿足高速率的傳送。然而，最小路徑路由演算法造成網路上不平衡的工作負載量，使得溫度分布更加嚴峻。此外，因為可適性路由演算法用交通的資訊來作為選擇路徑的依據，在沒有溫度的資訊下這樣的演算法會將封包送到潛在的過熱區，導致系統容易形成熱點，進而造成嚴重的效能下降。 本篇論文利用溫度資訊來設計一個溫度感知的路徑選擇標準，來根據溫度狀況去控制路由行為，主動式的管理晶片內的溫度分布。 ”熱預算” 藉由計算現在溫度與臨界溫度的差距，和未來一段時間的溫度消耗率，用以表示路由器的溫度狀態。我們所提出的演算法會根據比較鄰近路由器的”熱預算”，將較多的封包傳往溫度比較低的路徑。因此，藉由溫度狀態來傳封包的方式將使得溫度分布更加均衡。根據實驗結果，我們提出的演算法能有效地減少25.56%~89.95%的被節流路由器的數量，並有效地增加系統約15.04%~19.87%的吞吐量。除此之外，也完成了此演算法的路由器與網路介面硬體架構設計及電路合成。綜合系統效能以及硬體成本進行分析，所提出的演算法和過去相關成果相比，在面積效能比上有最佳的表現。在同樣的面積底下，可得到1.7倍的效能提升。

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適用於晶片網路系統的蟻群最佳化之錯誤感知路由演算法和架構設計

本篇論文提出一應用於晶片上網路之錯誤感知路由演算法，用以容忍晶片上發生之錯誤，並在此環境中提升晶片上網路之吞吐量並降低整體之網路延遲，進而提高網路效能。此演算法是基於“蟻群最佳化演算法”與“蟻群錯誤容忍行為”的概念來進行設計，藉此提升網路封包傳遞效率與錯誤容忍能力。“蟻群最佳化演算法”是由真實世界中之蟻群行為所啟發的最佳化演算法，而過去文獻中基於此演算法所開發出的網路路由演算法已被證實在分散網路流量方面有較高的能力。而“蟻群錯誤容忍行為”是當蟻群遭遇突發障礙擋住行進路徑時所因應的行為，可分為三個步驟─遭遇、找尋、選擇。 本篇論文應用了“蟻群最佳化演算法”的概念，藉由費洛蒙資訊來提供時間軸上的歷史網路資訊，並且進一步結合了“蟻群錯誤容忍行為”的概念，提出三個與蟻群行為相對應的機制來增強傳統之路由演算法，使得各個路由器具有錯誤容忍之能力。根據實驗結果，本論文提出的演算法能有效地增加網路效能，以及提升網路容錯能力。除此之外，也完成了此演算法的路由器硬體架構設計及電路合成。綜合系統效能以及硬體成本進行分析，數據顯示本論文所提出之演算法在網路效能上有46.0%之改進，而在面積效率上也有最佳之表現。

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利用立體相機之三維互動使用者介面之演算法與硬體架構設計

在今日生活中，數位視頻技術扮演重要腳色。隨著顯示器科技的演進，顯示器能提供給人們越來越好的觀賞品質。立體顯示器比起傳統平面顯示器給使用者提供了更佳的觀賞經驗。立體影像技術在許多應用下豐富了這些應用中的內容，比方說電視廣播、電影、遊戲、攝影、教育…等。在現今立體影像已是如此真實的情況下，人們不會只滿足於觀賞立體影片。使用者會想要和如此逼真的立體虛擬影像有所接觸互動，比方說丟擲、觸摸、推…等。 在這篇論文中，我們提出了利用雙眼相機來進行「虛擬觸碰」互動的概念。目前一般的互動方式為使用者在電視或裝置前面來比出特定手勢或是一些身體姿勢，接著系統判斷出為哪種姿勢後便會將相對應的反應表現出來。此類的研究數量已經相當多，而且我們認為它的功能更像是取代遙控器而已。在現今立體影像已是如此真實的情況下，人們不會只滿足於觀賞立體影片。使用者會想要和如此逼真的立體虛擬影像有所接觸互動，比方說丟擲、觸摸、推…等。我們提出了一個基於雙眼相機的立體互動使用者介面，此介面能偵測使用者距離以及手部距離。當使用者手部距離與立體虛擬物件在空間座標位置到達一致時，此系統則判斷使用者達成了虛擬觸碰的條件，接著辨別使用者的操作來給出相對應虛擬觸碰的反應。立體互動使用者介面分成兩部分來探討:免校正使用者距離估計以及利用信心傳遞法來進行手部三維空間定位。 免校正使用者距離偵測是立體互動使用者介面的第一步。主要的概念就是將使用者視為一個物體，利用雙眼相機拍攝到的左圖及右圖，計算出代表使用者的視差。最後，利用這個視差便能算出使用者距離。 利用信心傳遞法來進行手部三維空間定位是立體互動使用者介面的另一部分。當我們只有使用者距離的資訊時，我們只能做一些相當簡單的互動。由於手是人類與機器最直觀也最有效的互動方式，系統必須取得手部三維空間定位，如此使用者才能進行更複雜或是精確的互動。我們利用深度以及彩色影像的資訊來達到手部三維空間定位以及一些簡單手勢的判別。 我們也提出了一個三階管線硬體架構，實現結果表明了此架構能在操作頻率200Mhz輸入左右影像皆為1080p時達到30fps之即時速度。

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製備具有奈米結構背反射層之微晶矽太陽能電池 與微晶矽非晶矽太陽能疊電池

在本論文中，首先探討使用熱線化學氣相沉積法成長之非晶矽與微晶矽薄膜的結構、光學及電學特性以選擇適當的成長參數來製作太陽能電池。接著以此參數製作出非晶矽太陽能電池；並製作出微晶矽太陽能電池，為了藉由光線散射來增加光線路徑長度，研究並使用了六方最密排列之銀奈米結構作為背反射層，此奈米結構太陽能電池與平坦太陽能電池比較，可提升約25%之轉換效率及39%之短路電流。最後比較非晶矽太陽能電池與微晶矽太陽能電池的電流電壓特性與外部量子效率，並為了獲得更高的開路電壓及較寬的光吸收頻譜而製作了非晶矽微晶矽堆疊結構的太陽能電池。最佳參數下的堆疊太陽能電池之開路電壓達到0.865伏特，光轉換效率為2.26%。

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內建特徵化一位元管線式類比數位轉換器的方法

本文提供一種對一位元管線式類比數位轉換器 ( Analog to Digital Converter ) 自我特徵化 ( self-characterization ) 的方法, 這個方法可以將轉換器每一級的電容不匹配比值和比較器的補償電壓這兩種主要的非理想參數數值化。 藉由加入本文所提出的測試電路把鄰近的兩級電路形成一個迴路, 接下來使用直流電壓作為輸入電壓並執行迴路測試 ( loop test ) , 然後記錄從開始測試到比較器狀態改變的時間長度, 最後透過該時間長度、自訂的輸入電壓和截止電壓推導出非理想參數。 本文使用數值模擬的方式去驗證該方法的正確性和精確度。

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有機發光二極體之可靠度研究

近年來，大家都聚焦在有機發光二極體元件在照明和顯示科技上的應用，但是藍光磷光有機發光二極體元件仍有一些問題需要克服，像是色彩的飽和度以及元件的可靠度。 在本論文中，我們針對各種可能影響藍光磷光有機發光二極體壽命的因素做一系列有系統的探討。首先，使用一種新穎的電洞注入材製作藍光磷光有機發光二極體元件，比較有無此材料對於元件效率和壽命的影響。接著，使用新穎的藍光磷光主體材料，製作藍光磷光元件來做效率和壽命上的比較。最後，因為有機發光二極體是多層異質接面的元件，在層與層之間如果有過大的能階差，很可能造成電子和電洞的累積及消光淬熄。所以最後我們製做了各種不同能階匹配條件的藍光磷光元件，去比較其效率與壽命上的差異。

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大面積石墨烯薄膜應用於光電元件之特性研究

近年來由單層碳原子組成的石墨烯薄膜，由於其優異的電學和光學性質，引起重大關注。石墨烯具有高電子和電洞遷移率，高透明性和高穩固性。因此，與其他常用的導電材料相比，比如鎳金合金和銦錫氧化物，石墨烯同時提供了低成本和高透明度的優點，因此被認為是一種很有潛力的導電材料。在本論文中，結合跨領域的知識及新穎的石墨烯材料，我們探討石墨烯於光電元件之潛在應用，其科學成就的亮點，簡要介紹如下。 1. 石墨烯/二氧化矽/氮化鎵 金氧半結構電致調變光發射器 在此研究中，透過石墨烯優異的透明性和導電性，我們利用新設計的金屬/絕緣體/半導體結構，使得發光二極體具有電致調變發光性質。在實驗中，電子和電洞的穿隧現象可以分別解釋所觀察到的在正向和反向偏壓下的電致調變發光頻譜。此類新型金氧半結構展現出一種新概念的石墨烯薄膜應用，並有助於發展應用於光通訊系統的低成本發光元件。此外，使用石墨烯作為一種多用途的電極可以使得電晶體和記憶體與發光元件整合成一個全新的主動式元件，並開闢一個新的研究領域。 2. 金氧半結構雙穩態光記憶體 在傳統的記憶體中，讀取的程序只能以序列方式進行。在此研究中，我們發展一新型的雙穩態光記憶體。相對於利用電學方式，透過光學方式讀取記憶體資料，可以平行地提供資料讀出以及實現高速數據頻寬。雙穩態光記憶體的實現，是利用我們之前開發的金屬/絕緣體/半導體的發光二極體與以二氧化矽為基礎的記體體元件結合而成。當高於一定電壓時，雙穩態光記憶體呈現導通，從高電阻狀態切換到低電阻狀態，其切換機制是由於金屬絲於二氧化矽內的形成，改變元件電阻。同時，調整電阻狀態，可以簡單地控制發光強度，達到光記憶體的效果。在實驗中，電流的穿隧現象可以解釋所觀察的雙穩態電致發光頻譜。基於發光二極體和記憶體的融合，我們的成果，除了展現兩類型元件的整合之外，更有益於光通信，新型記憶體和顯示面板的發展，此類新開發的光記憶體，具有結構簡單容易的製造技術，更集成了多種複合材料的優點，相信在實際應用中是非常有用的。 3. 利用化學摻雜改善石墨烯導電度以增加太陽能電池的光電流 我們利用化學方式摻雜石墨烯形成p型石墨烯並轉印在單晶矽太陽能電池表面，發現太陽能電池的功率轉換效率顯著地提升。在本實驗中，我們利用恆定氯化金溶液濃度摻雜石墨烯薄膜，以不同的摻雜時間作為變數觀察太陽能電池的功率轉換效率變化，另外，透過太陽能電池的電流特性以及外部量子效率可以發現p型石墨烯可以幫助收集光生載子和提高短路電流，展現此類p型石墨烯的可靠度以及其應用價值。 4. 利用摻雜石墨烯產生載子反射以及背面電場 展示了石墨烯以及摻雜石墨烯做為電極的應用後，我們發現摻雜石墨烯可以減少太陽能電池的載子復合損失。在實驗中， 於p型半導體和背面金屬接觸的介面插入重摻雜的p型石墨烯。p型石墨烯不僅可以產生背面電場和加速電洞傳輸，有助於收集的光生電洞，也可誘發p型石墨烯和半導體之間的導電帶能階差異作為光生電子反射層。我們利用此一背面電場概念增強奈米脊狀氧化鋅/矽光探測器響應率和單晶矽太陽能電池功率轉換效率。

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時空撓率理論中的轉動與自旋

在研究時空中粒子的軌跡線匯的渦度向量與陀螺儀進動的關係中, 我們計算了在 Godel, Kerr, Lewis, Schwarzschild, 以及 Minkowski 度規中的渦度向量, 我們在每個時空中找出了特定的觀測者, 其渦度向量即為該時空中相應的陀螺儀進動角速度.此外, 在考慮該時空中撓率的情況下, 適當的選擇與撓率成正比的常數會使得觀測者的渦度大小不變但方向相反. 這個現象也同時發生在由Mathisson-Papapetrou 方程近似得到的 gravitational Stern-Gerlach force 中, 非常類似於量子力學中自旋的正負螺旋性質. 暗示了在古典的框架下, 考慮時空撓率將會出現類比於量子自旋的特性.

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應用於電力線通訊系統之管線式類比數位轉換器

管線式類比至數位轉換器一般被認為具有高速以及中高解析度的特性，並且被廣泛的應用於音訊處理、數位影像處理、影像壓縮以及通訊系統中。在本論文中提出了兩個使用不同架構，使用1.2伏特做為電源供應電壓的十位元管線式類比至數位轉換器，並且藉由台積電90奈米1P9M製程製造與量測。 　　為了達到高速的運算，我們在第一顆晶片使用每級解出1.5個位元的架構。運算放大器共享技巧被用來運算級中的放大器數目以降低功率損耗。除此之外，為了有效的降低後面運算級中放大器的增益以及頻寬規格，動態輸入範圍加倍的技巧也被運用在本晶片當中。在第二顆晶片中我們所使用的是每級解出2.5個位元的架構。為了達到取樣頻率200MS/s，我們將前端取樣與維持電路以及第一個使用動態輸入範圍加倍技巧的運算級合併成第一級的運算級。運算放大器共享技巧也被應用在本次設計當中用以降低功率損耗。最後，我們所設計的第一顆晶片也被應用在電力線通訊系統的類比前端電路當中。 　　在第一顆晶片的量測當中，其SNDR、SFDR以及ENOB分別為43.52dB，55.01dB以及6.94bit在取樣頻率以及輸入頻率分別為200MS/s以及1MHz之下，功率損耗是51.2毫瓦以及性能係數為2.08pJ/convstep。在第二顆晶片的量測中，其SNDR、SFDR以及ENOB分別為35.06dB，45.34dB以及5.53bit在取樣頻率以及輸入頻率分別為180MS/s以及1MHz之下，功率損耗是37.2毫瓦以及性能係數為4.47pJ/convstep

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一個應用於電力線通訊系統之10位元 動態元件匹配技術電流引導式數位類比轉換器

本論文提出一個適用於高解析度通訊系統的十位元數位類比轉換器。此數位類比轉換器應用於電力線通訊之類比前端接收發器中的傳送器，並達到電力線網路聯盟之最新規格(HomePlug AV2)。 為了改善靜態表現，本論文使用6 (thermometer-coded)-4 (binary-weighted)分段分時的編碼架構來達到良好匹配同時降低資料轉換時的突波。此外，我們亦使用四象限對稱方式來完成電流源陣列的設計；並加入假電晶體於陣列邊緣，降低位於陣列中心與邊緣之電流源間的誤差。針對動態表現方面，我們使用動態元件匹配技術[7][11][12]來提升線性度。 本晶片使用台積電90奈米互補式金氧半製程，晶片主動區域面積約0.35mm2。數位電路的電壓供應為1.2V，類比電路的電壓供給為1.2-V。最大的積分非線性誤差(INL)為-0.57LSB，最大的微分非線性誤差(DNL)為-0.44LSB。無雜散動態範圍(SFDR)在400MS/s之Nyquist取樣下為45dB。整體功率消耗為25.42mW。