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暫存器轉移階層硬體系統模型檢驗

模型檢驗（亦稱為屬性檢驗）是一種典型的方法用以正規地驗證一個硬體系 統。給定一個硬體系統與一組屬性，模型檢驗演算法將斷定該系統滿足以及不滿 足哪些屬性。然而隨著設計複雜度不斷地提高以及所需檢驗的屬性數量隨之增 加，模型檢驗的能力將因其本身的高複雜度而下降。 在這篇博士論文中我們發表了一個工具適用於暫存器轉移階層硬體系統的模 型檢驗。該工具包含了以下三個部分：正規模型、前端處理、以及模型檢驗。首 先正規模型將對一個複雜的暫存器轉移階層硬體系統進行解析與合成，最後將它 表示成一個文字階層的電路。其次，在前端處理中我們將該電路進行改寫以及重 新合成，並進一步從該電路的抽象層面抽取與所需檢驗之屬性相關的條件與恆真 屬性，以促進模型檢驗。在前端處理最後所需驗證之屬性都將被合成之後。在模 型檢驗階段，我們設計了一個組合式的模型檢驗器用以檢驗所有的屬性。特別的 是，各式各樣的屬性檢驗演算法將在第一時間互相分享彼此獲得的情報（例如： 已知最深的臨界，以及計算出可達到之範圍等等），以彌補單一演算法能力之不 足。我們採用了數個暫存器轉移階層的驗證問題作為實驗的對象，而實驗結果說 明了我們所提出的技術讓我們的驗證工具能夠有效地處理包含數千個屬性的複雜 模型檢驗問題。

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低溫基板黏接鍵合及其應用於光學微共振腔垂直耦合之研究

在此篇論文，我們嘗試以基板黏接鍵合的技術將三五族基板與矽基板整合在一起，並提出了在基板黏接鍵合的製程步驟中遇到的關鍵問題，這幾個關鍵步驟決定是否能使兩片基板成功鍵合並且讓上下方的光學元件能夠耦合，這才是我們基板鍵合最終的目的。 後來我們改變製程成功地以基板黏接鍵合之技術做出了氮化矽波導和氮化矽微碟共振腔的垂直結構，並探討波導和微共振腔之間的耦合現象。 8μm波導從和50μm(直徑)微碟共振腔橫向重疊2μm左右時開始會有耦合現象，一直到波導完整與共振腔重疊，這之間都會有耦合的現象，不過重疊的越多微碟共振腔會有高階模態產生，波導再往內時就與共振腔沒有耦合了。 這將使未來實驗室若要將基板鍵合應用在主動元件上，提供了可以參考的資訊。

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絕緣層上矽微環共振腔與波導耦合之製作與分析

基於本實驗室過去在製作微碟共振腔的經驗，本論文嘗試製作微環共振腔與波導耦合之結構，並使用絕緣層上矽基板。最終我們成功製作了微環共振腔與波導耦合之結構，並形成迴音廊模態且品值因子值達到9600。 在元件製程上遇到兩個問題，其一為在文獻多使用感應耦合電漿活性離子蝕刻機製作絕緣層上矽元件，而本所此機台並無配置可蝕刻矽材料的氣體；其二為電子束顯影曝光不足造成的缺口問題，最終我們都藉著參考文獻與進行測試成功的解決。 在波導與微環共振腔耦合的實驗量測，藉著自由頻譜範圍與微環直徑成反比的驗證，得到我們製造的結構成功耦合形成迴音廊模態，且品質因子值與直徑的關係也符合我們的預期。最後在元件應用的部分，以變溫和照光兩種方法進行測試。變溫實驗成功獲得波長的紅移，矽的熱光矽數也與文獻上的數值一致。照射綠光雷射實驗的結果雖然與預期不符，但以載子與熱對等效折射率的關係去推導，我們也找到了造成此現象的原因，證明了以綠光雷射照射的方式只能產生紅移的現象。

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傳統式與背電極式單晶矽太陽能電池製程與模擬

在本論文中，利用離子佈植方法形成P型射極以及N形背面電場而製成單晶矽N型太陽能電池。利用原子層沉積法(ALD)所成長的氧化鋁(Al2O3)作為表面射極的鈍化層，以及利用電漿輔助化學氣相沈積(PECVD)成長的氮化矽(SiNx)當作抗反射層，太陽能電池效率可以達到16%。更進一步的加入表面金字塔結構和背點電極所製作出的電池效率可以達到18% 以上。 指叉式背電極太陽能電池是一種能更進一步提升太陽能電池效率的結構。指叉式背電極太陽能電池可利用類似於傳統單晶矽太陽電池的製程製作，我們所製作出的指叉式背電極太陽能電池效率為7.8%。藉由Sentaurus TCAD 模擬軟體的幫助，我們可以找出影響太陽能電池效率的因子，在未來的製程中可以更進一步的提升電池效率。 薄型太陽電池是未來太陽能工業所發展的趨勢。在這篇論文中，藉由Sentaurus TCAD 模擬軟體探討了厚度對指叉式背電極太陽能電池效率的影響

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利用特徵值圖塊之人臉影像超解析度技術之演算法及硬體架構設計

在監視系統中，人臉的辨識總是最重要的目標。但可能因為監控攝影機的感光元件品質不好，或是影片經過壓縮的原因，總是只能記錄到畫質不好的人臉影像。為了要提高更高的人臉辨識率，我們需要有畫質更好的影片。為了要提升影像的畫質，我們可以換畫質更好的攝影機，或是改善影片的壓縮技術，但也可以使用人臉的超解析度技術，人臉的超解析度是一種將人臉圖片由低解析度還原成高解析度的演算法。總而言之，我們的目標是設計出一種表現更好的人臉超解析度演算法，相關的硬體設計也會一併在這本論文中討論。 我們提出了一種低運算複雜度的人臉超解析度演算法，我們將它稱之為特徵值圖塊之人臉超解析度演算法。它能提供有豐富細節，並且銳利的高解析度圖片，我們的演算法是結合了特徵值轉換及圖塊人臉超解析度的架構，它有兩個主要的貢獻，第一點是在圖塊上做特徵值轉換，提升了高解析度圖片的畫質，也降低了原先圖塊人臉超解析度演算法的複雜度。第二點是我們加入的影像對齊機制，在正常情況中，輸入的人臉圖片並不會跟資料庫圖片對得很齊，這些些微的不對齊，會導致結果圖片的畫質降低，甚至會出現一些假影。我們的對齊機制會自動在低解析度的資料庫開一個搜尋空間，在這個搜尋空間中尋找最佳的對齊位置。在實驗結果中，也顯示出我們的演算法有比其他演算法較好的表現。 隨著安控系統的蓬勃發展，監控攝影機的畫質也扮演著日漸重要的角色，由影片中截取出的人臉，更顯示出其重要性，太低畫質的監控影片，截取出來也可能因為畫質的不足，而造成人臉辨識上的困難，相對的，也失去了監控攝影機原本應有的功用。 若要提升監控攝影機的畫質，有兩類方法可以達成這個目標。首先，最直接的就是提升攝影機內部的感光元件，可以直接達到影片的畫質提升；但相對的，攝影機的成本也跟著提高，影片所需的儲存空間，也會隨著畫質的提升，一併的增加，因此，改進感光元件的作法，在實行上，有一定的困難性。另外一類的作法，是利用一些超解析度演算法，來提升影片的解析度，以提升人臉辨識的準確率，這類方法的好處是，所須成本較提升感光元件少，攝影機的品質不用提升；缺點是影片的畫質可以提升的多少，完全取決於超解析度演算法的好壞。 因此，我們提出了一套針對人臉照片的超解析度演算法，除了可以大幅提升人臉影像的畫質外，我們也考慮了輸入的低解析度人臉圖片，與資料庫圖片無法完美對準的問題，所以在演算法中加入的一個簡單的對齊機制，讓演算法能自己找出最好的對準位置。我們的人臉超解析度演算法是結合特徵值及位置圖塊人臉超解析度演算法的架構，利用了圖塊能保留人臉特徵的特性，我們的特徵值圖塊能提供更佳的表現，這點可以從峰值信噪比及結構相性的評比中得到證明。 在硬體設計上，我們也簡化了原本演算法，將對齊機制移動到一個較早的位置，就不需要去還原所有不同對齊位置的圖片，只要去還原最佳對齊位置的圖片就好了，這新的架構使頻寬能夠大幅降低；我們也探討了資料庫圖片張數，對結果圖片品質的影響，讓我們可以減少資料庫圖片的數量，進而再降低頻寬。最後，我們的硬體能在輸入圖片大小為30 X 25時，每秒30張圖的情況下，達到四倍放大的效果。

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具有溫度補償的毫微功耗振盪器之設計

這篇論文的主題主要分為兩個部分，第一個部分是設計一個低於微瓦且低溫度係數的弛張振盪器。此電路運用電晶體工作在次臨界區，電流模式的比較器以及汲取電流式反向器來減少消耗的功率，且利用不同閘極氧化層厚度的電晶體來實做低溫度係數的電流源，再以曲度電流源和分段式電流源補償使得振盪器有低溫度係數。在0.18-μm CMOS 的製程中，實現了振盪頻率為1.1MHz 的振盪器，在1.2 伏特供給電壓的操作下，振盪器消耗功率為420nW，在-20~80°C 平均的量測溫度係數為49.7ppm/°C 計算的第一優值、第二優值和第三優值分別為124.2dB、-136.7dB 和101dB。 第二部分則是以主動電組取代弛張振盪器中被動電組的使用，使得操作在低於微瓦的弛張振盪器可以小布局面積實現。在此電路中，我們以正比於絕對溫度與反比於絕對溫度的電流源實現參考電流源，且利用不同閘極氧化層厚度的電晶體來實做電壓產生器，再以分段式曲度電流源補償來減少振盪器溫度的變異。1.6MHz 的振盪器，在1 伏特供給電壓的操作下，振盪器消耗功率為631nW，在-20~80°C 平均的量測溫度係數為66ppm/°C 計算的第一優值、第二優值和第三優值分別為124.1dB、-155.2dB 和114dB。

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應用在高速低功耗裝置之九十微米製程類比至數位轉換器之設計

管線式類比數位至轉換器和逐漸趨近式類比至數位轉換器已被廣泛地使用在中高解析度且高速的通訊系統中。在本論文中提出了兩個應用於類比數位轉換器的電路設計技術，其中包括管線式類比數位至轉換器和逐漸趨近式類比至數位轉換器，並且透過實際的晶片下線和量測驗證，證實所提出之電路設計技術可以有效提升電路的操作速度，所提出的電路設計技術及晶片實作成果簡述如下： 第一個技術為擁有快速校正技術的管線式類比數位至轉換器，一個高速低功耗的十位元每秒兩億次取樣的管線式類比數位至轉換器，此技術可以利用非常少的高次項校正硬體有效降低百分之五十的校正時間並且不改變通訊系統的設計而達到高解析度、低功耗和高速的類比至數位轉換器。然而，採用1.5位元架構達到高速和降低功耗的設計。此外，提出的校正方法不僅提升了解析度也有效降低運算放大器的增益和頻寬的需求。 本次設計的一個高速低功耗的十位元每秒兩億次取樣的管線式類比數位至轉換器在90微米互補式金氧半電晶體製程下製作，根據量測的結果，本晶片在10MS/s的取樣頻率下，對於1MHz的輸入頻率下SNDR為51dB，SFDR為64.5dB。當時脈升至100MS/s時，SNDR及SFDR分別降為46.7dB及61.6dB。當時脈升至200MS/s時，SNDR及SFDR分別降為46B及60.8dB。電路的消耗功率為20.4mW。 第二個技術為一個九位元操作在每秒一億次取樣的每階段兩位元逐漸趨近式類比至數位轉換器，然而此技術在沒有消耗多餘的功率下有效地增進了操作速度使得逐漸趨近式類比至數位轉換器成為一個高速、低功耗且小面積的類比至數位轉換器。如我們所知，比較器只有高和低兩種結果，所以我們預先準備兩種電壓選擇，因為如此，每一輪比較可以決定兩個位元而不是傳統的一個位元。相較於使用傳統架構的逐漸趨近式類比至數位轉換器，操作速度提升了將近百分之七十，且相較於時間交錯式逐漸趨近式類比至數位轉換器，總取樣電容可以減少百分之二十五。 本次提出的一個九位元每秒一億次取樣的每階段兩位元逐漸趨近式類比至數位轉換器在90微米互補式金氧半電晶體製程下製作，根據量測的結果，本晶片在50MS/s的取樣頻率下，對於20MHz的輸入頻率下ENOB和SFDR為6.77和44.71dB。本晶片在50MS/s的取樣頻率下，當時脈為100MS/s對於20MHz的輸入頻率時，ENOB和SFDR為6.05和45.86dB。在100MS/s的操作頻率之下，電路的消耗功率為2.4mW。

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使用CMOS製程內含線性時脈資料回復電路之56-Gbps PAM4接收機

本論文中實現一帶有時脈資料回復功能的四進位脈衝振幅調變接收器。其中的時脈資料回復架構為全速率線性時脈資料回復，以往多半應用於二進位資料流如反相不歸零制。本實驗證明了相同架構亦可適用於四進位脈衝振幅調變。這意味著所有現存內含這種時脈資料回復架構的接收器，可以在簡單修改後將傳輸輸率提升為兩倍。本接收器由65奈米互補式金氧半製程製作，可以接收經由15公厘rogers電路板通道的56 Gb/s訊號。回復時脈的方均根抖動小於400 fs，而誤碼率則小於10^-12。

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適用於超音波系統之低複雜度波束成像引擎演算法及架構設計

超音波影像（ultrasonic imaging）系統可以提供生理組織，血流等診療資訊。相比於其他醫用影像系統如Ｘ光、電腦斷層掃描和核磁共振成像等，超音波影像系統具有低成本、非侵入性（non-invasiveness）、無放射性、高顯像速率（Frame Rate）以及可攜式等特性，所以是一種被廣泛使用的造影方式。隨著VLSI及製程技術的演進，可攜式超音波影像系統在近十幾年來逐漸成為重要的趨勢，提升病患就診方便性也降低病患的痛苦；此外，可攜式系統在緊急救護上更扮演著不可或缺的重要角色，能大幅度的提升存活率。 目前，超音波系統中最主要的應用為波束成型(beamforming)技術，用以產生B模式(B mode)成像以表達接受訊號的功率強度而形成生理組織影像。由於超音波的自然特性，波束成像對於接收訊號而言，相當重要。其中，最重要且也最古老的波束成像方法即是利用延遲和加總(delay-and-sum)將收集到的訊號作整理以及凝聚。由於傳統的波束成像方法產生的影像其影像解析度並不理想，因此可適性最小變異無失真響應(minimum variance distortionless response, MVDR/MV) 演算法近年來被廣泛的應用在醫療領域上來提升波束成像的影像品質。但是可適性權重演算法的高計算複雜度使得其演算法很難用在超音波系統上，所以如何設計出低複雜度的可適性權重演算法變成一個重要的研究趨勢。 波束成像方法可概括分類為真實孔徑（Real Aperture）以及合成孔徑（Synthetic Aperture）。相較起真實孔徑，合成孔徑擁有較低的複雜度和成本，因此適用於可攜式高速超音波成像系統。雖然合成孔徑擁有上述特性，但由於合成孔徑的輸出影像是疊加處理多次探頭激發的影像資料而成，所以若是在合成孔徑成像的過程中目標物體有位移現象，會在影像資料間產生非同調現象（Inhomogeneous）。在正常診療情況下，受測者可藉由短時間閉氣而減少位移現象，或是經由現存的離線（Off-line）系統位移補償演算法來進行修正。然而當應用在救護車，戰場或是孩童身上時，位移現象(motion artifact)將會難以避免而影響影像品質甚鉅。 本論文的研究主題主要有三個部分，第一部分首先針對用於可適性權重的演算法提出改進，利用超音波信號在計算MV時所需的樣本共變異數矩陣(sample covariance matrix, SCM)具有空間穩定(spatial stationarity)的特性，提出一個近似樣本共變異數矩陣(Approximate SCM)。接著再使用矩陣求逆引理(matrix inverse lemma)來推導出一個不用直接使用反矩陣的MV公式來降低傳統計算MV的計算量。相較於目前文獻可維持相近的影像品質卻可以大幅降低MV計算量從O(L3)到O(L)。在本論文的第二部分中，對於合成孔徑成像有非同調現象的產生提出一個即時二維位移補償演算法。此演算法運用合成發射孔徑的空間特性來估計位移量，大幅降低其運算複雜度，並讓系統產生高品質的影像。本論文的第三部分以硬體實現二維位移補償演算法的演算法架構，並提出一個適用於線性陣列(linear array)的低複雜度延遲加總 (delay-and-sum)架構。所提出的波束成像引擎可達到即時成像，畫面更新率為42 fps (frames per second)。

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針對時序重置與重新合成之循序電路等效驗證問題所提出之改良式性質導向可達度技術

循序電路等效驗證是一個在應用上重要且實際的問題。過去，等效驗證通常被當成一般的性質驗證問題處理，或者是藉由找到一組可用歸納法證明的等效訊號來解決，然而，無論採用哪一種方式，在解決循序電路等效驗證問題上都會遇到很多困難之處。在這篇論文裡，我們研究了一些相關的技術並且提出一個混和性的驗證方法，這個方法在使用一般的性質驗證技術的同時，考量了電路中等效的訊號，是結合兩種不同的做法改良式版本。