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應用於立體匹配演算法之稀疏感知卷積神經網路加速器

人類對於擴增實境頭戴式顯示器與自主移動機器人的需求不斷的增加，其中，為了預測深度，立體匹配是在這些應用中很重要的部分。除了準確度以外，高運算效率及高能源效率也是在有限資源下設計立體匹配加速器需要被考慮的重要部分。 在本論文中，我們提出了一個應用於立體匹配演算法之稀疏感知卷積神經網路加速器，我們的硬體架構設計的特色包括一個四層的記憶體映像階層及一條正向傳輸路徑，前者能夠有效率的支援在高稀疏度的立體匹配演算法中常見的運算，後者能夠支援稀疏感知跳躍連接，並減少動態隨機存取記憶體訪問次數。 我們的架構可以在 960×540 的解析度下提供每秒6.9幀的深度預測，與稠密加速器及最先進的稀疏感知加速器相比，分別有15及1.63倍的加速。另外，此架構相較於最先進的稀疏感知加速器可以減少53% 動態隨機存取記憶體訪問次數。

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在CMOS製程之應用於5G通訊之低功率與高線性度、高解析度Ka頻段切換式功率偵測系統

本論文主要研究行動通訊毫米波頻段的功率偵測系統，操作頻率為Ka頻段，以28 GHz作為系統的中心頻率，符合毫米波第五代通訊系統，應用於多輸入多輸出陣列天線的校正上，本論文將會提出兩顆晶片分別為低功耗功率偵測系統以及自動功率偵測系統，為了增加功率偵測系統的動態範圍，晶片中使用可切換變壓器與數位可變增益放大器架構使功率偵測系統有四種不同的轉移曲線。 本論文第一顆晶片先提出28 GHz低功耗之可切換功率偵測系統，使用TSMC 90 nm CMOS製程實現，設計過程中加入了電流再利用技術與雙變壓器耦合使放大器能於低功耗時產生足夠的增益，並採用可切換式變壓器，透過開關控制轉移曲線平移，提高靈敏度，於28 GHz下量測所得的功率偵測範圍為-42 dBm ~ 6 dBm，動態範圍為48 dB，靈敏度為25 mV/ dB以上，靜態功耗為10.8 mW。 第二顆晶片則提出28 GHz 具高線性度與高解析度自動切換功率偵測系統，使用TSMC 180 nm CMOS製程實現，採用改良史密特觸發器，可依輸入功率自動切換，數位可變增益放大器讓不同模式下的轉移曲線維持相同的線性度，於28 GHz下量測所得的功率偵測範圍為-39 dBm ~ 7 dBm，動態範圍為46 dB，靈敏度為40 mV/ dB以上，靜態直流功耗為36 mW。 最終本論文的晶片達成MIMO天線校正的規格，且能應用於家裡環境的5米距離，並能對陣列天線的波束場型有著更快速的校正，帶來極大的貢獻。

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非同步時脈之以零點交越偵測器為基礎的增量型三角積分類比數位轉換器的分析與設計

增量型三角積分調變器適合應用於逐個樣本採樣之應用，舉凡測量儀器、感測器皆為其應用範圍。這些應用通常需要高精準度、低功耗之規格。 傳統增量型三角積分調變器之積分器實現方式，會使用一個具高增益且有頻寬需求之開迴路放大器，去實現一閉迴路之高精準積分器。然而，放大器會以最差之狀況去設計頻寬，導致短積分時間需求之週期於積分完成後進入穩定狀 態，需等到下一個由時脈產生器產生之週期性時脈來臨時，才能驅使下一個週期繼續進行，如此便造成放大器穩態時的功率消耗與許多時間的浪費。 本篇論文提出一非同步週期之增量型三角積分調變器。積分器以一連續時間之比較器與一電流源實現，能在一周期積分完成後，立刻觸發下一周期的進行，並於一次完整採樣轉換週期結束後將電路完整關閉，達到快速及省電的效果。 本晶片採用聯電二八奈米互補式金屬氧化物半導體1P7M製程。本晶片轉換率為每秒40次採樣，並於二十赫茲之有效頻寬下得到71 dB之訊號雜訊失真比。在1.8伏特之電源供應下總共消耗141.1奈瓦。晶片的核心面積小於0.105平方毫米。

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一具有高輸出頻率範圍應用於連續頻率調變波雷達之三階頻率合成器

本篇論文提出一個5 GHz頻率調變連續波(Frequency-Modulated Con-tinuous Wave)訊號產生器。所提出之電路主要目標為在低中心頻率時產生更大的頻率調變範圍(Modulation Range)，如此能在相同調變範圍下大幅降低功耗。採用以小數型鎖相迴路(Fractional-N Phase-locked Loop)為主的頻率合成器作為訊號產生器，此頻率合成器能以5 GHz為中心頻率調變700MHz(13.6%)的頻率範圍。一可變換極性之三階鎖相迴路(Type-3 PLL)被應用在本架構中，可有效改善在頻率轉折點和頻帶切換點的線性度。除此之外三階的架構亦可打破迴路頻寬對調變速度的限制。本論文提出透過切換頻帶控制電路(Switching Band Control circuit)和多組可變電容之LC壓控振盪器(Multi-varactor LC Voltage Control Oscillator)的組合來有效地提高輸出頻率的調變範圍，使頻率調變連續波雷達在距離的量測上能達到更高的準確度。本架構以台積電四十奈米互補式金氧半製程實現，所提出的頻率調變連續波訊號產生器總面積為1.96平方毫米而功耗則為3.2毫瓦。在鎖相迴路模式以5GHz為中心頻率，在相對於主頻率1 MHz的位置下所量測到的相位雜訊為-110 dBc/Hz。在頻率調變連續波模式以2.3 ms為週期調變700MHz的頻率下量測到的頻率誤差方均根值為625 kHz。

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分子束磊晶成長鉍薄膜的電特性與熱退火效應

本論文利用分子束磊晶(Molecular beam epitaxy, MBE)的技術將不同厚度的鉍薄膜成長於輕摻雜P型矽(111)基板上並用高解析X 射線繞射儀(HRXRD)進行量測及分析。將鉍薄膜於150°C 的溫度在10-8 torr的高真空環境下以不同的加熱時間退火，並以電子背向散射繞射(EBSD)、室溫霍爾量測，以及傳輸線模型量測進行量測分析。 在厚度約80nm的鉍薄膜中，我們藉由EBSD量測結果發現經過熱退火後在側向沿著(10-10)及(01-10)晶面方向成長的兩種攣晶比例將重新分布，從約1：1轉變為約1：2，且薄膜結晶性也由於熱處理有所改善。以雙帶傳輸模型(two-band transport model)擬合室溫霍爾量測的實驗數據後，發現鉍薄膜在經過150°C、24小時的退火後由於非等向散射減少能讓載子遷移率增加12%，而材料缺陷密度下降使載子濃度減少30%。另外藉由文獻參考值以及我們模擬數值所計算出的載子平均自由徑能看見顯著的表面散射效應(Surface scattering effect)。 而對厚度約12nm的鉍薄膜進行熱處理後我們發現材料結構的轉變和80nm的樣品有相同的趨勢，除此之外12nm的樣品由於初始晶粒尺寸較小，在加熱後有晶粒成長的現象，經過150°C、60分鐘的退火後晶粒增大至兩倍以上。於室溫量測傳輸線模型後，發現鉍薄膜在熱處理後由於非等向散射、邊界散射的減少能讓鉍薄膜電阻率下降約40%。

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應用於雷射二極體波長穩定系統之低雜訊及低功耗轉阻放大器

摘要 本論文提出了應用於雷射二極體波長穩定系統之低雜訊及低功耗轉阻放大器(TIA)，此系統目的為追蹤並且穩定雷射二極體中心波長，而雷射二極體中心波長會隨溫度而改變，然而溫度變化速度較慢，因此系統操作頻率為 1KHz，為一低頻系統。在轉阻放大器的電路架構上採用了積分器串接微分器的方式降低電路雜訊以及獲得平坦的頻率響應，並且利用直流電流消除模組(DC Current Removal Block)來避免輸入直流電流使第一級積分器電路飽和，同時也增強了電路的穩定性。此外將積分器電路中第一級的輸出端接至直流電流消除模組，並且感測積分器電路的正端輸入電壓以當成參考值來設置負端輸入電壓。為了驗證所設計之轉阻放大器能夠與本論文第四章所介紹之雷射二極體波長穩定系統相容，在本論文中對電路以及系統做了系統行為模擬，以確保所設計之規格適用於系統之中。 本論文所提出之電路在 TSMC 0.18um 製程下完成實作，實際量測結果顯示，此轉阻放大器增益為 119.9 dBΩ，頻寬則是 135 kHZ，輸入電流變化範圍最大可到0.8 uA，電路的上升/下降時間約為 60 us，當頻率點在 1 kHZ 時等效輸入電流雜訊為0.598 pA/sqrt(Hz)，在供應電壓為3.3 伏特的情況下消耗功率為0.224 mW。包含PAD 的晶片面積為 1.33mm2。 關鍵詞:轉阻放大器、低功耗、低雜訊、雷射二極體波長穩定系統、直流電流消除模組、低頻、低速、電流轉電壓、感測。

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InP/InGaAsP/InGaAs雪崩光電二極體之TCAD模擬、護環效應與暗電流分析

光偵測器的關鍵特性就在於其足夠小的暗電流與光電流增益。對於前者，我們需要了解暗電流成因以設計足夠小暗電流的元件。對於後者，由於SAGCM平面結構之雪崩光電二極體很可能發生邊緣崩潰，降低元件增益。因此，我們需要設計護環（Guard ring）以抑制邊緣崩潰。 為了研究雪崩光電二極體之暗電流成因，本研究首先藉由推演其暗電流成因理論，包括能帶穿隧效應（band-to-band tunneling）與缺陷輔助穿隧效應（trap-assisted tunneling），研究其理論參數之物理意義。並推導出能用以擬合Hurkx缺陷輔助穿隧模型的擬合公式，以了解暗電流成因。接著再藉由半導體工藝模擬軟體（Sentaurus TCAD）建立其物理模型以設計具有最小暗電流之磊晶結構。最後，我們設計了多種護環結構以研究護環效應，包括與中央區接觸的側護環（Attached Guard Ring，AGR），以及不與其接觸的懸護環（Floating Guard Ring，FGR）。 藉由樣品分析，我們發現擴散開口越大者，鋅擴散越淺。較深的側護環元件，有著較大的元件增益與崩潰電壓，也就越能抑制邊緣崩潰。懸護環離側護環越近，增益越小，越無法抑制邊緣崩潰。我們也分析了部分元件之異常電性，提出了會造成提前擊穿、漏電流與崩潰前之降電流等現象之模型。

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鑰匙使能之車輛安全使用與執行環境

近年來智慧車產業蓬勃發展，主要講求的兩大特點就是便利、安全。傳統機械式鑰匙啟動已經逐漸被無鑰匙進入系統(Keyless Entry System)取代，讓使用者只需按下按鈕更甚至不需要觸碰到鑰匙即可啟動車子。智慧車大廠¬特斯拉(Tesla)更是推出了智慧召喚(Smart Summon)功能，能以手機應用程式遠距召喚智慧車到車主所在的位置，更宣稱未來將提供反向智慧召喚(Reverse Summon)，讓智慧車自行找車位自動停車。 但在各車廠研發追求便利的同時，安全往往無法與便利同時兼顧，本論文會針對無鑰匙進入系統常見的安全威脅(Security Threat)提出了一個創新的系統架構去抵禦這些攻擊。本論文所提出的架構是將無鑰匙進入系統整合進智慧車的安全執行環境(Secure Execution Environment, SEE)，也就是將智慧車上需要安全執行的軟體以遙控鑰匙(Key Fob)作為信任根(Root of Trust, RoT)去驗證軟體的完整性(Integrity)，以實現安全遠距控制智慧車。

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應用於5G毫米波通訊系統採用線性器與自動調整偏壓技術及中和技術以優化線性度及效率之CMOS功率放大器

本篇論文提出了兩個使用台積電90-nm互補式金氧半導體製程於Ka頻段之功率放大器，設計目標是提升電路的線性度、輸出功率、功率附加效率及退縮6-dB處功率附加效率。 於第一個電路中，主要採用了雙重中和技術，功率放大器是使用2.4 V偏壓供電。此差動疊接架構是由四個單級疊接架構與變壓器組合而成，功率放大器在2.4 V以及偏壓0.7 V的情況下，實際量測可得Ka頻段操作小訊號增益14 dB、OP1dB為19.56 dBm以及飽和輸出功率20.24 dBm，於OP1dB點的PAE與PAE的最大值分別為21.45 %與21.9 %，而在P1dB退縮6 dB點的PAE為10.14 %。 第二個電路，主要是以第一顆架構為基礎，並加入線性器及自動調整偏壓等技術來達到提升功率附加效率。此功率放大器在2.4 V以及偏壓0.8 V的情況下，實際量測可得Ka頻段操作小訊號增益14.68 dB、OP1dB為20.15 dBm以及飽和輸出功率20.71 dBm，於OP1dB點的PAE與PAE的最大值分別為25.77 %與25.99%，而在P1dB退縮6 dB點的PAE為15.73 %。與第一顆晶片相比，在相近增益及OP1dB之下，對應之PAE都有明顯的改善。

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抽取謂詞以改進性質導向可達性技術

自從在2011年被提出後，性質導向可達性技術至今仍是最好的模型檢查演算法。但是仍有許多的案例是性質導向可達性技術難以解決的，因此，為了改進這個演算法，有許多的研究先後被發表。在這篇論文中，我們藉由獨立的檢查謂詞以輔助性質導向可達性演算法。此外，作為證明的例子，我們也提供了兩種能夠輕易從演算過程中得出的樣式。原本的性質導向可達性演算法與新方法皆被實作於Ia2b這個自製的模型檢查環境上。透過利用硬體模型檢查比賽的資料所做的實驗得知，我們所提出的方法能夠解出比原本的性質導向可達性技術更多的案例。