中央大學電機工程學系學位論文
國立中央大學,正常發行
選擇卷期
- 學位論文
隨著可攜式電子產品的發展與盛行，低功率高效率成為可攜式電子產品的首要考量，因此這些利用電池提供電源的電子電路必須工作在低電壓低電流以降低能量消耗，使得電池可以長時間的工作。此外，在製程技術不斷進步的同時，由於可靠度的考量，其工作電壓也必須隨著製程進步而降低，為了節省功率的消耗，穩壓器常被用來降低工作電壓。 本論文提出的電流型降壓切換式穩壓器，其原理主要是利用偵測電感上電流變化以加速因負載改變時之暫態反應時間，根據電路回授機制將輸出電壓控制在所預期的數值，而不會受到負載電流的差異影響。相較於電壓模式控制，電流模式控制降壓式穩壓器具有較好的負載調節度、線性調節度及較快的暫態反應。而切換式穩壓器本身轉換效能高，因此適用於可攜式電子產品中。 此電流型降壓切換式穩壓器是以台灣積體電路製造股份有限公司0.18um 3.3V互補式金氧半製程來實現，而工作電壓的範圍為2.4V~4.6V，操作頻率為0.7MHz~1.4MHz，負載電流範圍為0.05A~0.5A，及轉換效能為91.16%。此電流型降壓切換式穩壓器線性調節度與負載調節度分別為6.27mV/V 與0.0107mV/mA，而其核心面積為0.711mm2。
- 學位論文
微波/毫米波通訊系統近年來已廣泛的使用在行動通訊、光纖通訊及區域網路相關的應用上，為了系統中能擁有穩定低相位雜訊且低成本之信號源，注入式鎖態振盪器漸漸地被實際使用。在本論文中，我們探討注入式鎖態振盪器的基本原理，透過相關的注入式鎖態模型運用與推導來了解其鎖態機制、鎖態範圍、高階注入操作及相位雜訊等特性，利用這些原理來設計製作適合於微波或毫米波操作之高階注入鎖態振盪器。 使用基諧波、次諧波及高諧波注入方式，在本論文透過CMOS 及 GaAs pHEMT製程與高頻電晶體模型的模擬，設計出相關電路用以產生60 GHz振盪源與100 GHz除頻器，並實作出寬鎖態範圍、低相位雜訊及低功率耗損特性的注入式鎖態振盪器。此外，我們亦利用高階注入除數為4的除頻器來實作一30 GHz類比式鎖相迴路；在已知的基本迴路元件量測特性下，設計出整合式鎖相迴路積體電路，並實測出擁有低功率損耗及低相位雜訊等優良特性，以驗證注入式鎖態除頻器可應用於實際的鎖相迴路或頻率合成器。
- 學位論文
本論文係以TSMC 0.18 μm CMOS製程，研製應用於超寬頻(UWB)系統之寬頻低雜訊放大器，以及應用於微波存取全球互通系統(WiMax)利用三角積分調變器(Delta-Sigma Modulator)之分數型頻率合成器。 第一部分為寬頻低雜訊放大器之研製，此電路使用兩級串接式架構設計，在頻寬設計上利用橋接式並串峰化(Bridged-shunt-series peaking)架構，實現上的確造成不錯的頻寬延展效果並且兼顧增益平坦特性；在寬頻輸入匹配上使用電阻性回授的方式結合高通網路不僅可達成良好的匹配效果，且可同時具有不錯的雜訊指數特性。量測之最大功率增益發生於3 ~ 4 GHz，其值為14.2 dB，增益平坦度小於1 dB之頻寬為2.5 ~ 9.3 GHz，而3 dB頻寬為2.2 ~ 11 GHz；輸入及輸出反射損耗在整個寬頻範圍內分別大於9 dB及10 dB；隔離度大於32 dB；量測之雜訊指數其值為3.4 ~ 4.5 dB，而平均雜訊指數小於4 dB；輸入1 dB壓縮點及三階截斷點分別大於–8.5 dBm及–0.5 dBm，總功率消耗為30 mW。 第二部分為三角積分調變分數型頻率合成器之研製，此電路中包含了互補式LC交錯耦合壓控振盪器(VCO)、三角積分調變器(DSM)、多模數除頻器(MMD)、真實單一相位時脈(TSPC)除頻器、相位頻率檢測器(PFD)、充電泵(CP)以及迴路濾波器(LF)。在VCO的部份，為了防止製程變異所導致振盪頻率偏移，加入了二進位加權開關；在DSM的方面，為了避免電路的不穩定發生，使用多級雜訊整型(MASH)架構。量測之VCO調諧範圍從2.42 ~ 2.69 GHz，輸出功率為–1.5 ~ 0.1 dBm，相位雜訊在偏移主頻100 KHz和1 MHz分別為–88.7 ~ –95.3 dBc/Hz以及–117.1 ~ –122.9 dBc/Hz，直流功率消耗為4.14 mW。此壓控振盪器之FOM最佳值為184.9 dBc/Hz。
- 學位論文
本論文的內容為壓控振盪器相位雜訊生成機制之探討與低雜訊放大器之實作。在相位雜訊探討的部分，是以時變系統的觀點分析振盪電路中各雜訊源對相位雜訊的影響，並且以實作的量測結果驗證本論文對相位雜訊的論述。使用TSMC CMOS 0.18-μm 製程實現的振盪電路包括(1)互補式交錯耦合壓控振盪器，振盪中心頻率為5.2 GHz，可調頻率範圍633 MHz，偏移主頻1 MHz 之相位雜訊為-120.2 dBc/Hz，優化指數(FOM)為-185.3 dBc/Hz；(2)雜訊平移考畢茲(Colpitts)壓控振盪器，振盪中心頻率為12.6 GHz，可調頻率範圍227 MHz，偏移主頻1 MHz 之相位雜訊為-110.3 dBc/Hz，優化指數(FOM)為-182.74 dBc/Hz；(3)低功率消耗雙變壓器耦合壓控振盪器，振盪中心頻率為12.8 GHz，可調頻率範圍136 MHz，偏移主頻1MHz 之相位雜訊為-97.08 dBc/Hz，功率消耗為0.6 mW，優化指數為-181.53 dBc/Hz 。 隨著越來越多的無線傳輸應用，現今對大量資料傳輸系統的需求已經變的更加迫切，使得我們需要更高的資料傳輸速率系統規範，因此在通訊系統規格也將載波頻率提升換取更大的頻寬，其中一個例子為K-頻段802.16 WMAN 的系統規格，因此在本論文中實現K-頻段的低雜訊放大器，並運用變壓器負回授的方式來中和閘極與汲極間電容的效應，使得在低頻的最佳雜訊設計方式在K-頻段也可適用。使用TSMC CMOS 0.18-μm 製程實現的低雜訊放大器包括(1)變壓器回授的三級低雜訊放大器，在26 GHz 有最大增益約為9.2 dB，雜訊指數為6.9dB，IIP3 及P1dB 分別為-2 dBm 及-11 dBm，功率消耗為 64 mW；(2) 變壓器回授的三級低雜訊放大器，在25.8 GHz 有最大增益約為10 dB，雜訊指數為4.84dB，IIP3 及P1dB 分別為-5 dBm 及-17.8 dBm，功率消耗為 25.8 mW。
- 學位論文
在本論文研究中，我們提出了一個可操作在830nm波段的矽-矽鍺垂直入射的雪崩光二極體。我們的元件可以藉由操作在崩潰區而最小化因N型基板所產生的擴散電流而造成的低頻roll-off的問題，同時也可以藉由衝擊離子的效應而產生高輸出頻寬。所以我們的元件可以在不使用複雜的SOI技術之下，而達到高輸出頻寬(15.3GHz)以及極高的增益頻寬積(428GHz)。
- 學位論文
此篇論文描述了數個應用於微波存取全球互通系統之射頻電路設計，分別以TSMC 0.18 μm CMOS製程與TSMC 0.35 μm SiGe BiCMOS製程來實現，所實現電路有兩個前向匯入式功率放大器、兩個Class F類功率放大器、四相位壓控振盪器與考畢茲壓控振盪器電路。兩個前向匯入式功率放大器與兩個Class F類功率放大器，採用二階式發射機的系統架構上，應用在2.6 GHz頻段為了行動式微波存取全球互通系統需求。而四相位壓控振盪器與考畢茲壓控振盪器，採用鏡像消除式架構降頻器的超外插接收機架構上，分別應用在3220 ~ 3300 MHz頻段與6440 ~ 6600 MHz的頻段上，用來當作固定式微波存取全球互通系統的應用。以下依各章節不同的電路來分類，概述論文中各電路的實際量測結果。 第二章為射頻發射機子電路的設計，包括了兩個前向匯入式功率放大器與兩個Class F類功率放大器，每一種型態的功率放大器，都分別採用TSMC 0.18 μm CMOS製程與TSMC 0.35 μm SiGe BiCMOS製程來實現。以TSMC 0.35 μm SiGe BiCMOS製程實現的前向匯入式功率放大器而言，約有12.4 dB的增益、大於10 dB輸入回返損耗、約9.3 dB的輸出回返損耗、20.3 dBm的輸出1-dB增益壓縮點、33 dBm的輸出三階截斷點、1-dB增益壓縮點的功率增進效率為19.2 %；以TSMC 0.18-μm CMOS製程實現的前向匯入式功率放大器而言，約有12.2 dB的增益、約4.7 dB輸入回返損耗、大約10.3 dB的輸出回返損耗、22.1 dBm的輸出1-dB增益壓縮點、33.2 dBm的輸出三階截斷點、1-dB增益壓縮點的功率增進效率為26.6 %；以TSMC 0.18 μm CMOS製程實現的Class F類放大器而言，有13.1 dB的增益、約9 dB輸入回返損耗、大約15.3 dB的輸出回返損耗、20.2 dBm的輸出1-dB增益壓縮點、25.4 dBm的輸出三階截斷點、1-dB增益壓縮點的功率增進效率為24.4 %；以TSMC 0.35 μm SiGe BiCMOS製程實現的Class F類放大器而言，有18.3 dB的增益、大於15 dB輸入回返損耗、約6.6 dB的輸出回返損耗、20.6 dBm的輸出1-dB增益壓縮點、30.8 dBm的輸出三階截斷點、1-dB增益壓縮點的功率增進效率為25.8 %。 第三章則為壓控振盪器的設計，一個是四相位震盪器用在3220 ~ 3300 MHz的頻段上，一個是考畢茲壓控振盪器用在6440 ~ 6600 MHz頻段上。四相位壓控振盪器具有214 MHz的可調範圍，輸出功率為-9 ~ -5 dBm，離主頻1 MHz之相位雜訊為-110.875 dBc/Hz，振盪器本身消耗功率為9.94 mW；而考畢茲壓控振盪器，可調範圍為354 MHz，輸出功率為-11.7 ~ -11 dBm， 離主頻1 MHz之相位雜訊為-122 dBc/Hz，振盪器的本身消耗功率為19.1 mW。
- 學位論文
隨著先進製程的蓬勃發展，矽基板矽鍺異質接面雙極性電晶體的電流增益截止頻率已發展至350 GHz，而較低的製作成本、低溫環境的適應性、與金氧半場效電晶體的高整合性以及可將數位和類比電路整合於同一基板的優點使得矽鍺異質接面雙極性電晶體更有吸引力。由於基極厚度的持續變薄使其在高頻特性上獲得大幅的提升，因此矽鍺異質接面雙極性電晶體已被廣泛的建議並使用於無線收發電路。為了達到這些目標，一個準確的等效電路模型以及詳細的元件特性分析對電路設計者而言是非常重要的。 為了要找出最佳的元件佈局，我們研究了三個擁有相同集極面積與不同接點結構的0.18微米矽鍺異質接面雙極性電晶體的高頻與功率特性。並利用大訊號VBIC等效電路模型萃取出之成分來做傳輸延遲時間分析。經由分析矽鍺異質接面雙極性電晶體的傳輸延遲時間，我們可以得到一個具有較高電流增益截止頻率的元件佈局。這個最佳元件佈局也可產生最高的功率輸出，在操作頻率為2.4 GHz時，其最大輸出功率為6.4 dBm且轉換效率為40 %。 在此論文中我們也量測了矽鍺異質接面雙極性電晶體在不同溫度下的直流與微波特性，與溫度相關的直流、高頻與功率特性在此有詳盡的分析，利用分析傳輸延遲時間，我們可以發現矽鍺異質接面雙極性電晶體藉由縮短基極與射極傳輸延遲時間來得到較高在低溫時的電流增益截止頻率。此外，在高電壓型態元件中，當高注入效應產生時在射極-基極接面的價帶不連續面會產生一個寄生的導電帶能障，這個寄生的能障會縮小元件的電流增益與電流增益截止頻率並限制電流-電壓曲線的寬度，尤其是在低溫環境中，因此，所量測到的輸出功率、轉換效率與線性度都會隨著降溫明顯的下降，但此寄生能障效應不會在高速型態元件中產生，所以可以在低溫環境中發揮較佳的功率特性。 在這個研究中，我們也探討矽鍺異質接面雙極性電晶體在常溫與低溫環境中的低頻雜訊特性，經由比較高速與高電壓型態元件的1/f雜訊，高速元件中的高射極參雜會產生較高的雜質濃度並增加射極電流的1/f雜訊，此外，在高電壓型態元件中的寄生能障效應也會影響1/f雜訊，由於寄生能障效應在射極-基極接面產生大量的載子累積也產生了額外的基極複合電流，此複合電流提高了元件的低頻雜訊。
- 學位論文
由於光纖通訊具有低損耗，高安全性及高速傳遞速度的特性，在最近幾年引起相當大的興趣,而"光纖到家"系統將在未來將扮演相當重要的角色，在整個光纖到家的系統中主要的關鍵零組件為分波器與光檢測器，因此要提高此系統的效能，高效率的分波器與光檢測器是相當必要的。我們將採用新的結構來改善這些光檢測器的效能。除此之外，為了降低光損耗跟成本，我們將利用所謂單石積體化將此兩個獨立的元件整合在一起，並導入創新的光子晶體技術使其有更大的應用空間。在第二章中，我們利用部份掺雜的的光吸收層來改進光檢測器的效果，使其能在不犧牲光響應度的情況下能得到最大飽和電流，我們利用部份掺雜的光檢測器結合洩漏式波導與布拉格反射器，可以使得元件能同時達到高響應度，高飽和電流及高頻率響應的效果，同時也大大降低因為崩裂位置問題造成對響應度的影響。 在第三章中，我們利用漸變式掺雜的集極來完成所謂電荷補償式的單載子光檢測器，此種光檢測器具有高輸出電流及高速的特點，同時我們利用BPM 軟體設計了一個單模傳播的波導結構，並且利用新的雙階式漸耦合光波導來避免崩裂問題造成響應度下降的問題，此種波導將被利用來設計分波器，最後我們將電荷補償式的單載子光檢測器與分波器整合，成功的將1530nm及1550nm波長分開並且將載在波長上的類比訊號跟射頻訊號由不同的光檢測器萃取出來。在第四章中，我們首先利用平面波展開法來計算光子晶體的能帶並且有限時域差分法來模擬光在光子晶體中的傳播情形，利用這些結果我們成功的在SOI上設計出環型振盪器，為了克服在SOI上製作環型振盪器的缺點，我們利用改變光子晶體半徑形成共振腔的方式來達到濾波器的效果，最後我們成功的將光子晶體與部份掺雜的光檢測器結合結合在一起，達到單石積體化的目標。第五章中，我們將針對實驗結果作出結論。
- 學位論文
本論文旨在利用砷化銦鎵/砷化鎵量子點為先進光源的發射源，主要內容包含傳統及量子光源兩大部分，在傳統光源部分，由於砷化銦量子點成長在砷化鎵基板上，晶格常數差異極大，量子點受到應力影響，因此一般量子點基態發光波長只能維持在1.2 mm左右，可以利用兩種不同的方式來延伸發光波長，1.成長體積較大砷化銦量子點，造成量子能階深化 2.利用砷化銦鎵披覆層除了可以降低應力影響所造成的發光波長藍位移，還可利用相分離使量子點體積更大，造成量子能階深化。然而，砷化銦鎵/砷化鎵量子點在長波長 (> 1.4 mm) 發光效率卻會嚴重的衰減，我們針對這個瓶頸，提出到兩種不同的發光衰減機制，包括：1.量子點的體積增大容易造成後續磊晶品質低劣及 2.用於延伸波長的批覆層，容易造成量子點鄰近區域的位障淺化，而降低量子點對載子的侷限能力。於此，我們分別提出兩種不同的方法來增強量子點的發光效率，我們磊晶成長高品質的批覆層及覆蓋層，來降低容易產生非輻射復合中心的機率，並利用電洞阻擋層有效地抑制發光效率的衰減，於此，我們是世界上首先將發光波長延伸至1.55 mm的團隊，至今仍是世界記錄。 第二部分是量子光源，傳統的量子點光源研究大部分聚焦在量子點的群體發光結果，如：發光二極體、半導體雷射等等，單一量子點所產生的單光子源是未來量子計算及量子通訊的基石，我們成長低密度量子點藉此隔離出單一量子點，並得到其所發出的單光子源，利用Hanbury Brown and Twiss量測方式，可以得到連續兩個有效的入射光子時間差的機率分佈圖，觀察到單光子源的反集束(antibunching)現象，發表台灣第一個光激發單光子光源。然而，用傳統的磊晶成長模式藉由應力方式自然形成量子點，量子點的形成呈現隨機分佈，無法正確的預測量子點的產生位置，對於單光子源實際應用將是很嚴重的考驗，於此，我們利用曝光及蝕刻等黃光製程，並藉由特殊磊晶成長砷化鎵緩衝層的方式形成奈米平台(40-50 nm)，利用選擇性成長技術縮減量子點成長的平面，在六角錐頂端的奈米平面定位單一量子點，藉此控制量子點形成的位置，也成功地觀察到單光子源的反集束現象，是第一個在(100)砷化鎵基板上控制單一顆量子點並實現單光子源的團隊。
- 學位論文
此篇論文主旨為成長並製作利用低壓有機金屬化學氣相沈積法所成長之400 nm氮化銦鎵/氮化鎵多重量子井紫外光發光二極體，並且加以研究並探討所造成其發光效率不高之原因，進而設計並優化400 nm紫外光發光二極體之結構。隨後將紫外光發光二極體結構磊晶成長於不同濕式蝕刻深度與方位安排的條狀圖案化藍寶石基板上，並研究與比較其材料與光學特性。最後，製備一種條狀SiON圖案化藍寶石基板，其具備與藍寶石基板相近之折射率，並將400 nm紫外光發光二極體結構磊晶成長於其上，並比較探討其相關光特性。 首先，在探討400 nm紫外光發光二極體之發光行為特性的研究上，我們比較了470 nm藍光發光二極體元件之外部量子效率隨著輸入電流變化的發光行為，在減少熱效應而影響發光行為的考量下，我們亦使用了脈衝式電流輸入方式。經由比較紫、藍光發光二極體元件隨著電流注入之發光行為，發現造成400 nm紫光二極體發光效率衰減之主要原因為載子的溢流情況嚴重所致；同時在脈衝式高電流注入部分，外部量子效率不管在藍光或紫光發光二極體元件皆維持一個常數，此現象打破了載子在量子井中會呈現飽和狀態之說。再者，我們針對5層量子井載子溢流現象嚴重之紫光二極體結構作改善，以期能增加其內部量子效率；隨著量子井層數由5增加至15層，其輸出功率以及外部量子效率改善幅度約大於三倍，認為增加紫外光發光二極體量子井之層數能有效地增加所注入的電子電洞覆合機率，也因此改善了400 nm紫外光發光二極體元件之發光效率。 接著，獲知真正造成紫外光發光二極體之發光效率不高原因後，我們進而優化二極體之結構；在優化400 nm紫外光發光二極體結構之研究中，發現在氮化鎵緩衝層中加入三層SiNx當作中間層，能有效地降低材料之缺陷密度達10倍之多；另外將微量的鋁加入氮化鎵位障層中，不僅不會造成材料之結晶品質劣化反而提增了量子井對於載子的侷限能力。再者，步階式p型氮化鋁鎵障壁層之應用，也可使得發光元件之發光強度大幅提昇，主要原因為有效地增加電洞濃度以及電洞注入量子井中之效率，使得電子電洞覆合機率提升所致。 在氮化鎵與400 nm紫外光發光二極體結構磊晶成長於不同濕式蝕刻深度與方位安排的條狀圖案化藍寶石基板之研究與比較其材料以及光學特性方面，發現氮化鎵之磊晶材料品質與紫外光發光二極體結構之光激發光特性隨著所蝕刻之圖案化藍寶石基板越深則越佳，而且成長在<1-100>sapphire條紋圖案化基板上之材料品質與二極體輸出光特性皆比成長在<11-20>sapphire條紋圖案化基板上來得優越；根據SEM、TEM、CL與二階段磊晶成長於0.9 μm深<11-20>sapphire、<1-100>sapphire圖案化藍寶石基板推測模型之研究分析與遠場光型(far-field pattern)之量測結果，我們深信接近兩倍寬之側向成長低缺陷區域為造成光輸出功率差異之主要因素。另外，在發光二極體結構磊晶成長於不同濕式蝕刻深度與方位安排的條狀圖案化藍寶石基板之內部量子效率與光取出效率的研究分析方面，精確的內部量子效率值可經由變溫之光激發光量測獲得。在二極體結構成長於<11-20>sapphire條紋且不同蝕刻深度之圖案化基板方面，發現內部量子效率與光取出效率之提升量隨著圖案化基板之蝕刻深度由0增加至0.9 μm時，其值分別為29.78 %與44.9 %，說明了在沿著此一維圖案化基板方向之發光二極體的光輸出效率改善上，主要為光萃取效率改善所致。在另一方面，當內部量子效率與光取出效率之提升量隨著圖案化基板之蝕刻深度由0增加至0.9 μm時，其值分別為83 %與44.9 %，說明了在沿著此一維圖案化基板方向之發光二極體的光輸出效率改善上，主要為內部量子效率改善所致。所以在選擇磊晶成長氮化鎵相關材料於一維條狀圖案化藍寶石基板之方面，具有對稱被蝕刻結構之<1-100>sapphire圖案化藍寶石基板為最佳之選擇。 最後，我們開發與利用電漿輔助化學氣相沈積法成長一層可調整折射率的SiON介電材料於藍寶石基板上，藉由調整化合物中O與N的含量，使其折射率與藍寶石基板相同，藉此取代製程費時、不易且可能造成基板表面損害與污染之乾與濕式蝕刻法，並將氮化鎵與400 nm紫外光發光二極體結構磊晶成長於此1 μm厚之條狀SiON圖案化藍寶石基板上（Stripe-SIONPSS）；比較紫外光發光二極體元件成長於Stripe-SIONPSS與傳統的藍寶石基板上之輸出光功率特性，約有60 % 以上之提升。另外，比較了400 nm紫外光發光二極體結構磊晶成長於條狀SiON圖案化基板與平面藍寶石基板之內部量子效率與光取出效率，發現其改善量分別為26.55 %與26.9 %。因此，此輸出光功率之改善原因歸因於缺陷密度之降低以及光萃取效率提升所致；根據以上的分析結果，條狀SiON圖案化藍寶石基板確實為另一有希望且大有可為成為實現高發光效率發光二極體之磊晶基板製作方式。