中央大學電機工程學系學位論文
國立中央大學,正常發行
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本論文主要開發應用在行動通訊產品上的智慧型陣列天線，以提升傳輸效能與系統抗干擾能力，並擇定2.4 GHz為設計中心頻率，係為各國通用的ISM頻段，相關應用包括無線區域網路(IEEE 802.11b / IEEE 802.11g)、藍芽、ZigBee等。 現今行動裝置多採用單一全向性天線，是為了因應訊號可能來自不同方向，但同時也接收了各方向的干擾訊號，且資料的傳輸效能也無法達成最佳化。為了有效的接收特定來源的訊號，我們引用了陣列天線，透過改變各天線輸入的相位，進而使陣列天線輻射的主波瓣有掃描的效果，以達到訊號集中接收且抗干擾的目的。 本論文以2×2矩形貼片陣列天線製作於200 mm ×137.5 mm大小之印刷電路板上，藉由相位偏移器來改變各天線輸入的相位，實現出具有東西南北指向的陣列天線。實測之各指向阻抗頻寬（反射損耗10 dB）約為4.6 %，增益約為1 dBi，半功率波束寬度約為50度。可安置於7.9吋以上平板電腦之背板，達成提昇傳輸效能與抗干擾能力之效果。
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本論文主要針對在高阻值矽(111)基板上進行氮化鋁/氮化鋁鎵/氮化鋁/氮化鎵電晶體製作與研究，希望藉由以後製程氧化表面氮化鋁，使隨後沉積的閘極絕緣層能具有更好的品質。 本論文使用的閘極絕緣層材料為二氧化矽，而氧化表面製程採用氮氣與氧氣的混合氣體在溫度為900°C持續150秒，加上薄膜氧化層之熱退火，進而改善了金氧半接面的漏電流、降低接面缺陷密度。在經過氧化表面和薄膜氧化層之熱退火所製程之金氧半接面，其閘極漏電流為10-5 A/cm2相較於蕭特基閘極場效電體降低了約為五個數量級，且相較於未經高溫氧化製程的金氧半接面低約二個數量級；然而在接面缺陷密度的表現上，經氧化製程的金氧半接面的缺陷密度較高，估計是氧化製程導致表層氮化鋁/氮化鋁鎵接面品質劣化所致。 更進一步的將此製程技術應用至金氧半場效電晶體的製作上，並針對蕭特基閘極場效電晶體與金氧半場效電晶體的動態導通電阻的進行量測分析，結果發現，相較於蕭基特場效電晶體，金氧半場效電晶體可獲得較低的動態電阻/穩態導通電阻比值，然而在經過氧化表面後的元件，在高電場下動態特性的劣化將較未經氧化的元件嚴重，此結果亦說明當元件承受高電場時，介面缺陷密度對元件的影響甚劇。
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本篇論文設計了兩個多頻帶天線的架構。第一個天線是第三章所介紹的 三頻天線，第二個天線是第四章所介紹的五頻的天線。兩個天線皆為印刷 式共平面波導饋入的多頻帶槽孔偶極天線，同樣都是利用磁流共振的路徑 增加來達到多頻帶的效果。三頻天線是在左右兩邊的槽孔內，各加入兩個 大小不同的 C 形金屬環之後，達到三個頻帶的效果。五頻天線是在左右兩 邊的槽孔內，各加入一片金屬片，但是兩片金屬片上面有長度不同的四條 槽孔線，可以達到五個頻帶的設計。兩支天線的模擬和量測大致上都相符 合。兩支天線量測到的輻射場形，在每個通帶下，都類似偶極天線的輻射 場形，並且量測到的天線增益皆有 5 dBi到 6 dBi。
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本研究主要精神是仿效生物對規律性動作的控制機制,其運作是由一群低階神經細胞經互相傳遞及影響,產生規律的周期訊號,再藉由外界刺激與大腦刺激修正該訊號,共同合成為最後運動的型式,此即為中樞型態產生器 (Central Pattern Generator)。本系統將以 Matsuoka's 神經振盪器作為控制六足機器人動作的 CPG(Central Pattern Generator) 基本組成單元,並搭配三軸加速度計與三軸陀螺儀即時獲取機器人姿態,利用此姿態資訊當作CPG 的回授訊號,使其在中度不規則地形能夠回復水平姿態。仿 CPG 模型控制器為一種分散式控制方法,每個足部的控制器由一群神經振盪器與感受單元所組成,每個足部的控制器彼此互相耦合,藉由不同的耦合方式產生出不同的運動步態。整體控制架構經由個別足部方向的傾角作為回授訊號輸入到神經振盪器改變其振幅大小,再與固定振幅的參考振盪器做比較產生出能平衡身軀的足部高度參考訊號,隨後將此控制訊號經由軌跡產生器轉換為機器人足部動作之軌跡,此軌跡再經由逆運動學得到實際的伺服馬達轉動角度以控制馬達轉動角度,進而達到行進時同時恢復平衡的效果。
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本論文專注於鍺量子點光電晶體是否得以應用於近紅外線偵測的量測分析。光電晶體的主要結構特色為以 MOSFET 為基礎結構，在其閘介電層內，埋入 50 nm 鍺量子點於其中。利用選擇性氧化複晶矽鍺柱體來形成 50 nm 鍺量子點/二氧化矽/矽的異質結構，將鍺量子點陣列整合於金氧半場效電晶體中的閘介電層中，與現行之互補式金氧半電晶體技術相容。 量測結果展現出非常低的靜態漏電流值 (~0.27 pA/m2)，主要的原因來自於鍺量子點與矽基板有良好的鍺/矽異質界面品質，ION/IOFF比值大於 106，次臨界斜率 (subthreshold slope；SS) 也降至~195 mV/decade。在入射光波長 850 nm、功率 0.9 mW 照射下有明顯的光電流增益，其IOFF & ION 之光/暗電流比在閘極偏壓 (VG) 分別給予 -5 V 及 4 V 時分別達到 6×106 倍與 64 倍，光響應值也分別達到 0.67 A/W 與 2.7 A/W，證明鍺量子點有很好的吸收能力，並結合此高品質鍺量子點/二氧化矽/矽的異質結構是有利於積體電路中光偵測的應用。此外，我們也對元件分別在未照光及照光的條件下進行變溫量測 (300 K—77 K)，以降低熱擾動機制，確定光電流的來源機制。隨著環境溫度的降低，元件之光電流值並不隨著溫度而下降，證實元件放光機制的來源主要來自於鍺量子點而不是缺陷所致。同時元件量測的頻率響應於 3-dB 頻寬所量測得到的頻率響應值達 410 MHz。
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在移動式機器人中，要如何在有障礙物的環境中，規劃出一條合適的無障礙物的路徑，讓移動機器人能從起始點移動到達目標點且確保路徑是最短的，是一個很重要議題。 本文提出一種最佳路徑規劃方法於移動機器人，利用改良式粒子群演算法也就是老齡化領導者與挑戰者粒子群演算法(ALC-PSO)來模擬快速搜尋隨機樹(RRT)，與過去傳統粒子群演算法用於路徑規劃方法有所不同，在本文是藉由樹枝生長的方式來增加延伸點，在我們比較之後，選擇最好的延伸點加到粒子之中，而這是基於使用ALC-PSO演算法的基礎下產生的創新路徑規劃演算法。 這個方法克服了粒子群演算法容易陷入區域最佳點應用於機器人路徑規劃方面上的缺點，而且因為基本的RRT演算法在每次規劃路徑上是不穩定的，所以本文利用模擬RRT演算法的方式來改良ALC-PSO演算法應用在路徑規劃上，且加入了危險度地圖的概念來避開障礙物，經過模擬結果，我們可以證明這個改良創新演算法可以使結果穩定在室內環境中而且比RRT演算法更好，同時也確保規劃路徑會是最短的。
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本論文使用選擇性熱氧化複晶矽鍺柱形成高品質之單晶鍺量子點，並將鍺量子點作為有效的光吸收層，成功製備出不同本質層厚度的P-I (鍺量子點) -N近紅外線光偵測器。藉由不同大小之鍺量子點陣列整合於複晶矽/鍺量子點/單晶矽異質接面之 P-I-N光偵測器二極體架構中，我們在近紅外光的波段下可觀察到光響應。在850 nm、980 nm、 1310 nm 及 1570 nm之雷射光源於2.5 mW的照射下，元件得到的光電流與暗電流比值最高為28、15、2.3以及1.6倍。在近紅外光線照射下，鍺量子點/矽界面所侷限之正電荷造成內建電場的產生，使得元件在操作速度上最快可達到440 MHz之操作頻率。 本文另一主題是以UHV-CVD沉積約1 μm厚堆疊式偶合矽/鍺量子點堆疊結構，來製備近紅外線光偵測器。評估在單一偶合量子點中，增加矽/鍺量子點接面數目的設計，對於光響應之影響。於850 nm、980 nm、1310 nm 及1570 nm 的雷射光源於照射下，其元件所展現之光電流與暗電流比值最高為4000 (0.45 mW)、2200 (0.45 mW)、52 (9.4 mW) 與 4.2 (5.4 mW) 倍。隨著單位元下矽/鍺量子點異質接面的數目增加，可清楚地觀察到元件之開路電壓會隨接面數目增加而變大，因此證明了矽/鍺接面數目越多，內建電場也隨之增強，有利於光響應的增進。
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本論文以金屬-氧化層-半導體 (Metal-Oxide-Semiconductor ) 場效電晶體為雛型，佐以鍺量子點於閘介電層之中來製備近紅外光光電晶體。主要閘堆疊層結構包含有100 nm 大小的鍺量子點作為光吸收層，以及選用複晶矽閘極以利後續高溫與潔淨度製程整合。利用氧化複晶矽鍺柱來形成鍺量子點，並將其埋藏在介電層中以製備光電晶體。在鍺量子點下方同時會形成有一層厚度約 4.4 nm 的矽氧化層，亦可當作浮點記憶體之穿隧氧化層，之後再藉由控制鍺量子點上方之氧化層，可製備成鍺量子點浮點記憶體。 藉由光電特性量測，可得知鍺量子點光電晶體分別在 850 nm 、980 nm 波長光源(功率分別為146 μW、102 μW) 照射下，通道關閉區域的光電流與暗電流比值可達到4.7×10^6 、1.1×10^6倍且響應度 (responsivity) 在 850 nm 、980 nm 波長光源照射下最高分別可達到 4.1、1.5 A/W。在近紅外光有極高的光暗電流比與響應度。 鍺量子點浮點記憶體在寫入/抹除偏壓分別為 8 V 及 -5 V、操作時間分別約為 60 ms 以及 30 ms 的條件下，可使得元件產生有 0.5 V 的記憶窗口。在儲存能力方面，經過10^5 秒的寫入之後，儲存的電荷量尚保存原本的 32%。在耐用性方面，元件的寫入/抹除操作次數可達到 10^5次以上，仍未見明顯的衰退。本論文呈現之鍺量子點光電晶體及浮點記憶體的製程與現今之互補式金氧半電晶體技術相容，有利於日後的實際整合與應用。
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隨著 CMOS 關鍵製程技術不斷微縮，現今已快接近物理的極限，因此許多奈米元件越來越受到重視，其中單電子/電洞電晶體結合了小尺寸、高操作速度與低消耗功率等優點，所以單電子/電洞電晶體為大家所矚目的元件之一。本論文致力於關鍵製程模組開發與評估，將其應用於可在高溫下操作之單電洞電晶體。欲製作出在高溫下操作之單電洞電晶體，最關鍵之處在於鍺量子點尺寸及位置上地控制以及如何精準地控制三端介電層的薄膜厚度。 因在關鍵製程模組開發上遇到一些瓶頸，導致元件最後無法順利完成。故藉學長所製作出”利用氮化矽作為穿隧接面之鍺量子點單電洞電晶體”來學習電性量測與分析，以及更進一步地利用此元件做脈衝量測分析，來觀察電洞進出鍺量子點的傳輸行為模式及元件的操作速度，期望未來可應用於高頻元件發展上面。
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本篇論文提出一個切換式電容雙向直流－直流轉換器並在順向輸出端利用電感之設計來達到順向輸出電壓可調整之目的。本論文設計兩組切換式電容，順向升壓時可以基於一個固定的輸入電壓源來達到多組輸出，範圍約在2倍壓至3倍壓之間做調整；逆向降壓時約可以由1/2倍至1/3倍做降壓。電路的主體以充電電荷泵浦（Charge Pump）為基礎，結合切換電容式轉換器（Switching Capacitor Converter）架構來作為此論文的主電路，利用輸出電感之設計變化，可以藉由讓電感工作在連續導通區間（CCM）與不連續導通區間（DCM）來調整順向輸出電壓。輸出電壓調整可以藉由改變上臂開關之責任週期D（Duty Cycle）來讓輸出達到2+D倍的效果。 本論文最後以分析、模擬及實驗波形驗證實驗之結果，整體效率最大為96.27 %，最低為88.68%，平均轉換效率約為92.34%。本文設計之轉換器與羅轉換器（Luo Converter）相比，不僅降低元件數還提升了輸出之可調性；與傳統2+D倍轉換器相比，傳統架構調整頻率（Frequency）所得到電壓調幅是狹隘的。若改為調整責任週期，可讓電壓轉換做大幅調整也因為如此效率也大大提升。