关键词： 鳍式场效应晶体管   浮栅   低漏电   低功耗  

摘要： 随着现代化信息技术的快速发展,则需要更加先进和完善的微电子技术作为支撑。要想在微电子技术上取得突破,集成电路的发展是不可或缺的一部分,其发展必定得朝着高性能、高集成、低成本的方向前进,而朝这个方向前进的过程中势必会遇到摩尔定律带来的诸多问题,如在尺寸缩小过程下而带来的迁移率降低以及短沟道效应,因此对于传统器件的进一步升级和优化是一种必然趋势。为了应对反向漏电流带来的难题,及改善传统鳍式场效应晶体管,本文提出了一种新型的源漏缓冲浮栅型低漏电场效应晶体管(FG＿FinFET),该双向开关装置具备低静态功耗和低反向泄漏电流,并且可以通过一套单独的外围电极来控制器件的导通、关断和浮栅擦写功能,改变器件中浮栅注入的电荷类型以及对半导体中的掺杂类型的转换使其拥有不同的工作模式,利用浮栅中注入的电荷数量调控其等效电压进而加大对反向漏电流的抑制,同时降低静态功耗。对器件由设想到优化,最终获取最好的性能条件。本课题利用Silvaco TCAD仿真软件对文中提出的源漏缓冲浮栅型低漏电场效应晶体管(FG＿FinFET)进行仿真,重点对浮栅写入电荷后器件的工作原理进行分析。通过Deck Build对生成的三维结构进行仿真获取相应的转移特性曲线,同时得到于之对应的仿真数据,包括其内部的电子浓度、空穴浓度、电场强度、电势强度等数据,并计算出亚阈值摆幅与开关电流比值大小,再利用控制变量法对器件进行优化,以每次只改变一个参数的方式,观察器件所受到的影响,从而获取最优值,再结合影响器件性能的各种因素的参数进行分析,最终得到最优的结构参数条件。

关键词： 锁相环频率综合器   电荷泵锁相环   低功耗   相位噪声  

摘要： 作为现代电子通信系统中的核心模块和主要耗能模块,研究低功耗频率综合器设计很有必要。在当前主流的频率合成器实现方式中,锁相环是广泛使用的实现形式和研究重点,因此设计低功耗锁相环十分关键。电荷泵锁相环是目前锁相环频率合成器设计主流采用的结构,系统中包括模拟和数字模块电路,是一个数模混合负反馈系统。对于这样复杂的集成系统,研究系统整体架构和仔细选定系统参数是设计的第一步。本文首先分析了锁相环的系统理论,阐明了锁相环系统和各个模块的工作原理,介绍了锁相环的设计流程和噪声理论,着重分析了锁相环的噪声与功耗的关系,并对各个模块的设计细节做了分析阐述。在以上研究分析的基础上,设计了一款电荷泵锁相环。使用文中所述的设计流程和方法,根据锁相环系统指标计算得到各个子模块的具体指标要求,在55nm CMOS RF工艺上,使用Cadence Spectre设计平台完成了电荷泵锁相环电路设计和仿真工作。在完成了电路系统级和子模块的电路设计工作后,利用Cadence Virtuoso平台进行了锁相环电路模块和整体的版图设计及后仿真工作。仿真结果表明,在1.2V供电电压下,锁相环整体电路功耗3.6mW,输入参考频率20MHz,锁定时间小于20μs。当锁相环锁定在1GHz输出频率下,相位噪声-116d Bc/Hz@1MHz,芯片面积为820μm×580μm。

关键词： 有机晶体管   高介电常数   范德华接触   自组装分子层  

摘要： 随着可穿戴电子设备的兴起,人们对柔性,可塑电子器件的需求不断增加,有机晶体管作为柔性电路中一种重要的元器件,逐渐进入大众的视野。1973年Heege团队发表对TTF-TCNG复合物类具有金属电导的有机电荷转移复合物的研究,并于2000年获得了诺贝尔化学奖,掀起了研究有机电子学的热潮。相较于传统的硅基晶体管和以二维材料,碳纳米管为半导体层的新型晶体管,有机材料作为半导体层的有机晶体管具有低成本,柔性以及可塑性等优势,在传感器、柔性显示器、射频电子标签等领域具有广泛的应用前景。传统有机晶体管分为有机小分子晶体管和有机聚合物晶体管两种类型,相较于前者有与溶液旋涂、印刷、喷墨打印等有机制备工艺不兼容,大规模制造困难等问题,有机聚合物晶体管在保证场效应迁移率的前提下,其优异的化学稳定性和机械可塑性特点使其能通过溶液,印刷等方式制备薄膜,从而使其制造工艺相对简单并且成本低廉。常规有机晶体管因栅介质层介电常数偏低,与半导体层之间的接触不良等问题,开关性能远非理想,具体表现为驱动电压偏高,亚阈值摆幅大以及与低功耗柔性需求不匹配。本研究针对上述有机聚合物晶体管中工作电压和动态功耗偏高等问题,将铁电栅介质层,自组装分子层界面修饰以及范德华工艺相结合,制备了一种P型低功耗有机聚合物晶体管。其主要研究内容如下:1)基于铁电HZO栅的低功耗聚合晶体管器件:用原子层沉积技术制备HZO氧化物薄膜,利用其高介电常数和铁电材料的负电容效应在同等的栅介质层厚度下提高了有机聚合物晶体管栅介质层的单位电容量,将器件的阈值电压降低至-0.3V左右。2)面向低功耗聚合物铁电HZO的界面调控:基于HZO栅介质与有机半导体界面不匹配等问题,在半导体层与栅介质层之间引入了OTS自主装分子层进行界面修饰,优化了有机半导体的薄膜形貌,进一步提高了器件的工作电流以及电流开关比。3)低功耗器件:引入范德华工艺实现了源/漏电极与有机半导体的纯物理接触,避免了传统热蒸镀方法中高能金属粒子对有机半导体表面的损伤,降低了接触电阻。结合上述三种工艺制备的器件性能进一步提升,在一个数量级的源漏电流范围内实现了105m V/dec的平均亚阈值摆幅。综上所述,本工作基于铁电HZO栅对低功耗有机聚合物晶体管进行了深入研究,探究了聚合物晶体管材料、界面调控、器件优化等多个方面,并取得了显著的研究成果。该工作为低功耗柔性电子器件的发展提供了新的技术方案,并且有望在有机传感器、有机数字电路、可穿戴器件等领域得到广泛应用。

关键词： 倾角检测   物联网   低功耗   可视化  

摘要： 道路井盖是城市道路不可或缺的设施,其安装平稳及状态异常关系着行人和车辆行驶的安全,随着智慧城市的不断发展,人们对环境及市容要求的不断提高,道路井盖的智能化网络化监管成为必然,道路井盖的倾斜是道路安全的巨大危险。当前城市井盖状态检测手段落后,存在信号检测装置功耗高、覆盖率不足、传输信号网络化程度低等问题,由于道路井盖点多面广难于管控的特性,传统的人工排查监管实时性差、存在判断误差、存在维修维护漏洞和盲区、监管效率差;尤其井盖倾角过大会造成行驶车辆损坏、交通事故及行人受伤等危险,给城市安全带来巨大的隐患。因此,物联网低功耗道路井盖倾斜感知方法是智慧城市感知需要解决的重要科学问题和关键技术,井盖倾斜物联网低功耗传感器及可视化技术的实现及研究具有重要的意义,研发井盖在线检测智能物联网传感方法及装置具有广阔的应用前景。针对当前井盖倾斜安全监测存在的传感器功耗较高、通信效率低、成本高、覆盖率低等问题,本文提出了一种道路井盖倾斜在线检测智能感知物联网通信方法,研究了一种井盖倾斜低功耗传感器及物联网通信在线检测客户端,实现了井盖倾斜数据的实时可视化,解决了点多面广的井盖工况安全风险在线监管难题。本文研究了井盖的三轴倾斜角度、地理位置感知方法,研制了以STM32L1系列低功耗主控芯片为核心的智能感知装置及技术路线,构建了井盖倾斜低功耗传感器研发方案;设计了可视化客户端来实现系统端数据采集和百度网络地图的API定位可视化。井盖倾斜物联网低功耗传感器的核心是感知部分的研发,主要分为三轴重力加速度敏感器件、主控芯片及接口电路、能源供给电路、物联网通信接口、GPS接口等五个部分,根据应用需求的低功耗进行了模块化设计,并对各个模块进行了原理图的研究与分析以及PCB的设计,最终完成了传感器的硬件设计选型及片上系统调试。然后,课题对智能感知信号采集算法开展研究、通信协议的测试调制及可视化客户端的设计。最终完成了井盖倾斜物联网低功耗传感器及其可视化客户端,测试结果满足项目要求。测试结果表明:井盖倾斜传感器实现了井盖的监测,传感器功耗低、成本低、工作稳定、倾角测量及位置定位精度较高,实现了对井盖倾角的有效监控。

关键词： 片内补偿   快速瞬态响应   低静态功耗   低温度系数  

摘要： 传统的片外补偿型LDO(Low Dropout Regulator)电路中,其输出负载端通常外置有片外大电容,此结构不适用于当前高度集成的发展需求,因此有关无片外电容型LDO的研究逐渐成为主流。由于缺少了输出端的片外电容,LDO的稳定性以及瞬态响应等性能不可避免地会受到影响,同时,部分负载电路对片上电源的负载瞬态响应速度以及功耗设计提出了较高要求。针对当前面临的设计难题,本文基于SMIC 0.18μm工艺设计了一种低功耗高瞬态片内补偿型LDO电路。本文中的误差放大器采用共栅极差分输入跨导放大器与推挽输出级结合的结构,可以在较低的静态电流下实现较高的转换速率;通过在功率管的两端嵌入耦合电容以提供交流反馈路径,可以克服环路带宽对负载端瞬态变化的限制;通过引入共模反馈电阻对的方式来增大瞬态响应过程中误差放大器的动态电流,有效缩短了瞬态电压恢复至稳定所需的时间,且未对电路的静态电流产生影响;通过引入有源反馈电容,提升了LDO空载时的相位裕度,同时在全负载范围内电路都能保持较好的稳定性;同时为了提升无片外电容LDO(Output-Capacitorless Low Dropout Regulator,OCL-LDO)输出电压的精度,本文设计了具有低温漂系数的带隙基准电压源以及低静态电流的基准电流源,为了避免芯片在异常工作条件下出现损坏,还设计有过温保护电路和过流保护电路。本文基于SMIC 0.18μm工艺设计的OCL-LDO,电源电压范围为1.95～4 V,在0.2-10 m A的负载范围内实现1.8 V的稳定输出电压。仿真结果表明,在最大负载电流变化范围内,负载电流在100 ps的切换时刻下输出电压的最大峰值小于340 m V,稳定时间小于2.2μs,静态电流消耗为9.25μA,低频范围内的电源抑制比为89 dB。

关键词： 二硒化锡   气体传感器   低功耗   异质结   传感器阵列  

摘要： 现代工业产生的二氧化氮（NO2）和硫化氢（H2S）等气体不仅污染环境,更成为人体健康的隐患。因此,对一定环境中痕量危害气体进行实时检测具有重要现实意义。半导体式气体传感器因其成本较低、结构简单、易操作且便携等优势在气体监测领域被广泛研究和应用。虽然传统金属氧化物气体传感器响应高、速度快、制备工艺成熟,但受限于需在高温条件下工作（>200℃）。而较高工作温度不仅造成高功耗,更会缩减器件的使用寿命。因此,开发高响应且低功耗的室温气体传感器对突破气体传感的物联网应用瓶颈至关重要。近年来,二维层状半导体材料因其独特的理化特性成为气体传感器领域的研究热点。二硒化锡（SnSe2）作为典型二维层状材料之一,具有丰富的表面活性位点、较高的室温载流子迁移率和较大的比表面积等优点,在低功耗气体传感器领域颇具应用潜力。本文利用层状SnSe2作为敏感材料,通过超声复合和湿化学法在SnSe2表面引入n型和p型半导体构建异质结,对所制备半导体气体传感器性能进行调控优化,实现在室温下对NO2和H2S的高性能检测。本文研究内容包括以下三个方面:（1）基于SnSe2/TiO2 n-n异质结的室温NO2气体传感性能研究。利用水热法制备层状SnSe2敏感材料,通过超声复合法进一步在SnSe2表面引入TiO2。研究显示,SnSe2/TiO2复合敏感材料在室温下对100 ppb NO2的响应高达207%,是纯SnSe2的近3.3倍。另外,SnSe2/TiO2还展现出对100 ppb NO2的更快响应（139 s）和恢复（275 s）行为。（2）基于SnSe2/Ni（OH）2 n-p异质结的室温H2S气体传感性能研究。使用水热法制备SnSe2敏感材料,通过湿化学法在SnSe2表面负载Ni（OH）2纳米颗粒。结果表明,SnSe2/Ni（OH）2复合物在室温下对1 ppm H2S表现出-43.1%的高响应,是纯SnSe2的近5.3倍。此外,SnSe2/Ni（OH）2还具有更优异的重复性和线性度,在室温下的理论检测极限低至57 ppb。（3）基于SnSe2及其复合材料气体传感器阵列的混合气体识别研究。使用SnSe2、SnSe2/TiO2以及SnSe2/Ni（OH）2构成传感器阵列,进一步构建电子鼻系统实现湿度环境下对4种不同组分混合气体（NO2+H2S）的识别。通过优化特征参数降低湿度变化对其性能的影响。综上所述,得益于不同类型半导体(n-TiO2和p-Ni（OH）2)与SnSe2之间的协同效应,通过敏感材料表面异质结构建的方法可以有效调控基于层状SnSe2材料的气体传感性能。一方面比表面积的增加为气体吸附提供更多的活性位点,另一方面复合材料的异质结促进气体响应过程中的电子转移。通过SnSe2及其复合物的气体传感器阵列进一步实现对不同组分NO2和H2S混合物的识别,从而为气体传感识别在燃煤电厂、固体废物、城市排污网点等复杂气体环境的实用化奠定基础。

关键词： 隧穿场效应晶体管   双边沿触发器   阻塞毛刺   正偏P-I-N电流  

摘要： 随着CMOS工艺的不断进步，器件的特征尺寸也在不断下降。电路性能提升的同时，功耗问题成为当下限制集成电路发展的重要因素之一，尤其是进入到深亚微米和纳米制程之后，静态功耗的快速增加成为低功耗领域越来越关注的问题。降低功耗最直接的办法就是降低电源电压，然而金属氧化物半导体场效应晶体管(MetalOxideSemiconductorFieldEffectTransistor,MOSFET)在低电压下会导致其电流开关比下降、延迟增大，这些局限性限制了MOSFET在超低功耗领域的发展。相比于MOSFET,隧穿场效应晶体管(TunnelingFieldEffectTransistor,TFET)的亚阈值摆幅能够突破60mV/dec的界限，在低电压下依然能够处于稳定的工作状态。此外，TFET器件较小的泄漏电流使得TFET比MOSFET有着更低的静态功耗。　　触发器作为时序逻辑单元的重要组成部分，低功耗的触发器设计对于降低整个数字集成电路的功耗起着关键作用。本文设计了两种基于TFET器件的阻塞毛刺双边沿触发器TBDET和EBDET。其优势在于TBDET双边沿触发器在应用TFET器件时无正偏P-I-N电流问题，而EBDET双边沿触发器则有效的减弱了TFET器件过冲电压对输出信号的影响。电路功能方面，新型双边沿触发器避免了锁存结构的信号竞争问题，有效的降低了电路的动态功耗。同时，电路阻塞毛刺的能力可以通过降低电路的开关活动性来达到低功耗的目的。　　在性能上通过与一些典型的双边沿触发器进行对比，使用TFET器件模型在Cadence软件下进行仿真分析。实验结果表明，本文所提出的双边沿触发器TBDET和EBDET具有较低的平均功耗和功耗延迟积(Powerdelayproduct,PDP)。相较于对比电路，在无毛刺干扰的情况下，TBDET和EBDET的平均功耗最大下降了79％和78％,功耗延迟积最大下降了78％和75％。在不同的毛刺干扰下，TBDET电路的平均功耗最大下降了72％到79％,功耗延迟积最大下降了66％到67％。EBDET电路的平均功耗最大下降了65％到73％,功耗延迟积最大下降了53％到54％。此外，TBDET和EBDET双边沿触发器在不同的温度和电压下都具有较好的稳定性。

关键词： 跨阻放大器   无源光网络   光接收器   电流复用   低噪声  

摘要： 随着数字经济的高速发展和10G无源光网络(Passive Optical Network,PON)的不断推进,全球光通信芯片市场需求持续增长。跨阻放大器(Transimpedance Amplifier,TIA)作为光接收机的核心光通信芯片,直接影响整个光纤系统的性能。然而,由于高端跨阻放大器芯片国产化率低,该领域存在着“卡脖子”的问题,制约了我国光通信产业的发展。因此,本文聚焦10G PON系统光网络单元侧的跨阻放大器展开研究,面向千兆光纤网络应用场景,基于65nm CMOS工艺设计了一款无电感、低功耗的10-Gb/s跨阻放大器。CMOS跨阻放大器设计面临的挑战之一是雪崩光电二极管(Avalanche Photodiode,APD)在跨阻放大器光电接口处会引入大的寄生电容,严重限制芯片带宽,降低芯片灵敏度。另一个重要挑战是相较于Si Ge工艺,CMOS工艺的单位电流跨导较小,因此要实现与Si Ge跨阻放大器相当的性能,会导致CMOS跨阻放大器的功耗急剧增加。为了克服上述挑战,本文提出了以下创新解决方案。针对光电接口瓶颈难题,本文通过融合均衡技术和电流注入技术,提出了一种全新的TIA架构。将TIA输入级的带宽设置得较低,再利用均衡技术进行高频补偿,不仅将带宽扩展至所需标准,而且增加了反馈电阻,明显改善跨阻放大器噪声性能。采用电流注入技术有效缓解了跨阻放大器的跨阻增益和带宽之间的权衡。为了实现无电带宽扩展,本文提出一种栅极-漏极消除(Gate–drain cancelation,GDC)技术将跨阻放大器主通道带宽提高了37.5%。以上技术使本文设计的跨阻放大器可驱动低成本的窄带APD实现千兆光纤网络高速应用。针对功耗设计难题,本文提出了一种新颖的尾电流复用电路,将输出缓冲级的尾电流复用并注入跨阻放大器输入级,为跨阻放大器提供了更大的输入晶体管跨导,并通过电路设计层面解决了尾电流复用电路可能带来的耦合问题。该电路使芯片实现了更大的带宽和更低的噪声,并节省了20%的功耗,为突破CMOS跨阻放大器功耗极限提供了一种新思路。本文完成了跨阻放大器的电路、版图设计和流片测试工作,并实现了优异的性能指标。实测整体芯片面积为0.56mm,在3.3V电源电压下功耗约86m W。芯片跨阻增益为66d BΩ,带宽为6.8GHz,平均输入参考噪声电流为11.9p A/√Hz,在误码率为1e时,多颗芯片的平均灵敏度为-22.4d Bm,综合品质因数(FOM)为6.63。以上结果表明,本文提出的创新解决方案实现了一款高性能、低成本的新型跨阻放大器,为实现千兆光纤领域的高速、高效、低成本传输提供了新的思路和方向。

关键词： 倾角仪   低功耗   高精度   上位机系统   温度补偿  

摘要： 倾角仪作为常用的角度和位移测量传感器,被广泛应用于军工、航空航天和自动控制等领域,在整个社会的高精尖产业中起着不可替代的作用。随着测控技术和各种通讯技术的创新发展,各行业对倾角仪的性能要求越来越高。在野外工作的倾角仪设备往往具有实时监测和远程控制的需求,而无线模组的使用使得监测设备的整体功耗变大。此外,野外昼夜温差较大,倾角仪设备的测量精度往往会受温度影响,进而导致远程监测的结果误差较大。目前急需一款体积小、精度高、低功耗的无线倾角仪来替代现有产品。本文通过理论设计与试验验证相结合的方法,基于加速度与角度的转换原理,研制了一款低功耗高精度的无线倾角仪设备,具体内容如下: (1)建立了三轴加速度芯片测量物体倾斜角度的数学模型,推导了三轴加速度转换测量角度的数学公式。分析了无线倾角仪硬件系统的功耗来源,提出了降低电路功耗的设计思路,并引入了一种高效的数据收发缓冲机制和实时操作系统。 (2)提出了无线倾角仪的设计指标,搭建了由电源模块、主控模块、传感器模块、通信模块和数据存储模块组成的无线倾角仪硬件系统,并设计了无线倾角仪的主控电路和外设电路。 (3)将FreeRTOS操作系统移植到无线倾角仪下位机软件上,并根据其业务逻辑设计了RS485任务、Lo Ra任务和低功耗任务。搭建了具备温度补偿算法和低功耗算法的倾角仪下位机软件框架,并基于C#语言设计了一套具备数据采集、设备调试和出厂标定等多功能的无线倾角仪上位机系统软件。 (4)制作了无线倾角仪的外壳和PCB电路板,研制出无线倾角仪设备成品,并搭建了基本性能参数验证试验平台、温度试验平台和功耗测量试验平台,对研制的设备进行综合误差、不重复度、迟滞验证和温度等参数的测试。