一種基于cmos太赫茲傳感器的高響應(yīng)工作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種基于CMOS太赫茲信號(hào)傳感器，更設(shè)及運(yùn)種傳感器的一種新型工 作模式，運(yùn)種工作模式能夠顯著提高其對(duì)太赫茲信號(hào)的響應(yīng)及降低噪聲等效功率（NE巧。
【背景技術(shù)】
[0002] 太赫茲是一種頻率介于微波和紅外之間的電磁波，具有許多特殊性能：光子能量 小，對(duì)物質(zhì)無傷害；能輕易穿透陶瓷等非金屬和非極性材料；太赫茲波頻率高信息的承載 量比微波要大得多等。因此太赫茲探測(cè)技術(shù)在寬帶通信、雷達(dá)、醫(yī)學(xué)成像、無損檢測(cè)、安全檢 查等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用前景。而在目前的太赫茲探測(cè)器中，基于集成電路工藝的制造的 WMOSFET為傳感器的太赫茲探測(cè)器，具有室溫工作，低成本，高成像能力等突出優(yōu)勢(shì)，是未 來太赫茲技術(shù)實(shí)用化的可能途徑。而如何提高M(jìn)OSFET對(duì)太赫茲信號(hào)的響應(yīng)能力，是實(shí)現(xiàn)W 其實(shí)用化的重要方向。
[0003] 總的CMOS太赫茲探測(cè)器主要包括CMOS傳感器和太赫茲天線兩個(gè)模塊。CMOS傳 感器主要是利用MOSFET器件中反型層二維電子氣將太赫茲波轉(zhuǎn)換成直流信號(hào)。自從2009 年德國(guó)的化化Ojefors等首次利用0. 25m集成電路工藝的晶體管探測(cè)到0. 65T監(jiān)的波 【1】W來，許多實(shí)驗(yàn)室試圖制造更高性能的CMOS太赫茲成像器。法國(guó)電子與信息技術(shù)實(shí) 驗(yàn)（CEA-LETI)的F.Schuster等人通過使用0. 13m工藝制造了大于IT監(jiān)頻率的CMOS太 赫茲成像器【2】。2011年，德國(guó)的Hani化er巧采用SOI技術(shù)W及基礎(chǔ)微透鏡的方法制成 了電壓響應(yīng)度RV大于1900V/W，噪聲等效功率肥P可達(dá)到17pWAfei/2的CMOS太赫茲探測(cè) 器【3】。MinWooRyu等則通過改變晶體管源端形狀，制造不對(duì)稱晶體管來改善探測(cè)器新能 【4】。但是上述所有的方法都設(shè)及到新工藝W及新結(jié)構(gòu)的引入，會(huì)使得生產(chǎn)成本及制造難度 直線上升，因此找尋一種不改變器件結(jié)構(gòu)及制造工藝就可W改善探測(cè)器性能的方法是極有 意義的。
[0004] 參考文獻(xiàn)
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【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明的目的是，在原有的CMOS太赫茲信號(hào)傳感器中，在不改變器件結(jié)構(gòu)及制造 工藝的前提下，通過改變其中MOSFET的工作條件或者說工作模式，得到更強(qiáng)的電壓響應(yīng)， 從而明顯提高探測(cè)器的效率。
[0010] 基于CMOS太赫茲傳感器的高響應(yīng)工作方法，MOS陽(yáng)T在工作時(shí)，利用外接電路給 CMOS太赫茲傳感器器件的源漏兩端提供一穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流，改變溝道的直流電導(dǎo)；與傳統(tǒng) 的工作模式相比，運(yùn)種新型工作模式或方法，可W使得CMOS太赫茲信號(hào)傳感器的電壓響應(yīng) (RV)更大，噪聲等效功率（肥巧更低。 W11] 其中MOS陽(yáng)T器件柵極（201)上加直流偏置電壓Vg,,太赫茲信號(hào)從源端（202)輸 入，漏端（203)接一個(gè)穩(wěn)定電流源（204)，輸出電壓。運(yùn)種工作模式可W提高CMOS太赫茲信 號(hào)傳感器的電壓響應(yīng)（RV)，減小噪聲等效功率（肥巧。
[0012] 本發(fā)明方法不僅適用于在利用一個(gè)MOS陽(yáng)T進(jìn)行混頻的CMOS太赫茲信號(hào)傳感器， 也適用使用多個(gè)MOSFET器件的CMOS太赫茲信號(hào)傳感器。
[0013] 現(xiàn)有的CMOS太赫茲傳感器中，可W使用一個(gè)MOS陽(yáng)T將太赫茲信號(hào)混頻成直流信 號(hào)，也可W將兩個(gè)MOSFET漏端相連共同發(fā)揮混頻作用。不論哪種CMOS太赫茲傳感器，其中 MOS陽(yáng)T器件的基本工作原理W及模式都相同。
[0014] 圖1為CMOS太赫茲傳感器的傳統(tǒng)工作模式中MOS陽(yáng)T器件的工作狀態(tài)，柵極（101) 上加直流偏置電壓Vgg,太赫茲信號(hào)從源端輸入（102)，漏端（103)浮空輸出直流電壓，通過 讀取漏端直流電壓表征接受到的太赫茲信號(hào)強(qiáng)度。根據(jù)文獻(xiàn)[1]，當(dāng)輸入的太赫茲信號(hào)為 UgSinot時(shí)，在此工作模式下，輸出的電壓響應(yīng)為：
[0015]
[0016] 其中Ugt為Vgs-Vth，Vth為MOS陽(yáng)T的闊值電壓。
[0017] 本發(fā)明則提出了一種CMOS太赫茲信號(hào)傳感器的新型工作模式。在運(yùn)種模式中，如 圖2所示，MOSFET器件柵極（201)上加直流偏置電壓Vg,,太赫茲信號(hào)從源端輸入（202)，漏 端（203)接一個(gè)穩(wěn)定電流源（204)，并輸出電壓。在運(yùn)種工作模式下，由于溝道電流此時(shí)的 溝道直流電導(dǎo)（GJ發(fā)生改變：
[0018]
[0019] 其中W為MOS陽(yáng)T寬度，L為MOS陽(yáng)T長(zhǎng)度，y為溝道電子遷移率，C。、為單位面積柵 氧化層電容，Idsat為飽和電流，Id。為此時(shí)溝道電流。增大溝道電流會(huì)減小此時(shí)的溝道電導(dǎo) (Gds)。當(dāng)太赫茲信號(hào)UgSinWt輸入時(shí)，直流混頻電流為二|解:巧、嫣/4,此時(shí)的輸出電壓 為：
[0020]
[OOW其中A=Iw/Id,。,。由此我們可W看到，隨著漏端驅(qū)動(dòng)電流電流增大，晶體管的電 壓響應(yīng)迅速提升。 陽(yáng)02引考慮到噪聲問題，增大MOS陽(yáng)T的溝道電流會(huì)增大溝道的1/f噪聲，但1/f噪聲隨 工作頻率明顯降低，可W通過調(diào)制工作頻率消除運(yùn)一噪聲。因此可W只考慮溝道熱噪聲，此 時(shí)探測(cè)器的噪聲等效功率為：
[0023]
[0024] 其中Ke是波爾茲曼常數(shù)，T是絕對(duì)溫度，Rth是溝道電阻，Rv是晶體管的電壓響應(yīng) 度，Pm是太赫茲輸入功率。漏端驅(qū)動(dòng)電流電流增大時(shí)，晶體管的電壓響應(yīng)增大，而探測(cè)器的 噪聲等效功率也隨之會(huì)降低。 陽(yáng)0巧]本發(fā)明的有效效益是：不需要改變MOS陽(yáng)T的結(jié)構(gòu)及制造工藝，通過改進(jìn)MOS陽(yáng)T太 赫茲傳感器的工作模式，給源漏之間加一驅(qū)動(dòng)電流，即可顯著增大其對(duì)太赫茲波的電壓響 應(yīng)，并同時(shí)減小噪聲等效功率（肥巧。
【附圖說明】
[0026] 圖1 MOS陽(yáng)T太赫茲探測(cè)器的傳統(tǒng)工作模式；
[0027] 圖2本發(fā)明提出的新型MOS陽(yáng)T太赫茲探測(cè)器工作模式；
[0028] 圖3 MOSFET探測(cè)器在傳統(tǒng)工作模式W及新型工作模式下，電壓響應(yīng)隨柵壓的關(guān) 系。黑色曲線代表漏端浮空傳統(tǒng)工作模式，紅色（淡色尖峰線）曲線代表驅(qū)動(dòng)電流為SiiA 的新型工作模式。
[0029] 圖4為MOS陽(yáng)T探測(cè)器電壓響應(yīng)隨漏端驅(qū)動(dòng)電流的關(guān)系，黑色點(diǎn)線為實(shí)驗(yàn)結(jié)果，紅 色（淡色連續(xù)線）曲線為理論計(jì)算結(jié)果。 具體實(shí)施例
[0030] 下面結(jié)合附圖對(duì)提出方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0031] 本實(shí)例運(yùn)用標(biāo)準(zhǔn)的0.ISym半導(dǎo)體工藝制造太赫茲傳感器，其中晶體管尺寸為 0.ISymXlym，并集成了一個(gè)650GHz的天線W收集太赫茲信號(hào)。我們首先讓運(yùn)一太赫茲 傳感器工作于傳統(tǒng)模式下。如圖1所示，柵極（101)上加直流偏置電壓Vgs,天線收集到的太 赫茲信號(hào)從源端（102)輸入，漏端（103)浮空，并與鎖相放大器相連輸出電壓。圖3中黑色 曲線代表了本實(shí)例中的太赫茲傳感器在傳統(tǒng)工作模式下電壓響應(yīng)與直流偏置Vgs的關(guān)系， 可W看到此時(shí)最大的響應(yīng)電壓約為50yV。
[0032] 然后我們讓同樣的太赫茲傳感器工作于本發(fā)明提出的新型工作模式下。如圖2所 示，柵極（201)上仍舊加直流偏置電壓Vg,,天線收集到的太赫茲信號(hào)也依然從源端（20。輸 入，但此時(shí)在漏端（203)接一個(gè)穩(wěn)定電流源（204)，然后再輸出電壓。本實(shí)例中的電流源由 干電池與大電阻的串聯(lián)而成，可W提供低噪聲的穩(wěn)定電流。圖3中紅色曲線代表了在本發(fā) 明提出的新型工作模式下，同一個(gè)太赫茲傳感器的電壓響應(yīng)與直流偏置Vgs的關(guān)系，可W看 到此時(shí)最大的響應(yīng)電壓可W達(dá)到200iiV。而如圖4所示，增大輸入的驅(qū)動(dòng)電流可W繼續(xù)提 高M(jìn)OS陽(yáng)T傳感器的電壓響應(yīng)，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流達(dá)到10yA時(shí)，探測(cè)器的電壓響應(yīng)接近500yV，是 傳統(tǒng)工作模式的10倍。
[0033] 本發(fā)明提出了一種新型的太赫茲MOSFET傳感器工作模式，通過在漏端給晶體管 加一驅(qū)動(dòng)電流，可W明顯提高其對(duì)太赫茲信號(hào)的電壓響應(yīng)，減小噪聲等效功率。在不改變晶 體管結(jié)構(gòu)及工藝的情況下，改善太赫茲MOSFET傳感器的性能。
[0034] 本領(lǐng)域技術(shù)人員可W理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)例的示意圖，并不用一限制本發(fā) 明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明 的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于CMOS太赫茲信號(hào)傳感器的工作方法，其特征在于MOSFET在工作時(shí)，利用外 接電路給器件的源漏兩端提供一穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流，改變溝道的直流電導(dǎo)。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS太赫茲信號(hào)傳感器的工作方法，其特征在于MOSFET器 件柵極（201)上加直流偏置電壓V gs，太赫茲信號(hào)從源端（202)輸入，漏端（203)接一個(gè)穩(wěn) 定電流源（204)，輸出電壓。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的CMOS太赫茲信號(hào)傳感器的工作方法，其特征在于MOSFET器 件柵極（201)上加直流偏置電壓V gs，太赫茲信號(hào)從源端輸入（202)，漏端（203)接一個(gè)穩(wěn)定 電流源（204)，并輸出電壓；在這種工作模式下，由于溝道電流此時(shí)的溝道直流電導(dǎo)（G ds)發(fā) 生改變：其中W為MOSFET寬度，L為MOSFET長(zhǎng)度，y為溝道電子迀移率，Ccix為單位面積柵氧化 層電容，Idsat為溝道飽和電流，ID。為此時(shí)溝道電流，U gt為V gs-Vth，Vth為MOSFET的閾值電壓； 增大溝道電流會(huì)減小此時(shí)的溝道電導(dǎo)（G ds);當(dāng)太赫茲信號(hào)UaSincot輸入時(shí)，直流混頻電流其中 A - ID〇/IDsat。4. 根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的CMOS太赫茲信號(hào)傳感器的工作方法，其特征是不僅適 用于MOSFET進(jìn)行混頻的CMOS太赫茲信號(hào)傳感器，也適用使用多個(gè)MOSFET器件的CMOS太 赫茲信號(hào)傳感器。
【專利摘要】一種基于CMOS太赫茲信號(hào)傳感器的工作方法，MOSFET在工作時(shí)，利用外接電路給器件的源漏兩端提供一穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)電流，改變溝道的直流電導(dǎo)。MOSFET器件柵極(201)上加直流偏置電壓Vgs，太赫茲信號(hào)從源端(202)輸入，漏端(203)接一個(gè)穩(wěn)定電流源(204)，輸出電壓。在這種工作模式下，由于溝道電流此時(shí)的溝道直流電導(dǎo)(GDS)發(fā)生改變：可以使得CMOS太赫茲信號(hào)傳感器的電壓響應(yīng)(RV)更大，噪聲等效功率(NEP)更低。
【IPC分類】H01L27/144
【公開號(hào)】CN105140248
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510440031
【發(fā)明人】紀(jì)小麗, 廖軼明, 吳福偉, 閆鋒
【申請(qǐng)人】南京大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年7月23日