(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利说明书 | ||
(10)申请公布号 CN 105140248 A (43)申请公布日 2015.12.09 | ||
(21)申请号 CN201510440031.3
(22)申请日 2015.07.23
(71)申请人 南京大学
地址 210093 江苏省南京市鼓楼区汉口路22号
(72)发明人 纪小丽 廖轶明 吴福伟 闫锋
(74)专利代理机构 南京瑞弘专利商标事务所(普通合伙)
代理人 陈建和
(51)Int.CI
H01L27/144
权利要求说明书 说明书 幅图 |
(54)发明名称
(57)摘要
法律状态
法律状态公告日 | 法律状态信息 lisa多高 | 法律状态 |
权 利 要 求 说 明 书
1.一种基于CMOS太赫兹信号传感器的工作方法，其特征在于MOSFET在工作时， 利用外接电路给器件的源漏两端提供一稳定的驱动电流，改变沟道的直流电导。
2.根据权利要求1所述的CMOS太赫兹信号传感器的工作方法，其特征在于MOSFET 器件栅极(201)上加直流偏置电压V<sub>gs</sub>，太赫兹信号从源端(202)输入，漏端(203) 接一个稳定电流源(204)，输出电压。
3.根据权利要求1所述的CMOS太赫兹信号传感器的工作方法，其特征在于MOSFET 器件栅极(201)上加直流偏置电压V<sub>gs</sub>，太赫兹信号从源端输入(202)，漏端(203) 接一个稳定电流源(204)，并输出电压；在这种工作模式下，由于沟道电流此时的沟 道直流电导(G<sub>DS</sub>)发
生改变：
<maths><math><mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>D</mi><mi>S</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>W</mi><mi>L</mi></mfrac><msub><mi>μC</mi><mrow><mi>O</mi><mi>X</mi></mrow></msub><msub><mi>U</mi><mrow><mi>g</mi><mi>t</mi></mrow></msub><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mfrac><msub><mi>I</mi><mrow><mi>D</mi><mn>0</mn></mrow></msub><msub><mi>I</mi><mrow><mi>D</mi><mi>s</mi><mi>a</mi><mi>t</mi></mrow></msub></mfrac></mrow></msqrt></mrow></math></maths>
其中W为MOSFET宽度，L为MOSFET长度，μ为沟道电子迁移率，C<sub>ox</sub>为单位面积栅氧 化层电容，I<sub>DSAT</sub>为沟道饱和电流，I<sub>DO</sub>为此时沟道电流，U<sub>gt</sub>为V<sub>gs</sub>-V<sub>th</sub>，V<sub>th</sub>为MOSFET的 阈值电压；增大沟道电流会减小此时的沟道电导(G<sub>DS</sub>)；当太赫兹信号U<sub>a</sub>sinωt输入 时，直流混频电流为此时的输出电压为：
<maths><math><mrow><mi>Δ</mi><mi>U</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>Δ</mi><mi>I</mi></mrow><msub><mi>G</mi><mrow><mi>d</mi><mi>s</mi></mrow></msub></mfrac><mo>=</mo><mfr
ac><msubsup><mi>U</mi><mi>a</mi><mn>2</mn></msubsup><mrow><mn>4</mn><msub><mi>U</mi><mrow><mi>g</mi><mi>t</mi></mrow></msub><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>-</mo><mi>λ</mi></mrow></msqrt></mrow></mfrac></mrow></math></maths>
其中λ＝I<sub>DO</sub>/I<sub>Dsat</sub>。
4.根据权利要求1-3之一所述的CMOS太赫兹信号传感器的工作方法，其特征是 不仅适用于MOSFET进行混频的CMOS太赫兹信号传感器，也适用使用多个MOSFET器件 的CMOS太赫兹信号传感器。
说 明 书
<p>技术领域
本发明涉及一种基于CMOS太赫兹信号传感器，更涉及这种传感器的一种新型工作 模式，这种工作模式能够显著提高其对太赫兹信号的响应及降低噪声等效功率(NEP)。
背景技术
太赫兹是一种频率介于微波和红外之间的电磁波，具有许多特殊性能：光子能量 小，对物质无伤害；能轻易穿透陶瓷等非金属和非极性材料；太赫兹波频率高信息的 承载量比微波要大得多等。因此太赫兹探测技术在宽带通信、雷达、医学成像、无损 检测、安全检查等领域有着重要的应用前景。而在目前的太赫兹探测器中，基于集成 电路工艺的制造的以MOSFET为传感器的太赫兹探测器，具有室温工作，低成本，高成 像能力等突出优势，是未来太赫兹技术实用化的可能途径。而如何提高MOSFET对太赫 兹信号的响应能力，是实现以其实用化的重要方向。
总的CMOS太赫兹探测器主要包括CMOS传感器和太赫兹天线两个模块。CMOS传感 器主要是利用MOSFET器件中反型层二维电子气将太赫兹波转换成直流信号。自从2009 年德国的Erik等首次利用0.25m集成电路工艺的晶体管探测到0.65THZ 的波【1】以来，许多实验室试图制造更高性能的CMOS太赫兹成像器。法国电子与信 息技术实验(CEA-LETI)的F.Schuster等人通过使用0.13m工艺制造了大于1THZ 频率的CMOS太赫兹成像器【2】。2011年，德国的HaniSherry采用SOI技术以及基 础微透镜的方法制成了电压响应度RV大于1900V/W,噪声等效功率NEP可达到 17pW/Hz<sup>1/2</sup>的CMOS太赫兹探测器【3】。MinWooRyu等则通过改变晶体管源端形状， 制造不对称晶体管来改善探测器新能【4】。但是上述所有的方法都涉及到新工艺以及 新结构的引入，会使得生产成本及制造难度直线上升，因此寻一种不改变器件结构 及制造工艺就可以改善探测器性能的方法是极有意义的。
参考文献
[1]ErikUllrichR.Pfeiffer,AlvydasLisauskas,andHartmutG.Roskos “A0.65THzFocal-PlaneArrayinaQuarter-MicronCMOSProcessTechnology” IEEEJOURNALOFSOLID-STATECIRCUITS,VOL.44,NO.7,1968(2009)
[2]SchusterF.；Univ.Montpellier2,Montpellier,France；Videlier,H.； Sakowicz,M.；Teppe,F.“Imagingabove1THzlimitwithSi-MOSFETdetectors” 35thInternationalConferenceonInfraredMillimeterandTerahertzWaves (IRMMW-THz),Itlia(2010).
[3]Sherry,H.；AlHadi,R.；Grzyb,J.；Ojefors,E.；Cathelin,A.；Kaiser, A.；Pfeiffer,U.R.“Lens-IntegratedTHzImagingArraysin65nmCMOS Technologies”2011IEEERadioFrequencyIntegratedCircuitsSymposium(RFIC).
[4]MinWooRyu,JeongSeopLee,KibogParkandKyungRokKim“TCADModeling andSimulationofNon-ResonantPlasmonicTHzDetectorBasedon AsymmetricSiliconMOSFETs”2013SimulationofSemiconduc
torProcessesand Devices(SISPAD).
发明内容
本发明的目的是，在原有的CMOS太赫兹信号传感器中，在不改变器件结构及制造 工艺的前提下，通过改变其中MOSFET的工作条件或者说工作模式，得到更强的电压响 应，从而明显提高探测器的效率。
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