Jörgen Eriksson
Kristoffer Holmqvist
Mikael Graffner
Email: publicera@lub.lu.se
+46 (0)46 222 0326
Your most visited
- Sorry, this tool will only work with Javascript available.
Find Publications
Theses, dissertations and research publications (including journal articles, conference abstracts and books) from Lund University are collected in this database. Where possible, the option to download a full text document is available. It is also possible to search for Lund University student theses in the student theses database.
| Title | Electron Tunneling and Field-Effect Devices in mm-Wave Circuits |
| Author/s | Mikael Egard |
| Department/s |
Solid State Physics
|
| Full-text | Available as PDF |
| Defence date | 2012-05-11 |
| Defence time | 13:15 |
| Defence place | Lecture Hall B, Fysicum, Sölvegatan 14 A, Lund University Faculty of Engineering |
| Opponent | Professor Iain Thayne |
| Publishing year | 2012 |
| Pages | 158 |
| Document type | Dissertation |
| Language | English |
| Publisher | Lund University |
| Popular science abstract Swedish |
Arbetet i denna avhandling berör elektroniska komponenter och hur de kan användas i kretsar för trådlös kommunikation. Den huvudsakliga slutsatsen av arbetet är att innovativa och icke konventionella komponenter kan bidra till att förbättra presentanda och minska effektförbrukningen i system för kommunikation på korta avstånd. Framförallt har en krets tillverkats som genererar extremt korta och högfrekventa elektromagnetiska pulser med frekvens upp till 100 GHz, pulslängd ner till 33 ps och med en repetitionshastighet på upp till 15 Gbit/s. För att möjliggöra detta så har en ny typ av transistor utvecklats. Den främsta egenskapen hos denna transistor är att den opererar vid en väldigt hög hastighet samtidigt som den konsumerar mycket lite energi. Första gången människan kommunicerad trådlöst, om man bortser från ljud och skrift, var när Guglielmo Marconi skickade elektromagnetiska pulser genom luften år 1894. Dessa pulser skapades genom elektromagnetiska urladdningar som kopplades via en sändande antenn ut i etern och vidare till en mottagande antenn där signalen registrerades. Sedan dess har den trådlösa teknologin utvecklats i rasande takt och har gett upphov till olika produkter så som radar, television och mobiltelefoni. Metoderna har förfinats och gjorts allt mer raffinerade och idag kan man trådlöst skicka mer information per sekund än som kunde lagras totalt på en persondator i början av 1990- talet. För att fortsätta utvecklingen så krävs nya elektroniska komponenter som kan operera vid högre hastighet och vid mindre effektförbrukning. I detta arbete har fyra olika komponenter studerats. De första två är transistorer byggda från material i grupp 13 och 15 i det periodiska systemet, dessa material benämns även som grupp III och V och har egenskaper som gör att det går att tillverka snabbare och strömsnålare transistorer än med konventionell kiselteknologi. Användningen av III-V material gör att nya komponentstrukturer måste utvecklas. I denna avhandling undersöks en transistor där extra ledande material har tillförts för att minska effektförbrukningen och en transistor där den kontrollerande elektroden omsluter hela den kanal där strömmen färdas, vilket gör att strömmen går att styra på ett mycket effektivt sätt. Den tredje komponenten baseras på det kvantmekaniska fenomenet tunnling, som innebär att en ström kan flyta genom en region där den enligt klassisk mekanik inte borde kunna existera. Den fjärde komponenten baseras på samma fenomen, men där har en tredje elektrod integrerats för extra funktionalitet. Tunnlingskomponenterna besitter negativ resistans vilket gör att de kan användas för att tillföra energi i en krets. Genom att integrera en tunnlingskomponent i en resonanskrets så kan en elektromagnetisk svängning produceras. Arbetet i denna avhandling visar att genom att använda en transistor i serie med tunnlingskomponenten så kan svängninv gen strypas på ett effektivt sätt när transistorn slås mellan lågt och högt motstånd. Resultatet blir då korta högfrekventa pulser som kan användas för att skicka data mellan en sändare och mottagare, vilket illustreras av Fig. 1. Den framtagna kretsen kan även användas i en mottagare genom att rekonfigurera den elektriska styrsignalen till kretsen. Detta gör att sändare och mottagare kan bestå av samma krets, vilket minskar storleken på systemet och tillverkningskostnaden. De korta högfrekventa pulserna som sändaren producerar kan även användas i system som mäter avstånd, position, eller som används för att se genom objekt som inte är transparenta för synligt ljus. |
| Abstract English |
Short high-frequency electromagnetic pulses, also referred to as wavelets, are considered for use in various short-range impulse based ultra-wideband applications, such as communication, imaging, radar, spectroscopy, and localization. This thesis investigates field-effect and tunneling based semiconductor devices and their operation in millimeter-wave (mm-wave) impulse transceivers. The main research contribution of this work is the demonstration of a novel high performance InGaAs MOSFET and its integration in a wavelet generator. The first topic of this thesis is the design and fabrication of a gated tunnel diode (GTD) device. The main feature of the GTD is the ability to switch it between positive differential output conductance (PDC) and negative differential output conductance (NDC). This makes it a versatile element, which can be used to improve circuit functionality. The second topic is the design and fabrication of an epitaxially regrown InGaAs MOSFET. The device architecture was developed with the aim of minimizing the on-resistance (Ron) to increase the on-state current and extrinsic transconductance (gm,ext.). A 55-nm-gate length MOSFET yields gm,ext.=1.9 mS/μm at VGS=0.5 V and VDS=1 V, Ron=199 Ωμm, an extrapolated fmax of 292 GHz, and ft of 244 GHz. The device performance is analyzed by constructing a small-signal model, which includes the influence of impact ionization, band-to-band tunneling, and the wideband frequency response of gate oxide border traps. Vertical gate-all-around nanowire MOSFETs integrated on a Si platform are also investigated and exhibit gm,ext.=0.155 mS/μm, fmax=9.3 GHz, and ft=14.3 GHz. The regrown MOSFET is furthermore combined with an RTD to form a switchable NDC component, which is integrated in parallel to an inductive coplanar waveguide to form an oscillator circuit. By switching the output of the RTD-MOSFET between NDC and PDC it is possible to kick-start and rapidly quench the oscillator to produce mm-wave wavelets. The wavelet generator delivers coherent 41-ps-short wavelets with a peak output power of 7 dBm at a rate of 15 Gpulses/s. The wavelets are generated at an energy consumption of 1.9 pJ/pulse. |
| Subject |
Technology and Engineering |
| Keywords | resonant tunneling diode, negative differential conductance oscillator, ultra-wideband, impulse radio, Wavelet generator, MOSFET, nanowire, high frequency characterization, Fysicumarkivet A:2012:Egard |
| ISBN/ISSN/Other |
ISBN: 978-91-7473-309-9 |
| Supervisor | Lars-Erik Wernersson |
Contact
"ReSearch for the Future"
Lund University's "ReSearch for the Future" magazine (Pdf, 10 Mb) presents a range of research from across the University.