Detektory promieniowania sub-THz budowane z użyciem krzemowych tranzystorów typu MOSFET

• Autorzy: Kopyt P.

Identyfikatory

DOI

10.15199/13.2015.7.8

Warianty tytułu

EN

Sub-THz Radiation Detectors Built of Si-MOSFETs

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

W artykule przeanalizowano z punktu widzenia projektanta wpływ elementów pasożytniczych występujących w krzemowych tranzystorach polowych typu MOSFET na działanie detektorów promieniowania sub-THz zbudowanych z użyciem takich przyrządów. Zaproponowano obwodowy model przyrządu zewnętrznego, a wartości elementów modelu dobrano w oparciu o typowe dane dostępne w literaturze. Model kanału tranzystora został zbudowany jako odcinek linii długiej opisanej za pomocą macierzy [Z], co ułatwiło zintegrowanie go z elementami pasożytniczymi. Uzyskany w ten sposób opis tranzystora MOSFET zastosowano do zbadania odpowiedzi kanału na pobudzenie sygnałem o częstotliwości sub-THz dostarczanego przez zaciski G i S. Wyniki takiej analizy przeprowadzonej dla tranzystorów MOSFET zintegrowanych z przykładową anteną łatową porównano z danymi uzyskanymi eksperymentalnie dla struktur o różnych wymiarach kanału uzyskując zadawalającą zgodność. Wydaje się zatem, że pomimo nieskomplikowanej budowy zaproponowany model może ułatwić projektowanie nowych detektorów promieniowania sub-THz i pełniejsze zrozumienie ich działania.

EN

In this paper an analysis of parasitic elements that are found in all typical metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) has been performed from a viewpoint of a designer of sub-THz radiation detectors. A simplified model of the extrinsic MOSFET device has been proposed. Typical values of its parameters have been assumed based on literature. The author has also built a model of the MOSFET’s channel (intrinsic device) employing the standard transmission line approach and defining a Z-matrix of the circuit in order to facilitate its integration with the parasitic elements. The full effective circuit model of the MOSFET has been employed to analyze the behavior of the detector when subjected to sub-THz radiation delivered through the Gate and Source pads. Finally, predictions of the responsivity of an example detector built of a typical MOSFET integrated with a patch antenna have been compared with measurements of several structures employing MOSFETs of various channel widths. Good agreement between the predictions and the measurements has been demonstrated, which indicates that despite its simplicity the presented model can significantly help to better understand operation of MOSFET-based detectors and also to improve the design process.

Słowa kluczowe

PL

detektory fal milimetrowych; tranzystory MOSFET; modelowanie przyrządów półprzewodnikowych; antena łatowa

EN

submillimeter wave detectors; MOSFETs; semiconductor device modeling; equivalent circuits; microstrip antennas

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Elektronika : konstrukcje, technologie, zastosowania
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 56, nr 7
• Strony: 37--41
• Opis fizyczny: Bibliogr. 18 poz., wykr.

Twórcy

autor

Kopyt P.

• Politechnika Warszawska, Instytut Radioelektroniki

Bibliografia

• [1] J. L. Hesler, L. Liu, H. Xu, Y. Duan, and R. M. Weikle, “The Development of Quasi-optical THz Detectors,” Proc. 33rd Intl. Conf. on Infrared, Millimeter and Terahertz Waves, USA, 15–19 Sept. 2008.
• [2] B. S. Karasik, M. C. Gaidis, W. R. McGrath, B. Bumble, H. G. LeDuc, “A low-noise 2.5 THz superconductive Nb hot-electron mixer,” IEEE Trans. Appl. Supercond. 7 (2), 3580 (1997).
• [3] P. H. Siegel, “Terahertz technology,” IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol.50, no. 3, pp. 919–928, 2002.
• [4] M. I. Dyakonov, M. S. Shur, „Shallow Water Analogy for a Ballistic Field Effect Transistor”, Phys. Rev. Lett., vol. 71, pp. 2465, 1993.
• [5] M. I. Dyakonov, and M. S. Shur, “Detection, Mixing, and Frequency Multiplication of Terahertz Radiation by Two Dimensional Electronic Fluid,” IEEE Trans. Electron Devices, vol. 43, Mar. 1996, pp. 380–387.
• [6] W. Knap, V. Kachorovskii, Y. Deng, S. Rumyantsev, J.-Q. Lü, R. Gaska, M. S. Shur, G. Simin, X. Hu, M. Asif, Khan, C. A. Saylor, and L. C. Brunel, “Nonresonant Detection of Terahertz Radiation in Field Effect Transistors,” Journal of Applied Physics, vol. 91, no. 11, Jun. 2002, pp. 9346–9353.
• [7] D. Veksler, F. Teppe, A. P. Dmitriev, V. Yu. Kachorovskii, W. Knap, and M. S. Shur, “Detection of Terahertz Radiation in Gated Two-Dimensional Structures Governed by DC Current,” Physical Review B, vol. 73, 2006, pp. 125328.
• [8] A. Lisauskas, U. Pfeiffer, E. Öjefors, P. H. Bolìvar, D. Glaab, and H. G. Roskos, “Rational design of high-responsivity detectors of terahertz radiation based on distributed self-mixing in silicon field-effect transistors,” J. Appl. Phys. vol. 105, no. 114511 (2009).
• [9] E. Öjefors, U. R. Pfeiffer, A. Lisauskas, and H. G. Roskos, “A 0.65 THz Focal-Plane Array in a Quarter-Micron CMOS Process Technology,” IEEE J. of Solid-State Circuits, Vol. 44, No. 7, Jul. 2009, pp. 1968–1976.
• [10] R. Hadi, H. Sherry, J. Grzyb, Y. Zhao, W. Förster, H. Keller, A. Cathelin, A. Kaiser, and U. Pfeiffer, “A 1 k-Pixel Video Camera for 0.7-1.1 Terahertz Imaging Applications in 65-nm CMOS,” IEEE J. of Solid-State Circuits, vol. 47, no. 12, Dec. 2012, pp. 2999-3012.
• [11] P. Kopyt, “Planar antennas for integration with FET-based THz radiation detectors,” Proc. of 19th Intl. Conf. on Microwave Radar and Wireless Comm. (MIKON), Warsaw, Poland, 2012, pp. 276–278.
• [12] P. Kopyt, P. Zagrajek, J. Marczewski, K. Kucharski, B. Salski, J. Lusakowski, W. Knap, W. K. Gwarek, “Analysis of Sub-THz Radiation Detector Built of Planar Antenna Integrated with MOSFET,” Microelectronics Journal, vol. 45, 2014, pp. 1168–1176.
• [13] M. Sakhno, F. Sizov, A. Golenkov, “Uncooled THz/sub-THz Rectifying Detectors: FET vs. SBD,” J. of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Vol. 34, Iss. 12, Dec. 2013, pp. 798-814.
• [14] W. Knap, M. Dyakonov, D. Coquillat, F. Teppe, N. Dyakonova, J. Lusakowski, K. Karpierz, M. Sakowicz, G. Valusis, D. Seliuta, I. Kasalynas, A. Fatimy, Y. M. Meziani, T. Otsuji, “Field Effect Transistors for Terahertz Detection: Physics and First Imaging Applications”, J. of Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, Vol. 30, Iss. 8, Aug. 2009, pp. 1319–1337.
• [15] S. Preu, S. Kim, R. Verma, P. G. Burke, and M. S. Sherwin, “An Improved Model for Non-Resonant Terahertz Detection in Field-Effect Transistors,” J. Appl. Phys., vol. 111, 2012, pp. 024502.
• [16] Y. Tsividis, Operation and Modeling of the MOS Transistor, Oxford University Press, 2nd Edition, New York, 1998.
• [17] D. M. Pozar, Microwave Engineering, 3rd ed., New York, NY: Wiley, 2007.
• [18] W. K. Gwarek, M. Celuch, M. Sypniewski, A. Wieckowski, „QuickWave-3D Manual v. 2014”, QWED, Poland 2014.