Advanced

Electron Tunneling and Field-Effect Devices in mm-Wave Circuits

Egard, Mikael LU (2012)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in 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... (More)
Popular Abstract in 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. (Less)
Abstract
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... (More)
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. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Thayne, Iain, School of Engineering, Glasgow University, United Kingdom
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
negative differential conductance oscillator, resonant tunneling diode, ultra-wideband, impulse radio, Wavelet generator, MOSFET, nanowire, high frequency characterization, Fysicumarkivet A:2012:Egard
pages
158 pages
publisher
Lund University
defense location
Lecture Hall B, Fysicum, Sölvegatan 14 A, Lund University Faculty of Engineering
defense date
2012-05-11 13:15
ISBN
978-91-7473-309-9
language
English
LU publication?
yes
id
c14b5f25-6841-4acf-9e6e-768eed32ff40 (old id 2440362)
date added to LUP
2012-04-19 12:54:09
date last changed
2016-09-19 08:45:09
@misc{c14b5f25-6841-4acf-9e6e-768eed32ff40,
  abstract     = {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. <br/><br>
<br/><br>
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. <br/><br>
<br/><br>
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. <br/><br>
<br/><br>
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.},
  author       = {Egard, Mikael},
  isbn         = {978-91-7473-309-9},
  keyword      = {negative differential conductance oscillator,resonant tunneling diode,ultra-wideband,impulse radio,Wavelet generator,MOSFET,nanowire,high frequency characterization,Fysicumarkivet A:2012:Egard},
  language     = {eng},
  pages        = {158},
  publisher    = {ARRAY(0x8aceb40)},
  title        = {Electron Tunneling and Field-Effect Devices in mm-Wave Circuits},
  year         = {2012},
}