Electron Tunneling and Field-Effect Devices in mm-Wave Circuits
(2012)- 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) - 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)
Please use this url to cite or link to this publication:
https://lup.lub.lu.se/record/2440362
- author
- Egard, Mikael LU
- supervisor
- opponent
-
- Professor Thayne, Iain, School of Engineering, Glasgow University, United Kingdom
- organization
- publishing date
- 2012
- 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 13:15:00
- ISBN
- 978-91-7473-309-9
- language
- English
- LU publication?
- yes
- id
- c14b5f25-6841-4acf-9e6e-768eed32ff40 (old id 2440362)
- date added to LUP
- 2016-04-04 11:14:12
- date last changed
- 2023-04-18 18:31:07
@phdthesis{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}},
keywords = {{negative differential conductance oscillator; resonant tunneling diode; ultra-wideband; impulse radio; Wavelet generator; MOSFET; nanowire; high frequency characterization; Fysicumarkivet A:2012:Egard}},
language = {{eng}},
publisher = {{Lund University}},
school = {{Lund University}},
title = {{Electron Tunneling and Field-Effect Devices in mm-Wave Circuits}},
url = {{https://lup.lub.lu.se/search/files/5726321/2440537.pdf}},
year = {{2012}},
}