电子电路设计分析论文提纲

论文题目：面向单电子晶体管的热电-光电集成微纳能量收集器系统的研究

摘要：物联网革命正在飞速发展的今天,收发（T/R）组件作为物联网通信网络的重要组成部分,自然而然成为了研究的重点。在T/R组件中,良好的信号检测器件是至关重要的。为了优化信号检测器件的性能,一方面我们希望扩大可检测信号的范围、提高信号检测的精度、增强微弱信号的检测能力,因此研制出高精度、高灵敏度的新型信号检测器件就成为了研究的热点之一。另一方面,收发组件中还存在功耗过大、热损耗严重等问题,如何将这一部分能量回收利用实现器件的自供电便成为了研究的另一热点。围绕上述两个热点问题,本文从单电子技术和集成能量收集技术两方面入手,提出了面向单电子晶体管的热电-光电能量收集传感器电路的研究。主要内容有:（1）针对提高信号检测器件的精度、提高检测微弱信号能力的目标:本文以检测幅值0.1μV的交流信号为标准,设计、分析了单管SET（Single-electron transistor）放大器的结构和工作特性。以单电子正统理论为基础,通过Matlab数学建模的方法分析了单电子放大器管栅源电压为定值时的源漏电流特性和源漏电压为定值时的源漏电流特性,即输出特性和转移特性。并推导了低温、小偏压下的栅跨导和源漏电导公式。根据数学建模的结果,本文建立了一种等效的Spice参数模型,且实现了该等效模型的Spice仿真。结果显示两种模型的输出电流误差不超过0.17%。最后本文以实现0.1μV交流信号的放大,根据仿真和模型给出了单电子晶体管库伦岛核心区域的等效电容和等效的源漏导通电阻,并依此给出了对应的结构参数。（2）针对增强器件自供电能力的目标:本文设计、制备、测试和分析了一种热电-光电集成微纳能量收集器。该能量收集器以单片集成的方式将热电和光电能量收集器结合在一起,同时采取了金属与聚酰亚胺结合引导热流路径的方式,有效减小了同等供电能力下的器件面积,提高了转换效率。其中热电能量收集器的最大输出电压密度可以达到0.5763 V·cm-2·K-1,最大输出功率密度可达到2.757×10-2μW·cm-2·K-2。光电能量收集器在采取上表面受光的工作模式时效率可以达到5.5%,填充因子为66.98,而下表面受光时的效率为0.275%,填充因子为30.35。数据表明本文制备的能量收集器具有收集热能、光能,实现自供电的能力。（3）针对面向单电子晶体管的热电-光电集成能量收集器电路的工程应用目标:本文给出了一种包含单电子放大器、稳压电路以及热电-光电集成能量收集电路构成的混合系统。该系统以限幅器、功率放大器等器件产生的热损耗以及环境光源作为自供电的能量来源。集成能量收集电路的输出端通过稳压电路后为单电子放大器提供稳定的直流偏置。在最后本文给出了该系统中各核心组件之间的关系以及单电子放大器和热电-光电集成微纳能量收集器的版图设计与相关的工艺流程。

关键词：微纳能量收集器;热电-光电单片集成;单电子晶体管;单电子放大器;微弱信号检测

学科专业：微电子学与固体电子学

摘要

Abstract

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.1.1 单电子技术

1.1.2 热电和光电能量收集技术

1.1.3 研究意义

1.2 研究现状与进展

1.2.1 单电子器件

1.2.2 热电与光电能量收集器

1.3 本文的主要工作

第二章 器件的设计理论与实现方法

2.1 单电子器件的基础理论与实现方法

2.1.1 隧道穿透效应与库伦阻塞效应

2.1.2 单电子晶体管的工作特性

2.1.3 单电子晶体管的数值仿真方法

2.2 热电-光电能量收集技术的基本理论

2.2.1 四类热电效应

2.2.2 热电能量收集器的设计理论

2.2.3 光电能量收集器的设计理论

2.3 本章内容小结

第三章 面向能量收集器系统的单电子晶体管研究

3.1 SET的数学建模与仿真

3.1.1 库伦阻塞

3.1.2 库伦振荡

3.2 SET的放大特性分析

3.2.1 SET的直流工作特性和库伦菱形

3.2.2 SET的交流工作特性

3.2.3 微弱信号输入下的SET电学参数

3.2.4 SET放大器的Spice模型

3.3 SET的等效电容与结构参数

3.4 本章小结

第四章 热电-光电集成微纳能量收集器的研究

4.1 热电-光电集成微纳能量收集器的建模与仿真

4.1.1 热电-光电集成微纳能量收集器的基本原理和结构设计

4.1.2 热电能量收集器的传热模型分析

4.1.3 热电-光电集成微纳能量收集器的混合等效电路

4.1.4 热电能量收集器的有限元仿真分析

4.2 热电-光电集成微纳能量收集器的选材与工艺制备流程

4.3 材料参数测试结构的原理及仿真

4.3.1 多晶硅电阻率测试结构

4.3.2 接触电阻测试结构

4.3.3 多晶硅塞贝克系数测试结构

4.4 热电-光电集成微纳能量收集器的实验结果

4.4.1 测试的前期准备

4.4.2 材料参数的测试

4.4.3 热电能量收集器的测试

4.4.4 光电能量收集器的测试

4.5 热电-光电集成微纳能量收集器的测试的结果与分析

4.5.1 输出电压因子与输出功率因子

4.5.2 测试温差与有效温差

4.5.3 热电-光电集成微纳能量收集器的测试结果与分析

4.6 本章小结

第五章 面向单电子晶体管的热电-光电集成微纳能量收集器系统

5.1 面向单电子晶体管的能量收集电路

5.1.1 面向SET放大器电路的能量收集器系统

5.1.2 含DC-DC升压转换器的稳压电路

5.1.3 含DC-AC-DC升压逆变电路与整流电路的稳压电路

5.2 单电子晶体管放大器的版图与工艺流程设计

5.2.1 SET的版图设计

5.2.2 SET的工艺流程

5.3 热电-光电集成微纳能量收集器的版图设计

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 总结

6.2 反思与展望

致谢

参考文献