本發明專利技術公開了一種偶極子天線與NMOS溫度傳感器一體化的太赫茲探測器，包括硅襯底和設置在硅襯底上的第一NMOS管和第二NMOS管；兩個NMOS管的柵極分別與各自的漏極連接；第一NMOS管漏極連接電源；第一NMOS管的源極連接第二NMOS管的漏極，第二NMOS管的源極接地；第一NMOS管和第二NMOS管相同，兩者的柵極長度均為1.28～128.25μm，作為偶極子天線使用。該太赫茲探測器在標準CMOS工藝下，將NMOS管的柵極作為探測器的偶極子天線結構，實現了天線和溫度傳感器集成，減小芯片面積，節約成本。
Terahertz detector integrated with dipole antenna and NMOS temperature sensor
The invention discloses a terahertz detector dipole antenna and NMOS temperature sensor integration, including silicon substrate and silicon substrate is arranged in the first second NMOS tube and NMOS tube; two NMOS pipes respectively connected with the respective pole gate leakage; the drain is connected to power supply of the first NMOS tube; first NMOS tube source connection the drain of the second NMOS tube, second NMOS tube source ground; the first second NMOS tube and NMOS tube, the gate length is 1.28 ~ 128.25 m, used as a dipole antenna. Under the standard CMOS process, the detector of the NMOS tube is used as the dipole antenna structure of the detector to realize the integration of the antenna and the temperature sensor, thereby reducing the chip area and saving the cost.
【技術實現步驟摘要】
偶極子天線與NMOS溫度傳感器一體化的太赫茲探測器
本專利技術涉及半導體電磁波探測領域，特別是涉及一種偶極子天線與NMOS溫度傳感器一體化的太赫茲探測器。
技術介紹
太赫茲波是指一種介于毫米波段與紅外波段之間的電磁波，太赫茲頻段被定義到0.3THz到30THz之間(波長為1mm～10μm)，屬于電子學和光學的交界區域。太赫茲波相較于x射線能量更低，相比于可見光穿透性更好，這些特性使得太赫茲成像在安全監測、醫療衛生方面有巨大的發展前景。太赫茲探測器的種類有很多，例如天線耦合的FET(FieldEffectTransistor)自混合探測器，天線耦合的肖特基二極管探測器，異質結探測器和天線耦合的太赫茲熱探測器等。這些探測器都有著相同的特點：均是由探測天線和感知器件進行耦合的，并且兩個部分是相互獨立的。現在太赫茲熱探測所使用到的溫度傳感部分大多采用的是PTAT(proportionaltoabsolutetemperature)電路或者是三極管等溫度傳感器件，但是PTAT電路很復雜，所需要的器件數量較多，占據了較大的芯片面積，造成了成本上的增加；三極管、二極管等器件在CMOS(ComplementaryMetalOxideSemiconductor)工藝下相對NMOS管占據的面積更大。另一方面，傳感器采用MEMS(Micro-Electro-MechanicalSystem)技術，相比較于CMOS工藝需要的工藝難度和成本也是大大增加。
技術實現思路
為了解決上述技術問題，本專利技術提供一種偶極子天線與NMOS溫度傳感器一體化的太赫茲探測器，其在標準CMOS工藝下，將NMOS管的柵極作為探測器的偶極子天線結構，實現了天線和溫度傳感器集成，減小芯片面積，節約成本。為此，本專利技術的技術方案如下：一種偶極子天線與NMOS溫度傳感器一體化的太赫茲探測器，包括硅襯底和設置在所述硅襯底上的第一NMOS管和第二NMOS管；所述第一NMOS管的柵極與其漏極連接；所述第二NMOS管的柵極與其漏極連接；所述第一NMOS管漏極連接電源；所述第一NMOS管的源極連接第二NMOS管的漏極，所述第二NMOS管的源極接地；所述第一NMOS管和第二NMOS管相同，兩者的柵極長度均為1.28～128.25μm，作為偶極子天線使用。進一步，所述硅襯底由多晶硅電阻利用CMOS標準工藝制成。進一步，所述第一NMOS管的柵極和第二NMOS管的柵極之間的距離為0.24～5μm。進一步，所述第一、第二NMOS管的柵極寬為0.24～10μm。該偶極子天線與NMOS溫度傳感器一體化的太赫茲探測器有以下優點：1)成本降低。相比較于其他類型的太赫茲溫度傳感器，NMOS可以采用CMOS工藝實現，而其他類型的溫度傳感器或者采用更加復雜的工藝或者是更加復雜的電路實現，并且一體化探測器所占用的芯片面積遠遠小于其他類型的溫度傳感器，使得整個探測器的成本大大降低并且易于實現。2)不影響天線和NMOS器件單獨工作。將NMOS管的柵極作為探測天線可以實現天線和溫度傳感器的一體化，溫度傳感器可以在很短的距離內感應到溫度的變化，并且不會影響到NMOS在電路中的作用。3)使用多晶硅作為天線，免去了在電路中串聯電阻的步驟。因為多晶硅本身就有一定的阻抗，當作為天線使用時，就相當于一個理想的天線和一個電阻串聯，省去了在設計時增加一個電阻的麻煩，節省了芯片的面積。4)偶極子天線采用了兩個NMOS管串聯的方式，使得溫度探測的能力相對于單個NMOS管大大增強，溫度探測器靈敏度更高。附圖說明圖1為偶極子天線與NMOS溫度傳感器一體化的太赫茲探測器的原理圖；圖2為NMOS太赫茲熱探測器電路示意圖；圖3為NMOS太赫茲熱探測器版圖示意圖；圖4為NMOS太赫茲熱探測器輸出電壓——溫度圖像；圖5為實施例1中2.66THz偶極子天線S參數圖像；圖6為實施例2中29.6THz偶極子天線S參數圖像。圖7為實施例3中16.3THz偶極子天線S參數圖像。具體實施方式偶極子天線是由兩根四分之一波長長度的豎直天線組成，總長度為半波長，也稱為半波振子。由于在CMOS標準工藝下，本設計采用的是將NMOS管的柵極作為天線，因為柵極的材料是多晶硅，多晶硅本身具有一定的阻抗，避免了整個天線阻抗匹配的問題。整個太赫茲探測器的工作原理如圖1所示：①②③表示的是不同頻率的太赫茲波，太赫茲波在空間中傳遞到探測器上的天線時，由于每根天線的長度和都會和波長的四分之一相匹配，天線就可以作為一個良好的載體吸收太赫茲波，進而在多晶硅偶極子天線上產生熱量，實現電磁能到熱能的轉換。NMOS管感應到多晶硅偶極子天線的溫度變化，輸出感應溫度變化而產生相應變化的電壓值。這個過程完成了由熱能到電能的轉化，從而實現了溫度探測的功能。太赫茲探測器的電路結構如圖2所示，NMOS管的柵極和漏極短接，形成二極管式的連接方式，在此種連接方式下，VGS-VTH＜VDS，NMOS管一直工作在飽和狀態，此時NMOS器件的漏極飽和電流大小如式(1)所示：根據公式(1)，我們可以得出電路圖中的輸出電壓，也就是VGS的大小為：式中ID表示的是NMOS管的漏極電壓，W和L分別表示NMOS的溝道寬度和溝道長度，μn表示的是電子的遷移率，Cox為單位面積柵氧化層電容，VGS指的是柵源電壓，VT表示的是閾值電壓。偶極子天線的長度在理想的情況下可以由公式(3)進行計算得出：其中，c＝3×108，表示的是光速；ν表示的是太赫茲頻率；h表示的是偶極子天線單根天線的長度，此時h為真空中的天線長度；h1表示在二氧化硅介質中的天線長度，ε表示的是在二氧化硅的相對介電常數，在這里取平均值3.8。在二氧化硅介質中的天線長度即指代的是本申請NMOS管柵極的長度。在整個的太赫茲頻段，偶極子天線單根天線(即NMOS管柵極)的長度在1.28um～～128.25um的范圍內。由于本申請基于CMOS工藝，在天線的制作過程中，天線基于硅襯底并且周圍充滿著二氧化硅介質，受了不同材料的影響，導致天線的尺寸在太赫茲頻段范圍內不能精確到每一個頻點。在本探測器中，采用恒定電流源，也就是說漏極電流是一個恒定的數值，可以得知輸出電壓主要和閾值電壓之間存在著數學關系，而閾值電壓是受到溫度影響的，這表明在理論上NMOS的輸出電壓與溫度之間是存在著對應關系的。根據具體的仿真結果如圖5所示，在給定的溝道寬長比下，NMOS的輸出電壓和溫度之間是線性關系。圖5中橫坐標表示的環境溫度的變化，縱坐標是輸出電壓也就是柵源電壓VGS的變化數值，是在NMOS管在溝道長度L＝250nm，溝道寬度W＝250nm，插指數為1時得到的圖像，此時的電壓為0.8v，電流源的大小為2uA。根據圖5可以得知，偶極子天線NMOS探測器的輸出電壓每攝氏度的變化為1.36mv左右。以下結合附圖和實施例對本專利技術的技術方案進行詳細描述。實施例1一種偶極子天線與NMOS溫度傳感器一體化的太赫茲探測器，包括硅襯底和設置在硅襯底1上的第一NMOS管2和第二NMOS管3；在2.66THz的頻率下，根據公式(3)和公式(4)可得對應偶極子天線的臂長(即第一、二NMOS管的柵極長度)為14.5um。經仿真后，兩個天線之間的距離(第一、二NMOS管的柵極間距)為1um，各個天線(第一、二NMO本文檔來自技高網...
【技術保護點】
一種偶極子天線與NMOS溫度傳感器一體化的太赫茲探測器，其特征在于：包括硅襯底(1)和設置在所述硅襯底(1)上的第一NMOS管(2)和第二NMOS管(3)；所述第一NMOS管(2)的柵極(201)與其漏極(202)連接；所述第二NMOS管(3)的柵極(301)與其漏極(302)連接；所述第一NMOS管(2)漏極(202)連接電源(204)；所述第一NMOS管(2)的源極(203)連接第二NMOS管(3)的漏極，所述第二NMOS管(3)的源極(303)接地；所述第一NMOS管(2)和第二NMOS管(3)相同，其柵極作為偶極子天線使用，所述第一、第二NMOS管的柵極(201，301)長度為1.28～128.25μm。
【技術特征摘要】
1.一種偶極子天線與NMOS溫度傳感器一體化的太赫茲探測器，其特征在于：包括硅襯底(1)和設置在所述硅襯底(1)上的第一NMOS管(2)和第二NMOS管(3)；所述第一NMOS管(2)的柵極(201)與其漏極(202)連接；所述第二NMOS管(3)的柵極(301)與其漏極(302)連接；所述第一NMOS管(2)漏極(202)連接電源(204)；所述第一NMOS管(2)的源極(203)連接第二NMOS管(3)的漏極，所述第二NMOS管(3)的源極(303)接地；所述第一NMOS管(2)和第二NMOS管(3)相同，其柵極作為偶極子天線使用，所述第一、第二NMOS管的柵極(201，301)長度為1.28～128.25μm。2.如權利...
【專利技術屬性】
技術研發人員：陳霏，李子蒙，
申請(專利權)人：天津大學，
類型：發明
國別省市：天津,12
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