隧穿磁电阻效应磁场传感器中的噪声分析及降低噪声的方法

隧穿磁电阻效应磁场传感器(TMR)虽具有灵敏度高、功耗低等特点,但器件的低频噪声限制了其在微弱磁场探测方面的应用。文章分析了隧穿磁场传感器中散粒噪声、热磁噪声、1/f噪声的产生机理,并结合几种噪声的解析式分析了各自的频率依赖关系。在低频率范围内,TMR传感器的噪声主要表现为1/f噪声。阐述了降低器件噪声的若干方法,并结合理论和实践分析了优化TMR传感器的结构、优化MTJ材料制备工艺、运用斩波技术、交流励磁以及MEMS聚磁器等方法后的降噪效果。通过对比分析发现MEMS磁聚集器是隧穿磁场传感器的最优降噪手段,利用MEMS磁聚集器可有效地将1/f噪声压制103倍,使TMR磁传感器的噪声低于10 pT/√Hz@1Hz。

一维三方势垒量子隧穿特性的研究

本文通过严格求解定态薛定谔方程,研究了一维对称三方势垒的量子隧穿特性,解析地给出透射系数的精确表达式,并且数值模拟了势垒高度、势垒间距以及粒子入射能量对透射系数的影响.结果表明:当取不同的势垒宽度,或者不同的粒子入射能量时,透射系数随着势垒间距的增加而呈现出明显的周期式振荡.将一维对称双方势垒和三方势垒进行比较,透射系数随着势垒间距的增大,均呈现周期性振荡,并且振荡周期相同,但三方势垒振荡更剧烈,振幅越大,并且三方对称势垒是双峰曲线,而双方对称势垒是单峰曲线.该特性为设计新型纳米器件以及共振隧穿量子器件等提供理论指导.

基于共振隧穿二极管的太赫兹技术研究进展

共振隧穿二极管(Resonant Tunneling Diode, RTD)是一种基于量子隧穿效应的半导体器件,同时具有非线性特性和负阻特性,通过改变偏置电压可以作为太赫兹源和太赫兹探测器,在未来6G技术中通信感知一体化方面具有优势。简要总结了基于RTD实现的器件的工作原理,对基于RTD实现的太赫兹源和太赫兹探测器、太赫兹通信系统以及太赫兹雷达系统等太赫兹技术的研究进展进行介绍,并对当前存在的技术挑战和未来的发展方向进行探讨。基于RTD的太赫兹技术凭借其突出的优势,将成为未来电子器件领域重要的发展方向。

异质栅介质双栅隧穿场效应晶体管TCAD仿真研究

采用异质栅介质结构,加入高k介质Pocket区,对双栅隧穿场效应晶体管进行了改进。通过搭建不同模型,分析了栅介质的长度、介电常数以及Pocket区厚度等参数对器件开态电流Ion、双极性特性、亚阈值摆幅等的影响。TACD仿真结果表明,Ion随介电常数的增大可提升至5.17×10-5A/μm,且双极性电流也有极大的增幅,亚阈值摆幅因开态电流的改善降低至28.3 mV/dec,而异质栅介质的不同长度对器件性能并无明显影响;在双极性上,Pocket区厚度的增加使得栅漏隧穿宽度增大,双极性电流减小至1.0×10-17A/μm,抑制了双极性导通,同时对器件其他特性未产生明显影响。

一种全尺寸MOS晶体管的俘获隧穿电流优化模型

针对当前的俘获隧穿电流模型中,对于不同器件尺寸只有统一的参数进行模型拟合,存在无法针对器件尺寸变化进行准确地模型拟合的问题。本文提出了在俘获隧穿电流模型的参数中,添加与器件全尺寸信息相关的方法,包括器件宽度方向,长度方向及小尺寸的系数对原有的漏电模型基础上进行优化,使得该优化的漏电模型能更好地反应器件特性实测数据,更好地解决了俘获隧穿电流更准确地表征器件特性的问题,这就提高了给电路设计者做仿真参考的准确性。

一维双方势垒单势阱模型的共振隧穿条件研究

对于双势垒或多势垒系统,当入射粒子能量符合共振能级时将产生共振隧穿,使穿透率为一极大值,这样一个重要的性质在很多量子或半经典器件中都有广阔的应用前景.本文主要研究一维双方势垒模型及具有高度对称性的ABABA型双方势垒系统.从薛定谔方程出发,通过推导获得了一般的一维双方势垒系统的透射率计算方法,为数值计算提供了参考公式,并证明了透射率解析解的存在.对于具有高度对称性的ABABA型双方势垒系统模型,本文推导了透射率的解析表达式,并且给出了共振遂穿条件的解析解,探讨了共振隧穿所需条件及影响因素.

自由层磁性交换偏置效应调控隧穿磁电阻磁传感单元性能

优化样品结构参数、磁场退火热处理、串并联桥式设计、施加电流热效应以及额外偏置磁场等是调控隧穿磁电阻(tunnel magnetoresistance,TMR)磁传感性能的常用方法.借助这些方法可以提高TMR磁传感的灵敏度、抗噪声指数、线性度和线性磁场范围等关键性能参数.其中,通过改变TMR磁传感单元的钉扎层、自由层以及势垒层材料和厚度等样品结构参数能够改变交换偏置场,进而提升TMR磁传感性能参数.本文基于微磁学仿真和实验测量发现,通过改变自由层CoFeB/Ru/NiFe/IrMn中的交换耦合作用,可以调制TMR自由层的交换偏置场大小和提升TMR磁传感单元的性能.当逐步增强IrMn钉扎效果时,TMR磁传感单元的线性磁场范围随之增大,但是磁场灵敏度降低;在±0.5倍自由层(主要是CoFeB层)磁矩变化范围内所有TMR磁传感单元的线性度最佳.

基于共振隧穿二极管的近程太赫兹通信技术

太赫兹通信技术是实现6G愿景的关键底层技术之一,针对应用场景选择不同技术路线定制收发系统将是其发展趋势。RTD太赫兹收发模块具有室温、高频率、高灵敏度、易集成等特点,成为太赫兹通信技术领域的新星。通过介绍RTD太赫兹源、探测器及通信系统的工作原理和现状,分析了目前面临的效率及灵敏度提升挑战,并从器件和电路层面探讨和展望了可能解决方案和技术方向,为推动RTD太赫兹通信实用化提出思考。

光生载流子FN隧穿的范德华垂直异质结光电探测特性

过渡金属硫族化合物及其范德华异质结在光电探测方面具有重要的应用前景。近年来,基于光电导效应、光诱导栅控效应、光伏效应、光-热电效应等机理的器件被提出并广泛研究。其中,基于光诱导栅控效应的过渡金属硫族化合物平面型光电器件因其与晶体管相近的器件结构、工艺兼容性以及较高的光电探测响应率而备受关注,然而往往存在响应速度慢、不施加栅压时暗电流大等缺点,制约了器件性能的进一步提升。因此,针对过渡金属硫族化合物光诱导栅控型光电器件,如何提高其响应速度、降低暗电流成为亟需解决的重要问题。该研究通过实验构建石墨烯/MoS_(2)/h-BN/石墨烯垂直异质结构,在传统石墨烯/MoS_(2)异质结中插入宽禁带h-BN势垒层以抑制器件暗电流,同时利用光照条件下光生载流子的FN隧穿效应提升器件的光电响应速度。该研究成功实现了皮安量级的暗电流以及相对较快的光电探测响应速度(响应时间约为0.3 s),相比于传统石墨烯/MoS_(2)异质结器件(响应时间约为20 s)有近两个数量级的提升,同时验证了基于FN隧穿效应的范德华垂直异质结构对于增强光电探测性能的积极作用。

共振隧穿二极管(RTD)的物理模型——共振隧穿器件讲座(3)

介绍了共振隧穿二极管物理模型的量子力学基础,重点讲解共振隧穿两种物理模型,从不同维度隧穿的特点分析共振隧穿和非共振隧穿的区别,为以后讨论分析共振隧穿器件的特性奠定基础。

基于隧穿磁阻磁强计的软物理不可克隆函数设计

隧穿磁阻(TMR)传感器相比于其他类型磁阻传感器功耗更低、灵敏度更高、可靠性更好,在军事和民用等领域有着广阔的应用前景。该文针对TMR传感器的微弱信号检测和安全防护等问题,提出一种高精度TMR传感器读取专用集成电路(ASIC)和提取传感器物理不可克隆函数(PUF)特性的设计方案。该方案通过设计前端低噪声仪表放大器和高精度模数转换器,并结合斩波技术和纹波抑制技术,实现高精度信号读取和模数转换;利用具备数字输出功能的TMR磁强计比较不同传感器零位偏差,采用多位随机平衡算法完成TMR磁强计的软PUF设计,可产生128 bit PUF响应。TMR传感器读取ASIC利用上海华虹0.35μm CMOS工艺完成流片,并测试磁强计功能和TMR-PUF性能。实验结果表明,在5V电源电压下,TMR磁强计系统功耗约10 mW,噪底可达–140 dBV,3次谐波失真–107 dB;TMR-PUF的唯一性达到47.8%,稳定性为97.85%,与相关文献比较性能优异。

硫化铅量子点薄膜中基于量子隧穿的载流子输运机制

近年来,铅系量子点(如PbX,X=S,Se,Te)薄膜光物理性质的研究表明该材料在下一代柔性光电器件中存在潜在应用价值.理解量子点薄膜中载流子输运机制对于发展此类器件至关重要.利用超快瞬态吸收光谱技术,对PbS量子点薄膜中由于载流子输运导致的激子漂白峰位移做了系统性研究.结果发现在高带隙激发条件下,激子漂白峰随延时往低能方向移动,即发生红移.进一步通过分析光谱位移速率和幅值与温度的依赖关系,基于热激活隧穿输运模型揭示了PbS量子点薄膜中的载流子输运机制为电荷隧穿.

共振隧穿二极管THz辐射源研究进展

太赫兹技术被称为“改变未来世界十大技术之一”,对基础科学研究、国民经济发展和国防建设具有重要意义,尤其在未来6G通信方面举足轻重。太赫兹波源是整个太赫兹技术研究的基础,也是太赫兹应用系统的核心部件。近年来,共振隧穿二极管(RTD)型太赫兹波源因体积小,质量轻,易于集成,室温工作,功耗低等特点受到广泛关注,为太赫兹波推广应用开辟了新的途径。通过文献分析,本文从器件材料技术、主要工艺及器件性能等方面对InP基与GaN基RTD太赫兹振荡器的发展进行评述,并探讨了InP基与GaN基RTD太赫兹振荡器件的研究方向。

铁磁/绝缘(半导体)/铁磁隧穿结中的隧穿磁阻

在二带模型的基础上，借助于Ａｉｒｙ函数，利用传递矩阵方法，求出了隧穿结中的隧穿电导和隧穿磁阻随电场的变化关系，对实验现象给出了很好的解释．

SL(n,R)户田黑洞的隧穿效应

由于SL(n,R)户田黑洞具有很好的数学结构,是研究黑洞物理较为理想的场所.本文主要研究其黑洞的霍金辐射,以及相关信息丢失问题.为了简单,只考虑在四维静态球对称SL(n,R)户田黑洞下,通过计算静止质量为零的粒子在事件视界附近隧穿效应来研究霍金辐射.在粒子的隧穿过程中,利用能量守恒并考虑了隧穿粒子对背景时空的反作用.获得粒子通过事件视界的隧穿概率取决于粒子出射前后黑洞熵的变化,并在此基础上讨论了其信息丢失问题,在满足一定条件下,我们的结果与RN黑洞和施瓦茨黑洞的结果一致.

硅烯上的克莱因隧穿

基于硅烯的四带低能有效哈密顿量,通过求解狄拉克方程研究了单层硅烯上的势垒隧穿,得出了硅烯中隧穿几率随入射角度的变化关系。当入射方向为正入射时,电子完全透射,隧穿几率不随隧穿势垒宽度和门电压改变而变化,表明在硅烯中可以观察到克莱因隧穿现象。进一步研究了硅烯在常规半导体相、拓扑绝缘体相以及半金属相等不同物相中的量子输运,发现不同的物相对于电子的隧穿影响不大。该研究有助于澄清硅烯上克莱因隧穿的特性,并为基于硅烯的强鲁棒性量子隧穿器件设计提供思路。

n型隧穿氧化层钝化背接触太阳能电池发射极激光硼掺杂工艺

在n型隧穿氧化层钝化背接触(TBC)太阳能电池发射极制程中引入激光掺杂可快速实现发射极图案化制作,简化电池制作流程。通过激光将硼硅玻璃(BSG)中的硼掺入多晶硅层中,形成图案化的掺硼多晶硅层。研究了不同激光参数及掺杂次数对TBC太阳能电池发射极钝化性能和方块电阻的影响,实验结果表明,当激光功率为70 W、掺杂次数为2次时,太阳能电池发射极可获得良好的钝化效果和合适方阻,其中掺杂浓度达到8.1×10^(19)cm^(-3),隐开路电压>723 mV,方块电阻约为150Ω/□。制备的TBC太阳能电池的平均光电转换效率可达24.691%,短路电流密度为42.31 mA/cm^(2),开路电压为718.7 mV,填充因子为81.2%。

纳米级MOS器件中电子直接隧穿电流的研究

文章从分析量子力学效应对纳米级MOS器件的影响出发,采用顺序隧穿理论和巴丁传输哈密顿方法,建立了纳米级MOS器件直接隧穿栅电流的计算模型。通过和实验数据的比较,证明了该模型的有效性。计算结果表明,在纳米级MOS器件中,采用SiO2作栅介质时,1.5 nm厚度是按比例缩小的极限。该计算模型还可以用于高介电常数栅介质和多层栅介质MOS器件的直接隧穿电流的计算。

共振隧穿器件及其集成技术发展趋势和研究热点

在概括了共振隧穿器件及其集成技术的特点和分析了其发展趋势的基础上,给出了该领域当前的研究热点。

小偏压下阱中阱结构的量子隧穿特性及其实现

共振隧穿是电子的隧穿概率在某一个能量值附近以尖锐的峰值形式出现的隧穿,是目前为止最有希望应用到实际电路和系统的量子器件之一,其特点是器件的响应速度非常快。用传递矩阵的方法分别计算了在外加偏压下,对称双势垒、三势垒应变量子阱结构的透射系数与入射电子能量和隧穿电流与偏置电压的关系,模拟了应变多量子阱结构的隧穿系数和I-V特性曲线。计算得到隧穿电流峰值位置与实验测试值符合得很好,对于设计共振隧穿二极管并为进一步实验提供理论指导具有重要的意义。