[發明專利]基于場效應晶體管的太赫茲波探測器的天線設計方法

在審

• 申請號: 201811616335.0
• 申請日: 2018-12-27
• 公開（公告）號: CN111400848A
• 公開（公告）日: 2020-07-10
• 發明（設計）人: 張博文;顏偉;黃鎮;李兆峰;王曉東;楊富華
• 申請（專利權）人: 中國科學院半導體研究所;中國科學院大學
• 主分類號: G06F30/20
• 分類號: G06F30/20;H01Q1/22
• 代理公司: 中科專利商標代理有限責任公司 11021
• 代理人: 李佳

本發明公開了一種基于場效應晶體管的太赫茲波探測器的天線設計方法，包括：構建一太赫茲波探測器模型；設置一束頻率變化的平面太赫茲波，垂直入射到集成天線的太赫茲波探測器模型上；提取所述太赫茲波探測器模型的場效應晶體管的溝道中一位置的電場強度；計算所述天線在不同頻率處產生的電場增強，得到電場增強隨頻率的變化關系；根據計算得出的所述變化關系獲取所述天線的中心頻率；根據所述天線的中心頻率確定天線的結構以及尺寸。本發明不用提取場效應晶體管的柵源電極之間的輸入阻抗，同時可以直觀地與太赫茲波探測器響應度相關聯，是一種直觀有效的太赫茲天線設計方法。

技術領域

本發明涉及平面集成天線的設計領域，具體涉及一種基于場效應晶體管的太赫茲波探測器的天線設計方法。

背景技術

太赫茲波是頻率在0.1THz-10THz的電磁波，介于紅外和毫米波之間，在電磁波譜中處于重要的位置。太赫茲波由于具有透射性強、電離能量小、頻帶寬、分辨率高、相干性強等特點，在材料特性表征、高分辨率成像、醫學診斷、安全檢查、信息通訊、雷達探測、大氣與環境檢測等眾多領域有著極其重要的應用。因而，近些年來，太赫茲波段吸引著越來越多的關注與研究。基于場效應晶體管的太赫茲波探測器始于1993年Dyakonov和Shur提出等離子體波理論，隨后實際的器件在不同的材料上被研制出來。由于具有體積小、易于與芯片集成、響應速度快、室溫工作等特點，這種太赫茲波探測器已經成為一種主流的太赫茲波探測手段。

通常為了進一步提高探測器的響應度，基于場效應晶體管的太赫茲波探測器通過在源極和柵極外接平面天線的方式來耦合空間中的太赫茲波，從而在柵源電極之間產生一交流信號，這一交流信號可以調制晶體管溝道中的等離子體波，最終在晶體管漏極與源極之間產生直流的太赫茲響應信號。顯然，合理的天線設計可以增強太赫茲波與晶體管之間的耦合效率，從而進一步提高探測的響應度。基于天線的互易性，接收模式下天線的特性參數與發射模式下的天線相同。因而，傳統的天線設計大多也是基于天線在發射模式下的電磁仿真，通過S參數、輻射效率、增益等來衡量天線的性能。這種仿真，必然涉及到天線源阻抗與天線阻抗的匹配。對于場效應晶體管太赫茲波探測器，晶體管的柵源電極之間的輸入阻抗可以視為天線仿真中的源阻抗。然而，由于目前場效應晶體管在太赫茲波段缺乏簡易準確的輸入阻抗提取方式，傳統的天線設計方法必然缺乏足夠的有效性。

發明內容

(一)要解決的技術問題

鑒于上述技術問題，本發明提出了一種基于場效應晶體管的太赫茲波探測器的天線設計方法，以至少部分解決上述技術問題。

(二)技術方案

根據本發明的一方面，提供一種基于場效應晶體管的太赫茲波探測器的天線設計方法，包括：

構建一太赫茲波探測器模型；

設置一束頻率變化的平面太赫茲波，垂直入射到集成天線的太赫茲波探測器模型上；

提取所述太赫茲波探測器模型的場效應晶體管的溝道中一位置的電場強度；

計算所述天線在不同頻率處產生的電場增強，得到電場增強隨頻率的變化關系；

根據計算得出的所述變化關系獲取所述天線的中心頻率；

根據所述天線的中心頻率確定所述天線的結構以及尺寸。

在進一步的實施方案中，所述提取電場強度的位置位于所述場效應晶體管的柵極靠近源極一側邊緣的溝道中。

在進一步的實施方案中，所述構建的太赫茲波探測器模型包括：場效應晶體管和平面天線；其中，所述平面天線分別與所述場效應晶體管的柵極和源極相連。

在進一步的實施方案中，所述場效應晶體管包括：

襯底；

緩沖層，置于所述襯底上；