新型HEMT太赫兹动态器件的基础研究

发布时间：2018-05-29 03:58

本文选题：太赫兹 + 人工微结构　；参考：《电子科技大学》2016年博士论文

【摘要】：太赫兹无线通信已成为近年来通信与信息技术领域的研究热点。而作为可实现远距离数据传输的基于外部调制太赫兹无线通信系统是该领域的重要研究方向,因此一直以来得到了多方的关注。在该系统中,其核心器件太赫兹外部调制器长期以来难以得到突破,也限制了该系统的发展。如何实现对太赫兹波的高效、高速调控,从而将数据信息加载至空间传输的太赫兹波成为了外调制太赫兹无线通信系统亟待解决的关键问题。本文将人工微结构(Metamaterials,人工电磁媒质)与高电子迁移率晶体管(HEMT)相结合,通过结构设计、模拟仿真、理论分析与加工测试,系统的设计并实现了具备模式切换能力的高速太赫兹动态器件。进一步的,通过搭建基于外部调制的太赫兹无线通信系统,对调制器的性能指标进行了实验探究,同时也验证了基于外调制太赫兹无线通信系统的可行性。本论文主要研究内容如下。1、对人工微结构的谐振模式及其特性进行了详细研究。不同谐振模式的人工微结构在频谱上所表现出的谐振强度、半高宽以及Q值具有显著的区别。对谐振模式的细化与分类将有助于设计具备不同功能特色的器件结构。由于人工微结构是外调制动态器件的基础,本论文针对不同的谐振模式探讨了多种基于人工微结构的太赫兹功能器件。2、将人工微结构与半导体材料相结合,构建了复合型动态器件结构体系。为实现对太赫兹波的高速动态调制,光控与电控是最为有效的两种方式。对于光控调制器的设计,本论文采用人工微结构与掺杂体材料相结合的方式,实现了宽带以及多通带的太赫兹调制器。对于电控调制器的设计,本论文基于模式切换原理,设计出了三种具备模式切换能力的太赫兹调制器。主要分为:LC-LC模式切换、偶极-LC模式切换以及偶极-偶极模式切换。偶极振荡与LC振荡是人工微结构的最基本谐振方式,这三种模式切换的实现进一步完善了太赫兹动态器件的体系结构。3、设计出了人工微结构与HEMT相结合的太赫兹动态器件。人工微结构对太赫兹电磁波具备良好的调控能力,而HEMT是近年来广泛应用于射频微波领域的新型半导体器件,具备很高的动态响应速度与良好的开关特性。本论文将HEMT应用于模式切换人工微结构的核心控制区域,采用Drude模型对存在于沟道中的二维电子气进行等效,得到了基于载流子浓度的仿真变化曲线。这将有利于分析器件性能,指导实验与优化。4、对HEMT的器件特性进行了详细的研究与分析,完整制备了基于HEMT的太赫兹动态器件。本论文从衬底的选取、掩膜版图的绘制以及微细加工三个方面对该太赫兹动态器件的制备进行了介绍。此外,针对该太赫兹调制器芯片,设计并制作了封装与匹配电路,使得该器件具备更高的集成度与稳定性。5、对太赫兹动态器件的具体参数指标进行了详细测试。首先利用太赫兹时域光谱系统来观察该器件随电压变化的传输特性曲线。其次,采用太赫兹固态源与热辐射功率计,得到了通过该器件的单频太赫兹波随电压的幅度变化,研究了在实际应用条件下的器件静态响应能力,并对器件线性度进行了研究分析。6、搭建了基于外部调制的太赫兹无线通信系统。该系统由太赫兹收发系统与调制系统两部分构成。太赫兹收发系统包括340GHz太赫兹固态源和太赫兹探测器,调制系统包括太赫兹外部调制器和通信基带模块。本论文分别测试了该器件在单音信号与眼图信号下的调制能力。单音测试显示该器件最高响应速率可达1GHz,眼图测试显示该器件所具备的实际数据传输能力达0.1Gbps,从而验证了基于外部调制的太赫兹无线通信系统的可行性。本论文从太赫兹动态器件的设计仿真到加工测试进行了详细的研究与探讨。主要实现了太赫兹波段具备一定实时通信能力的太赫兹外部调制器。该调制器除了具备幅度调制能力,同时还具备一定的相位与频率调制能力。重点加工制备了结构简单、性能优越的偶极-偶极模式切换太赫兹调制器。经过不断的探索与优化,最终实现了太赫兹波段具备85%调制深度、68o相位调制以及1GHz调制速率的太赫兹调制器。太赫兹外部调制器将有望在太赫兹通信、医疗成像、安检、雷达、遥测、航空航天等领域得到较大的发展与应用。
[Abstract]:In order to realize the high - speed dynamic modulation of terahertz waves , a terahertz modulator with mode switching capability is designed and realized by combining artificial microstructures with semiconductor materials . A terahertz wireless communication system based on external modulation is established . The system consists of a terahertz external modulator and a communication baseband module . The terahertz modulator has the characteristics of simple structure and excellent performance . The terahertz modulator has the advantages of simple structure and excellent performance . The terahertz modulator has the advantages of simple structure and excellent performance . The terahertz modulator can be used for the terahertz communication , medical imaging , security inspection , radar , telemetry , aerospace and the like .
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN386

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