李妤晨 陳航宇 宋建軍

1) (西安科技大學電氣與控制工程學院, 西安 710054)2) (西安電子科技大學微電子學院, 西安 710071)(2019年9月18日收到; 2020年3月9日收到修改稿)

轉換效率是微波無線能量傳輸系統(tǒng)的關鍵參數(shù), 為提高該參數(shù)指標, 本文提出了一種GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管, 該器件結構可以顯著降低肖特基二極管的零偏置電容, 利于能量轉換效率的提高. 通過在ADS 仿真軟件中使用該器件SPICE 模型進行整流電路仿真, 在輸入能量為24.5 dBm時, 獲得了75.4%的轉換效率.

1 引 言

微波無線能量傳輸系統(tǒng)(microwave wireless power transfer, MWPT)是一種可以突破傳輸線限制的在空間中自由輸送電能的系統(tǒng)裝置, 可以將空間中廣泛存在的自由電磁波轉換成為直流能量以便對后續(xù)負載進行供電[1?6]. 其簡單方便、靈活性強、傳輸距離遠、減少輸電線的架設, 對于負載來說無需頻繁更換電池, 有助于處理復雜場景的設備供電問題, 具有非常大的應用前景.

微波無線能量傳輸系統(tǒng)由發(fā)射端與接收端兩個部分組成, 其示意圖如圖1 所示. 能量轉換效率是評價微波無線能量傳輸系統(tǒng)的關鍵技術指標, 研究人員致力于從不同角度提高系統(tǒng)的轉換效率, 以獲得更高的能量轉換能力[7?10]. 主要方法有兩種:第一種是通過構造多頻帶或寬帶的天線收集更多的輸入功率使得更多的能量進入整流電路來增大其轉換的能量, 但是該方法并未明確提高能量轉換效率, 只是增大了負載所能獲得的能量; 另一種是優(yōu)化設計阻抗匹配電路, 輸入濾波器以便優(yōu)化信號、抑制諧波、減小反射, 使得天線接收的能量盡可能的進入整流電路進行整流, 減少接收端的消耗, 這種方法可以提升能量轉換效率[11]. 對于整流電路也有部分研究, 主要在于整流器拓撲結構的設計[12]. 但目前尚未發(fā)現(xiàn)有研究學者從能量轉換的關鍵器件—整流二極管角度上來提高能量轉換效率. 整流二極管一般為肖特基二極管, 其為整流電路的核心器件, 決定著能量轉換效率的大小,一旦確定, 整個系統(tǒng)的能量轉換效率上限也將確定[13?17].

本文將從關鍵整流器件肖特基二極管入手, 研究與能量轉換效率關系密切的零偏置電容參數(shù), 設計用于微波無線能量傳輸?shù)木哂懈吣芰哭D換效率的肖特基二極管并完成整流電路仿真, 其研究結論以及相關分析方法可為微波無線能量傳輸系統(tǒng)的能量轉換效率提高提供重要的技術支持.

圖1 微波無線能量傳輸系統(tǒng)示意圖Fig. 1. Schematic diagram of microwave wireless energy transmission system.

2 GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管原理與分析

為了設計優(yōu)化具有高能量轉換效率肖特基二極管, 提出一種GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管, 如圖2 所示, 使用半導體鍺材料作為肖特基二極管的襯底與外延材料, 結合GeOI 技術, 設計折疊空間電荷區(qū)的肖特基二極管, 將傳統(tǒng)肖特基二極管的單個結電容分為縱向電容與橫向電容兩個部分, 這兩部分電容串聯(lián)起來以降低總電容的容值.

圖2 GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管結構示意圖Fig. 2. Schematic diagram of GeOI Schottky barrier diode structure withfolded space charge region.

GeOI 技術使得肖特基二極管在陽極施加反向電壓時, 空間電荷區(qū)先縱向耗盡, 當施加的反偏電壓足夠大時, 縱向完全耗盡之后, 由于半導體材料下面是絕緣層, 因此只能橫向耗盡. 即陽極施加反偏電壓時, 空間電荷區(qū)會經(jīng)歷兩個過程, 小電壓下先縱向耗盡, 當電壓繼續(xù)增大時, 縱向完全耗盡,此時縱向耗盡區(qū)域寬度不變, 空間電荷區(qū)將向橫向耗盡. 這類先縱向耗盡, 然后橫向耗盡的肖特基二極管稱為部分耗盡GeOI SBD. 當肖特基二極管不加偏壓時, 金屬與半導體接觸后形成的空間電荷區(qū)寬度已經(jīng)達到器件結構中半導體材料的縱向厚度時, 即不加偏壓時已經(jīng)縱向耗盡, 施加偏壓后只在橫向耗盡, 這類肖特基二極管被稱為全耗盡GeOI SBD. 與傳統(tǒng)肖特基二極管結構不同[18], 本文設計的肖特基二極管在空間電荷區(qū)不像傳統(tǒng)肖特基二極管只有縱向的空間電荷區(qū), 而是由縱向空間電荷區(qū)與橫向空間電荷區(qū)兩個部分組合而成, 類似將原本縱向的空間電荷區(qū)折疊成為兩個部分, 因此稱其為折疊空間電荷區(qū)的肖特基二極管. 由于空間電荷區(qū)被分為縱向空間電荷區(qū)與橫向空間電荷區(qū), 所以其電容也被分為兩個部分, 分別為縱向電容與橫向電容, 在器件的模型中, 這兩部分電容屬于串聯(lián)關系, 由于電容串聯(lián)的特性, 總電容大小將會減小.

2.1 GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管電容模型分析

為了詳細討論折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管的內部電容, 分別需要從器件幾何結構參數(shù)以及材料物理參數(shù)兩個方面進行研究. 肖特基二極管最大擊穿電壓BVmax 為

對于部分耗盡的GeOI 折疊空間電荷區(qū)SBD,其空間電荷區(qū)分為兩個部分, 橫向空間電荷區(qū)與縱向空間電荷區(qū), 當反向電壓VR較小時, 空間電荷區(qū)只縱向展寬, 當反向電壓達到一定值時, 由于SiO2的存在, 縱向空間電荷區(qū)完全耗盡[19]; 此時所施加的反偏電壓定義為穿通電壓VPT, 由于縱向空間電荷區(qū)達到最大, 由縱向空間電荷區(qū)產(chǎn)生的縱向結電容Ct亦達到最大值Ct?max. 隨著反向電壓VR的再增加, SBD 的空間電荷區(qū)開始橫向擴展, 由橫向空間電荷區(qū)產(chǎn)生的橫向結電容被定義為Cl. 因此有關GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管所建立的空間電荷區(qū)的電容模型為橫向與縱向空間電荷區(qū)所產(chǎn)生的橫向電容與縱向電容兩部分組成的串聯(lián)電容: 即CJ=Ct//Cl.

在小電壓下, 空間電荷區(qū)的寬度為

因此對于小電壓下, GeOI 折疊空間電荷區(qū)的肖特基二極管來說, 其空間電荷區(qū)的寬度y為

式中,εs指Ge 材料的介電常數(shù),Vbi為肖特基二極管金屬-半導體接觸的內建電勢差,VR為肖特基二極管上所施加的反向電壓,q為電子電荷量,Nd為肖特基二極管的外延層摻雜濃度,VPT為肖特基二極管縱向穿通電壓,Tepi指GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管的外延層摻雜厚度.

基于(3)式, 可以得到GeOI 肖特基二極管的縱向電容模型為

C0=為理想情況下肖特基二極管的縱向結電容.

由于器件最底部絕緣層的存在, 導致外部持續(xù)增大反偏電壓時, 縱向的空間電荷區(qū)完全耗盡, 此時空間電荷區(qū)將向橫向耗盡. 其工作原理與縱向相同, 基于空間電荷區(qū)寬度的計算公式, 橫向空間電荷區(qū)的寬度x為

根據(jù)平板電容公式:

可以得到橫向空間電荷區(qū)的電容模型為

基于縱向空間電荷區(qū)電容模型與橫向空間電荷區(qū)電容模型, 可以得到GeOI 折疊空間電荷區(qū)SBD 的結電容模型如(8)式所示, 其為橫向空間電荷區(qū)與縱向空間電荷區(qū)電容的串聯(lián)形式, 在電容大小上大大減小SBD 的結電容.

將(4)與(7)式帶入(8)式, 可以得到, 部分耗盡的GeOI 折疊空間電荷區(qū)SBD 結電容為

針對于全耗盡的GeOI 折疊空間電荷區(qū)SBD,其縱向空間電荷區(qū)寬度y與橫向空間電荷區(qū)寬度x分別為

由于全耗盡的GeOI 折疊空間電荷區(qū)SBD 在不施加電壓時, 縱向已經(jīng)完全耗盡, 即已經(jīng)存在橫向的空間電荷區(qū). 因此, 全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)SBD 的縱向電容為

從而得到全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)SBD 的總結電容為

2.2 肖特基勢壘二極管SPICE模型參數(shù)使用

擬使用GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管的SPICE 模型進行對比仿真分析, 以對器件性能進行驗證. 為證明在ADS 仿真軟件中使用SPICE模型代替實際二極管進行驗證方法的正確性[20],首先從二極管在整流電路中的仿真入手, 目前廣泛用于微波無線能量傳輸系統(tǒng)的二極管為安捷倫公司所生產(chǎn)的HSMS-282 X 系列肖特基二極管. 選用HSMS-2820, 對其采用ADS 仿真軟件中的諧波平衡仿真, 仿真原理圖如圖3 所示, 濾波電容設置為100 pF, 負載電阻為1000W. 能量轉換效率結果如圖4 所示, 可以觀察到能量轉換效率最高值出現(xiàn)在輸入功率27.7 dBm 處, 效率約為68.5%.

表1 HSMS-2820 肖特基二極管SPICE 參數(shù)表Table 1. The SPICE parameters of HSMS-2820.

表1 為HSMS-2820 肖特基二極管的SPICE模型參數(shù)表, 圖5 為采用SPICE 模型的肖特基二極管的整流電路仿真圖, 圖6 為其整流效率曲線圖, 能量轉換效率最大值出現(xiàn)在23.1 dBm 處, 為69.1%. 從圖4 和圖6 中可以看出兩者的最高能量轉換效率差別不大, 能量輸入響應有偏差的原因為肖特基二極管在非線性工作區(qū)內安捷倫公司所提供的ADS 模型與SPICE 模型之間有偏差.

圖3 HSMS-2820 肖特基二極管整流電路仿真圖Fig. 3. The rectifier circuit simulation diagram of HSMS-2820.

圖4 HSMS-2820 肖特基二極管整流電路效率圖Fig. 4. The efficiency of rectifier circuit with HSMS-2820.

3 設計與結果分析

圖7 為所設計的GeOI 折疊空間電荷區(qū)SBD 的仿真結構圖, 器件主要由最底層絕緣層二氧化硅與其上的Ge 材料組成, Ge 材料左側屬于傳統(tǒng)肖特基二極管的襯底, 為了與陰極形成良好的歐姆接觸, 屬于重摻雜區(qū)域, 右側屬于肖特基二極管的工作區(qū)域, 內部輕摻雜, 為了調整電場分布并滿足折疊空間電荷區(qū)降低電容的要求, 在中間部分加入絕緣層二氧化硅區(qū)域, 使得橫向空間電荷區(qū)的厚度上略微減小.

圖5 使用SPICE 模型的整流電路仿真圖Fig. 5. The rectifier circuit with SPICE model.

如圖8 是外延層不同摻雜濃度下肖特基二極管的正向I-V曲線, 橫軸表示為肖特基二極管的陽極正向電壓, 縱軸為肖特基二極管的陽極正向電流, 從圖8中可以看出, 隨著正向電壓的增加, 肖特基二極管開始導通,針對Ge 材料的肖特基二極管, 其陽極金屬功函數(shù)為4.55 eV, 其開啟電壓如圖8 所示約為0.2 V, 隨著半導體外延層摻雜濃度的提高, 其正向導通電流也逐漸提高, 這是由于摻雜濃度提高后, 外延層中可自由移動得電子變多而導致的. 隨著電壓的逐漸增大, 其正向特性也變得平緩, 這是由于二極管在正向導通時, 對外表現(xiàn)的形式為一個電阻所導致的.

圖6 使用SPICE 模型構成整流電路的能量轉換效率曲線Fig. 6. The efficiency of rectifier circuit with SPICE model.

圖7 GeOI 折疊空間電荷區(qū)SBD 的仿真結構圖Fig. 7. Structure diagram of GeOI folding space charge region SBD.

圖9 為外延層厚度為0.2 μm時, 不同摻雜濃度下肖特基二極管的反向擊穿曲線, 橫軸為肖特基二極管的反向電壓, 縱軸為肖特基二極管電流. 從圖9 中可以看出, 隨著肖特基二極管反向電壓的逐漸增大, 其反向電流會出現(xiàn)急劇增大的趨勢, 轉折點即為擊穿電壓值; 外延層摻雜濃度越小, 肖特基二極管的擊穿電壓越大, 隨著外延層摻雜濃度的提高, 二極管的擊穿電壓值逐漸降低, 當外延層摻雜濃度為3.8 × 1017cm–3時, 其對應擊穿電壓約為14 V, 當增加其外延層摻雜濃度為5.8 × 1017cm–3時, 擊穿電壓約為11.25 V. 因此當外延層摻雜濃度增大時, 更容易發(fā)生擊穿.

圖8 不同摻雜濃度下肖特基二極管正向I-V 曲線Fig. 8. Forward I-V curves of Schottky diode under different doping concentrations.

圖9 不同摻雜濃度下肖特基二極管反向I-V 曲線Fig. 9. Reverse I-V curves of Schottky diode under different doping concentrations.

折疊空間電荷區(qū)類型的肖特基二極管分為兩種: 一種是部分區(qū)域折疊, 即施加反向電壓時, 先縱向耗盡, 直至絕緣襯底時無法再向縱向耗盡, 空間電荷區(qū)轉而橫向擴展, 這種稱為部分耗盡; 另一種是在施加反向電壓時, 由于外延層厚度較小, 空間電荷區(qū)寬度已經(jīng)大于其外延層厚度, 此時再增大反向電壓時, 空間電荷區(qū)將只能橫向擴散, 這種稱為全耗盡. 圖10 所示為不同摻雜濃度下部分耗盡的肖特基二極管的電容-電壓曲線, 電容隨著反向電壓的增大而減小, 由于肖特基二極管呈反偏狀態(tài), 此時空間電荷區(qū)增大, 金屬半導體勢壘變高,電子不再容易越過勢壘流向金屬一側, 隨著反向電壓的進一步增高, 勢壘高度越來越大, 其空間電荷區(qū)寬度也隨之增大, 而肖特基二極管的結電容類似平行板電容器, 隨著空間電荷區(qū)寬度的增大, 其電容值逐漸降低. 從圖10 中可以看出, 針對于不同摻雜濃度其C-V曲線變化規(guī)律較為一致, 在較低反向電壓時, 即不同濃度下反向電壓在0—1 V 之間時, 隨著反向電壓的增大, 部分耗盡類型的肖特基二極管縱向空間電荷區(qū)逐漸擴展, 所對應的結電容隨著反向電壓的增大而降低, 此時肖特基二極管的結電容由縱向空間電荷區(qū)電容組成; 當反向電壓繼續(xù)增大時, 不同摻雜濃度下的曲線均產(chǎn)生了轉折點, 而這個轉折點所對應的電壓即為上述所討論的縱向穿通電壓VPT, 這對應著部分耗盡類型的肖特基二極管已經(jīng)完全縱向耗盡, 空間電荷區(qū)開始逐漸橫向擴展, 此時其肖特基二極管的結電容表現(xiàn)為縱向空間電荷區(qū)電容與橫向空間電荷區(qū)電容的串聯(lián)形式. 隨著外延層摻雜濃度的增加, 縱向耗盡區(qū)域將會產(chǎn)生更大的電場, 其縱向耗盡的電壓也會隨著摻雜濃度的增加而增大,C-V曲線中對應的摻雜濃度較大的器件其電容變化的轉折點也會更大[21].

圖10 不同摻雜濃度下部分耗盡肖特基二極管C-V 曲線Fig. 10. C-V curves of partially depleted Schottky diode at different doping concentrations.

圖11 為不同外延層厚度、不同外延層濃度情況下, 部分耗盡的肖特基二極管C-V曲線圖. 從圖11 中可以看出, 當反向電壓較低時, 對于同一摻雜濃度不同外延層厚度的部分耗盡肖特基二極管, 其外延層厚度較大時, 所對應的肖特基二極管電容較大, 即對于同一大小的結電容, 外延層厚度較大的肖特基二極管需要更大的反向電壓, 在穿通情況下, 外延層厚度大的肖特基二極管的縱向耗盡寬度即為其外延層厚度; 而隨著反向電壓的逐漸增大, 不同外延層厚度對于肖特基二極管的電容影響不大, 原因在于當肖特基二極管的組成類型均為部分耗盡時, 摻雜濃度固定的情況下, 其所對應的載流子濃度也隨之固定, 因此其總電容大小對于其外延層厚度大小變化并不敏感.

圖11 不同外延層厚度、不同外延層濃度下部分耗盡肖特基二極管C-V 曲線Fig. 11. C-V curves of partially depleted Schottky diode with different epitaxial layer thicknesses and different doping concentrations.

圖12 表示的是全耗盡情況下與傳統(tǒng)肖特基二極管電容-電壓曲線圖, 與傳統(tǒng)肖特基二極管相比,全耗盡的GeOI 折疊空間電荷區(qū)類型的肖特基二極管在低電壓情況下電容值要更低一點, 而在較高電壓情況下兩者差距沒有在低電壓情況下明顯, 但仍可以看出傳統(tǒng)肖特基二極管結電容始終大于新型的全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管結電容. 在零偏情況下, 肖特基二極管的結電容是由縱向空間電荷區(qū)電容與橫向空間電荷區(qū)串聯(lián)而成. 因此, 在零偏情況下全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管的結電容比傳統(tǒng)結構的肖特基二極管的結電容明顯降低.

圖12 全 耗 盡GeOI 折 疊 空 間 電 荷 區(qū)SBD 與 傳 統(tǒng) 結 構SBD 的C-V 曲線Fig. 12. C-V curves of fully depleted GeOI folded space charge region SBD and traditional structure SBD.

為了提升微波能量轉換效率, 需要設計的肖特基二極管必須滿足在零偏情況下結電容降低的目標, 選擇全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管作為研究目標, 所設計器件參數(shù)如下: Ge 材料左側重摻雜緩沖層摻雜濃度為2 × 1020cm–3, 其作用是為了形成歐姆接觸, 右側輕摻雜區(qū)域摻雜濃度為3.8 × 1017cm–3, 折疊區(qū)域厚度為0.2 μm, 器件肖特基金屬采用金屬鎢(W)材料, 橫向寬度為8 μm,電極長度為2 μm.

圖13所示為所設計全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管的縱向電場與橫向電場圖. 從圖13中可以看出, 當施加正向電壓即肖特基二極管正向偏置下, 縱向區(qū)域電場從陽極開始在整個外延層厚度上逐漸降低, 在絕緣層處達到最小值0;在橫向區(qū)域, 0—2 μm 處于縱向耗盡結束的位置,在此處電場強度變化不大, 從2 μm 處開始, 由于橫向電流被限制在較窄區(qū)域, 所以橫向電場強度比較大, 一直到濃度突變處, 電場強度都比較大, 在濃度突變以外, 電場強度逐漸減小至0.

圖13 全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管電場圖 (a) 縱向電場分布; (b) 橫向電場分布Fig. 13. The electric field distribution of fully depleted GeOI folded space charge region Schottky diode: (a) Vertical electric field; (b) transverse electric field.

圖14 為所設計GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管正向與反向I-V曲線, 可以看出, 肖特基二極管的開啟電壓約為0.2 V, 隨著陽極電壓的增大,其正向電流逐漸增大, 最后趨于平緩. 觀察反向曲線, 可以看出肖特基二極管反向擊穿電壓約為18 V.

圖14 全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管正向與反向I-V 曲線Fig. 14. The forward and reverse I-V curves of fully depleted GeOI folded space charge region Schottky diode.

圖15 全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管的CV 曲線Fig. 15. The C-V curve of fully depleted GeOI folded space charge region SBD.

圖15 為所設計全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管的C-V曲線. 從圖15 中可以看出,在零偏電壓的情況下, 已經(jīng)縱向耗盡, 空間電荷區(qū)已經(jīng)擴展至橫向, 結電容是由縱向完全耗盡的空間電荷區(qū)電容與橫向的空間電荷區(qū)電容串聯(lián)而成, 因此其零偏情況下的電容值較小.

將所設計的全耗盡GeOI 折疊肖特基二極管仿真分析的正向I-V曲線, 反向I-V曲線以及在2.45 GHz 頻率下的C-V曲線帶入Cadance Model Editor 軟件中提取器件的SPICE 參數(shù)如表2 所列[22].

將所設計的全耗盡GeOI 折疊肖特基二極管SPICE 參數(shù)帶入ADS 仿真軟件中, 采用圖5 所示仿真電路, 使用阻抗自匹配模型, 得到如圖16所示的仿真結果, 在輸入能量為24.5 dBm時, 能量轉換效率達到了75.4%. 通過HSMS-2820 肖特基二極管與本文所設計的全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管相對比, 能量轉換效率得到了6.3%的提升.

表2 全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管SPICE 參數(shù)表Table 2. The SPICE parameters of C-V curve of fully depleted GeOI folded space charge region SBD.

圖16 全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管與HSMS-2820 肖特基二極管能量轉換效率對比圖Fig. 16. Comparison of energy conversion efficiency between fully depleted GeOI folded space charge region SBD and HSMS-2820 SBD.

4 結 論

本文提出了一種GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管結構, 建立了其電容模型, 并完成了器件材料參數(shù)和結構參數(shù)優(yōu)化. 其電性能仿真結果表明, 在零偏情況下, 全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管與常規(guī)肖特基二極管相比, 具有明顯降低結電容的優(yōu)勢. 同時采用所設計的全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管作為核心整流器件進行了整流電路的仿真, 能量裝換效率獲得顯著提升. 本文有關GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管的研究可為提高微波無線能量傳輸系統(tǒng)的能量轉換效率提供有價值的參考.