第 5 章 PN-body tied SOI-FET を用いた RF-EH 用整流デバイスの検
5.3 PN-body tied diode の構造と特性
5.3.3 PN-body tied diode を用いた半波整流実験
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表5.1 EH用に開発されたゼロバイアスダイオードの比較
Backward Tunnel Diode
(Meas.) [4]
N-channel heterojunction TFET (Sim.) [2]
PNBT Diode (Meas.) (This work) Material
Heterostructure (InAs/AlSb/
AlGaSb/GaSb)
Heterostructure (InAs/GaSb)
Silicon
(SOI CMOS Process) SS
(mV/dec) - 30 (Average)
(Vd = 0.3 V)
2.9 (Minimum) (Vd = 0.1 V, Vb = 1.2 V) Zero-Bias
Curvature γ (V−1)
45 - 31
(Vb = 1.2 V)
|IF/IR|
(±50 mV) 8.3※ - 457.3
(Vb = 1.2 V) ※ [4]のフィッティングモデル計算式から算出.
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図5.12 PNBT diodeを用いた半波整流実験の実験環境. (a) 回路図, (b) 実験風景, (c) モジュール部, (d) チップ周辺部拡大図.
DC Power Supply
RL
PNBT Diode Function
Generator
Output Voltage
(a) (b)
(c) (d)
Coaxial connector Substrate
Variable resistance
Chip
DC Power Supply Function
Generator Oscilloscope
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半波整流実験に使用したPNBT diodeのI–V特性を図5.13に示す. 以下ではVb
= 0 VをMOS diode, Vb = 0.8 VをPNBT diodeとして比較を行う.
図5.13 半波整流実験に使用したPNBT diodeのI–V特性. (a) 片対数スケール表 示, (b) 線形スケール表示.
Anode Current (A/μm)
Lg = 0.5 μm Wg= 1.0 μm Wb= 1.0 μm
Vb= 0 V Vb= 0.8 V
MOS diode PNBT diode
Anode Current (A/μm) Vb = 0 V Vb = 0.8 V
Lg = 0.5 μm Wg= 1.0 μm Wb= 1.0 μm
MOS diode PNBT diode
(a)
(b)
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まず, 図5.14に示すような, AC電圧 Vp = 200 mV及び300 mVを入力した際 の整流特性を図 5.15 に示す. 電圧の周波数 f = 10 kHz, 可変抵抗の抵抗値 RL = 100 kΩ とした. MOS diode では 200 mV において出力電圧の変化が確認できず,
300 mVまで入力しなければ半波整流特性が見えないのに対し, PNBT diodeでは
200 mVで半波整流特性が確認できる. これらの結果から, PNBT diodeでターン
オン電圧が低くできたことによる整流特性の改善が, 動特性においても出てい ると分かる.
図5.14 AC電圧整流実験における入力電圧.
Anode Current (A/μm)
Lg= 0.5 μm Wg= 1.0 μm Wb= 1.0 μm
Vb= 0 V Vb= 0.8 V
MOS diode PNBT diode
Ti m e
Voltage V
p0 V
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図5.15 AC電圧入力時の整流特性. f = 10 kHz, RL = 100 kΩ. (a) Vp = 200 mV時の MOS diode, (b) Vp = 200 mV時のPNBT diode, (c) Vp = 300 mV時のMOS diode, (d) Vp = 300 mV時のPNBT diode.
次に, 図5.16で示すような, AC電圧とDC電圧を重畳した整流実験を行った.
ここでは, PNBT diodeがターンオンする電圧である142 mVまでDC電圧を印加
し, そこにAC電圧 Vp = 10 mVを重畳することで微小電圧における整流特性を
確認する. f = 10 kHz, RL = 100 kΩとした. 図5.17に整流特性を示す. MOS diode では出力電圧の変化は確認できない. 一方で, PNBT diodeでは半波整流特性が確 認できる. この結果は, ターンオン電圧を 0 V 付近に設定することができれば, 微小なAC電圧のみによる整流が実現できる可能性を示唆している.
Vp= 200 mV
Vp= 300 mV MOS Diode
MOS Diode
Vp= 200 mV PNBT Diode
PNBT Diode
Vp= 300 mV
(a) (b)
(c) (d)
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図5.16 AC + DC電圧整流実験における入力電圧.
図5.17 AC + DC電圧入力時の整流特性. f = 10 kHz, RL = 100 kΩ. (a)Vp = 10 mV 時のMOS diode, (b)Vp = 10 mV時のPNBT diode.
MOS diode Anode Current (A/μm) Lg= 0.5 μm
Wg= 1.0μm Wb= 1.0μm
Vb= 0.8 V Vb= 0 V
PNBT diode
Ti m e
Voltage
V
pDC 142 mV 0
Vp= 10 mV + DC 142 mV
MOS Diode PNBT Diode
(a) (b)
Vp= 10 mV + DC 142 mV
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図5.18に半波整流特性のf依存性を示す. ここでは時定数を考慮して, Vp = 500 mV, RL = 500 Ωとした. PNBT diodeはf = 30 MHzでも半波整流特性を示している ことが分かる. 今回の実験では受動プローブを用いているため, これ以上の高 速動作を観測することが難しいと考えられる. 30 MHz 以上の更なる高周波数測 定を行うためには測定系の改善が必要である.
図5.18 半波整流特性のf依存性. Vp = 500 mV, RL = 500 Ω. (a) f = 10 kHz時の MOS diode, (b) f = 10 kHz時のPNBT diode, (c) f = 1 MHz時のMOS diode, (d) f = 1 MHz時のPNBT diode, (e) f = 30 MHz時のMOS diode, (f) f = 30 MHz時のPNBT diode.
MOS Diode
MOS Diode
f= 10 kHz
f= 1 MHz
MOS Diodef= 30 MHz
PNBT Diode f= 10 kHz
PNBT Diode f= 1 MHz
PNBT Diode f= 30 MHz
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
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