微波整流电路硅基应变Ge肖特基二极管的设计

摘要

近年来，无线能量传输技术发展迅速，受到业界越来越多的关注。对于微波无线能量传输系统的应用，通常采用Ge肖特基二极管作为整流电路的核心元件。与锗半导体相比，应变锗半导体具有与硅工艺相容性好、成本低、电子迁移率高等优点。它是锗半导体应用的理想替代材料。有鉴于此，基于应变锗半导体在硅衬底肖特基二极管上的性能与器件几何参数和材料物理参数之间关系的模型，利用Silvaco-TCAD和ADS仿真软件，提出了一种用于微波整流电路的硅基应变Ge半导体肖特基二极管。仿真结果表明，当整流电路输入为20 dBm，负载电阻为70.1%时，应变锗半导体肖特基二极管的整流效率为70.1%右 = 1000 Ω, and the load capacitance isC类 = 100 pF. Compared with traditional Ge Schottky diodes, this optimal operating point is closer to a low energy density, which is beneficial to a wide range of energy absorption. Studies have shown the feasibility of replacing Ge Schottky diodes. The research in this paper can provide valuable reference for the design and development of the core components of the rectifier circuit of the microwave infinite energy transmission system.

1.简介

无线能量传输技术是指从源到接收器的传输，不需要传统的电线。目前，无线能量传输按远近场分为两类。近场无限能量传输包括电磁感应传输和电磁谐振传输。前者以磁场为介质，通过变压器耦合实现无线传输，传输功率大。当天线的固有频率与发射场的频率一致时，产生强电磁耦合，实现无线传输，功率可达千瓦时。远场无线能量传输主要是微波无线功率传输(MWPT)，将微波能量转换为电能，通过自由空间传输到目的地。可转换为直流电源，通过整流提供给负载，实现非物理连接能量传递[1个]。

MWPT作为一种无线电力传输技术，具有大气传输衰减小、传输距离长、传输功率大等优点。是一个应用前景广阔的行业。发射端和接收端组成了多波点跟踪系统。如图所示1个，发射端将直流能量转换为微波能量，通过发射天线发射。接收端功能是通过整流天线接收微波能量，转换成直流能量供给负载[2个–5个]。微波源通过发射天线将微波能量(功率)送入自由空间。接收天线将捕获的能量转换成直流能量，并将其传输到整流电路负载。

At present, the core components used in the rectifier circuit of microwave wireless energy transmission system are commonly used by Agilent’s HSMS-282X, HSMS-285X, HSMS-281X, and HSMS-286X Ge-based Schottky diodes, which can cover low energy density to high energy density applications [6个–八]。与Ge半导体相比，硅衬底应变Ge半导体(s-Ge/Si)具有与Si工艺兼容、成本低、电子迁移率高等优点[9个–德意志北方银行]。它是锗半导体应用的理想替代材料。如图所示2个，Ge层具有张力。Si和Ge的热膨胀系数不同。的0.2％拉伸应变退火期间引入锗外延层，其结果在带结构的变化和移动性的增强。

鉴于此，首先，本文采用KP微扰理论和蒙特卡罗模拟法，建立第S - 锗/硅的能带结构和电子迁移率的模型。在此基础上，所述Silvaco的TCAD仿真工具被使用，并建立第S - 锗/ Si肖特基二极管的性能和器件的几何形状参数和材料的物理参数之间的关系的模型。的s锗/硅适于MWPT系统是所提出的肖特基二极管器件结构。本文的目的是探讨S-锗/硅替换锗肖特基二极管的可行性，并为MWPT系统整流电路的核心部件的设计和开发有参考价值。

2.应变锗半导体Si基带和电子迁移率

能带结构和电子迁移率是基于S-锗/硅肖特基二极管的研究和设计提供了理论基础之一。目前，S-锗/ Si半导体的电子迁移率的定量结论仍然缺乏。因此，该部分首先使用KP微扰理论建立在S-锗/硅能带结构模型（详见[11个–14个])进一步给出了s-Ge/Si半导体的电子迁移率模型。在周期势能的单电子近似下，应变Ge材料的薛定谔方程具有以下形式：

在式（1个),表示弛豫Ge材料的晶格周期势场，以及表示晶格形变势场。的本征函数（1个)具有布洛赫波函数的形式，即 ,在波矢量千在布里渊地区各不相同。

应用稳态微扰理论，利用零阶波函数展开导带能量谷的任意一个极值。最后，传导带的分析模型E类-千应变Ge材料的关系如下：

的公式,是弛豫Ge导带的底能谷能级， 是个千-传导带底部能量谷能级的矢量位置，是纵向有效电子质量，以及为横向电子有效质量。可从潜在变形理论而获得：

其中，和为变形势常数，是应变张量，其表达式由变形势模型确定。（001）基板、（101）基板和（111）基板的应变张量结果如(4个） 至 （6个)，其中，公式中的参数排列如表所示1个.

基于的分析模型E类-千应变Ge导带的关系(1个)以及(2个)由此可以得出应变能带物理参数与应力变化之间的函数关系。数字三表示S-锗/ Si器件的导带的能带图和相应的电子有效质量等能量（在恒定能量的轮廓）。

数字三显示了应变能传导带Γ能谷的能级，一能谷，Δ能量谷。当在横坐标上的相对应变强度为约0.21％，纵坐标对应于应变的Ge导带能量谷的能级值。两个图的右侧对应于的有效能量等能量图一能谷电子为椭球体，能谷电子的有效能等能图为球形，有效质量为各向同性。

蒙特卡洛模拟方法用于建立其电子迁移率模型。它是在半导体载流子传输机制研究中常用的数值分析方法。在载流子传输结果一些随机的独立事件（如散射事件）的作用是通过在一定范围内随机地采取一些参数模拟。由于肖特基二极管是多数载流子器件中，电子迁移率考虑。用于S-锗/硅电子散射机构，主要有以下情况：晶格散射，电离杂质散射，和谷间声子散射[德意志北方银行,13个]:

在方程式中(7个) ∼ (9个) , ,和 ,分别表示声频声子散射，电离杂质散射，和谷间声子散射;是变形势常数，并且是电子态密度的有效质量。表2个显示其他参数的特定值。

本文采用的Monte Carlo方法的电子散射机制来模拟载流子传输过程。结果显示在图4个.

图4(一)和4 (b)示出S-锗/硅与所施加的下不同的应变水平电场强度的平均电子能量和漂移速度之间的关系。如图图4（c）和图4（d）在相同的能量水平下，随着拉伸应变的增加，Ge材料导带中电离杂质的散射速率减小。与声声子散射相比，应变Ge材料导带的电子声声子散射速率随拉伸应变的增大而增大。从图上可以看出图4（e）是，随着电场强度的增加，平均电子能量也增加，电子漂移速度的电场强度迅速之前到达的增加的10的顺序^三 V/cm, and then gradually becomes saturated. However, under different strains, the variation curves slightly increased, and the values on the curves produced random fluctuations. As shown in Figure图4（f），获得S-锗/ Si和应变导带的电子迁移率之间的关系。The conduction band mobility of the strained Ge material increases only slightly with the increase of the stress during the tensile loading, and the highest is 4130 cm^2个/对比图4（e）和图4（f）我们可以看到，随着s-Ge/Si器件的应力增加，其电子迁移率也增加，这一趋势是一致的。

三。硅基应变锗半导体肖特基二极管

根据kp微扰理论和Monte Carlo模拟方法，建立了s-Ge/Si带结构和电子迁移率模型，外延应变Ge在Si衬底上的迁移率为4130 cm^2个/ Vs以上。The maximum reverse breakdown voltage of the Schottky diode is designed to be 15 V, and the zero-bias capacitance of the special diode is 0.7 pF.

根据上述器件的spice参数，可以计算出s-Ge/Si肖特基二极管材料的物理参数如下：外延层掺杂浓度：最小外延层厚度：

外延层的厚度经计算为0.7 μm.为了防止肖特基二极管的击穿，肖特基二极管的外延层厚度为1μm、 根据上述spice参数和s-Ge/Si肖特基二极管材料的物理参数，Ge的迁移率约为Si的3倍。为了保证较大的电流，采用了横向肖特基二极管结构。左侧与金属轻微混合形成肖特基接触，需要适当调整光混合的比例。右侧重掺杂形成欧姆接触。

光掺杂和重掺杂由二氧化硅绝缘层分离，并且电场的分布可以调整。为了获得更好的电流 - 电压曲线，肖特基二极管的横向结构被用作下轻度掺杂的缓冲层和redoping防止器件击穿[11个–14个]，并且该装置结构中模拟Silvaco的TCAD软件。该器件结构的浓度分布示于图5个.

的s的Ge / Si肖特基二极管施加二极管内部的电位分布当正向电压被接通时，如图6个.

从图中可以看出6个从阳极到阴极，器件内部的电势一般先减小后增大，重掺杂区电势保持不变。阳极附近的电位先升高后降低，这种分布符合金属与半导体接触的原理。在不同掺杂浓度的界面，由于初始费米能级不同，电位变化明显。基片层在阳极附近带高电位，在阴极附近带低电位，阴极附近电位逐渐降低。

当s-Ge/Si肖特基二极管阳极施加正电压时，通过扫描正向电压得到器件的特性曲线，如图所示7个.

从图的s的Ge / Si肖特基二极管的I-V曲线7个，利用OrCAD软件的模型编辑器可以提取s-Ge/Si肖特基二极管的内阻，右_S-锗/硅 = 5.2 Ω. It can be seen that the internal resistance右的s的Ge / Si肖特基二极管被降低。其次，反向击穿特性和器件的C-V特性可在Silvaco的软件来模拟，如图八和9个.

它可以从图中可以看出八和9个s-Ge/Si肖特基二极管的击穿电压为 ,零偏电容是C类_j₀= 7E类−13 F。

综上所述，随着S-锗/ Si肖特基二极管和商业葛肖特基二极管，在本文提出的s的Ge / Si肖特基二极管器件结构引入应变Ge，可提高器件的电子迁移率和内部电阻相比降低了。它不影响零点偏移电容和设备的反向击穿电压。

四。应变锗半导体硅衬底肖特基二极管ADS仿真

根据第三节s-Ge/Si肖特基二极管的器件结构和器件参数，将该器件应用于MWPT系统的整流电路中。数字10个显示了整流电路的设计。

是可以输入的最大可能输入功率，是由负载吸收的功率，在阻抗失配的情况下的功率损耗，并为肖特基二极管的输入功率[三]。根据图中的整流电路11个，ADS软件仿真来获得一系列负载电阻器和电容器，在整流器电路更好的传输效率。数字德意志北方银行显示了整流电路中不同电容器的整流效率。利用阻抗自匹配模型，可以定义肖特基二极管在整流电路中的转换效率如下：

从图中可以看出德意志北方银行当负载电阻是50Ω,当C类= 100 pFC类 = 470 pF, the conversion efficiency applied in the microwave rectifier circuit is basically the same. When the load capacitanceC类 = 1 pF和C类 = 100 pF, the conversion efficiency in the microwave rectifier circuit is significantly different. The load capacitanceC类= 100 pF明显优于C类 = 1 功率因数。因此，在微波整流电路中选择电容负载为C类 = 100 pF.

如图所示13个，更好的负载电容是C类 = 100 pF, using different load resistances右 = 50 Ω, 100 Ω, 1000 Ω, 1500 Ω, 3000 Ω, and 5000 Ω in the rectifier circuit, and the conversion efficiency reaches the maximum at 1000 Ω. Therefore, the better load in the simulation of the ADS microwave rectifier circuit is右= 1000Ω。

总之，最佳负载电容C类 = 100 pF和更好的负载电阻右= 1000ΩMWPT微波整流电路的选择系统。整流二极管采用安捷伦的Ge二极管，整流效率如图所示14个.

的s的Ge / Si肖特基二极管模型被施加到整流电路，如图10个为应变Ge肖特基二极管谐波平衡仿真。In the ADS software, the RF frequency is kept at 2.45 GHz, the optimal resistance and capacitance are selected to be 1000 Ohm and 100 pF respectively, and then the frequency is linearly harmonic balanced, and the simulation results are shown in Figure15个.

如从图中可以看出15个微波整流电路采用s-Ge/Si，整流电路的转换效率为70.1%。结果表明，硅基外延应变锗可以应用于微波无线能量传输系统的整流电路中，与商用锗肖特基二极管相比，转换效率有了提高。

5.结论

本文研究了用s-Ge/Si肖特基二极管代替传统的Ge肖特基二极管在整流电路中进行无线能量传输。首先，利用kp微扰理论建立了s-Ge/Si带结构模型，并进一步给出了s-Ge/Si半导体的电子迁移率模型。结果表明，在s-Ge/Si中引入0.2%的应力可以提高电子迁移率，s-Ge/Si肖特基二极管采用Si兼容技术，易于集成。然后，利用Silvaco-TCAD仿真工具，建立了s-Ge/Si肖特基二极管性能与器件几何参数和材料物理参数之间的关系模型，提出了s-Ge/Si肖特基二极管的器件结构。同时，将肖特基二极管模型应用于微波无线能量传输系统的整流电路中。利用ADS软件对整流电路进行了仿真。仿真结果表明，当整流电路输入为20 dBm，负载电阻为70.1%时，应变锗半导体肖特基二极管的整流效率为70.1%右 = 1000 Ω, and the load capacitance isC类 = 100 pF. Compared with traditional Ge Schottky diodes, this optimal operating point is closer to a low energy density, which is beneficial to a wide range of energy absorption. Finally, the results show that the feasibility of the replacement of Ge Schottky diode can be realized, and the conversion efficiency applied in the rectifier circuit is improved compared with the conventional Ge Schottky diode. Therefore, this paper can provide a valuable reference for the design and development of the core components of MWPT system rectifier circuit.

数据可用性

用来支持这项研究的结果的所有数据都请直接从相应的作者。

利益冲突

作者声明，这篇论文的发表没有任何利益冲突。

致谢

这项工作是由111项目（批准号B12026）的支持。

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