用于提高微波無線能量傳輸系統(tǒng)接收端能量轉(zhuǎn)換效率的肖特基二極管*

李妤晨 陳航宇 宋建軍

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

轉(zhuǎn)換效率是微波無線能量傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù), 為提高該參數(shù)指標(biāo), 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(jié)構(gòu)可以顯著降低肖特基二極管的零偏置電容, 利于能量轉(zhuǎn)換效率的提高. 通過在ADS 仿真軟件中使用該器件SPICE 模型進(jìn)行整流電路仿真, 在輸入能量為24.5 dBm時(shí), 獲得了75.4%的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成為直流能量以便對(duì)后續(xù)負(fù)載進(jìn)行供電[1?6]. 其簡單方便、靈活性強(qiáng)、傳輸距離遠(yuǎn)、減少輸電線的架設(shè), 對(duì)于負(fù)載來說無需頻繁更換電池, 有助于處理復(fù)雜場景的設(shè)備供電問題, 具有非常大的應(yīng)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(gè)部分組成, 其示意圖如圖1 所示. 能量轉(zhuǎn)換效率是評(píng)價(jià)微波無線能量傳輸系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo), 研究人員致力于從不同角度提高系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率, 以獲得更高的能量轉(zhuǎn)換能力[7?10]. 主要方法有兩種:第一種是通過構(gòu)造多頻帶或?qū)拵У奶炀€收集更多的輸入功率使得更多的能量進(jìn)入整流電路來增大其轉(zhuǎn)換的能量, 但是該方法并未明確提高能量轉(zhuǎn)換效率, 只是增大了負(fù)載所能獲得的能量; 另一種是優(yōu)化設(shè)計(jì)阻抗匹配電路, 輸入濾波器以便優(yōu)化信號(hào)、抑制諧波、減小反射, 使得天線接收的能量盡可能的進(jìn)入整流電路進(jìn)行整流, 減少接收端的消耗, 這種方法可以提升能量轉(zhuǎn)換效率[11]. 對(duì)于整流電路也有部分研究, 主要在于整流器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)[12]. 但目前尚未發(fā)現(xiàn)有研究學(xué)者從能量轉(zhuǎn)換的關(guān)鍵器件—整流二極管角度上來提高能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率的大小,一旦確定, 整個(gè)系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率上限也將確定[13?17].

本文將從關(guān)鍵整流器件肖特基二極管入手, 研究與能量轉(zhuǎn)換效率關(guān)系密切的零偏置電容參數(shù), 設(shè)計(jì)用于微波無線能量傳輸?shù)木哂懈吣芰哭D(zhuǎn)換效率的肖特基二極管并完成整流電路仿真, 其研究結(jié)論以及相關(guān)分析方法可為微波無線能量傳輸系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率提高提供重要的技術(shù)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(shè)計(jì)優(yōu)化具有高能量轉(zhuǎn)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(dǎo)體鍺材料作為肖特基二極管的襯底與外延材料, 結(jié)合GeOI 技術(shù), 設(shè)計(jì)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(gè)結(jié)電容分為縱向電容與橫向電容兩個(gè)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(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2. Schematic diagram of GeOI Schottky barrier diode structure withfolded space charge region.

GeOI 技術(shù)使得肖特基二極管在陽極施加反向電壓時(shí), 空間電荷區(qū)先縱向耗盡, 當(dāng)施加的反偏電壓足夠大時(shí), 縱向完全耗盡之后, 由于半導(dǎo)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(shí), 空間電荷區(qū)會(huì)經(jīng)歷兩個(gè)過程, 小電壓下先縱向耗盡, 當(dāng)電壓繼續(xù)增大時(shí), 縱向完全耗盡,此時(shí)縱向耗盡區(qū)域?qū)挾炔蛔? 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(dāng)肖特基二極管不加偏壓時(shí), 金屬與半導(dǎo)體接觸后形成的空間電荷區(qū)寬度已經(jīng)達(dá)到器件結(jié)構(gòu)中半導(dǎo)體材料的縱向厚度時(shí), 即不加偏壓時(shí)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(jié)構(gòu)不同[18], 本文設(shè)計(jì)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(gè)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(gè)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(gè)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(guān)系, 由于電容串聯(lián)的特性, 總電容大小將會(huì)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(xì)討論折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管的內(nèi)部電容, 分別需要從器件幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)以及材料物理參數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行研究. 肖特基二極管最大擊穿電壓BVmax 為

對(duì)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(gè)部分, 橫向空間電荷區(qū)與縱向空間電荷區(qū), 當(dāng)反向電壓VR較小時(shí), 空間電荷區(qū)只縱向展寬, 當(dāng)反向電壓達(dá)到一定值時(shí), 由于SiO2的存在, 縱向空間電荷區(qū)完全耗盡[19]; 此時(shí)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(dá)到最大, 由縱向空間電荷區(qū)產(chǎn)生的縱向結(jié)電容Ct亦達(dá)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(kuò)展, 由橫向空間電荷區(qū)產(chǎn)生的橫向結(jié)電容被定義為Cl. 因此有關(guān)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(duì)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(dǎo)體接觸的內(nèi)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(jié)電容.

由于器件最底部絕緣層的存在, 導(dǎo)致外部持續(xù)增大反偏電壓時(shí), 縱向的空間電荷區(qū)完全耗盡, 此時(shí)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(jì)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(jié)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(jié)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(jié)電容為

針對(duì)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(shí), 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(jié)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(jìn)行對(duì)比仿真分析, 以對(duì)器件性能進(jìn)行驗(yàn)證. 為證明在ADS 仿真軟件中使用SPICE模型代替實(shí)際二極管進(jìn)行驗(yàn)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(duì)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(shè)置為100 pF, 負(fù)載電阻為1000W. 能量轉(zhuǎn)換效率結(jié)果如圖4 所示, 可以觀察到能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率差別不大, 能量輸入響應(yīng)有偏差的原因?yàn)樾ぬ鼗O管在非線性工作區(qū)內(nèi)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(shè)計(jì)與結(jié)果分析

圖7 為所設(shè)計(jì)的GeOI 折疊空間電荷區(qū)SBD 的仿真結(jié)構(gòu)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(cè)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?fù)诫s區(qū)域, 右側(cè)屬于肖特基二極管的工作區(qū)域, 內(nèi)部輕摻雜, 為了調(diào)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(dǎo)通,針對(duì)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(dǎo)體外延層摻雜濃度的提高, 其正向?qū)娏饕仓饾u提高, 這是由于摻雜濃度提高后, 外延層中可自由移動(dòng)得電子變多而導(dǎo)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?qū)〞r(shí), 對(duì)外表現(xiàn)的形式為一個(gè)電阻所導(dǎo)致的.

圖6 使用SPICE 模型構(gòu)成整流電路的能量轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)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(shí), 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(huì)出現(xiàn)急劇增大的趨勢, 轉(zhuǎn)折點(diǎn)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(dāng)外延層摻雜濃度為3.8 × 1017cm–3時(shí), 其對(duì)應(yīng)擊穿電壓約為14 V, 當(dāng)增加其外延層摻雜濃度為5.8 × 1017cm–3時(shí), 擊穿電壓約為11.25 V. 因此當(dāng)外延層摻雜濃度增大時(shí), 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(shí), 先縱向耗盡, 直至絕緣襯底時(shí)無法再向縱向耗盡, 空間電荷區(qū)轉(zhuǎn)而橫向擴(kuò)展, 這種稱為部分耗盡; 另一種是在施加反向電壓時(shí), 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(shí)再增大反向電壓時(shí), 空間電荷區(qū)將只能橫向擴(kuò)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(shí)空間電荷區(qū)增大, 金屬半導(dǎo)體勢壘變高,電子不再容易越過勢壘流向金屬一側(cè), 隨著反向電壓的進(jìn)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(jié)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(duì)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(shí), 即不同濃度下反向電壓在0—1 V 之間時(shí), 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(kuò)展, 所對(duì)應(yīng)的結(jié)電容隨著反向電壓的增大而降低, 此時(shí)肖特基二極管的結(jié)電容由縱向空間電荷區(qū)電容組成; 當(dāng)反向電壓繼續(xù)增大時(shí), 不同摻雜濃度下的曲線均產(chǎn)生了轉(zhuǎn)折點(diǎn), 而這個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電壓即為上述所討論的縱向穿通電壓VPT, 這對(duì)應(yīng)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(kuò)展, 此時(shí)其肖特基二極管的結(jié)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?qū)?huì)產(chǎn)生更大的電場, 其縱向耗盡的電壓也會(huì)隨著摻雜濃度的增加而增大,C-V曲線中對(duì)應(yīng)的摻雜濃度較大的器件其電容變化的轉(zhuǎn)折點(diǎn)也會(huì)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(dāng)反向電壓較低時(shí), 對(duì)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(shí), 所對(duì)應(yīng)的肖特基二極管電容較大, 即對(duì)于同一大小的結(jié)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(duì)于肖特基二極管的電容影響不大, 原因在于當(dāng)肖特基二極管的組成類型均為部分耗盡時(shí), 摻雜濃度固定的情況下, 其所對(duì)應(yīng)的載流子濃度也隨之固定, 因此其總電容大小對(duì)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(diǎn), 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(jié)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(jié)電容. 在零偏情況下, 肖特基二極管的結(jié)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(jié)電容比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的肖特基二極管的結(jié)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(jié) 構(gòu)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(zhuǎn)換效率, 需要設(shè)計(jì)的肖特基二極管必須滿足在零偏情況下結(jié)電容降低的目標(biāo), 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(biāo), 所設(shè)計(jì)器件參數(shù)如下: Ge 材料左側(cè)重?fù)诫s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(cè)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?qū)挾葹? μm,電極長度為2 μm.

圖13所示為所設(shè)計(jì)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(dāng)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(gè)外延層厚度上逐漸降低, 在絕緣層處達(dá)到最小值0;在橫向區(qū)域, 0—2 μm 處于縱向耗盡結(jié)束的位置,在此處電場強(qiáng)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(qiáng)度比較大, 一直到濃度突變處, 電場強(qiáng)度都比較大, 在濃度突變以外, 電場強(qiáng)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(kuò)展至橫向, 結(jié)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(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jié)果, 在輸入能量為24.5 dBm時(shí), 能量轉(zhuǎn)換效率達(dá)到了75.4%. 通過HSMS-2820 肖特基二極管與本文所設(shè)計(jì)的全耗盡GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管相對(duì)比, 能量轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換效率對(duì)比圖Fig. 16. Comparison of energy conversion efficiency between fully depleted GeOI folded space charge region SBD and HSMS-2820 SBD.

4 結(jié) 論

本文提出了一種GeOI 折疊空間電荷區(qū)肖特基二極管結(jié)構(gòu), 建立了其電容模型, 并完成了器件材料參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化. 其電性能仿真結(jié)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(jié)電容的優(yōu)勢. 同時(shí)采用所設(shè)計(jì)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(jìn)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(guān)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(zhuǎn)換效率提供有價(jià)值的參考.