Electron Tunneling and Field-Effect Devices in mm-Wave Circuits

Sammanfattning: Popular Abstract in Swedish Arbetet i denna avhandling berör elektroniska komponenter och hur de kan användas i kretsar för trådlös kommunikation. Den huvudsakliga slutsatsen av arbetet är att innovativa och icke konventionella komponenter kan bidra till att förbättra presentanda och minska effektförbrukningen i system för kommunikation på korta avstånd. Framförallt har en krets tillverkats som genererar extremt korta och högfrekventa elektromagnetiska pulser med frekvens upp till 100 GHz, pulslängd ner till 33 ps och med en repetitionshastighet på upp till 15 Gbit/s. För att möjliggöra detta så har en ny typ av transistor utvecklats. Den främsta egenskapen hos denna transistor är att den opererar vid en väldigt hög hastighet samtidigt som den konsumerar mycket lite energi. Första gången människan kommunicerad trådlöst, om man bortser från ljud och skrift, var när Guglielmo Marconi skickade elektromagnetiska pulser genom luften år 1894. Dessa pulser skapades genom elektromagnetiska urladdningar som kopplades via en sändande antenn ut i etern och vidare till en mottagande antenn där signalen registrerades. Sedan dess har den trådlösa teknologin utvecklats i rasande takt och har gett upphov till olika produkter så som radar, television och mobiltelefoni. Metoderna har förfinats och gjorts allt mer raffinerade och idag kan man trådlöst skicka mer information per sekund än som kunde lagras totalt på en persondator i början av 1990- talet. För att fortsätta utvecklingen så krävs nya elektroniska komponenter som kan operera vid högre hastighet och vid mindre effektförbrukning. I detta arbete har fyra olika komponenter studerats. De första två är transistorer byggda från material i grupp 13 och 15 i det periodiska systemet, dessa material benämns även som grupp III och V och har egenskaper som gör att det går att tillverka snabbare och strömsnålare transistorer än med konventionell kiselteknologi. Användningen av III-V material gör att nya komponentstrukturer måste utvecklas. I denna avhandling undersöks en transistor där extra ledande material har tillförts för att minska effektförbrukningen och en transistor där den kontrollerande elektroden omsluter hela den kanal där strömmen färdas, vilket gör att strömmen går att styra på ett mycket effektivt sätt. Den tredje komponenten baseras på det kvantmekaniska fenomenet tunnling, som innebär att en ström kan flyta genom en region där den enligt klassisk mekanik inte borde kunna existera. Den fjärde komponenten baseras på samma fenomen, men där har en tredje elektrod integrerats för extra funktionalitet. Tunnlingskomponenterna besitter negativ resistans vilket gör att de kan användas för att tillföra energi i en krets. Genom att integrera en tunnlingskomponent i en resonanskrets så kan en elektromagnetisk svängning produceras. Arbetet i denna avhandling visar att genom att använda en transistor i serie med tunnlingskomponenten så kan svängninv gen strypas på ett effektivt sätt när transistorn slås mellan lågt och högt motstånd. Resultatet blir då korta högfrekventa pulser som kan användas för att skicka data mellan en sändare och mottagare, vilket illustreras av Fig. 1. Den framtagna kretsen kan även användas i en mottagare genom att rekonfigurera den elektriska styrsignalen till kretsen. Detta gör att sändare och mottagare kan bestå av samma krets, vilket minskar storleken på systemet och tillverkningskostnaden. De korta högfrekventa pulserna som sändaren producerar kan även användas i system som mäter avstånd, position, eller som används för att se genom objekt som inte är transparenta för synligt ljus.