DE102007062562A1 - Monolithisch integrierter Antennen- und Empfängerschaltkreis für die Erfassung von Terahertz-Wellen - Google Patents

Monolithisch integrierter Antennen- und Empfängerschaltkreis für die Erfassung von Terahertz-Wellen Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Millimeterwellen mit mindestens einem Feldeffekttransistor, der eine Source, einen Drain, ein Gate, einen Gate-Source-Kontakt, einen Source-Drain-Kanal und einen Gate-Drain-Kontakt aufweist. Gegenüber einer solchen Vorrichtung liegt der vorliegenden Erfindung unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche es ermöglicht, einen Feldeffekttransistor zur Erfassung der Leistung und/oder der Phase elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich bereitzustellen. Um eine solche Vorrichtung zu schaffen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Vorrichtung bereitzustellen, die eine Antennenstruktur aufweist, wobei der Feldeffekttransistor so mit der Antennenstruktur verbunden ist, daß ein von der Antennenstruktur empfangenes elektromagnetisches Signal im THz-Frequenzbereich über den Gate-Source-Kontakt in den Feldeffekttransistor eingespeist wird und wobei der Feldeffekttransistor und die Antennenstruktur zusammen auf einem einzigen Substrat angeordnet sind.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von Millimeterwellen mit mindestens einem Feldeffekttransistor, der eine Source, einen Drain, ein Gate, einen Gate-Source-Kontakt, einen Source-Drain-Kanal und einen Gate-Drain-Kontakt aufweist.
  • Der Terahertz-Frequenzbereich oder Submillimeterwellenlängenbereich, der grob von 100 GHz bis 10 THz definiert ist, ist eine der letzten "dunklen" Bereiche des elektromagnetischen Spektrums. Technisch nutzbare, insbesondere kohärente Quellen und entsprechende Detektoren, sind in diesem Frequenzbereich bisher nicht oder nur bei niedrigen Frequenzen kommerziell erhältlich. Die Entwicklungen der letzten Jahrzehnte haben zu komplizierten Systemen geführt, die aufgrund ihrer Komplexität bisher jedoch nur in experimentell geprägten Gebieten, wie der Radioastronomie oder der Atmosphärenforschung, Verwendung finden. Für Anwendungen des täglichen Lebens fehlt es bisher an der Verfügbarkeit preiswerter Quellen und Detektoren und dies obwohl der THz-Frequenzbereich gegenüber anderen Frequenzbändern des elektromagnetischen Spektrums intrinsische Vorteile aufweist:
    • – Viele optisch undurchsichtige Materialien sind im THz-Frequenzbereich transparent.
    • – THz-Strahlung ist nicht ionisierend und wird daher im biomedizinischen Bereich als sicher betrachtet.
    • – Bestimmte rotatorische, vibronische oder libratorische Molekülanregungen weisen eine Resonanzfrequenz im THz-Frequenzbereich auf. THz-Strahlung liefert wesentliche Informationen über Ladungsträgerdynamiken, insbesondere in Nanostrukturen, die eine essentielle Rolle in zukünftigen photonischen und elektronischen Komponenten spielen.
    • – THz-Strahlung zeigt eine geringere Streuung verglichen mit optischen Frequenzen und ist daher insbesondere zur Verwendung in industriellen Umgebungen, in denen es beispielsweise vermehrt zu Staubbildung kommt, geeignet.
    • – Betrachtet man Kommunikationssysteme, so ermöglichen höhere Frequenzen größere Übertragungsbandbreiten.
  • Die meisten rein elektronischen Vorrichtungen, die im THz-Frequenzbereich arbeiten, basieren auf GaAs- oder InP-Halbleitertechnologie. Zuletzt wurde gezeigt, daß auch SiGe- und CMOS-Halbleitertechnologien zu Vorrichtungen führen, die bis zu 100 GHz arbeiten. Bei höheren Frequenzen hin zu 1 THz und darüber werden komplexe Quantenkaskadenlasersysteme ebenso als Quellen verwendet wie optoelektronische Systeme basierend auf Femtosekunden-Kurzpulslasern oder dem Mischen zweier Dauerstrichlaserquellen.
  • Die THz-Strahlung wird zur Zeit mit Heterodynmischern, z. B. Schottky-Diodenmischern, photokonduktiven Detektoren oder Leistungsdetektoren, wie z. B. photovoltaischen Detektoren, Bolometern oder Golay-Zellen, erfaßt.
  • Alle zuvor beschriebenen Techniken weisen jedoch eine erhebliche Komplexität der Quellen- und Detektorbauelemente selbst sowie deren Herstellung auf, so daß diese zwar im Bereich der Forschung und Entwicklung sowie in forschungsnahen Anwendungsgebieten, wie der Radioastronomie, Verwendung finden, jedoch nicht für Massenmärkte geeignet sind.
  • Das US-Patent 4,647,848 offenbart einen Feldeffekttransistorschaltkreis, der verwendet wird, um das Leistungsniveau eines Radiofrequenzsignals zu erfassen. Der beschriebene Empfängerschaltkreis ist aus diskreten Elementen aufgebaut, so daß er keine hohen Integrationsdichten auf einem Chip ermöglicht. Darüber hinaus ist er aufgrund seiner langen Zeitkonstante, welche durch die Transitzeiten der Ladungsträger durch den Feldeffekttransistor bestimmt wird, nicht für hohe Frequenzen im THz-Frequenzbereich geeignet. Der in dem genannten US-Patent 4,647,848 beschriebene Empfängerschaltkreis verwendet einen Feldeffekttransistor als sogenannten resistiven Mischer. Dazu wird das Radiofrequenzsignal in den Drain des Feldeffekttransistors eingekoppelt und das Gate des Feldeffekttransistors ist mit einer Gleichspannung vorgespannt, wobei das Ausgangssignal mit einem Tiefpaßfilter gefiltert wird, so daß die Signalstärke des resultierenden Gleichstroms hinter dem Tiefpaßfilter proportional zur Leistung des Radiofrequenzsignals ist. Schaltungsanordnungen, welche die Mischung des zu empfangenden Signals mit einem Lokaloszillator ermöglichen, werden nicht beschrieben.
  • Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung unter anderem die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung bereitzustellen, welche es ermöglicht, einen Feldeffekttransistor zur Erfassung der Leistung und/oder der Phase elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich bereitzustellen.
  • Darüber hinaus ist eine mögliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung bereitzustellen, welche eine hohe Integrationsdichte der Detektorbauelemente ermöglicht.
  • Eine weitere zu lösende Aufgabe ist es, eine Vorrichtung bereitzustellen, die mit Hilfe von herkömmlichen Halbleitertechnologien herstellbar ist, so daß die Vorrichtung für Massenmärkte geeignet ist.
  • Zumindest eine der zuvor genannten Aufgaben wird durch eine Vorrichtung zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich gelöst mit mindestens einem Feldeffekttransistor, der eine Source, einen Drain, ein Gate, einen Gate-Source-Kontakt, einen Source-Drain-Kanal und einen Gate-Drain-Kontakt aufweist, und einer Antennenstruktur, wobei der Feldeffekttransistor so mit der Antennenstruktur verbunden ist, daß ein von der Antennenstruktur empfangenes elektromagnetisches Signal im THz-Frequenzbereich über den Gate-Source-Kontakt in den Feldeffekttransistors eingespeist wird und wobei der Feldeffekttransistor und die Antennenstruktur zusammen auf einem einzigen Substrat angeordnet sind.
  • Dabei wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung unter dem THz-Frequenzbereich ein Frequenzbereich von 100 GHz bis 10 THz verstanden.
  • Die Einkopplung des von der Antennenstruktur empfangenen elektromagnetischen Signals über den Gate-Source-Kontakt des Feldeffekttransistors ermöglicht eine effiziente Ankopplung des empfangenen Hochfrequenzsignals an den zur Erfassung von Amplitude und/oder Phase des empfangenen Signals vorgesehenen Feldeffekttransistors. Um diese Einkopplung zu verbessern können wie nachfolgend diskutiert die Hochfrequenzrandbedingungen des Transistors optimiert werden.
  • Die Integration des Transistors und der Antennenstruktur zusammen auf einem einzigen Substrat ermöglicht eine hohe Integrationsdichte bei der Kombination mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen zu einem zeilenförmigen oder zweidimensional flächigen Detektor.
  • Die Integration von Transistor und Antennenstruktur auf einem einzigen Substrat ermöglicht es darüber hinaus, aufgrund der kurzen oder nicht vorhandenen Abstände zwischen der Antennenstruktur und dem Feldeffekttransistor, Transportverluste, die ansonsten zwangsläufig bei der Übertragung des von der Antennenstruktur empfangenen THz-Signals an den Transistor auftreten zu vermeiden.
  • Die Integration von Antennenstruktur und Feldeffekttransistor auf einem einzigen Substrat erfordert jedoch eine Neukonzeption der gesamten Vorrichtung unter Berücksichtigung der durch die räumliche Nähe von Antennenstruktur und Feldeffekttransistor auftretenden Wechselwirkungen zwischen den beiden Elementen, so wie sie nachfolgend genauer beschrieben wird.
  • In einer Ausführungsform sind der Feldeffekttransistor und die Antennenstruktur monolithisch auf einem einzigen Chip, d. h. auf einem einzigen Stück eines Halbleitermaterials, beispielsweise aus Silizium, integriert.
  • In einer Ausführungsform weist die Antennenstruktur einen Anschluß auf, der unmittelbar mit dem Gate des Feldeffekttransistors verbunden ist. Auf diese Weise wird eine direkte Einkopplung der THz-Strahlung in den Feldeffekttransistor ohne Transportverluste ermöglicht, wobei die Unmittelbare Kopplung auch eine optimale Impedanzanpassung zwischen Antenne und Feldeffekttransistor ermöglicht.
  • In einer Ausführungsform ist der Feldeffekttransistor ein Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MISFET), insbesondere ein Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOS-FET). Insbesondere ist der verwendete Feldeffekttransistor ein lineares Bauelement.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Feldeffekttransistor ein sogenannter Plasma-Feldeffekttransistor.
  • Die US-Patentanmeldung 2006/0081889 A1 sowie die Fachartikel von M. Dyakonov und Michael Shur, "Shallow Water Analogy for a Ballistic Field Effect Transistor: New Mechanism of Plasma Wave Generation by dc Current", Appl. Phys. Let., Band 71, Nr. 15, S. 2465 bis 2468, Oktober 1993 sowie M. Dyakonov und M. Shur, "Plasma Wave Electronics: Novel Terahertz Devices using Two Dimensional Electron Fluid", IEEE Transactions an Electron Devices, Band 43, No. 10, Oktober 1996 offenbaren Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), welche mit Hilfe von preiswerten Halbleiterstrukturierungsverfahren, wie z. B. CMOS- oder bipolaren SiGe-Technologien, hergestellt werden können, um Empfängerschaltkreise zum Betrieb bei THz-Frequenzen zu realisieren.
  • Solche Feldeffekt-(FET-)Transistoren können elektrisch so vorgespannt und beschaltet werden, daß sie in einem Regime arbeiten, das nachfolgend als Plasma-Feldeffekttransistor bezeichnet wird, in welchem Elektron-Elektron-Stöße das Ladungsträgertransportverhalten dominieren und sich die Elektronen in einem Feldeffekttransistor-Kanal als zweidimensionales Elektronenfluid verhalten, statt als zweidimensionales Elektronengas. Die Elektron-Bewegung in dem Feldeffekttransistor-Kanal kann dann durch Gleichungen beschrieben werden, welche aus der Hydrodynamik flacher Wasserwellen bekannt sind. Die Geschwindigkeit der Plasmawellen ist viel größer als die Driftgeschwindigkeit eines zweidimensionalen Elektronengases in einem Feldeffekttransistor-Kanal. Die Ausbreitung von Plasmawellen in einem Feldeffekttransistor kann daher zum Betrieb des Feldeffekttransistors in einem Regime verwendet werden, welches viel höhere Frequenzen erlaubt als herkömmliche Feldeffekttransistoren, deren Frequenzverhalten durch die klassische Transitzeit von Ladungsträgern durch den Kanal des Feldeffekttransistor begrenzt sind.
  • Damit der Elektronentransport in einem Feldeffekttransistor nach Art eines Plasma-Feldeffekttransistors arbeitet, müssen die Feldeffekttransistoren zwei essentielle Randbedingungen erfüllen:
    • 1) Das von der Antennenstruktur empfangene elektromagnetische Signal im THz-Frequenzbereich muß über den Gate-Source-Kontakt in den Feldeffekttransistor eingespeist eingespeist.
    • 2) Über den Source-Drain-Kontakt muß der Feldeffekttransistor bei der THz-Zielfrequenz, d. h. der Resonanzfrequenz der Antennenstruktur, eine möglichst hohe Impedanz aufweisen.
  • Feldeffekttransistoren, welche diese Randbedingungen erfüllen, werden nachfolgend im Sinne der vorliegenden Erfindung als Plasma-FETs bezeichnet.
  • Wird eine elektromagnetische Welle in den Kanal eines FET eingekoppelt, welcher die zuvor genannten Randbedingungen erfüllt, so wird eine konstante Source-Drain-Spannung induziert. In einem Kanal mit hoher Ladungsträgermobilität weist diese konstante Source-Drain-Spannung eine resonante Abhängigkeit von der Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung auf, wobei die Resonanzfrequenz proportional zur Wurzel aus der Oberflächenladungsträgerdichte und invers proportional zu der Gatelänge ist. Mit den durch moderne Halbleiterprozeßtechnologien erreichbaren Trägerdichten und Gatelängen ist es möglich, daß die Plasmafrequenz der Plasma-Feldeffekttransistoren den THz-Frequenzbereich erreicht.
  • Die Plasma-Feldeffekttransistoren können unter zwei verschiedenen Betriebsbedingungen arbeiten. Zunächst gibt es eine resonante ballistische Betriebsweise, die in Vorrichtungen mit einem kurzen Kanal erhalten werden kann. Vorrichtungen mit einem langen Kanal können demgegenüber in einer überdämpften Betriebsweise betrieben werden. Während in der überdämpften Betriebsweise die Detektorantwort eine flache Funktion der Frequenz der eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung ist, so daß diese Betriebsweise insbesondere für breitbandige Detektoren geeignet ist, führt die ballistische Betriebsweise zu hochgradig resonanten Strukturen.
  • Alle bisherigen Veröffentlichungen über Plasma-FETs zeigen theoretisch oder experimentell die grundsätzliche Möglichkeit zur Realisierung von THz-Detektoren auf der Grundlage von Plasma-FETs, jedoch ohne konkrete Anregungen für die praktische Realisierung von für die Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich optimierten Strukturen zu geben.
  • Die als erste Bedingung für einen Plasma-Feldeffekttransistor geforderte Art der Speisung des Feldeffekttransistors mit dem Hochfrequenzsignal kann in einer Ausführungsform dadurch erfüllt werden, daß der Gate-Source-Kontakt einen Hochfrequenzkurzschluß für die sich im Kanal ausbreitende Plasmawelle aufweist.
  • Darüber hinaus erfüllt ein Feldeffektransistor in einer Ausführungsform zusätzlich die zweite Randbedingung, welche auch als (für die Plasmawelle) offener Drain bezeichnet wird. Diese Randbedingung für die Plasmawelle im Transistor wird in einer Ausführungsform durch eine hohe Impedanz bei der THz-Zielfrequenz am Source-Drain-Kontakt realisiert. Dabei ist in einer Ausführungsform die Hochfrequenzimpedanz des Source-Drain-Kontakts größer als 1 MΩ. Die hohe Impedanz am Source-Drain-Kontakt, wird in einer Ausführungsform extern, d. h. durch die Schaltung und nicht durch den Transistor selbst bereitgestellt. Alternativ oder zusätzlich kann diese Abschlussimpedanz des Source-Drain-Kontakts intrinsisch, d. h. im Transistor, beispielsweise durch einen Halbleiter-Metall-Übergang bereitgestellt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist neben der oben erwähnten ersten Randbedingung und alternativ oder zusätzlich zu der zweiten Randbedingung am Gate-Drain-Kontakt eine Kapazität vorgesehen, so daß die Spannung am Gate der Spannung am Drain folgt.
  • Ein Feldeffekttransistor mit einer solchen Gate-Drain-Kapazität kann als sogenannter resistiver Mischer arbeiten ohne notwendigerweise alle Randbedingungen für einen Plasma-Feldeffekttransistor zu erfüllen.
  • Dabei kann die Kapazität des Gate-Drain-Kontakts eine externe Kapazität, z. B. ein Kondensator, sein, der mit den Anschlüssen des Gate und des Drain verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Gate-Drain-Kontakt eine intrinsische Gate-Drain-Kapazität aufweisen.
  • In einer Ausführungsform ist die Gate-Drain-Kapazität größer als die intrinsische Kapazität des Gate-Source-Kontakts.
  • In einer Ausführungsform ist die Gate-Drain-Kapazität größer als 100 fF.
  • Die intrinsische Kapazität des Gate-Drain-Kontakts wird in einer Ausführungsform dadurch erhöht, daß der Gate-Kontakt des Gate und der Drain-Kontakt des Drain derart über oder untereinander angeordnet sind, daß sie einander räumlich überlappen. Durch die Isolation zwischen den Gate- und Drain-Kontakten wird auf diese Weise ein Plattenkondensator bereitgestellt, dessen Kapazität von dem räumlichen Überlapp der Kontakte abhängt.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Drain des Feldeffekttransistors mit einem Impedanzanpassungselement, vorzugsweise mit einer Wellenleitung (transmission line) verbunden. Ein solches Impedanzanpassungselement ermöglicht es, die hohe Impedanz des Drain einzustellen und somit die zweite erforderliche Randbedingung für den Betrieb eines Plasma-Feldeffekttransistors zu erfüllen.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung zwei Feldeffekttransistoren auf, die alternativ in Reihe oder parallel zueinander geschaltet sind.
  • Bei einer Reihenschaltung ist in einer Ausführungsform der Drain eines ersten Transistors mit der Source eines zweiten Transistors verbunden, so daß diese durch Kaskadierung eine erhöhte Detektionseffizienz der Vorrichtung ermöglichen.
  • In einer parallelen Anordnung der Feldeffekttransistoren sind die Sources der beiden Transistoren miteinander verbunden. Dabei sind zweckmäßiger Weise die Sources mit einer zusätzlichen Wechselstrommasse verbunden, um die Einkopplung der elektromagnetischen Welle im THz-Frequenzbereich in das Gate zu verbessern bzw. die Kurzschlußrandbedingung für die Plasmawelle in einem als Plasma-Feldeffekttransistor betriebenen Transistor zu erfüllen. Die mit den Sources verbundene Wechselstrommasse kann darüber hinaus als Vorspannung für eine nachfolgende Verstärkerstufe dienen.
  • In einer Ausführungsform weist die Antennenstruktur zwei Anschlüsse auf, die jeweils mit dem Gate eines von zwei Feldeffekttransistoren verbunden sind, so daß die Feldeffekttransistoren von der mit der Antennenstruktur empfangenen elektromagnetischen Welle differentiell getrieben werden. Für diesen differentiellen Betrieb sind in einer Ausführungsform die Sources ebenso wie die Drains der beiden Feldeffekttransistoren miteinander verbunden und speisen die beiden Eingänge eines Differenzverstärkers.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Antennenstruktur mehrere, vorzugsweise zwei, voneinander verschiedene Empfangsbänder auf. Dabei ist die Antennenstruktur in einer Ausführungsform vorzugsweise so eingerichtet, daß sie zwei Moden elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise mit gekreuzter Polarisation, empfängt. Auf diese Weise läßt sich eine Empfängervorrichtung realisieren, die gleichzeitig zwei elektromagnetische Wellen unterschiedlicher Frequenz und/oder unterschiedlicher Polarisation erfaßt und in dem Feldeffekttransistor mischt. Eine solche Anordnung ermöglicht insbesondere die Realisierung eines Hetrodynempfängers, wobei neben der eigentlichen zu empfangenden elektromagnetischen Strahlung das Signal eines Lokaloszillators in die Antenne eingestrahlt wird.
  • In einer weiteren Ausführungsform ist die Antennenstruktur mit einer Spannungsquelle verbunden, welche über die Antennenstruktur die Vorspannung des Gates des Feldeffekttransistors bereitstellt.
  • Da die Antenne direkt mit den sensitiven Gates der Feldeffekttransistoren verbunden ist, weist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine Einrichtung zum Schutz des Feldeffekttransistors für Überspannungs- und Entladungsschäden, vorzugsweise eine oder mehrere Dioden, auf, die mit der Antennenstruktur und der Masse verbunden ist.
  • Dabei ist es zweckmäßig, wenn die Einrichtung zum Schutz des Feldeffekttransistors für Überspannungs- und Entladungsschäden so angeordnet sind, daß sie die Vorrichtung, insbesondere den Feldeffekttransistor nicht mit zusätzlichen parasitären Einflüssen belastet. Dazu ist in einer Ausführungsform der Erfindung die Einrichtung zum Schutz des Transistors mit einem Punkt auf der Antennenstruktur verbunden, an dem die gegenüber einer Massenebene der Vorrichtung induzierte Wechselspannung null ist.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung ist eine solche Antennenstruktur eine gefaltete Dipolantenne. Diese weist sowohl einen Punkt auf, an dem die gegenüber einer Massenebene der Vorrichtung induzierte Wechselspannung null ist, ermöglicht aber auch den Empfang zweier senkrechter resonanter Moden bei der gleichen Frequenz.
  • Daher weist die Dipolantenne in einer Ausführungsform einen dritten Zweig auf, welcher der Impedanzanpassung der Antenne an den Transistor dient.
  • In einer Ausführungsform ist ein weiterer Monopol mit dem Symmetriepunkt der Dipolantenne verbunden, welcher den Empfang der zweiten Mode ermöglicht.
  • Alternative Antennenstrukturen, welche für die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet sind, sind Patchantennen, Ringantennen, Schlitzantennen oder Kerbantennen.
  • In einer Ausführungsform weist die Antennenstruktur eine metallische Abschirmung gegenüber dem Substrat auf. Diese ist zweckmäßigerweise im Abstand von der Antennenstruktur, beispielsweise durch eine Oxidschicht von dieser getrennt angeordnet.
  • Um eine hohe Integrationsdichte mehrerer erfindungsgemäßer Vorrichtungen auf einem einzigen Substrat zu ermöglichen ist es zweckmäßig, den Verstärkerschaltkreis, insbesondere einen Differenzverstärker auf dem gleichen Substrat wie die Antennenstruktur und den Feldeffekttransistor zu integrieren.
  • Darüber hinaus sind in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weitere Schaltkreise, die dem Betrieb der Vorrichtung dienen, auf dem Substrat integriert. Dies können z. B. ein Vorspannungsschaltkreis, ein Detektorschaltkreis, welcher vorzugsweise dem Verstärkerschaltkreis nachgeschaltet ist, ein Mischerschaltkreis oder eine Hochfrequenzquelle als Lokaloszillator sein.
  • Die verschiedenen Ausführungsformen der zuvor beschriebenen Vorrichtung zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich eignet sich insbesondere zur Realisierung eines THz-Hetrodynempfängers, welcher das zu empfangende elektromagnetische Signal mit einem Lokaloszillator mischt. Ein solcher THz-Hetrodynempfänger ist insbesondere zur Verwendung in einem bildgebenden System, in einem Radarsystem oder einem Kommunikationssystem geeignet.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung werden anhand der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und der dazu gehörigen Figuren deutlich.
  • 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäß integrierten Bauelements.
  • 2 ist ein Schaltkreisdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei Feldeffekttransistoren.
  • 3a zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine alternative Ausführungsform der Erfindung.
  • 3b zeigt eine Schnittansicht durch den in 3a dargestellten Chip.
  • 4 zeigt eine schematische Schnittansicht durch einen MOSFET, so wie er in Ausführungsformen der Erfindung Verwendung findet.
  • 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Antennenstruktur und zwei integrierten Feldeffekttransistoren.
  • 6 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Patchantenne.
  • 7 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Ringantenne.
  • 8 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Schlitzantenne.
  • 9 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung mit einer Viertelwellenkerbantenne.
  • 10 zeigt das Schaltkreisdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines Mischerschaltkreises.
  • 11 zeigt eine alternative Ausführungsform des Mischerschaltkreises aus 10.
  • 12 zeigt das Schaltkreisdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform eines differentiellen Mischerschaltkreises.
  • 13 zeigt das Schaltkreisdiagramm eine einendigen Mischerschaltkreises.
  • 14 zeigt das Schaltkreisdiagramm einer Ausführungsform der Erfindung mit einem einzelnen Feldeffekttransistor.
  • 15 zeigt schematisch die Anordnung mehrerer Empfangsvorrichtungen gemäß Ausführungsformen der Erfindung in einer Systemanordnung.
  • 16 zeigt schematisch ein zu dem Aufbau aus 1 alternatives erfindungsgemäß integriertes Bauelement.
  • Detaillierte Beschreibung der Figuren
  • 1 zeigt schematisch den Aufbau eines integrierten Bauelements 1 zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich. Dabei sind in der dargestellten Ausführungsform eine Antennenstruktur 2, ein Detektorschaltkreis 3 mit einem Feldeffekttransistor zur Erfassung der von der Antenne empfangenen Strahlung und ein Verstärker 4 mit geringem Rauschen auf einem einzigen Chip integriert. Die einfallende elektromagnetische THz-Strahlung 5 wird von der Antennenstruktur 2 empfangen, mit Hilfe des Feldeffekttransistors 3 erfaßt und das Ausgangssignal des Detektorschaltkreises 3 wird mit dem Verstärker 4 verstärkt. Ein Basisbandausgangssignal 6 wird ausgegeben.
  • 2 zeigt ein Schaltkreisdiagramm einer beispielhaften Ausführungsform einer Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich, welche die in 1 identifizierten Bauelemente auf einem einzigen Chip integriert aufweist. Dies sind eine Antennenstruktur 2, in der dargestellten Ausführungsform mit einer gefalteten Dipolantenne 7, ein Mischerschaltkreis 3 mit zwei Feldeffekttransistoren FET1, FET2 sowie ein integrierter Verstärker 4, der von einem Operationsverstärker 8 gebildet wird. Zusätzlich zu den in der Prinzipskizze aus 1 dargestellten Elementen 2, 3 und 4 weist die in 2 dargestellte Ausführungsform ein Impedanzanpassungselement 9 mit zwei Wellenleitern (transmissionlines) TL1, TL2 auf.
  • Die einzelnen Elemente 2, 3, 4 und 9 der erfindungsgemäßen Empfängervorrichtung werden nun im Detail beschrieben. Die Antennenstruktur 2 weist eine gefaltete Dipolantenne 7 mit einer rückseitigen Massenschirmung auf. Die beiden Enden 10, 11 der gefalteten Dipolantenne sind jeweils mit den Gates G der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 des Mischerschaltkreises 3 verbunden. Die Vorspannung der Gates G der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 erfolgt über eine Gleichspannungsquelle Vbias 1, welche zunächst mit der Dipolantenne 7 verbunden ist, so daß die Vorspannung der Gates G über die Dipolantenne 7 und deren Enden 10, 11 erfolgt. Weiterhin ist die Antenne 7 mit einer Einrichtung zum Schutz der Antenne 7 und der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 vor elektrostatischen Ladungen sowie plasmainduzierten Überspannungen während des Herstellungsprozesses versehen. Die Schutzeinrichtung stellt einen Entladungspfad im wesentlichen über zwei Dioden 12, 13 bereit, welche mit Masse und einer Gleichspannungsquelle Vdd verbunden sind. Die Gatevorspannung Vbias 1 der Transistoren FET1, FET2 ist galvanisch mit dem Symmetriepunkt 14 der Antenne verbunden, an welchem die induzierte Hochfrequenz-(THz-)Spannung in Bezug auf Massenebene 0 ist. An diesem Symmetriepunkt 14 können die Antennenschutzdioden 12, 13 sowie die Vorspannungsquelle Vbias 1 ohne nachteilige Beeinflussung der Hochfrequenzeigenschaften der Elemente 2, 3 eingefügt werden.
  • 3a zeigt schematisch die Draufsicht auf die integrierte Anordnung aus 2 mit Antennenstruktur 2 und Detektorschaltkreis 3. Alle Elemente sind auf einem einzigen Siliziumchip 15 angeordnet. Diese Ansicht entspricht der Draufsicht auf eine tatsächlich realisierte Vorrichtung, wobei diese nicht maßstäblich vergrößert dargestellt ist. Deutlich ist eine obere Metallisierung zu erkennen, welche die gefaltete Dipolantenne 7 bildet. Im Bereich des Symmetriepunkts 14 der Antenne sind die Gate-Vorspannungsquelle Vbias 1 sowie die Schutzdioden 12, 13 vorgesehen. Die Feldeffekttransistoren FET1, FET2 sind unmittelbar im Bereich der Dipolenden der gefalteten Dipolantenne vorgesehen, wobei ihre Gates G mit den Enden 10, 11 der Dipolantenne 7 verbunden sind. Gestrichelt dargestellt sind in 3a die differentiellen Ausgänge 16, 17 der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 sowie die Zuführung 18 der Vorspannung Vbias 1. Wie aus der schon in 3b gezeigten Schnittansicht durch den Chip offenkundig ist, ist über dem Siliziumsubstrat 15 eine erste Metallisierung 19 vorgesehen, welche als rückseitige Massenschirmung dient. Die obere Metallisierung, welche die Antennenstruktur 7 bildet, ist von der unteren Metallisierung 19 durch eine isolierende Schicht 20 aus Siliziumdioxid isoliert.
  • Die untere Metallisierung 19 unterdrückt die rückseitigen Strahlungskeulen der Antennen, wodurch die Verstärkung des Empfängers erhöht wird. Darüber hinaus bewirkt die untere Metallisierung 19 eine Abschirmung der Empfängerstruktur gegenüber Einflüssen von Objekten hinter dem Substrat 15. Die Anordnung der Metallisierung 19 im Abstand von der oberen Metallisierung 7, wobei der Abstand durch die Dicke der Siliziumdioxidschicht 20 vorgegeben wird, minimiert den Einfluß der Massenabschirmung 19 auf die Antennenbandbreite und den Strahlungswiderstand der Antenne. Es ist offensichtlich, daß alternativ andere Schichten für das Strahlungselement 7 und die rückseitige Massenabschirmung 19 verwendet werden könnten. Die Schichtauswahl ist eine Abwägung zwischen der Leistungsfähigkeit der Antenne und der Verfügbarkeit von leitenden Schichten in der Struktur.
  • Die Faltung der Dipolantenne dient dazu, die Impedanz der Antenne bei der Resonanzfrequenz für die Verbindung der Antenne 7 mit den Gates G der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 anzupassen. In Abhängigkeit von der Eingangsimpedanz der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 kann die Antenne einen optionalen dritten Zweig 21 mit einer Breite W 3 in einem Abstand S 2 von der übrigen Dipolanordnung 7 aufweisen, um die Antennenimpedanz bei der Resonanzfrequenz an die Feldeffekttransistoren FET1, FET2 anzupassen.
  • Zusätzlich kann, um einen Zweimodenbetrieb der Antenne, d. h. einen Empfang zweier senkrecht zueinander polarisierten Wellen gleichzeitig, zu ermöglichen, am Symmetriepunkt 14 der Antenne ein Monopol 22 vorgesehen sein. Durch Anpassen der Länge Lm des Monopols kann die Resonanzfrequenz der zweiten Mode eingestellt werden, ohne die Resonanzfrequenz der gefalteten Dipolantenne 7 zu beeinflussen. Auf diese Weise können das zu Empfangende THz-Signal und ein Lokaloszillator-Signal gleichzeitig in die Antenne 7 eingekoppelt werden und die Vorrichtung kann als Mischer betrieben werden.
  • Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform des Detektorschaltkreises werden die beiden Feldeffekttransistoren in differentieller Beschaltung verwendet, wobei die Sources S der beiden Transistoren FET1, FET2 miteinander verbunden sind und den ersten Ausgang 16 der Schaltung bilden, während die beiden miteinander verbundenen Drains D der Transistoren FET1, FET2 den zweiten Ausgang 17 bilden.
  • Das Gate G eines jeden Transistors FET1 bzw. FET2 ist über eine Kapazität C1 bzw. C2 mit den entsprechenden Drains D verbunden. Auf diese Weise folgt die Spannung, welche an den Drains D anliegt unmittelbar der Spannung, welche an den Gates G der Transistoren FET1, FET2 anliegt. In der dargestellten Ausführungsform sind die beiden Kapazitäten Kondensatoren C1, C2 mit einer Kapazität von 150 fF. Diese Beschaltung ermöglicht es, die Feldeffekttransistoren FET1, FET2 als resistiver Mischer zu betreiben.
  • Zusätzlich zu den externen Kapazitäten C1, C2 weisen die Feldeffekttransistoren FET1, FET2 intrinsische Kapazitäten der Gate-Drain-Kontakte auf. Um die intrinsische Kapazität des Gate-Drain-Kontakts zu erhöhen, ist in einer Ausführungsform, so wie sie schematisch in 4 dargestellt ist, der Gatekontakt 23, welcher mit Hilfe einer Oxidschicht 24 gegenüber dem Substrat 15 und dem Sourcekontakt 25 und dem Drainkontakt 26 isoliert. Durch Ausdehnen des Gatekontakts 23, so daß dieser sich räumlich über den Drainkontakt 26 erstreckt, so wie dies in 4 durch die gestrichelte Linie sowie den Pfeil angedeutet ist, kann die intrinsische Kapazität des Gate-Drain-Kontakts erhöht werden, was den Kopplungsgrad der Spannungen von Gate G und Drain D deutlich erhöht.
  • In alternativen Ausführungsformen, so wie sie in 16, aber auch in den 10 bis 14 gezeigt sind, wird auf die Kapazitäten C1, C2 verzichtet. Bei dieser Beschaltung arbeiten die gezeigten Feldeffekttransistoren als Plasma-Feldeffektransistoren oder resistive Mischer.
  • Bei den in 2 und 16 dargestellten Ausführungsformen weisen die Sources S der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 eine verbesserte Wechselstrommasse ac gnd auf. Die Drains D der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 sind über jeweils eine Wellenleitung TL1, TL2 mit dem Eingang eines Differenzverstärkers 8 verbunden.
  • Bei der Ausführungsform aus 16 sind die Feldeffekttransistoren FET1, FET2 so konstruiert und geschaltet, daß sie als Plasma-Feldeffekttransistoren arbeiten. Dazu sind zwei Randbedingungen durch die Wahl der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 sowie deren Beschaltung erfüllt:
    • 1. Das von der Antenne empfangene THz-Signal wird über den Gate-Source-Kontakt in die Feldeffekttransistoren FET1, FET2 eingespeist. Um diese Randbedingung zu erfüllen sind die Sources S der Transistoren FET1, FET2 mit einer Wechselstrommasse verbunden, die dazu führt, daß sich für die sich in dem Kanal des jeweiligen Feldeffekttransistors FET1, FET2 ausbreitende Plasmawelle ein "Kurzschluß" zwischen Gate G und Source S ergibt.
    • 2. Der Source-Drain-Kontakt weist eine hohe Impedanz bei der THz-Zielfrequenz auf. Diese ist so groß, daß der Drain D für die Plasma-Welle als offene Leitung erscheint. Dazu sind die mit den Gates verbundenen Wellenleiter TL1, TL2 so gewählt, daß sie bei der THz-Zielfrequenz eine möglichst hohe Impedanz bereitstellen. Diese Abschlüsse der Drains D der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 werden daher auch als "Open Drain" oder wie im Schaltkreisdiagramm vermerkt "ac open" bezeichnet.
  • In 5 ist eine alternative Ausführungsform der Erfassungsvorrichtung mit einer gefalteten Dipolantenne 7' mit drei Zweigen dargestellt. In dieser Figur ist gut zu erkennen, wie die Feldeffekttransistoren FET1', FET2' in die Antennenstruktur integriert sind. Die Enden 10', 11' der Dipolantenne 7' sind mit den Drains D1, D2 der Transistoren FET1' bzw. FET2' verbunden. Dabei teilen sich die beiden Transistoren FET1', FET2' einen gemeinsamen Sourcekontakt statt die Sources aus zwei diskreten Kontakten auszubilden und nachfolgend miteinander zu verbinden.
  • Die 6 bis 9 zeigen Ansichten von oben auf andere Realisierungen integrierter Antennen- und Transistorstrukturen. 6 zeigt eine Patchantenne 27, welche wieder als oberste Metallisierung über einer isolierenden Schicht 28 aus Siliziumdioxid und einer metallischen Abschirmung 29 auf einem Substrat 30 angeordnet ist. Für die Patchantenne 27 dient die untere Metallisierung 29 als Massenebene. Die Feldeffekttransistoren FET1, FET2 werden wie zuvor differentiell von der Patchantenne 27 getrieben, da sie auf gegenüberliegenden Seiten der Symmetrieachse 31 der Antenne 27 angeordnet sind. Die Transistoren FET1, FET2 weisen unterschiedliche Abstände von der Symmetrieachse 31 auf, so daß die Patchantenne 27 im Zweimodenbetrieb betrieben werden kann. Da die Patchantenne als Rechteck mit unterschiedlichen Seitenlängen ausgeführt ist, ist sie für zwei Frequenzen bzw. Frequenzbänder resonant, so daß auch die Patchantenne als Dualband-Antenne zum Empfang eines THz-Signals sowie eines Lokaloszillatorsignals geeignet ist. Wie zuvor sind Dioden zum Schutz der Struktur vor Überspannungen sowie ein Anschluß für die Gatevorspannung im Symmetriepunkt 32 der Patchantennen 27 vorgesehen.
  • In 7 ist eine Ringantenne 33 gezeigt. In der dargestellten Ausführungsform ist die Ringantenne 33 eine Vollwellenlängenringantenne, wobei der Umfang des Rings gleich einem Viertel der Wellenlänge der THz-Zielfrequenz in dem Ausbreitungsmedium entspricht. In der gezeigten Ausführungsform ist auch die Ringantenne mit einer unter der Antenne liegenden, durch eine Siliziumdioxidschicht 34 isolierten Masse 35 versehen. Wie im Fall der Dipolantenne aus 3a, ermöglicht die Masse 35 einen Zweimodenbetrieb der Antenne. Die Feldeffekttransistoren FET1, FET2 sind am Speisepunkt der Antenne angeordnet. Bei differentieller Anregung der Antenne wird gegenüber dem Speisepunkt mit den Feldeffekttransistoren FET1, FET2 eine virtuelle Wechselstrommasse 36 aus gebildet. An diesem virtuellen Massepunkt 36 können wie zuvor Schutzdioden vorgesehen sein und die Speisespannung der Gates angeschlossen werden, ohne das Modenverhalten der Antenne zu beeinflussen.
  • 8 zeigt eine Halbwellenschlitzantenne 36, welche wieder durch eine Isolationsschicht 38 aus Siliziumdioxid isoliert über einer Massenebene 39 angeordnet ist. An den Symmetriepunkten 37a, 37b können Schutzdioden vorgesehen sein, die Gatevorspannung kann dort angeschlossen werden und über eine kapazitive Kopplung an die Massenebene 39 kann in diesem Punkt eine Wechselstrommasse bereitgestellt werden. In der dargestellten Anordnung stellt ein horizontal polarisiertes Lokaloszillatorsignal eine Gleichtakt (Common Mode) Anregung der Antenne bereit, während ein vertikal polarisiertes empfangenes THz-Signal eine differentielle Anregung bewirkt.
  • In 9 ist eine Kerbantenne 40 gezeigt, die gegenüber der Halbwellenschlitzantenne aus 8 eine verringerte Größe aufweist. Ein Zweimodenbetrieb kann durch Verwenden der Kerbantenne als Viertelwellenlängen-Patchantenne bei der Lokaloszillatorfrequenz erreicht werden. Da im Patchmodus bei der Lokaloszillatorfrequenz auf jeder Seite des Schlitzes ein gleiches Potential vorliegt, werden die Feldeffekttransistoren FET1, FET2 im Gleichtakt angeregt. Um die horizontal polarisierte Lokaloszillatormode anzuregen muß eine Hochfrequenzmasse mit geringer Impedanz, beispielsweise über einen Kondensator, bereitgestellt werden.
  • Die 10 bis 14 zeigen beispielhaft alternative Ausführungsformen der Empfängerschaltkreise, wobei diese als schematische Schaltkreisdiagramme dargestellt sind. Alle gezeigten Schaltkreise weisen je eine Antennenstruktur 2, einen Detektorschaltkreis 3, sowie einen Verstärkerschaltkreis 4 auf, die auf einem einzigen Chip integriert sind, so wie die Integration zuvor für verschiedene Antennentypen beschrieben wurde.
  • 10 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform eines Single-Balanced-Feldeffekttransistorschaltkreises. Die dualbandige Zweimodenantenne 45 empfängt die Lokaloszillator- und THz-Signale mit entgegengesetzten Polarisationen, d. h. horizontaler und vertikaler Polarisation. Der Empfängerausgang ist die Mittenfrequenz, d. h. die Differenzfrequenz zwischen dem THz-Signal und dem Lokaloszillatorsignal, wobei der Gleichspannungsuntergrund, welcher die Gesamtleistung aus THz-Leistung und Lokaloszillator-Leistung darstellt, unterdrückt ist. Der Ausgang der Detektions-Feldeffekttransistoren FET1 und FET2 ist direkt mit einem Differenzverstärker verbunden, der aus einer differenziellen NMOS-Eingangsstufe besteht.
  • 11 zeigt beispielhaft eine Ausführungsform eines differentiellen Mischerschaltkreises mit zwei Plasma-Feldeffekttransistoren. Die einmodige Dualbandantenne 46 empfängt die Lokaloszillator- und THz-Signale mit der gleichen Polarisation, jedoch bei unterschiedlicher Frequenz. Der Empfän ger gibt die Mittenfrequenz (THz-Frequenz minus Lokaloszillatorfrequenz) sowie die Gesamtleistung als Gleichspannungs-Offset aus. Daher arbeitet der Schaltkreis als Leistungsdetektor und Mischer gleichzeitig. Er kann jedoch auch als Leistungsdetektor für zirkularpolarisierte Strahlung verwendet werden. Der Schaltkreis verwendet Impedanzanpassungselemente, d. h. die Wellenleiter TL1 bis TL4, um die zuvor in Bezug auf die Ausführungsform aus 16 beschriebenen Randbedingungen zum Betrieb der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 als Plasma-Feldeffekttransistoren zu erfüllen. Insbesondere erfüllen die offenendigen Wellenleiter TL1 und TL4 die Randbedingung für die gute Einkopplung des THz-Signals in die Feldeffekttransistoren (Kurzschluß des Gate-Source-Kontakt für die Plasmawelle bei der THz-Frequenz im Feldeffekttransistor). Die Wellenleiter TL2 und TL3 erfüllen hingegen die Randbedingungen für den Source-Drain-Kontakts, indem sie eine hohe THz-Impedanz des Drain, d. h. einen „open", bereitstellen.
  • In 12 ist ein differentiell getriebener Mischerschaltkreis mit zwei Plasma-Feldeffekttransistoren FET1, FET2 dargestellt, der dem Schaltkreis aus 16 ähnelt, wobei die Drainausgänge zu einem einendigen Ausgang zusammengeführt sind. Ein solcher einendiger Verstärker kann verwendet werden, um die Gleichspannungs- und Mittenfrequenzsignale gleichzeitig zu verstärken. Der Empfängerausgang repräsentiert die Mittenfrequenz (THz-Frequenz minus Lokaloszillatorfrequenz), wobei der Gleichspannungs-Offset die gesamte empfangene Leistung aus THz- und Lokaloszillatorleistung wiedergibt.
  • Eine zu der in 12 dargestellten Ausführungsform ähnliche Ausführungsform der Erfindung ist in 13 dargestellt. In dieser Ausführungsform ist ein differentiell getriebener Mischerschaltkreis mit zwei Plasma-Feldeffekttransistoren im Ausgang wechselstromgekoppelt, um die Gleichspannungskomponenten zu unterdrücken.
  • 14 hingegen zeigt einen einendigen Mischerschaltkreis mit einem einzigen Plasma-Feldeffekttransistor, bei dem die Wechselstrommassen und die Randbedingungen zum Betrieb des Plasma-Feldeffekttransistors nur durch Bypass-Kapazitäten bereitgestellt werden.
  • Alle zuvor beschriebenen Erfassungs- bzw. Detektorschaltkreise eigenen sich zur Integration in zeilen- oder matrixförmigen Anordnungen (Array) für bildgebende Anwendungen, bei denen jeder Detektorschaltkreis einen einzelnen Bildpunkt bildet. Eine solche Matrixanordnung 47 ist schematisch in 15 dargestellt, wobei die Matrixanordnung 47 der Detektorschaltkreise im Brennpunkt einer abbildenden Optik 48 vorgesehen ist, welche das einfallende THz-Signal 49 auf die Matrix 47 fokussiert. Gleichzeitig wird von hinten 50 oder von vorne 51 das Lokaloszillatorsignal eingestrahlt. Eine solche Anwendung eignet sich beispielsweise für Sicherheitsanwendungen, insbesondere bei der Personen- oder Gepäckkontrolle.
  • Für Zwecke der ursprünglichen Offenbarung wird darauf hingewiesen, daß sämtliche Merkmale, wie sie sich aus der vorliegenden Beschreibung, den Zeichnungen und den Ansprüchen für einen Fachmann erschließen, auch wenn sie konkret nur im Zusammenhang mit bestimmten weiteren Merkmalen beschrieben wurden, sowohl einzeln als auch in beliebigen Zusammenstellungen mit anderen der hier offenbarten Merkmale oder Merkmalsgruppen kombinierbar sind, soweit dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde oder technische Gegebenheiten derartige Kombinationen unmöglich oder sinnlos machen. Auf die umfassende, explizite Darstellung sämtlicher denkbarer Merkmalskombinationen wird hier nur der Kürze und der Lesbarkeit der Beschreibung wegen verzichtet.
  • Während die Erfindung im Detail in den Zeichnungen und der vorangehenden Beschreibung dargestellt und beschrieben wurde, erfolgt diese Darstellung und Beschreibung lediglich beispielhaft und ist nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht, so wie er durch die Ansprüche definiert wird. Die Erfindung ist nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt.
  • Abwandlungen der offenbarten Ausführungsformen sind für den Fachmann aus den Zeichnungen, der Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen offensichtlich. In den Ansprüchen schließt das Wort "aufweisen" nicht andere Elemente oder Schritte aus, und der unbestimmte Artikel "eine" oder "ein" schließt eine Mehrzahl nicht aus. Die bloße Tatsache, daß bestimmte Merkmale in unterschiedlichen Ansprüchen beansprucht sind, schließt ihre Kombination nicht aus. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Beschränkung des Schutzbereichs gedacht.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - US 4647848 [0006, 0006]

Claims (30)

  1. Vorrichtung zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich mit mindestens einem Feldeffekttransistor (FET1, FET2), der eine Source (S), einen Drain (D), ein Gate (G), einen Gate-Source-Kontakt, einen Source-Drain-Kanal und einen Gate-Drain-Kontakt aufweist, und einer Antennenstruktur (2), wobei der Feldeffekttransistor (FET1, FET2) so mit der Antennenstruktur (2) verbunden ist, daß ein von der Antennenstruktur (2) empfangenes elektromagnetisches Signal im THz-Frequenzbereich über den Gate-Source-Kontakt in den Feldeffekttransistors (FET1, FET2) eingespeist wird und wobei der Feldeffekttransistor (FET1, FET2) und die Antennenstruktur (2) zusammen auf einem einzigen Substrat angeordnet sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldeffekttransistor (FET1, FET2) und die Antennenstruktur (2) monolithisch auf einem einzigen Chip integriert sind.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenstruktur (2) einen Anschluß aufweist, der mit dem Gate (G) des Feldeffekttransistors (FET1, FET2) verbunden ist.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Source-Drain-Kontakt eine hohe Impedanz im THz-Frequenzbereich aufweist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, das die Impedanz des Source-Drain-Kontakts im THz-Frequenzbereich größer als 1 MΩ ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate (G) einen Gatekontakt und der Drain (D) einen Drainkontakt aufweist, wobei der Gatekontakt und der Drainkontakt über eine externe Kapazität (C1, C2) miteinander verbunden sind, so daß die Spannung am Gate (G) der Spannung am Drain (D) folgt.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Gate-Drain-Kontakt eine intrinsische Kapazität aufweist, so daß die Spannung am Gate (G) der Spannung am Drain (D) folgt.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drain (D) einen Drainkontakt aufweist, wobei der Drainkontakt unmittelbar mit der Antennenstruktur (2) verbunden ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gate (G) einen Gatekontakt und der Drain (D) einen Drainkontakt aufweist, wobei der Gatekontakt zur Erhöhung der intrinsischen Kapazität des Gate-Drain-Kontakts derart über oder unter dem Drainkontakt angeordnet ist, daß er mit diesem räumlich überlappt.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kapazität größer als 1 fF ist.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Drain (D) des Feldeffekttransistors (FET1, FET2) mit einem Impedanzanpassungselement (TL1, TL2), vorzugsweise mit einer Wellenleitung, verbunden ist.
  12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Feldeffekttransistoren (FET1, FET2) aufweist.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekttransistoren (FET1, FET2) in Reihe geschaltet sind, wobei der Drain (D) eines ersten Transistors mit der Source (S) eines zweiten Transistors verbunden ist.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldeffekttransistoren (FET1, FET2) parallel geschaltet sind, wobei die Sources (S) der beiden Feldeffekttransistoren (FET1, FET2) miteinander verbunden sind.
  15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Sources (S) mit einer zusätzlichen Wechselstrommasse (ac gnd) verbunden sind.
  16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenstruktur (2) zwei Anschlüsse (10, 11) aufweist, die jeweils mit dem Gate (G) eines Feldeffekttransistors (FET1, FET2) verbunden sind, so daß die Feldeffekttransistoren (FET1, FET2) differentiell getrieben werden, wobei zusätzlich die Drains (D) der beiden Feldeffekttransistoren (FET1, FET2) miteinander verbunden sind.
  17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenstruktur (2) mehrere, vorzugsweise zwei, voneinander verschiedene Empfangsbänder aufweist.
  18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenstruktur (2) so eingerichtet ist, daß sie zwei Moden elektromagnetischer Strahlung, vorzugsweise mit gekreuzter Polarisation, empfängt.
  19. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenstruktur (2) mit einer Spannungsquelle (Vbias 1) verbunden ist, welche über die Antennenstruktur (2) die Vorspannung des Gates (G) des Feldeffekttransistors (FET1, FET2) bereitstellt.
  20. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Source (S) einen Source-Kontakt aufweist, der mit einer DC Spannungsquelle verbunden ist, welche über die Feldeffekttransistoren die Vorspannung des nachfolgenden rauscharmen Verstärkers (4) bereitstellt.
  21. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenstruktu (2)r eine Einrichtung (12, 13) zum Schutz des Feldeffekttransistors (FET1, FET2) vor Überspannungs- und Entladungsschäden, vorzugsweise eine Diode, aufweist, die mit der Antennenstruktur (2) verbunden ist.
  22. Vorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Schutz des Transistors (12, 13) mit einem Punkt (14) auf der Antennenstruktur verbunden ist, an dem die gegenüber einer Massenebene der Vorrichtung induzierte Wechselspannung null ist.
  23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenstruktur (2) eine gefaltete Dipolantenne (7) aufweist.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipolantenne (7') einen dritten Zweig aufweist, welcher zur Impedanzanpassung der Antenne (7') an den Transistor (FET1', FET2') dient.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 23 oder 24, dadurch gekennzeichnet, daß mit dem Symmetriepunkt der Antenne ein Monopol verbunden ist, welcher den Empfang zweier Moden ermöglicht.
  26. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenstruktur (2) gegenüber dem Substrat abgeschirmt ist.
  27. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 26, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen Verstärkerschaltkreis (4) aufweist, der auf dem Substrat integriert ist.
  28. THz-Heterodynempfänger mit mindestens einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27.
  29. Bildgebendes System mit mindestens einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27.
  30. Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 27 zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich.
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