DE102011076840B4

DE102011076840B4 - Monolithisch integrierter Antennen- und Empfängerschaltkreis und THz-Heterodynempfänger und bildgebendes System, diesen aufweisend, und Verwendung dieser zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich

Info

Publication number: DE102011076840B4
Application number: DE102011076840A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Boppel; Alvydas Lisauskas; Hartmut Roskos; Viktor Krozer
Original assignee: Goethe Universitaet Frankfurt am Main
Current assignee: Johann Wolfgang Goethe-Universitaet Frankfurt De
Priority date: 2011-05-31
Filing date: 2011-05-31
Publication date: 2013-08-01
Anticipated expiration: 2031-06-01
Also published as: DE102011076840A1; WO2012164040A1; JP2014517621A; US9508764B2; US20140091376A1; JP5930494B2; EP2715803A1

Abstract

Vorrichtung zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich mit mindestens einem Transistor (FET1, FET2), der eine erste Elektrode (D), eine zweite Elektrode (S), eine Steuerelektrode (G) und einen Kanal zwischen der ersten Elektrode (D) und der zweiten Elektrode (S) aufweist, und
mit einer Antennenstruktur (2),
dadurch gekennzeichnet, dass
die erste Elektrode (D) oder die zweite Elektrode (S) des Transistors (FET1, FET2) elektrisch leitend mit der Antennenstruktur (1) verbunden ist, so dass ein von der Antennenstruktur (1) empfangenes elektromagnetisches Signal im THz-Frequenzbereich in den Kanal zwischen der ersten Elektrode (D) und der zweiten Elektrode (S) des Transistors (FET1, FET2) einspeisbar ist und
die Steuerelektrode (G) über eine externe Kapazität (C1, C2) mit der ersten Elektrode (D) oder der zweiten Elektrode (S) verbunden ist und/oder die Steuerelektrode (G) und die erste Elektrode (D) oder die Steuerelektrode (G) und die zweite Elektrode (S) eine intrinsische Kapazität aufweisen, so dass zwischen der Steuerelektrode (G) und der ersten Elektrode (D) oder der zweiten Elektrode (S) keine Wechselspannung abfällt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich mit mindestens einem Transistor, der eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, eine Steuerelektrode sowie einen Kanal zwischen der ersten und der zweiten Elektrode aufweist und mit einer Antennenstruktur.
Der Terahertz-Frequenzbereich oder Submilimeterwellenlängenbereich, der grob von 100 GHz bis 30 THz definiert ist, ist einer 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 im 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 essenzielle 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-Bereich arbeiten, basieren auf GaAs- oder InP-Halbleitertechnologie. Zuletzt wurde gezeigt, dass auch SiGe- und CMOS-Halbleitertechnologien zur Vorrichtungen führen, die bis hin zu einem THz und darüber arbeiten.
Die Terahertzstrahlung wird zurzeit mit Heterodynmischern, z. B. Schottky-Mischern, photokonduktiven Detektoren oder Leistungsdetektoren, wie zum Beispiel photovoltaischen Detektoren, Bolometern oder Golay-Zellen, erfasst.
Alle zuvor beschriebenen Techniken weisen jedoch eine erhebliche Komplexität der Quellen- und Detektorbauelemente selbst sowie bei deren Herstellung auf, sodass diese zwar im Bereich der Forschung und Entwicklung sowie in forschungsnahen Anwendungsgebieten, wie der Radioastronomie, Verwendung finden, jedoch noch nicht für Massenmärkte geeignet sind.
Das Patent US 4647848 A offenbart einen Feldeffekttransistorschaltkreis, der verwendet wird, um das Leistungsniveau eines Radiofrequenzsignals zu erfassen. Der beschriebene Empfängerschaltkreis ist aus diskreten Elementen aufgebaut, sodass 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 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, sodass 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.
In der DE 10 2007 062 562 B4 wird beschrieben, wie ein von einer Antennenstruktur empfangenes elektromagnetisches Signal im THz-Frequenzbereich über den Gate-Source-Kontakt in einen Feldeffekttransistor eingespeist wird. Um bei einer solchen Einspeisung des THz-Signals eine effiziente Detektion bereit stellen zu können, ist weiterhin eine (externe oder intrinsische) kapazitive Kopplung zwischen Gate und Drain vorgesehen.
Gegenüber diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich mit einer erhöhten Flexibilität im Schaltungsdesign und einer verbesserten Robustheit bereitzustellen.
Dazu wird erfindungsgemäß eine Vorrichtung vorgeschlagen zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich mit mindestens einem Transistor, der eine erste Elektrode, eine zweite Elektrode, eine Steuerelektrode und einen Kanal zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode aufweist und mit einer Antennenstruktur, wobei die erste Elektrode oder die zweite Elektrode des Transistors elektrisch leitend mit der Antennenstruktur verbunden ist, so dass ein von der Antennenstruktur empfangenes elektromagnetisches Signal im THz-Frequenzbereich in den Kanal zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode des Transistors einspeisbar ist und die Steuerelektrode über eine externe Kapazität mit der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode verbunden ist und/oder die Steuerelektrode und die erste Elektrode oder die Steuerelektrode und die zweite Elektrode eine intrinsische Kapazität aufweisen, so dass zwischen der Steuerelektrode und der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode keine Wechselspannung abfällt.
Unter einem Transistor wird im Sinne der vorliegenden Anmeldung ein Bauelement mit mindestens drei Elektroden verstanden, wobei der Begriff Elektrode hierin gleichbedeutend mit Kontakt verwendet wird. Dabei ist eine der drei Elektroden eine Steuerelektrode, wobei ein an die Steuerelektrode angelegtes Strom- oder Spannungssignal einen Stromfluss zwischen den beiden weiteren Elektroden schaltet. Zur sprachlichen Vereinfachung werden in der vorliegenden Anmeldung die neben der Steuerelektrode mindestens zwei weiteren Elektroden als erste und zweite Elektrode bezeichnet. Dabei sind insbesondere auch Ausführungsformen denkbar, in denen der Transistor mehr als drei Elektroden, insbesondere eine Mehrzahl von Steuerelektroden, beispielsweise als Multigatetransistor, aufweist.
Als Transistor für eine Realisierung von Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eignet sich insbesondere ein Bipolartransistor, ein Feldeffekttransistor oder aber auch eine neuartige Transistorform, wie ein Transistor auf organischer Basis oder auf Basis von Kohlenstoffnanoröhrchen.
Die erfindungsgemäße Anordnung kann in einer ersten Ausführungsform mit einem Bipolartransistor, der einen Emitter als erste Elektrode, einen Kollektor als zweite Elektrode, eine Basis als Steuerelektrode, einen Basis-Kollektor-Kontakt, eine Kollektor-Emitter-Strecke als Kanal zwischen erster Elektrode und zweiter Elektrode und einen Basis-Emitter-Kontakt aufweist, realisiert sein. In diesem Fall sind wahlweise die Emitterelektrode oder die Kollektorelektrode mit der Antennenstruktur verbunden, so dass eine Einkopplung des empfangenen elektromagnetischen Signals im THz-Frequenzbereich in die Kollektor-Emitter-Strecke erfolgt.
In einer alternativen Ausführungsform ist der Transistor ein Feldeffekttransistor (FET), der einen Drain als erste Elektrode, eine Source als zweite Elektrode, ein Gate als Steuerelektrode, einen Gate-Source-Kontakt, einen Source-Drain-Kanal als Kanal zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode und einen Gate-Drain-Kontakt aufweist. In diesem Fall sind alternativ der Drain oder die Source mit der Antennenstruktur verbunden, so dass eine Einkopplung des empfangenen elektromagnetischen Signals im THz-Frequenzbereich in den Source-Drain-Kanal erfolgt.
Gegenüber einer bekannten Einkopplung des THz-Signals in den Transistor über den Kontakt zwischen der Steuerelektrode und einer der ersten oder der zweiten Elektrode weist die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil auf, dass sie es ermöglicht, die Verluste des THz-Signals zwischen Antenne und Transistor zu minimieren, da eine Einkopplung des THz-Signals über den Kanal zwischen der ersten und der zweiten Elektrode den kürzesten möglichen Abstand zwischen Antenne und Transistor realisiert.
Darüber hinaus ermöglicht es die erfindungsgemäße Anordnung, die Antenne als Tiefpassfilter zu benutzen, sodass keine zusätzlichen Übertragungsleitungen bzw. transmission lines oder andere Elemente notwendig sind.
Die erfindungsgemäße elektrisch leitende Verbindung der Antennenstruktur mit der ersten oder zweiten Elektrode hat darüber hinaus während der Herstellung der entsprechenden Halbleiterelemente den Vorteil, dass keine zusätzlichen Elemente, wie zum Beispiel Schutzdioden, vorgesehen werden müssen, um einen Ladungsaufbau während des Produktionsprozesses zu vermeiden. Solche Schutzdioden begrenzen die maximale Modulations- bzw. Betriebsfrequenz der Bauelemente.
Durch die Ankopplung der Antenne an die erste oder zweite Elektrode der Vorrichtung kann in einer Ausführungsform auf Übertragungsleitungen bzw. transmission lines zwischen der Antenne und dem Transistor verzichtet werden, sodass geringere Übertragungsverluste zwischen Antenne und Transistor auftreten. Zudem wird die Auskopplung aus der Antenne verlustärmer. Darüber hinaus bewirkt der Verzicht auf Übertragungsleitungen zwischen Antenne und Transistor auch, dass weniger Diskontinuitäten zwischen Antenne und Transistor auftreten, wodurch unerwünschte Abstrahlung und Reflexionen und somit Verluste weiter minimiert werden.
Zudem können die elektrischen Leitungen zwischen der Antenne und dem Transistor als Spule wirkend ausgestaltet werden und zur Impedanzanpassung der Anordnung aus Antenne und Transistor verwendet werden.
Im Sinne der vorliegenden Anwendung wird unter dem THz-Frequenzbereich ein Frequenzbereich von 100 GHz bis 30 THz verstanden.
Für die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich ist der Transistor als Hochfrequenzbauelement zu betrachten, d. h. es müssen hochfrequente elektromagnetische Signale in den Feldeffekttransistor eingespeist und gegebenenfalls aus diesem ausgelesen werden.
In einer Ausführungsform erfolgt die Einkopplung des Hochfrequenzsignals über eine Zweidrahtleitung an zwei Elektroden des Transistors, mit denen die Zweidrahtleitung verbunden werden kann.
Entsprechend erfolgt die Einkopplung der Signale im Wellenbild erfindungsgemäß nicht in eine einzige Elektrode des Transistors, sondern über einen Anschluss aus zwei Elektroden. Daher wird von einer Einspeisung in den Kanal zwischen der ersten und der zweiten Elektrode gesprochen, beispielsweise den Source-Drain-Kanal (Feldeffekttransistor) oder die Kollektor-Emitter-Strecke (Bipolartransistor).
Die Integration bzw. Anordnung des Transistors und der Antennenstruktur zusammen auf einem einzigen Substrat ermöglicht in einer Ausführungsform eine hohe Integrationsdichte bei der Kombination mehrer erfindungsgemäßer Vorrichtungen zu einem zeilenförmigen oder zweidimensionalen Detektor. Die Integration von Transistor und Antennenstruktur auf einem einzigen Substrat ermöglicht es darüber hinaus aufgrund der kurzen nicht vorhandenen Abstände zwischen der Antennenstruktur und dem Transistor Transportverluste, die sonst zwangsläufig bei der Übertragung des von der Antennenstruktur empfangenen THz-Signals an den Transistor auftreten, zu vermeiden.
Die Integration von Antennenstruktur und Transistor auf einem einzigen Substrat erfordert jedoch eine neue Konzeption der gesamten Vorrichtung unter Berücksichtigung der durch die räumliche Nähe von Antennenstruktur und Transistor auftretenden Wechselwirkungen zwischen den beiden Elementen, so wie sie nachfolgend genauer beschrieben wird.
In einer Ausführungsform sind der Transistor 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 der ersten oder der zweiten Elektrode verbunden ist. Auf diese Weise wird eine direkte Einkopplung der THz-Strahlung in den Transistor ohne große Transportverluste ermöglicht. Darüber hinaus besteht in bestimmten Ausführungsformen ein geringeres Risiko eines Durchbruchs der Gateisolierschicht, wenn der Transistor ein Feldeffekttransistor ist.
In einer Ausführungsform ist der Transistor ein Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MISFET), insbesondere ein Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffekttransistor (MOSFET).
In einer Ausführungsform der Erfindung ist der Transistor ein sogenannter Plasma-Feldeffekttransistor. Die US-Patentanmeldung 2006/0081889 A1 sowie der Fachartikel von M. Dyakonov und M. Shur „Shallow Water Analogy for a Ballistic Field Effect Transistor: New Mechanism of Plasma Wave Generation by dc Current“, Applied Physics Letters, Band 71, Nr. 15, Seite 2465–2468, Oktober 1993, sowie M. Dyakonov und M. Shur, „Plasma Wave Electronics: Novel Devices using Two Dimensional Electron Fluid”, IEEE Transactions on Electron Devices, Band 43, Nr. 10, Oktober 1996 offenbaren Metall-Oxyd-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), welche mit Hilfe von preiswerten Halbleiterstrukturierungsverfahren, wie zum Beispiel CMOS- oder bipolaren SiGe-Technologien, hergestellt werden können, um Empfängerschaltkreise zum Betrieb bei THz-Frequenzen zu realisieren.
Wird eine elektromagnetische Welle in den Kanal eines FET eingekoppelt, 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. Ist das Mischen in dem Feldeffekttransistor auf die sogenannten Dyakonov-Shur-Effekte zurückzuführen, so ist dabei die Resonanzfrequenz proportional zur Wurzel aus der Oberflächenladungsträgerdichte und invers proportional zu der Gatelänge. Mit den durch moderne Halbleiterprozesstechnologien erreichbaren Trägerdichten und Gatelängen ist es möglich, dass die Plasmafrequenz der Plasma-Feldeffekttransistoren den THz-Frequenzbereich erreicht. Allerdings kann das Mischen in einem Feldeffekttransistor auch durch andere physikalische Effekte, wie z.B. lokale Plasmonen, Hot-Electron-Gas (non-homogenous carrier heating) und weitere Nichtlinearitäten verursacht werden.
Die genannten Effekte weisen alle den Vorteil auf, dass sie auch oberhalb der durch die Ladungsträgertransitzeit der Transistoren bestimmten Grenzfrequenz auftreten, so dass ein Mischen effektiv auch oberhalb der Grenzfrequenz der Bauelemente erfolgen kann.
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.
Ein Plasma-Feldeffekttransistor kann in einer Ausführungsform dadurch realisiert werden, dass der Gate-Source-Kontakt einen Hochfrequenzkurzschluß für die sich im Kanal ausbreitende Plasmawelle aufweist.
Darüber hinaus erfüllt ein Feldeffekttransistor in einer Ausführungsform zusätzlich als zweite Randbedingung, dass sie einen für die Plasmawelle offenen Drain aufweist. Diese Randbedingung für die Plasmawelle im Transistor wird in einer Ausführungsform durch eine hohe Impedanz bei der THz-Zielfrequenz am Source-Drain-Kanal realisiert. Alternativ oder zusätzlich kann diese Abschlussimpedanz des Source-Drain-Kanals intrinsisch, d.h. im Transistor, beispielsweise durch einen Halbleiter-Metall-Übergang bereitgestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform ist zwischen der Steuerelektrode und der ersten Elektrode oder zwischen der Steuerelektrode und der zweiten Elektrode eine Kapazität vorgesehen, sodass die Spannung am Gate der Spannung am Drain oder der Spannung an der Source folgt, wobei die Steuerelektrode und die erste Elektrode oder die Steuerelektrode und die zweite Elektrode das gleiche Wechselstrompotential besitzen und keine Wechselspannung zwischen Steuerelektrode und erster oder zweiter Elektrode abfällt.
Dabei kann die Kapazität zwischen der Steuerelektrode und der ersten Elektrode bzw. zwischen der Steuerelektrode und der zweiten Elektrode eine externe Kapazität, z.B. ein Kondensator, sein, der mit der Steuerelektrode und der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode verbunden ist. Alternativ oder zusätzlich können die Steuerelektrode und die erste Elektrode oder die Steuerelektrode und die zweite Elektrode eine intrinsische Kapazität aufweisen.
Intrinsische Kapazitäten zwischen der Steuerelektrode und der ersten oder zweiten Elektrode lassen sich durch zwei voneinander zu unterscheidende physikalische Effekte realisieren: Eine Kapazität wird zwischen den Elektroden bzw. Kontakten selbst ausgebildet oder in dem Kanal zwischen den Elektroden durch Wellendämpfung.
In einer Ausführungsform ist die Kapazität zwischen Steuerelektrode und erster Elektrode bzw. zwischen Steuerelektrode und zweiter Elektrode, d. h. entweder die externe oder die intrinsische Kapazität oder eine Kombination davon, größer als 0,1 fF.
Die intrinsische Kapazität zwischen Steuerelektrode und erster Elektrode bzw. zwischen Steuerelektrode und zweiter Elektrode wird in einer Ausführungsform dadurch erhöht, dass die Steuerelektrode und die erste Elektrode bzw. die Steuerelektrode und die zweite Elektrode derart überoder untereinander angeordnet sind, dass sie einander räumlich überlappen. Durch die Isolation zwischen den Elektrode wird auf diese Weise ein Plattenkondensator bereit gestellt, dessen Kapazität von dem räumlichen Überlapp der Elektrode abhängt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die erste Elektrode bzw. die zweite Elektrode des Transistors elektrisch leitend mit einem Impedanzanpassungselement, vorzugsweise einer Wellenleitung, verbunden, wobei dieses Impedanzanpassungselement zwischen Antennenstruktur und Transistor angeordnet ist. Ein solches Impedanzanpassungselement ermöglicht es, die Impedanz der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode einzustellen und somit für eine bessere Signaleinspeisung zu sorgen.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Vorrichtung zwei Transistoren, vorzugsweise zwei Feldeffekttransistoren, auf.
Diese sind zweckmäßigerweise parallel angeordnet, wobei die ersten oder zweiten Elektroden der beiden Transistoren elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Zusätzlich können die erste oder zweite Elektrode mit einer Wechselstrommasse verbunden sein, um die Einkopplung der elektromagnetischen Welle im THz-Frequenzbereich in den Kanal zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode zu verbessern bzw. die Kurzschlussrandbedingung für die Plasmawelle in einem als Plasma-Feldeffekttransistor betriebenen Transistor zu erfüllen. Die mit den ersten oder zweiten Elektroden verbundene Wechselstrommasse kann darüber hinaus als Vorspannung für eine nachfolgende Verstärkerstufe dienen.
In einer Ausführungsform weist die Antennenstruktur zwei Anschlüsse auf, die jeweils mit der ersten Elektrode oder der zweiten Elektrode einer der beiden Transistoren verbunden sind, sodass die Transistoren von der mit der Antennenstruktur empfangenen elektromagnetischen Welle differenziell getrieben werden. Für diesen differenziellen Betrieb sind in einer Ausführungsform die ersten und zweiten Elektroden ebenso wie die Steuerelektroden der beiden Ttransistoren miteinander verbunden.
In alternativen Ausführungsformen ist die Antennenstruktur eine Monopolantenne.
Zweckmäßig ist darüber hinaus eine Ausführungsform der Transistor durch eine Massenebeneabgeschirmt.
In einer Ausführungsform der Erfindung ist die Antennenstruktur eine gefaltete Dipolantenne. Diese weist sowohl einen Punkt auf, an dem die gegenüber einer Massenebene induzierte Wechselspannung null ist, ermöglicht aber auch den Empfang zweier senkrechter resonanter Moden bei der gleichen Frequenz.
Mögliche alternative Antennenstrukturen, welche für die erfindungsgemäße Vorrichtung geeignet sind, sind Patchantennen, Ringantennen, Schlitzantennen oder Kerbantennen. Die Massenebene ist, falls vorhanden, zweckmäßigerweise im Abstand von der Antennenstruktur, beispielsweise elektrisch isolierend 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 Transistor zu integrieren.
Das zu erfassende Signal lässt sich in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer geeigneten Messeinrichtung mit hoher Impedanz als Spannung auslesen. Alternativ dazu kann das zu erfassende Signal in einer Ausführungsform mit einer Messeinrichtung mit niedriger Impedanz als Strom ausgelesen werden.
Darüber hinaus sind in einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung weitere Schaltkreise, die dem Betrieb der Vorrichtung dienen, auf dem Substrat integriert. Dies können zum Beispiel ein Vorspannungsschaltkreis, ein Detektorschaltkreis, welcher vorzugsweise dem Verstärkerschaltkreis nachgeschaltet ist, ein Mischerschaltkreis oder eine Hochfrequenzquelle als Lokaloszillator sein.
Verschiedene Ausführungsformen der zuvor beschriebenen Vorrichtung zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich eignen sich insbesondere zur Realisierung eines THz-Heterodynempfängers, welcher das zu empfangende elektromagnetische Signal mit einem Lokaloszillator mischt. Ein solcher THz-Heterodynempfänger 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 vorliegenden Beschreibung einer Ausführungsform und der dazugehörigen Figur deutlich.
1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich
2 zeigt eine schematische Schnittansicht durch einen MOSFET so wie er in Ausführungsformen der Erfindung Verwendung findet.
3 zeigt eine Variante der Ausführungsform aus 1.
4 zeigt schematisch eine Ausführungsform wie aus 1.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit gegenüber der Vorrichtung aus 1 und 4 vertauschter Source und Drain.
6 zeigt schematisch eine Ausführungsform wie aus 5.
7 zeigt schematisch die Beschaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Spannungsauslesung.
8 zeigt schematisch die Beschaltung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Stromauslesung.
9 zeigt eine alternative Ausführungsform der Schaltung aus 7.
10 zeigt eine alternative Ausführungsform der Schaltung aus 8.
11 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform mit einem einzigen Transistor.
Die Vorrichtung aus 1 weist zwei Feldeffekttransistoren FET1, FET2 auf. Jeder der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 verfügt über ein Gate G, einen Drain D und eine Source S. Eine Antennenstruktur 1, welche in 1 nur schematisch dargestellt ist, weist eine Patchantenne auf. Die beiden Fußpunkte 2, 3 der Patchantenne sind jeweils über Transmission Lines TL zur Impedanzanpassung mit den Drains D der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 verbunden.
Die Vorspannung der Gates G der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 folgt über eine Gleichspannungsquelle V_GS, welche mit den Gates G der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 verbunden ist.
In der dargestellten Ausführungsform sind alle Bauelemente der Vorrichtung, nämlich die Antennenstruktur 1, die Transmission Lines TL sowie die beiden Feldeffekttransistoren FET1, FET2 auf einem einzigen Chip integriert.
Zwischen der Antennenstruktur 1 und den Feldeffekttransistoren FET1, FET2 ist die Massenebene 4 der Patchantenne angeordnet. Diese dient auch als Schirmung der Antennenstruktur 1 gegenüber den Transistoren. Die Antennenstruktur 1 ist gegenüber der Massenebene 4 mit einer Schicht aus Siliziumoxyd isoliert. Die Verbindungen zwischen den Fußpunkten 2, 3 der Antennenstruktur 1 und den Drains D der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 sowie die Verbindungen der Gates G der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 und der Vorspannungsquelle V_GS sind durch Löcher in der Massenebene 4 geführt. Bei der in 1 dargestellten Ausführungsform des Detektorschaltkreises werden die beiden Feldeffekttransistoren FET1, FET2 in differenzieller Beschaltung verwendet, wobei die Sources S der beiden Transistoren FET1, FET2 miteinander verbunden sind und den ersten Ausgang der Schaltung auf die Massenebene 4 bilden. Die Drains sind über die entsprechenden Zuleitungen TL und die Antennenstruktur 1 mit dem zweiten Ausgang 5 der Schaltung verbunden. Das zu erfassende Signal kann von den Auswerteschaltkreisen zwischen der Massenebene 4 und dem Ausgang 5 des Schaltkreises abgegriffen werden. D.h. das zu erfassende Signal wird über die Antenne abgegriffen, wobei die Antenne aufgrund der Symmetrie der Anordnung die Funktion eines Tiefpassfilters übernimmt.
Die Gates G und die Sources S eines jeden Transistors FET1 bzw. FET2 sind über eine intrinsische Kapazität miteinander gekoppelt. Auf diese Weise folgt die Spannung, die an den Sources S anliegt, unmittelbar der Spannung, welche an den Gates G der Transistoren FET1, FET2 anliegt. In der dargestellten Ausführungsform haben die beiden intrinsischen Kapazitäten jeweils eine Kapazität von 150 fF. Diese Beschaltung ermöglicht es, die Feldeffekttransistoren FET1, FET2 als resistive Mischer zu betreiben.
Um die intrinsischen Kapazitäten des Gate-Source-Kontakts eines jeden Feldeffekttransistors FET1, FET2 einzustellen zu können, ist wie schematisch in 2 dargestellt, der Gatekontakt 6, welche mit Hilfe einer Oxydschicht 7 gegenüber dem Substrat 8 und dem Sourcekontakt 10 und dem Drainkontakt 9 isoliert. Durch Ausdehnen des Gatekontakts 6, sodass sich dieser über den Sourcekontakt 10 erstreckt, so wie dies in 2 durch die gestrichelte Linie sowie den Pfeil angedeutet ist, kann die intrinsische Kapazität des Gate-Source-Kontakts erhöht werden, was den Kopplungsgrad der Spannungen von Gate G und Source S deutlich erhöht.
4 zeigt eine schematische Darstellung eines Schaltkreise aus 1, wobei die Drains D der beiden Feldeffekttransistoren FET1, FET2 mit den Fußpunkten 2’, 3’ einer gefalteten Dipolantenne 1’ verbunden sind.
3 zeigt eine Variation der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus 1. Abweichend von der Ausführungsform aus 1 weist die Schaltkreisanordnung aus 3 zusätzliche Kapazitäten C1, C2 zwischen den Gates G und Sources S eines jeden Feldeffekttransistors FET1, FET2 auf. Diese externen Kapazitäten C1, C2 zusätzlich zu den intrinsischen Kapazitäten der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 ermöglichen es, die kapazitive Kopplung zwischen den Gates G und Sources S exakt einzustellen.
Alternativ zu den Ausführungsformen aus 1, 3 und 4 zeigen die 5 und 6 Ausgestaltungen, bei denen die Sources S und Drains D der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 vertauscht sind. D.h. die Antennen 4, 4’ bzw. deren Fußpunkte 2, 2’, 3, 3’ sind statt mit den Drains D mit den Sources S der Feldeffekttransistoren FET1, FET2 verbunden. Diese Vertauschung der Beschaltung wird dadurch bewirkt, dass der Ausgang des zu erfassenden Signals nun mit den Drains D der Transistoren FET1, FET2 verbunden ist, während die Antenne 4, 4’ mit Masse verbunden ist. Während 5 wieder die Realisierung mit einer Patch-Antenne 4 zeigt, ist in 6 eine Realisierung mit einer gefalteten Dipolantenne 4’ dargestellt.
Die zuvor dargestellten Ausführungsformen erfassen alle das Auslesesignal als Spannungspegel, so wie dies zusammenfassend in 7 dargestellt ist. Das Hochfrequenzsignal V_RF wird in den Drain D des Feldeffekttransistors FET eingekoppelt, wobei der Drain durch einen Hochpassfilter HPF von der Erde getrennt ist. Das zu erfassende Signal wird mit einem Messgerät hoher Impedanz als Spannung V_det ausgelesen.
Genauso gut lässt sich aber das zu erfassende Signal wie in 8 gezeigt mit einem Messgerät mit niedriger Impedanz als Strom I_det auslesen.
Die 9 und 10 zeigen Ausführungsformen zu den Schaltungen aus 7 und 8, bei denen die verstärkende Eigenschaft der Feldeffekttransistoren FET dazu genutzt wird, das zu erfassende Spannungssignal V_det bzw. das zu erfassende Stromsignal I_det zu verstärken. Zu diesem Zweck weist die Schaltung aus 9 eine zusätzliche Stromquelle I_D im Signalausgang auf bzw. die Schaltung aus 10 eine zusätzliche Spannungsquelle V_DS im Signalausgang.
11 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltung, bei welcher der Feldeffekttransistor FET in eine Bow-Tie-Antenne 4’’ eingebettet ist. Dabei ist ein Flügel 4a’’ der Antenne 4’’ mit dem Drain D des Transistors FET verbunden, während der andere Flügel 4b’’ der Antenne 4’’ mit der Source S verbunden ist. Das zu erfassende Signal wird als Spannung V_det über den Flügel 4b’’ der Antenne abgegriffen. Um ein Detektionssignal zu erzeugen muss die Symmetrie der Anordnung zwingend mit einer Kapazität, hier einem externen Kondensator C, zwischen Source S und Gate G gebrochen werden.
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.

Claims

Vorrichtung zur Erfassung von elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich mit mindestens einem Transistor (FET1, FET2), der eine erste Elektrode (D), eine zweite Elektrode (S), eine Steuerelektrode (G) und einen Kanal zwischen der ersten Elektrode (D) und der zweiten Elektrode (S) aufweist, und mit einer Antennenstruktur (2), dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (D) oder die zweite Elektrode (S) des Transistors (FET1, FET2) elektrisch leitend mit der Antennenstruktur (1) verbunden ist, so dass ein von der Antennenstruktur (1) empfangenes elektromagnetisches Signal im THz-Frequenzbereich in den Kanal zwischen der ersten Elektrode (D) und der zweiten Elektrode (S) des Transistors (FET1, FET2) einspeisbar ist und die Steuerelektrode (G) über eine externe Kapazität (C1, C2) mit der ersten Elektrode (D) oder der zweiten Elektrode (S) verbunden ist und/oder die Steuerelektrode (G) und die erste Elektrode (D) oder die Steuerelektrode (G) und die zweite Elektrode (S) eine intrinsische Kapazität aufweisen, so dass zwischen der Steuerelektrode (G) und der ersten Elektrode (D) oder der zweiten Elektrode (S) keine Wechselspannung abfällt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor ein Feldeffekttransistor (FET1, FET2) ist, der einen Drain (D) als erste Elektrode, eine Source (S) als zweite Elektrode, ein Gate (G) als Steuerelektrode und einen Source-Drain-Kanal als Kanal zwischen der ersten Elektrode (D) und der zweiten Elektrode (S) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenstruktur (1) einen Anschluss (2, 3) aufweist, der elektrisch leitend mit der ersten Elektrode (D) oder der zweiten Elektrode (S) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei Transistoren (FET1, FET2) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Transistoren (FET1, FET2) parallel geschaltet sind, wobei die ersten Elektroden (D) der beiden Transistoren (FET1, FET2) elektrisch leitend miteinander verbunden sind oder die zweiten Elektroden (S) der beiden Transistoren (FET1, FET2) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenstruktur (1) zwei Anschlüsse (2, 3) aufweist, die jeweils mit der ersten Elektrode (D) oder der zweiten Elektrode (S) eines der Transistoren (FET1, FET2) verbunden sind, so dass die Transistoren (FET1, FET2) differentiell treibbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Massenebene (4) aufweist, welche zwischen der Antennenstruktur (1) und dem Transistor (FET1, FET2) angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Transistor (FET1, FET2) und die Antennenstruktur (1) zusammen auf einem einzigen Substrat (8) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal zwischen der ersten Elektrode (D) und der zweiten Elektrode (S) eine hohe Impedanz im THz-Frequenzbereich aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerelektrode (G) zur Erhöhung der intrinsischen Kapazität zwischen der Steuerelektrode (G) und der ersten Elektrode (D) oder der zweiten Elektrode (S) derart über oder unter der ersten Elektrode (D) oder der zweiten Elektrode (S) angeordnet ist, dass sie mit dieser räumlich überlappt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Kapazität zwischen der Steuerelektrode und der ersten Elektrode (D) oder der zweiten Elektrode (S) größer als 0,1 fF ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (D) oder die zweite Elektrode (S) des Transistors (FET1, FET2) elektrisch leitend über ein Impedanzanpassungselement (TL1, TL2), vorzugsweise einer Wellenleitung, mit der Antennenstruktur (1) verbunden ist.
THz-Heterodynempfänger mit mindestens einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12.
Bildgebendes System mit mindestens einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14 zur Erfassung elektromagnetischer Strahlung im THz-Frequenzbereich.