KR102188703B1

KR102188703B1 - 그래핀 fet를 이용한 임피던스 가변 회로

Info

Publication number: KR102188703B1
Application number: KR1020160047924A
Authority: KR
Inventors: 유찬세
Original assignee: 한국전자기술연구원
Priority date: 2016-04-20
Filing date: 2016-04-20
Publication date: 2020-12-08
Also published as: KR20170119812A

Abstract

그래핀 FET를 이용한 임피던스 가변 회로가 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 임피던스 가변 회로는, 캐패시터들, 캐패시터들과 연결되며 그래핀으로 채널을 구현한 그래핀 FET를 포함한다. 이에 의해, 큰 범위의 임피던스 조절이 가능한 회로 구현이 가능해지고, 그래핀 FET의 유연성 특성을 이용하여 임피던스 가변 회로와 이를 적용한 고출력 전력 증폭기를 웨어러블 기기 등의 휘어지는 기기에 적용시킬 수 있다.

Description

그래핀 FET를 이용한 임피던스 가변 회로{The tunable impedance circuit using Graphene FET}

본 발명은 임피던스 가변 회로에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은 전압, 전류가 인가되는 고출력 전력 증폭기의 정합 회로 등에 적용 가능한 임피던스 가변 회로에 관한 것이다.

도 1에는 종래 기술에 의한 임피던스 가변 회로 구성 방법이 제시되어 있다. 일반적으로 임피던스 가변 회로에는 버랙터 다이오드(varactor diode)가 사용되고 있다.

버랙터 다이오드(1)는 인가되는 전압(2)에 따라 캐패시턴스가 변화하는 소자로서 가해지는 전압의 크기를 조절함으로써 캐패시턴스를 3-4배 정도로 변화시킬 수 있다. 이를 전력 증폭기의 임피던스 정합 회로 등에 적용하면 여러 대역의 임피던스를 만족하는 정합 회로를 구현할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 버랙터 다이오드(1)와 몇 개의 캐패시터들(3,4)을 연결하고 이 값들을 조합하면 원하는 캐패시턴스 값을 갖도록 조절하는 것도 가능하다.

이 방법은 널리 사용되고 있으며, 버랙터 다이오드(1)에 역전압을 걸고 인가된 전압의 값에 따라 캐패시턴스가 변화는 특성을 이용하여 임피던스를 변화시키는데, 버랙터 다이오드(1)의 경우 캐패시턴스 값 변형 범위가 수 배 정도로 제한되기 때문에 임피던스 가변 폭이 넓지 못한 단점이 있다.

뿐만 아니라, 버랙터 다이오드(1)는 주로 PCB 기판 등의 rigid 기판에 적용되기 때문에, rigid 기판 환경에 적용되는 경우는 문제가 없지만, 웨어러블 디바이스 등에서 요구되는 유연성(flexible) 기판에는 적용하기 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 임피던스 가변 폭을 넓히고 유연성 기판에 적용하기 위한 방안으로, 그래핀 FET를 이용한 임피던스 가변 회로를 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른, 임피던스 가변 회로는, 제1 캐패시터; 상기 제1 캐패시터와 연결되는 제2 캐패시터; 및 상기 제1 캐패시터 및 제2 캐패시터와 연결되며, 그래핀으로 채널을 구현한 그래핀 FET;를 포함한다.

그리고, 상기 그래핀 FET는, 드레인과 소스가 상기 제2 캐패시터와 병렬로 연결될 수 있다.

또한, 상기 그래핀 FET는, 상기 게이트에 입력 전압이 입력되고, 상기 가변 임피던스 회로의 전체 임피던스는 상기 입력 전압에 따라 결정될 수 있다.

그리고, 상기 그래핀 FET는, 상기 입력 전압이 특정 값인 경우, 드레인과 소스 사이에 최소 전류가 흐를 수 있다.

또한, 상기 그래핀 FET는, 상기 입력 전압이 특정 값 이하이면 HOLE 전도도에 의해 드레인과 소스 사이에 전류가 흐르고, 상기 입력 전압이 특정 값을 초과하면 전자 이동도에 의해 드레인과 소스 사이에 전류가 흐를 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시예에 따른, 다중대역 전력 증폭기은, 적어도 하나의 임피던스 가변 회로를 포함하고, 상기 임피던스 가변 회로는, 제1 캐패시터;

상기 제1 캐패시터와 연결되는 제2 캐패시터; 및 상기 제1 캐패시터 및 제2 캐패시터와 연결되며, 그래핀으로 채널을 구성한 그래핀 FET;를 포함한다.

본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 그래핀 FET를 이용한 임피던스 가변회로 구현을 통해 큰 범위의 임피던스 조절이 가능한 회로 구현이 가능해진다.

또한, 본 발명의 다양한 실시예에 따르면, 그래핀 FET의 유연성 특성을 이용하여 임피던스 가변 회로와 이를 적용한 고출력 전력 증폭기를 웨어러블 기기 등의 휘어지는 기기에 적용시킬 수 있다.

도 1 및 도 2는 종래 기술에 의한 가변 임피던스 회로 구성,
도 3은 그래핀 FET 단자 구성,
도 4 및 도 5는 그래핀 FET의 단면 구조 및 형상,
도 6은 그래핀 FET의 등가 회로,
도 7은 그래핀 FET의 DC 거동,
도 8 및 도 9는 그래핀 FET의 바이어스 별 캐패시턴스 값 분포,
도 10은 그래핀 FET를 이용한 가변 임피던스 회로 구성 예,
도 11은 다중대역 전력 증폭 회로 구성 예이다.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시예에서는 버랙터 다이오드(varactor diode) 대신 그래핀 FET(Graphene Field Effect Transistor)를 이용하여 임피던스 가변 회로를 구현한다.

도 3은 그래핀 FET 단자 구성을 나타낸 회로도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 그래핀 FET(100)는 게이트(Gate)(110), 드레인(Drain)(120) 및 소스(Source)(130)의 세 단자로 구성된다.

게이트(110)에 인가되는 전압에 따라 드레인(120)과 소스(130) 사이에 흐르는 전류의 크기가 변하게 되고, 이에 따라 그래핀 FET(100)가 나타내는 임피던스가 변하게 된다.

도 4 및 도 5는 그래핀 FET(100)의 구조와 형상을 나타낸 도면들이다. 구체적으로, 도 4는 그래핀 FET(100)의 단면도이고, 도 5는 그래핀 FET(100)의 평면도이다.

그래핀은 차세대 반도체 소자로 전 세계적으로 주목을 받고 있는 소재로서, 그래핀 FET(140)의 채널에 적용/구현되어 높은 스위칭 속도, 높은 동작 주파수 등을 나타낼 수 있다.

그래핀 FET(100)는 그래핀 층(140)을 채널로 하고, 게이트(110), 드레인(120) 및 소스(130)의 금속 패턴을 형성하여 제작되게 된다.

그래핀 층(140)은 휘어지는 특성이 있기 때문에 이 소재를 이용하여 FET를 제작할 경우 유연성 기판(Flexible Substrate)에 적용될 수 있는 장점을 가지고 있다. 이러한 유연성은 기존 반도체 소자에서는 볼 수 없었던 특성이다.

게이트(110)와 그래핀(140)의 사이와 드레인(120)과 소스(130)의 상부는 Al₂O₃로 절연층이 형성된다.

도 6에는 그래핀을 소재를 이용한 FET인 그래핀 FET(100)의 등가 회로가 제시되어 있다.

그래핀 FET(100)는 기존의 반도체 소자와 달리 전압에 따라 ON/OFF가 되지 않고 항상 전류가 흐르는 특성을 갖고 있다. 그렇기 때문에, 그래핀 FET(100)의 등가 회로는 N형 반도체인 N-MOS(100-1)와 P형 반도체인 P-MOS(100-2)의 조합으로 구성된다.

이렇게 구성된 그래핀 FET(100)의 DC(Direct Current) 거동이 도 7에 나타나 있다.

앞서 언급한 바와 같이, 그래핀 FET(100)는 ON 되는 THRESHOLD 전압이 존재하지 않는다. 다만, 전류가 최소가 되는 점(b)이 존재할 뿐이며, 그 보다 낮은 전압에서는 HOLE 전도도(a)에 의해, 그 보다 높은 전압에서는 전자 이동도(c)에 의해 전류가 흐르게 된다.

도 8과 도 9에는 게이트(110)의 LENGTH(Lg)가 3 um이고, 게이트(110)의 WIDTH(Wg)가 6 um인 그래핀 FET(100)에 대해 게이트(110)의 전압과 드레인(120)의 전압 변화에 따른 캐패시턴스 분포가 제시되어 있다.

도 8과 도 9를 통해, 최소 0.03 pF에서 11.74 pF에 이르는 30배 이상의 캐패시턴스 변화폭을 갖고 있음을 알 수 있다. 이는 게이트(110)의 전압과 드레인(120)의 전압을 변화시켜 임피던스 폭이 넓은 가변 회로를 구성할 수 있음을 의미하는 것이다.

그래핀 FET(100)를 이용한 가변 임피던스 회로 구성의 예를 도 10에 제시하였다. 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 그래핀 FET(100)를 이용한 가변 임피던스 회로를 도시한 도면이다.

도 10에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 가변 임피던스 회로는, 그래핀 FET(100)를 이용하며, 캐패시터들(210, 220)을 포함하고 있다. 캐패시터들(210, 220)을 통해 원하는 임피던스 가변 특성을 확보할 수 있다.

캐패시터-1(210)은 그래핀 FET(100)의 드레인(120)에 직렬로 연결되어 있고, 캐패시터-2(220)는 그래핀 FET(100)의 드레인(120)에 병렬로 연결되어 있다. 보다 구체적으로, 캐패시터-2(220)는 그래핀 FET(100)의 드레인(120)과 소스(130)에 병렬로 연결된다.

한편, 도 10에 제시된 캐패시터들(210, 220)의 조합은 예시적인 것에 불과하다. 도 10에 제시된 바와 다른 방식으로 캐패시터들을 조합/구성하여 가변 임피던스 회로를 구현하는 경우에도 본 발명의 기술적 사상이 그대로 적용될 수 있음은 물론이다.

그래핀 FET(100)의 게이트(110)에 입력 전압이 입력되면, 가변 임피던스 회로의 전체 임피던스는 입력 전압에 따라 결정된다. 전술한 바와 같이 그래핀 FET(100)는 ON 되는 THRESHOLD 전압이 존재하지 않는다.

전류가 최소가 되는 점(b)이 존재할 뿐이며, 그 보다 낮는 전압에서는 HOLE 전도도(a)에 의해, 그 보다 높은 전압에서는 전자 이동도(b)에 의해 전류가 흐르게 되며, 구체적인 출력 전류 분포는 도 7에 도시된 바와 같다.

지금까지, 그래핀 FET를 이용한 가변 임피던스 회로에 대해 상세히 설명하엿다.

도 11에 도시된 바와 같이, 그래핀 FET를 이용한 가변 임피던스 회로들을 연결하고, 캐피시터들(210, 220, 230, 240)을 다양한 값으로 구현하면 더 많은 종류의 임피던스들을 가지는 임피던스 가변 회로를 설계할 수 있으며, 이와 같은 임피던스 가변 회로를 다중대역 전력 증폭기에 적용할 수도 있다.

그러면, 이와 같은 다중대역 전력 증폭기를 이용함으로써, 다양한 주파수를 지원하면서 높은 전압에서도 무리 없이 작동하는 무선 통신 송신기의 다중대역 고출력 전력 증폭기를 제조할 수도 있게 된다.

또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

100 : 그래핀 FET
110 : 게이트
120 : 드레인
130 : 소스
140 : 그래핀 층
210, 220 ,230, 240 : 캐패시터

Claims

제1 캐패시터;
상기 제1 캐패시터와 연결되는 제2 캐패시터; 및
상기 제1 캐패시터 및 제2 캐패시터와 연결되며, 그래핀으로 채널을 구현한 그래핀 FET;를 포함하고,
상기 그래핀 FET는,
드레인과 소스가 상기 제2 캐패시터와 병렬로 연결되어 있으며,
상기 드레인이 상기 제1 캐패시터에 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 임피던스 가변 회로.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 그래핀 FET는,
게이트에 입력 전압이 입력되고,
상기 임피던스 가변 회로의 전체 임피던스는 상기 입력 전압에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 임피던스 가변 회로.
청구항 3에 있어서,
상기 그래핀 FET는,
상기 입력 전압이 특정 값인 경우, 드레인과 소스 사이에 최소 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 임피던스 가변 회로.
청구항 4에 있어서,
상기 그래핀 FET는,
상기 입력 전압이 특정 값 이하이면 HOLE 전도도에 의해 드레인과 소스 사이에 전류가 흐르고,
상기 입력 전압이 특정 값을 초과하면 전자 이동도에 의해 드레인과 소스 사이에 전류가 흐르는 것을 특징으로 하는 임피던스 가변 회로.
적어도 하나의 임피던스 가변 회로를 포함하고,
상기 임피던스 가변 회로는,
제1 캐패시터;
상기 제1 캐패시터와 연결되는 제2 캐패시터; 및
상기 제1 캐패시터 및 제2 캐패시터와 연결되며, 그래핀으로 채널을 구성한 그래핀 FET;를 포함하고,
상기 그래핀 FET는,
드레인과 소스가 상기 제2 캐패시터와 병렬로 연결되어 있으며,
상기 드레인이 상기 제1 캐패시터에 직렬로 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 다중대역 전력 증폭기.
삭제
청구항 6에 있어서,
상기 그래핀 FET는,
게이트에 입력 전압이 입력되고,
상기 임피던스 가변 회로의 전체 임피던스는 상기 입력 전압에 따라 결정되는 것을 특징으로 하는 다중대역 전력 증폭기.