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基于晶向优化和Sn合金化技术的一种2.45 G弱能量微波无线输能用Ge基肖特基二极管

宋建军 张龙强 陈雷 周亮 孙雷 兰军峰 习楚浩 李家豪

宋建军, 张龙强, 陈雷, 周亮, 孙雷, 兰军峰, 习楚浩, 李家豪. 基于晶向优化和Sn合金化技术的一种2.45 G弱能量微波无线输能用Ge基肖特基二极管[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 108401. doi: 10.7498/aps.70.20201674
引用本文: 宋建军, 张龙强, 陈雷, 周亮, 孙雷, 兰军峰, 习楚浩, 李家豪. 基于晶向优化和Sn合金化技术的一种2.45 G弱能量微波无线输能用Ge基肖特基二极管[J]. 机械工程学报, 2021, 70(10): 108401. doi: 10.7498/aps.70.20201674
Song Jian-Jun, Zhang Long-Qiang, Chen Lei, Zhou Liang, Sun Lei, Lan Jun-Feng, Xi Chu-Hao, Li Jia-Hao. A Ge-based Schottky diode for 2.45 G weak energy microwave wireless energy transmission based on crystal orientation optimization and Sn alloying technology[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 108401. doi: 10.7498/aps.70.20201674
Citation: Song Jian-Jun, Zhang Long-Qiang, Chen Lei, Zhou Liang, Sun Lei, Lan Jun-Feng, Xi Chu-Hao, Li Jia-Hao. A Ge-based Schottky diode for 2.45 G weak energy microwave wireless energy transmission based on crystal orientation optimization and Sn alloying technology[J]. JOURNAL OF MECHANICAL ENGINEERING, 2021, 70(10): 108401. doi: 10.7498/aps.70.20201674

基于晶向优化和Sn合金化技术的一种2.45 G弱能量微波无线输能用Ge基肖特基二极管

doi: 10.7498/aps.70.20201674
详细信息
    通讯作者:

    E-mail: jianjun_79_81@xidian.edu.cn

  • 中图分类号: 84.40.Dc, 84.60.Bk, 85.30.Tv

A Ge-based Schottky diode for 2.45 G weak energy microwave wireless energy transmission based on crystal orientation optimization and Sn alloying technology

More Information
  • 摘要: 肖特基二极管是2.45 G弱能量密度无线能量收集系统的核心器件, 其性能决定了系统整流效率的上限. 从材料设计角度出发, 利用晶向优化技术和Sn合金化技术, 提出并设计了一种大有效质量、大亲和能和高电子迁移率的Ge基复合半导体. 在此基础上, 进一步利用器件仿真工具, 设定合理的器件材料物理参数与几何结构参数, 实现了一种2.45 G弱能量微波无线输能用Ge基肖特基二极管. 基于该器件SPICE模型的ADS整流电路仿真表明: 与传统Ge肖特基二极管相比, 该新型Ge基肖特基二极管在输入能量为–10— –20 dBm的弱能量工作区域, 能量转换效率提升约10%. 本文技术方案及相关结论, 可为解决2.45 G弱能量密度无线能量收集系统整流效率低的问题提供有益的参考.

     

  • 图  (a) 微波无线能量传输系统; (b) 典型肖特基二极管示意图

    Figure  1.  (a) Microwave wireless energy transmission system; (b) schematic diagram of a typical Schottky diode.

    图  (001), (101), (111)剖面任意晶向电子电导率有效质量(极坐标系下)[14]

    Figure  2.  (001), (101), (111) cross-section arbitrary crystal orientation electron conductivity effective mass (in polar coordinate system)[14].

    图  Sn合金化致Ge带隙类型转变示意图[19]

    Figure  3.  Schematic diagram of Ge band gap type transition caused by Sn alloying[19].

    图  (100), (110), (111)晶面Ge半导体功函数[18,19]

    Figure  4.  (100), (110), (111) crystal plane Ge semiconductor work function[18,19].

    图  (a) 新型SBD器件剖面示意图含层结构材料物理参数和几何结构参数; (b)传统SBD

    Figure  5.  (a) The cross-sectional schematic diagram of the new SBD device contains the physical parameters and geometric structure parameters of the layered structure material; (b) the traditional SBD.

    图  新型SBD器件Silvaco仿真结构和网格设置截图

    Figure  6.  A screenshot of the Silvaco simulation structure and grid settings of the new SBD device.

    图  不同厚度 $\left\langle {100} \right\rangle $ 晶向Ge帽层新型SBD器件正向伏安特性曲线

    Figure  7.  Forward V-J characteristic curve of new SBD device with different thickness $\left\langle {100} \right\rangle $ crystal orientation Ge cap layer.

    图  三种Ge基SBD器件伏安特性、电容特性仿真结果

    Figure  8.  volt-ampere characteristic Capacitance-voltage characteristic simulation results of three Ge-based SBD devices.

    图  新型Ge基SBD器件击穿特性仿真结果

    Figure  9.  Simulation results of the breakdown characteristics of the new Ge-based SBD device.

    图  10  新型Ge基SBD器件整流测试电路

    Figure  10.  New Ge-based SBD device rectification test circuit.

    图  11  整流电路的仿真结果, 输入能量与 (a)阻抗实部、(b)阻抗虚部、(c)整流效率以及(d)弱能量区域整流效率的关系

    Figure  11.  Simulation results of the rectifier circuit, the relationship between the input energy and (a) the real part of the impedance (b) the imaginary part of the impedance (c) the rectification efficiency (d) the rectification efficiency in the weak energy region.

    表  1  三种Ge基SBD器件SPICE参数表

    Table  1.   SPICE parameter table of three Ge-based SBD devices.

    参数 $ {B}_{v}/ $V $ {C}_{j0} $/fF $ {E}_{\rm{G}} $/eV $ {I}_{\rm{S}} $/A N $ {R}_{\rm{S}} $/ ${\Omega }$ M
    Ge 18.9 36 0.69 9.6235 × 10–11 0.999 2.9 0.5072
    GeSn 19 36.2 0.69 9.628 × 10–11 0.999 2.8 0.5073
    Ge_on_GeSn 11.4 30 0.69 1.0437 × 10–8 1.106 11.6 0.4037
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-10-10
  • 修回日期:  2021-02-03
  • 网络出版日期:  2021-05-27
  • 发布日期:  2021-05-27

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