基于碳纳米管的极低开启电压二极管及其射频电路

Diodes are very important for radio frequency circuits and have wide application. But a relative high turn-on voltage exists in conventional diodes so that a DC bias is needed for efficiency in radio frequency circuits which results in complexity of circuit design and extra static power dissipated. In this project, we propose to fabricate ultra-low turn-on voltage diodes based on carbon nanotube of advantage and explore its application in radio frequency circuit, especially microwave detection and energy harvester circuits. The research works should focus on three aspects as follows: (1) realize less than 0.1 V turn-on voltage diodes by small threshold voltage CNTFET (Carbon Nanotube Field Effect Transistor), (2) design and fabricate high performance full-wave rectifier without DC bias by this kind of diodes, (3) based on this high efficiency rectifier circuits, design and fabricate frequency detection circuits and improve resolution and sensitivity. Voltage sensitivity of detectors should be better than 10V/W and NEP (Noise Equivalent Power) is less than 50pW/(Hz^0.5). Explore this diode application in microwave energy harvester, improve the efficiency of power conversion and further reduce least convertible signal energy. Try to realize more than 40% conversion efficiency and less than -10dBm least conversion energy.

二极管在射频电路中有着及其重要和广泛的应用，传统的二极管普遍具有较高开启电压，在射频电路都需要施加直流偏置电压。这不仅增加电路设计难度，也增加静态功耗。本项目拟充分利用碳纳米管材料和器件的优势，制备具有极低开启电压的二极管，并探索其在射频电路、特别是电磁波探测电路和能量收集电路方面的应用。主要研究内容包括（1）利用极低阈值电压的碳纳米管场效应晶体管实现开启电压小于0.1 V的二极管，（2）基于这种二极管，设计和制备无需直流偏置的高性能全波整流电路，（3）利用这种二极管的高效整流电路，设计和制备频率探测电路，提高频率探测器的分辨率和灵敏度。电压响应度要大于10V/W，噪声等效功率要低于50pW/(Hz^0.5)。

二极管在射频电路中有着及其重要和广泛的应用，传统的二极管普遍具有较高开启电压，在射频电路都需要施加直流偏置电压。这不仅增加电路设计难度，也增加静态功耗。本项目拟充分利用碳纳米管材料和器件的优势，制备具有极低开启电压的二极管，并探索其在射频电路、特别是电磁波探测电路和能量收集电路方面的应用。我们采用了二极管连接的碳管晶体管实现二极管，在正向偏置的情况下，二极管的肖特基势垒除了受到偏压的影响，还会得到栅极电压的改善，所以相比较已有的工作结果，定然在性能上会有所改进。再加上高性能欧姆接触碳管器件制备的基础和碳管材料的电子学优势，这种设计的碳管二极管，可以更好的发挥出碳管作为电子学材料的优势。除此之外，这种设计充分利用了目前碳纳米管场效应晶体管的阈值电压易于调节的优势，实现零阈值，从而实现开启电压小于0.1 V的二极管。在传统二极管中，开启电压最低可以在0.2 V之上，肖特基结碳管二极管一般也都会在0.2 V以上。而且他们很难对开启电压进行调控和降低。因此，工作电压偏置或者器件工作损耗都会相对较高。利用成熟的碳管晶体管调控阈值的方法控制二极管开启电压，可以很好的解决以上这个问题。本项目主要的研究成果包括：（1）利用极低阈值电压的碳纳米管场效应晶体管实现开启电压为0.08 V的二极管，（2）基于这种二极管，设计和制备高性能全波整流电路，最小整流电压小于0.2V，（3）利用这种二极管的高效整流电路，设计和制备频率探测电路，提高频率探测器的分辨率和灵敏度。电压响应度要达到105V/W，噪声等效功率要低于1pW/(Hz^0.5)；（4）探索该二极管在电磁波能量收集模块中的应用，提高对于小信号电磁信号能量转化的效率和降低最小可转化信号能量，能量转换效率达到60%以上。