This thesis presents an analytical model for terahertz MOSFET that operates in the sub-threshold and triode region based on the resistive self-mixing theory. The model that contains the loading effect of measurement environment provides intuitive understanding for the response of the MOSFET detector that agrees well with measurements.The proposed model can be applied to both voltage and current readout mode operations. The test structure which consists of on-chip patch antenna, MOSFET, and matching circuit has been implemented in a 65 nm CMOS technology for model verification. The model and measured results show good agreement providing insights for the optimum MOSFET based detector design.
THz-파는 0.1-10 THz 대역의 주파수를 가진 전자기파로서 과학적 내용은 풍부하나, 아직도 미개척/
미활용 주파수 대역이다. 그러나 최근 다양한 분야에서의 가능성을 인정받아 뜨거운 이목을 끌고 있는
분야이다. 특히, THz 이미징 분야의 발전이 두드러 지고 있다. 종이, 플라스틱 등에 대한 투과성을
이용하여 T-ray 영상을 형성할 수 있어 포장된 내용물의 비파괴/비접촉 분석에 활용될 수 있으며, 분자
운동의 진동 수 영역에 해당되므로 물질의 성분 분석에 유용하여 마약, 폭발물 등 불법 물질 및 위험 물질의 검출에 용이하다. 또한, 인체에 안전한 저이온화 에너지로 생체영상/의료진단에 적용가능하므로 생체/의료진단, 비파괴/비침습 검색 및 검사에 활용될 수 있다. 이러한 THz 기술이 부각되면서 다양한 산업에서의 기술수요가 증가하는 추세를 보이고 있다. THz 기술 향상의 핵심은 우수한 신호원/검출기 개발
및 성능 향상이 관건이다.
본 논문에서는 위의 언급한 기술들에 기반이 될 수 있는 CMOS terahertz 검출기의 반응을 예측할 수 있는 새로운 모델을 제안하였다. 기존에 보고되어왔던 검출기 모델들은 물리학을 기반으로 하여 회로 엔지니어가 직관적으로 이해하고 설계를 하기에 다소 어려움이 있었으며, Resistive self-mixing 회로 이론을 이용한 모델은, 검출기의 전 동작 영역을 설명할 수 없는 한계점이 있었다. 제안한 모델은 Resistive self-mixing 이론을 이용하여 검출기가 동작하는 전 영역 (sub-threshold 영역, triode 영역)
에서의 동작 원리를 모두 설명할 수 있다. 테라헤르츠 대역에서의 반응을 정확히 예측할 수 있는 시뮬
레이터는 아직까지 개발되지 않아 설계 전 THz 디텍터의 반응을 예측하기가 힘들다. 그러나, 제안한 모델에서는 로딩 효과를 고려하여 측정 장비나 디텍터 뒷 단의 read-out 단까지 모델에 포함시켰으며, 이를 통하여 측정 전 실제 측정할 값에 대해 예상할 수 있다. 또한, 이 모델을 통하여 많이 보고 되어왔던
Voltage read-out mode 뿐만 아니라 Current read-out mode에 대한 동작도 상세하게 분석할 수 있다.
모델의 유효성을 검증하기 위해 다양한 dimension을 갖는 검출기 테스트 패턴을 제작하였다. On-chip 패치 안테나, MOSFET, 매칭 회로로 구성된 검출기의 테스트 패턴은 65 nm 상용 CMOS 공정을 이용하여 제작되었다. 검출기 테스트 패턴에 대한 실제 측정결과와 모델에 의한 계산치가 매우 유사함을 확인하였으며, 최종적으로 이미지의 해상도를 비교함으로써 모델의 유효성을 검증할 수 있었다.
결론적으로 제안한 새로운 모델을 통하여, 직관적으로 테라헤르츠 모스펫 검출기의 동작원리에 대해 이해할 수 있다. 또한, 이 모델은 그 동안 보고 되었던 최적의 검출기 dimension 에 대한 논란을 해결하여 최적의 검출기 설계에 대한 방법론을 제시한다.
