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研究生:郭桓熏
研究生(外文):Huan-Hsun Guo
論文名稱:使用HFSS軟體模擬及分析金氧半技術相容射頻空氣柱高品質電感器特性之研究
論文名稱(外文):The Study of High CMOS-Compatible Radio Frequency Air Gap Inductors with High Frequency Structure Simulator(HFSS)
指導教授:方炎坤方炎坤引用關係
指導教授(外文):Y.K. Fang
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:微電子工程研究所碩博士班
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2004
畢業學年度:92
語文別:中文
論文頁數:102
中文關鍵詞:金氧半電感
外文關鍵詞:HFSSCMOSinductors
相關次數:
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  近年來CMOS 製程快速進步,已進入所謂的深次微米(Deep
Sub-micron)的紀元,優異的性能使元件速度進入GHz 領域,因而促使CMOS 製程被大幅應用於更高頻的IC 電路系統,其ft 足以與其他製程如Ⅲ-Ⅴ技術等一較長短。再加上CMOS Technology 為目前半導體廠之主流,適合大量生產,因此利用CMOS Technology 來製作射頻電路也漸成為市場之主流。為了配合CMOS 製程,現用於射頻IC 電路的元件如電晶體、電感、電容等其結構及製造方法皆須重新設計, 以簡化設計的難度, 提高製程的良率。
  本論文利用HFSS 軟體研究金氧半技術相容製程所製且能量交連損失小的不同結構空氣柱(air gap) 平面螺旋電感器,研究結果發現空氣柱(air gap)之結構可經由調整空氣所佔的比率來製作強度不同的電感,更可提高其Q 值。此外經由HFSS 分析發現,立體線圈結構電感(Solenoid inductor) 及堆疊式螺旋結構(stacked spiral)更能在同樣的面積下比平面電感結構有較高的電感值,因此空氣柱結構的技術應用在立體線圈電感及堆疊式螺旋結構上,可使所得到的電感兼具小面積與高電感值之優點,更適合在射頻電路上使用。
  Silicon is recognized as a fascinating material to meet the demand of high integration, low cost, and mature technique in integrated circuits for wireless communication applications. Additionally , the on-chip RF inductors without externally bonding wires have played an important role in SOC (System On Chip) designs. However, for the RF device in silicon chip, the substrate coupling has become as a noticeable issue between analog and digital portions of a mixed signal IC chip. Therefore, the development of the high Q RF inductor based on the studies of the substrate coupling with HFSS becomes the major target of the study.
  In this thesis, the quality factor(Q), inductance as a function of spacing, metal width, metal thickness, number of turns, depth of air gap for spiral inductor, air gap solenoid inductors and air gap stacked spiral inductors were studied with HFSS in detail. This thesis will create and measured the air-gap spiral inductor in the third chapter. The air-gap solenoid-type inductor with better magnetic-electric conversion will be studied in the fourth chapter. Finally, the air-gap stacked spiral inductor will be created and measured to create the inductor with big inductance and high Q in a more efficient cost.
目錄
第一章 研究動機 1
第二章 HFSS使用說明 5
2-1-1 大綱 5
2-1-2 HFSS主要視窗介紹 6
2-1-3 繪圖流程 8
2-1-4 設定物件材質(SETUP MATERIALS) 11
2-1-5 設定3D物件之PORT及邊界條件 13
2-1-6 運算之設定(SETUP SOLUTION) 13
2-1-7 求解(SOLVE) 14
2-1-8 收斂性(CONVERGENCE) 15
2-1-9 後處理(POST PROCESS) 16
2-1-10 MATRIX PLOT 17
第三章 平面螺旋電感器理論,模擬及製作 18
3-1-1 導論 18
3-1-2 平面螺旋型電感器基本數學理論 18
3-1-3平面螺旋型電感器等效電路模型與寄生效應 23
3-1-4平面螺旋型電感器損耗因素 28
3-1-5平面螺旋型電感器品質因素 30
3-1-6 電感量測 32
3-1-7結論 36
3-2使用HFSS模擬平面螺旋型電感 38
3-2-1 品質因素與頻率之關係 38
3-2-2 電感值與頻率之關係 39
3-3平面螺旋型電感之製作 40
3-3-1製程與測量 40
3-3-2結果與討論 41
3-4結論 43
第四章 立體線圈電感器模擬與製作 44
4-1使用HFSS模擬立體線圈電感 44
4-2-1 品質因素與頻率之關係 45
4-2-2 電感值與頻率之關係 47
4-3立體線圈電感之製作 48
4-3-1製程與測量 49
4-3-2結果與討論 49
4-4結論 51
第五章 堆疊式螺旋電感模擬 52
5-1使用HFSS模擬立體線圈電感 52
5-2-1 品質因素與頻率之關係 53
5-2-2 電感值與頻率之關係 54
第六章 結論與展望 55
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