基于CMOS技术的太赫兹源和探测器设计@UCMMT2020
基于共振隧穿二极管的太赫兹技术研究进展
doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2024.01.006引用格式:刘军,王靖思,宋瑞良,等.基于共振隧穿二极管的太赫兹技术研究进展[J].无线电通信技术,2024,50(1):58-66.[LIU Jun,WANG Jingsi,SONG Ruiliang,et al.Recent Progress of Terahertz Technology Based on Resonant Tunneling Diode [J].Radio Communications Technology,2024,50(1):58-66.]基于共振隧穿二极管的太赫兹技术研究进展刘㊀军1,王靖思2,宋瑞良1,刘博文1,刘㊀宁1(1.中国电子科技集团公司第五十四研究所北京研发中心,北京100041;2.北京跟踪与通信技术研究所,北京100094)摘㊀要:共振隧穿二极管(Resonant Tunneling Diode,RTD)是一种基于量子隧穿效应的半导体器件,同时具有非线性特性和负阻特性,通过改变偏置电压可以作为太赫兹源和太赫兹探测器,在未来6G 技术中通信感知一体化方面具有优势㊂简要总结了基于RTD 实现的器件的工作原理,对基于RTD 实现的太赫兹源和太赫兹探测器㊁太赫兹通信系统以及太赫兹雷达系统等太赫兹技术的研究进展进行介绍,并对当前存在的技术挑战和未来的发展方向进行探讨㊂基于RTD 的太赫兹技术凭借其突出的优势,将成为未来电子器件领域重要的发展方向㊂关键词:共振隧穿二极管;太赫兹源;太赫兹通信;太赫兹探测器中图分类号:TN919.23㊀㊀㊀文献标志码:A㊀㊀㊀开放科学(资源服务)标识码(OSID):文章编号:1003-3114(2024)01-0058-09Recent Progress of Terahertz Technology Based onResonant Tunneling DiodeLIU Jun 1,WANG Jingsi 2,SONG Ruiliang 1,LIU Bowen 1,LIU Ning 1(1.Beijing Research and Development Center,The 54th Research Institute of CETC,Beijing 100041,China;2.Beijing Institute of Tracking and Telecommunication Technology,Beijing 100094,China)Abstract :Resonant Tunneling Diode (RTD)that has both nonlinear and negative resistance characteristics is a semiconductor de-vice based on the quantum tunneling effect.Advantages of RTD include the facts that they can operate both as an oscillator and detector by changing the bias voltage and show advantages in the integration of communication and sensing for 6G.This paper introduces work-ing principles of RTD and the research progress of terahertz technology based on RTD from the aspects of terahertz sources,terahertz detectors,terahertz communication system and terahertz radar system,and discusses about current technological challenges and future perspectives.RTD-based terahertz technology will become an important development direction in the field of electronic devices in thefuture due to its outstanding advantages.Keywords :RTD;terahertz sources;terahertz communication;terahertz detectors收稿日期:2023-09-22基金项目:国家重点研发计划(2023YFE0206600)Foundation Item :NationalKeyR&DProgramofChina(2023YFE0206600)0 引言在移动通信技术从1G 发展到5G 的过程中,逐步实现了从语音㊁数字消息业务㊁移动互联网㊁智能家居㊁远程医疗㊁智能物联和虚拟现实等应用的发展[1]㊂6G 技术作为5G 技术的演进,不仅作为高速通信系统,也将作为高灵敏度探测系统,以更好地感知物理环境,获得高精度定位㊁成像以及环境重建等信息㊂太赫兹波介于微波与红外之间,具有波束窄㊁带宽宽㊁穿透性高㊁能量性低等特点,易于实现无线通信与无线感知功能的单片集成,从而实现感知功能与通信功能的相互促进与增强,进一步实现万物 智联 [2-4]㊂太赫兹波的产生和探测技术,是太赫兹应用系统的核心技术[5-6]㊂基于固态电子学方法的常温太赫兹源有碰撞电离雪崩渡越时间二极管(Impact Avalanche and Transist Time Diode,IMPATT)[7]㊁耿式二极管[8-9]㊁肖特基势垒二极管(Schottky BarrierDiode,SBD)[10]、超晶格电子器件[11]、晶体管[12]和共振隧穿二极管(ResonantTunnelingDiode,RTD)[13]。
太赫兹超材料传感器研究发展趋势
太赫兹超材料传感器研究发展趋势太赫兹超材料传感器是指采用太赫兹超材料作为传感器结构的一种传感器,具有诸多优点。
太赫兹超材料是指由具有一定空间排列的金属结构、半导体结构和介电结构等构成的一种新型材料,具有良好的太赫兹波调控性能。
太赫兹超材料传感器利用金属、半导体和介电材料之间的相互作用,通过改变太赫兹波的传播特性来实现对待测样品的探测。
近年来,太赫兹超材料传感器得到了广泛关注,其应用领域也不断扩大。
针对食品安全领域,研究者对太赫兹超材料传感器进行了大量研究。
例如,利用太赫兹超材料传感器对香蕉、甜菜和小麦等不同食品进行了检测,结果表明这种传感器可以有效地区分不同食品,为食品安全监管提供了一种新的手段。
此外,在医学领域,太赫兹超材料传感器也已经得到了广泛的应用。
例如,可以利用太赫兹超材料传感器对肿瘤组织进行快速检测,并区分不同组织的性质,为癌症的早期诊断提供一种新的手段。
虽然太赫兹超材料传感器在不同领域都取得了一定的研究进展,但其仍然存在一些需要解决的问题和挑战。
例如,尚未有完全可行的方案来解决传感器的性能不稳定性和可重复性问题。
此外,目前太赫兹超材料传感器的研究还集中在单一材料的探测,如何实现对不同物质的多元检测还需要进一步研究。
因此,未来的太赫兹超材料传感器的发展也需要克服这些技术瓶颈和难点。
1. 多元化检测太赫兹超材料传感器将逐渐向多元化检测方向发展,可以实现对不同物质的同时检测,如食品中的油脂和水分检测。
通过优化传感器结构和算法处理,将提高太赫兹超材料传感器的检测灵敏度和精细度。
2. 智能化技术太赫兹超材料传感器在未来也将逐渐向智能化技术方向发展,实现对待测物质的自动识别和分析。
例如,将人工智能技术应用于太赫兹超材料传感器,可以为人们提供更加智能化、高效的物质检测服务。
3. 纳米结构化设计太赫兹超材料传感器设计应用的材料颗粒大小不断缩小,利用纳米材料的特性进行超精密控制。
在太赫兹波超材料设计和制备方面,运用“自组装”等纳米技术,可以提高太赫兹传感器的检测性能和可靠性,同时制备成本也可以降低。
太赫兹技术在无损检测领域的应用研究
太赫兹技术在无损检测领域的应用研究近年来,随着工业制造技术的不断发展,对于高精度、高质量的无损检测需求也不断提高。
而作为一种新兴的无损检测技术,太赫兹技术因其高分辨率、高灵敏度等优点,逐渐成为人们重视的研究领域。
本文将深入探讨太赫兹技术在无损检测领域的应用研究,并探究未来其在该领域的发展前景。
一、太赫兹技术在无损检测的优点太赫兹技术是在红外和微波之间的一段电磁波谱,其频率范围为0.1 ~ 10THz,相对应的波长在1 ~ 0.03mm之间。
相比于其他无损检测技术,太赫兹技术具有以下优点:1. 非破坏性:太赫兹波是一种非离子辐射,对于被检测物体没有破坏作用,能够实现真正的无损检测。
2. 高精度:太赫兹技术具有非常高的分辨率和探测灵敏度,可以对微小缺陷进行有效探测。
3. 易于操控:太赫兹技术可以通过多种方式进行操控和调节,便于针对不同的被测物进行检测。
以上三个优点,使得太赫兹技术在无损检测领域中得到了广泛的应用。
二、太赫兹技术在无损检测领域的应用研究1. 材料检测:太赫兹技术可以用于对材料体积、形貌、密度、尺寸以及物理和化学特性等方面的检测。
在材料微结构、防伪、质量控制等方面有着广泛的应用。
2. 表面缺陷检测:太赫兹技术可检测金属表面缺陷,如裂纹、孔洞等。
太赫兹波可通过金属表面反射、散射和透射等方式,发现物料内部缺陷。
3. 生物医学检测:太赫兹技术可应用于生物医学检测,如癌症预测等。
通过扫描人体表面,太赫兹波可以获取人体内部组织结构和变化,从而实现无创检测。
4. 电力设备诊断:太赫兹技术可应用于电力设备智能化诊断,如变压器、断路器、互感器等。
通过检测设备内部绝缘的水分、氧化程度等参数问题,可以预测设备的寿命和损坏程度。
以上四个应用领域,展示了太赫兹技术在无损检测方面的灵敏度和高效性。
太赫兹技术在实际应用中,可以准确、快速的检测出被检测物体内部的各种缺陷。
三、太赫兹技术在无损检测领域的发展前景太赫兹技术作为新兴的无损检测技术,近年来发展较为快速。
基于CMOS图像传感器的高帧频相机研制
Key words: CMOS image sensor; high frame rate; adaptive optics; camera
1.引言
波前传感器是自适应光学的一个重要组成部分,由微透镜阵列和图像传感器构成。太阳 观测自适应光学系统的探测目标为扩展目标,要求所采用波前传感器具有子孔径多,孔径动 态范围大,分辨率高的特点,为实时校正大气湍流误差,波前传感器还需要具有较高的系统 采样频率,因此要求波前传感器采用高分辨率、高采样率的大靶面波前探测器。目前,常用 的图像传感器主要是 CCD 和 CMOS。CCD 具有灵敏度高,噪声低等优点,但是高帧频 CCD 的图像分辨率相对于 CMOS 器件低,并且大靶面高帧频的 CCD 探测器价格高昂。 美国国家太阳天文台在自适应光学(AO)76 系统中用 MICRON 公司生产的 MI-MV13 CMOS 图像传感器作波前探测器,但文中并未介绍该相机的具体实现。本文亦采用这款图 像传感器,设计和实现了 CMOS 图像传感器的控制电路、输出电路及外围电路,建立了适 用于太阳自适应光学的高帧频相机。
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《太赫兹超材料高灵敏度生物传感器研究》范文
《太赫兹超材料高灵敏度生物传感器研究》篇一一、引言随着科技的不断发展,生物传感器已成为生物医学、生物工程和医疗诊断等领域不可或缺的装置。
太赫兹超材料因其独特的物理性质,在传感器技术中展现出了巨大的应用潜力。
本文旨在研究太赫兹超材料高灵敏度生物传感器的设计、制备及其在生物医学中的应用。
二、太赫兹超材料概述太赫兹(THz)波是一种电磁波,其频率介于微波与红外线之间。
太赫兹超材料是一种具有特殊电磁性质的人工结构材料,能够控制太赫兹波的传播和散射。
其独特的物理性质使得太赫兹超材料在传感器、通信和成像等领域具有广泛的应用前景。
三、高灵敏度生物传感器设计1. 材料选择:选用具有高灵敏度和稳定性的太赫兹超材料作为传感器的基础材料。
2. 结构设计:设计合理的传感器结构,包括超材料的排列方式、厚度、尺寸等,以优化传感器的性能。
3. 制备工艺:采用先进的微纳加工技术,制备出高质量的太赫兹超材料生物传感器。
四、传感器制备与性能测试1. 制备过程:详细描述传感器的制备过程,包括材料准备、结构设计、加工工艺等。
2. 性能测试:对制备出的生物传感器进行性能测试,包括灵敏度、响应时间、稳定性等。
实验结果表明,该生物传感器具有高灵敏度和良好的稳定性。
五、生物医学应用1. 生物分子检测:利用太赫兹超材料生物传感器检测生物分子,如蛋白质、DNA等。
通过测量太赫兹波的散射或吸收变化,实现对生物分子的高灵敏度检测。
2. 细胞成像:将太赫兹超材料生物传感器应用于细胞成像,通过测量细胞对太赫兹波的响应,实现对细胞的非侵入性检测和成像。
3. 疾病诊断:利用太赫兹超材料生物传感器检测生物标志物,实现疾病的早期诊断和监测。
例如,通过检测肿瘤标志物,实现对肿瘤的早期发现和评估。
六、结论本文研究了太赫兹超材料高灵敏度生物传感器的设计、制备及其在生物医学中的应用。
实验结果表明,该生物传感器具有高灵敏度和良好的稳定性,可应用于生物分子的检测、细胞成像以及疾病诊断等领域。
《2024年太赫兹超材料高灵敏度生物传感器研究》范文
《太赫兹超材料高灵敏度生物传感器研究》篇一一、引言随着科技的不断发展,生物传感器技术已经成为生命科学、医学和工程学等领域的热点研究领域。
特别是在健康医疗、药物筛选和安全监控等领域,生物传感器扮演着至关重要的角色。
而高灵敏度的生物传感器,尤其是能够在非接触或低损伤的条件下检测复杂体系内各种分子水平的信号的生物传感器更是具有不可替代的研究价值。
本篇文章旨在讨论太赫兹超材料在制作高灵敏度生物传感器中的应用及前景。
二、太赫兹超材料概述太赫兹(THz)波是一种电磁波,其频率介于微波与红外线之间。
而太赫兹超材料则是一种具有特殊电磁特性的材料,其结构在纳米尺度上能够调控电磁波的传播特性。
这种材料因其独特的物理特性,如对电磁波的强烈相互作用和调控能力,使其在通信、传感和成像等领域具有广泛的应用前景。
三、太赫兹超材料在生物传感器中的应用太赫兹超材料因其高灵敏度和独特的电磁特性,被广泛应用于生物传感器的设计和制造中。
首先,太赫兹波可以穿透大部分生物组织和样品,且其吸收谱和散射谱中包含丰富的分子信息,这使得其非常适合用于非接触式生物检测。
其次,太赫兹超材料对特定频率的电磁波有显著的响应,能显著提高生物传感器的灵敏度和精确度。
此外,利用太赫兹超材料的特性可以实现对多种生物分子的高灵敏度检测和实时监测。
四、高灵敏度生物传感器的设计与制造设计并制造高灵敏度的太赫兹超材料生物传感器是一项复杂且需要精细的实验技术的任务。
一般而言,首先需要确定要检测的生物分子和所需的灵敏度要求,然后选择适当的太赫兹超材料设计并进行制备。
此外,传感器的设计还需要考虑环境的稳定性、操作的简便性以及制备成本等因素。
近年来,研究者们通过设计具有特殊结构和功能的太赫兹超材料,如使用微/纳米尺度的谐振结构以增强对特定频率电磁波的响应,以及利用纳米材料作为增强剂来提高整体灵敏度等手段,成功研制出了一系列高灵敏度的太赫兹超材料生物传感器。
五、实验结果与讨论实验结果表明,基于太赫兹超材料的生物传感器在检测各种生物分子时表现出极高的灵敏度和精确度。
基于太赫兹技术的复合材料无损检测研究综述
第 21 卷 第 11 期2023 年 11 月Vol.21,No.11Nov.,2023太赫兹科学与电子信息学报Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology基于太赫兹技术的复合材料无损检测研究综述金玉环1,朱凤霞2,封建欣1(1.北京远大恒通科技发展有限公司,北京100048;2.首都师范大学太赫兹光电子学教育部重点实验室,北京100048)摘要:随着高性能复合材料在航空航天和军事等高新领域的广泛应用,对其质量和性能检查的要求愈加引起重视,如何通过各种方法对复合材料进行无损检测成为近年来研究人员关注的热点和研究方向。
太赫兹波量子能量低,对大多数非极性物质透明,因此使用太赫兹技术对复合材料进行无损检测有着独特的应用优势。
本文基于太赫兹技术的特点,对太赫兹时域光谱和太赫兹成像技术的无损检测分别进行了详细的论述,并总结了目前复合材料的太赫兹无损检测技术发展趋势,最后对其发展前景进行了展望。
关键词:太赫兹技术;无损检测;太赫兹时域光谱;太赫兹成像;复合材料中图分类号:0437 文献标志码:A doi:10.11805/TKYDA2022237Review of nondestructive testing of composites based on THz technologyJIN Yuhuan1,ZHU Fengxia2,FENG Jianxin1(1.Beijing Broad Hengtong Technology Development Co.,Ltd,Beijing 100048,China;2.Key Laboratory of Terahertz Optoelectronics,Ministry of Education,Capital Normal University,Beijing 100048,China)AbstractAbstract::With the wide application of high performance composites in aerospace, military and other high-tech fields, more and more attention has been paid to the quality and performance inspectionof composites. How to conduct Nondestructive Testing(NDT) of composites by various methods hasbecome a hot research direction for researchers in recent years. Terahertz wave has low quantum energyand is transparent to most non-polar substances, so it has unique application advantages in the field ofnondestructive testing of composites. In this paper, based on the characteristics of THz technology, thenondestructive testing of Terahertz Time-Domain Spectroscopy(THz-TDS) and terahertz imagingtechnology are discussed in detail, and the current development trends of terahertz nondestructive testingtechnology for composite materials are summarized. Finally, the development prospect is outlooked.KeywordsKeywords::terahertz technology;Nondestructive Testing;Terahertz Time-Domain Spectroscopy;terahertz imaging;composite materials相比传统材料,复合材料具有强度高、密度低、耐腐蚀等多种优点。
美国西北大学提出一种用于探测太赫兹辐射的电压可调量子点光电探测器
而得 到调 节。在 正入 射 时,其
峰 值 探 测 波 长 可 以 用 一V 至 5
2 的栅 极 电压 从 约 5 调 到 V 0
约 9 (.T z至 3 T )。 0 m 60 H . Hz 3
在 7K 时 ,探 测 的 峰 值 吸 收 7 系 数 约 在 1。m- 0c 1量 级 ,光 电
同性 轮 廓 图
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口 高 国 龙
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图 1 G 10 VS 0 0的远 距 离成 像 系 统 的外 形
口 高 国 龙
美 国西 北大 学 提 出 一种 用 于探 测 太 赫 兹 辐 射 的 电 压 可 调 量子 点 光 电 探 测 器
被 大 概 定 义 为 1至 IT O Hz 频 率 范 围 的太 赫 兹 区在 许 多领 域 具 有 潜 在 的应 用 ,如 化 学 敏 感 、 医 学成 像 以及 自 由 空 间 光 通 信 等 。目前 , 赫 兹 光 可 以用 太 诸 如 肖特 基 二 极 管 混 频 器 、非
探测器 的峰值 探测 率可达到 约
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国 西 北 大 学 研 究 人 员 提 出 的
这 种 方 法 的优 点 是 ,形 成 的量 子 点 的大 小 非 常 均 匀 ,为 探 测
基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计[发明专利]
专利名称:基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计
专利类型:发明专利
发明人:马建国,王旭,傅海鹏,马凯学
申请号:CN201811094141.9
申请日:20180919
公开号:CN109443550A
公开日:
20190308
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:一种基于CMOS工艺多频超材料吸收结构的太赫兹微测辐射热计,包括有采用标准
55nmCMOS工艺制成的硅衬底,硅衬底上设置有能够同时接收三个频段的电磁波的多频超材料吸收结构和接收多频超材料吸收结构的输出信号的PTAT温度传感电路,PTAT温度传感电路的输出端构成太赫兹微测辐射热计的输出端。
本发明首次实现基于CMOS工艺的多频超材料吸收结构,结合新型PTAT温度传感电路构成太赫兹微测辐射热计,利用多频超材料吸收结构接收不同频率的电磁波,并将电磁能量转化为热量,再通过PTAT温度传感电路将热量转化为输出电信号,从而实现910GHz、2.58THz和4.3THz三个频段的太赫兹信号同时探测,进而获得了一种多频太赫兹热探测的有效方法。
申请人:天津大学
地址:300072 天津市南开区卫津路92号
国籍:CN
代理机构:天津市北洋有限责任专利代理事务所
代理人:杜文茹
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一种太赫兹成像仪探测器阵列校准装置[发明专利]
专利名称:一种太赫兹成像仪探测器阵列校准装置
专利类型:发明专利
发明人:胡广骁,胡睿佶,朱雨,高广东,缪玮杰,高炳西,冯辉申请号:CN202011314492.3
申请日:20201120
公开号:CN112596122A
公开日:
20210402
专利内容由知识产权出版社提供
摘要:本发明公开了一种太赫兹成像仪探测器阵列校准装置,属于太赫兹成像技术领域,包括转动组件、开关控制组件、测试校准组件、触发开关组件,所述开关控制组件与所述转动组件连接,所述触发开关组件与太赫兹成像仪电连接,通过调节所述开关控制组件的位置使所述触发开关组件开闭,控制切换太赫兹成像仪的工作模式与转动组件的运动过程,所述测试校准组件与所述转动组件连接。
本发明通过电机、支架、限位开关等组件的巧妙设置,能够方便地对太赫兹成像仪探测器阵列进行校准,操作更加方便;并且采用太赫兹成像仪内部校准的方式,摆脱外部辅助设备,同时大大降低对均匀太赫兹视场环境的依赖,填补了对太赫兹成像仪探测器阵列校准方面的空白。
申请人:博微太赫兹信息科技有限公司
地址:230088 安徽省合肥市高新区香樟大道199号
国籍:CN
代理机构:合肥昊晟德专利代理事务所(普通合伙)
代理人:王林
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基于CMOS晶体管的太赫兹探测器研究进展
基于CMOS晶体管的太赫兹探测器研究进展付元旭;梁志茂;范菁;张广求;赵波【摘要】With the wide application of terahertz wave, terahertz detection technology has become the focus of attention. Terahertz detectors are mainly composed of Schottky diodes, quantum-well diodes and the CMOS transistor. The CMOS transistor has good responsivity, good signal to the noise ratio and high equivalent power. First, this paper introduces the terahertz detector and its technical index. Second, it gives an overall review of the improvement of the CMOS transistor in its structure and materials in recent years. Third, it discusses the application of the CMOS transistor and predicts its future development.%随着太赫兹波的广泛应用, 太赫兹探测技术成为研究的热点, 探测器件主要以肖特基二极管, 量子阱二极管, CMOS晶体管为主, CMOS晶体管探测器件具有响应度高, 信噪比好, 等效功率高等优点.首先介绍了太赫兹探测器的技术指标, 接着从结构及材料两方面对近年来CMOS晶体管的改进方案进行了综述对比, 最后介绍了太赫兹探测器的应用并对应用前景及未来发展方向进行了展望.【期刊名称】《云南民族大学学报(自然科学版)》【年(卷),期】2019(028)002【总页数】6页(P203-208)【关键词】太赫兹探测器;CMOS晶体管;器件响应度;等效噪声功率【作者】付元旭;梁志茂;范菁;张广求;赵波【作者单位】云南民族大学电气信息工程学院,云南昆明 650050;云南民族大学电气信息工程学院,云南昆明 650050;云南民族大学电气信息工程学院,云南昆明650050;云南民族大学电气信息工程学院,云南昆明 650050;云南民族大学电气信息工程学院,云南昆明 650050【正文语种】中文【中图分类】TN31随着太赫兹波的广泛应用,太赫兹探测技术也成为关注的焦点,太赫兹的光电相干探测技术、光电非相干探测技术、热辐射探测器技术也成为研究的热点,随着太赫兹探测技术的发展,太赫兹源也随之增多,如自由电子激光器,气体激光器,真空电子学太赫兹源,光电导太赫兹源,太赫兹半导体量子级联激光器,电子学太赫兹辐射源等等,采用的技术主要有光整流技术,光激发空气等离子技术,非线性差频技术等.探测器件主要以肖特基二极管,量子阱二极管,CMOS晶体管为主,它响应度高,信噪比好,等效功率高,是太赫兹探测器的核心部件.改进CMOS晶体管的结构、材料和形状来改进太赫兹探测器的技术指标(接收响应度和等效噪声功率)已成热点研究,主要研究基于两个方面,一是CMOS本身结构的改进[1-10],二是CMOS所用材料的改进,主流应用材料是石墨烯、纯净硅、相应比例的半导体材料杂质等[10-17].1 CMOS太赫兹探测器的技术指标1.1 器件响应度器件响应度与栅极偏置电压、输入阻抗有关[1],根据式(1)可知提高输入阻抗或是减少栅极电压可以提高器件响应度[2].式中,RV为器件响应度, VDS为探测器漏端的输出电压(也表示太赫兹信号的大小),VRF为表示太赫兹输入信号,VG为源漏端口电压,Vth为阈值电压.Rin为输入阻抗的实部.1.2 噪声等效功率表示MOSFET器件的噪声主要有热噪声和闪烁噪声[3].其中,闪烁噪声谱密度与频率成反比,通常在输入信号中加入调制频率可以降低闪烁噪声,当调制频率足够大时,闪烁噪声可以忽略不计,因此式(2)是MOSFET的噪声等效功率主要时热噪声[4],即(2)式中,W是栅宽,L为栅长,μ为沟道载流子迁移率,Cox为栅氧化电容,Rin输入阻抗的实部, N1电流噪声功率谱密度, RI为电流响应,k为玻尔兹曼常数,T 为温度.反之, MOSFET闪烁噪声为主要噪声[5],那计算等效功率如式(3)所示.(3)NV 电压噪声功率谱密度,RV 电压响应.2 基于调整CMOS晶体结构来改进太赫兹探测器图1所示是太赫兹探测器的CMOS晶体管,S为源极[6]、G为栅极[7]、D为漏极、Leff 和Ldrawn 是沟道隧穿区域,W是栅极长度[8].源极和栅极之间区域是太赫兹入射波入射区域,而栅极和源极之间的电压信号是太赫兹信号波的输出区域[9].CMOS结构改进研究主要以栅极长度调整[1]、漏极偏置电压调整[2]、CMOS衬底的改变[10]、沟道隧穿区域[11]的调整等方面.2.1 CMOS晶体管栅极的改进方案栅极的改变如表1所示,根据Tong Fang团队[25]实验或模拟得到结果,该结果可以显示栅极长度为90 nm和130 nm,频率高过1 THz时响应度和等效功率达到最佳,所以文献[5]提出超过1 THz频率时CMOS晶体管的栅长一般都采用90 nm和130 nm,而频率小于1 THz时等效功率与响应度是一个相互矛盾,要根据不同的要求和不同的系数指标来制定栅极的长度.所以研究的CMOS晶体管栅长的目的是提高太赫兹探测器的响应度和等效功率,解决响应度和等效功率的相对矛盾主要是通过调整维度,目前,三维集成体对栅极的研究将突破原有二维集成体,根据Xu团队[21]实验结论:“增大源与沟道隧穿的电场来决定栅极的形状;如高K 栅介质、双栅和环栅等栅结构”.表1 CMOS栅长度与频率关系及其响应度和等效功率CMOS栅长度/nm频率/(THz) 响应度(R)/(kV/W)等效功率/(pW/Hz )650.29258650.865140100653.00.52673902.5433663903.1330885 900.3651200200续表1CMOS栅长度/nm频率/(THz) 响应度(R)/(kV/W)等效功率/(pW/Hz )1304.923834301300.28250331300.292581300.2730018.71800.29 0.72612500.22020762500.65803002.2 CMOS晶体管漏极的改进方案根据张行行[24]提出的漏极偏置电压调整方案,如图2所示,通过加入Vdc 外加的偏置电压来增强漏极的电流值,从而提高CMOS晶体管的响应度和等效功率.此方法用在0.65 THz的太赫兹波接收上,响应度提高了32 %,平均功率增加10 %.该方案同时还考虑阻抗,温度、介电系数,噪声等因素,通过漏极电流改变,影响最大的就是阻抗,所以方案选取阻抗作为对电流的响应,通过Vgs 的电压变化来找出最优的选择方案.改变栅极和漏极电压的方案可能会使原有的CMOS晶体管寿命会受到一定的影响.2.3 CMOS晶体管衬底的改进方案COMS衬底的研究主要是结构和材料,结构主要以分层为主,一般CMOS衬底为2~5层,材料上使用石墨烯、高纯度硅、或是改变原有元素的比例等等.[23]提出一种四层衬底结构(如图3所示),通过材料本身的介电参数来计算探测器中CMOS晶体管的响应度和等效功率.此方法主要通过介电参数与输入频率的关系,在通过输入频率来计算CMOS晶体管的响应度和等效功率,一般用于热辐射太赫兹探测器中.根据材料的不同,热探测器本身的性能也不同,要根据实际需要的探测器类型进行材料的选择.图3中ε 为介电参数.以上3个方面都是根据CMOS结构本身的特点,通过改变结构,来改进CMOS的响应度和等效功率,情况对比见表2.表2 CMOS结构改进方案对照表CMOS结构改进方案优点缺点栅极改进方案减少外加电压,增加载流子数量,提高CMOS对输入信号的响应度. 直接提高响应度,间接提高等效功率结构复杂,改进方案涉及参数和材料比较多漏极外加电压方案直接加入外加电压,增大了载流子数量,提高CMOS对输入信号的响应度响应度提高较多,等效功率提高较小,并有噪声影响. CMOS晶体管使用寿命缩短,噪声影响较大.衬底的改进方案通过衬底层面和材料增加载流子数量,提高CMOS对输入信号的相应,同时也提高了等效功率. 提高响应度同时也能提高等效功率,但材料石墨烯工艺复杂. 所用材料石墨烯工艺复杂3 CMOS晶体管材料改进方案CMOS结构中栅极主要以玻璃体,砷化铟等为主,衬底以石墨烯,石墨烯量子点,纯硅为主.Mallik[16]提出用砷化铟作为CMOS晶体材料实现1 THz的太赫兹信号接收,响应度达到60 V/W,栅极偏置电压可以达到-0.4 V.其主要衬底用的是石英玻璃,在室温下就可以探测,材料结构为In0.53Ga0.47As/In0.71Ga0.29As/InAs/In0.71Ga0.29As/In0.53Ga0.47As/InP双异质结结构.其优点载流子数量多,响应度高,等效功率高,本身可以达到接收频率在1 THz以上.石墨烯是一种二维材料,研究还是处于初始阶段,厚度只是相当于单层的碳原子,稳定的物理结构,可以制作出非常薄且十分坚固的晶体管,其性能是在短时间内载流子数量可以达到千级,Pfeiffer[17]利用石墨烯加入漏的方案,响应度达到74V/W,等效功率达到130SpW/Hz1/2,相对于400 GHz的砷化铟响应度提高了20%,等效功率提高了40%.石墨烯量子属于石墨烯的一种,较石墨烯,它有更高的电子迁移率,较长的热电子寿命,极快的电子取出速度,较宽的光谱吸收范围,可以从紫外线到可见光的全谱吸收,同时提高能量的转化效率,石墨烯量子直接提高CMOS电容特性,是载流子流向速度加强,更好更高效的吸收太赫兹能量.Cordelia Sealy 团队[18]2017年6月提出用石墨烯量子用在CMOS晶体管上,主要通过这种方式来提高响应度、低功耗、价格低廉,在常温即可使用.表3 CMOS晶体结构材料对照表CMOS晶体结构材料特点参数指标缺点砷化铟、氮化镓,砷化镓等化合材料易加工,易实现的化合物,目前可以达到1THz以上,但带宽窄,接收频谱范围固定. 响应度较高等效功率较高噪声较大能量吸收效率差接收频谱范围固定制备工艺相对简单,使用范围广,电路设计相对容易,产品较多.晶体硅(纯硅),玻璃硅较易加工,一般用在栅极或是栅下的沟道隧穿区域. 噪声较小等效功率高响应度较高能量吸收效率较差接收频谱范围窄制备工艺不复杂,目前制备在CMOS晶体结构中比较复杂,需要较好的材料合成.石墨烯不易加工,可以用在CMOS栅极、漏极、沟道隧穿区域.载流子数量较多. 等效功率高相应度高能量吸收效率高接收频谱范围宽制备工艺复杂,目前属于研发初级阶段,制备工艺方案不同一.石墨烯量子初级实验阶段,可以用在沟道隧穿区域,载流子数量多、载流子流速快,耐高温、低功耗. 等效功率高响应度高能量吸收效率可以达到70%,是目前所有材料种吸收效率最高的一种材料.接收频谱范围也是目前为止最宽的一种材料制备工艺复杂,目前研发初始阶段,有待于一步改进和试验阶段.4 CMOS晶体管的应用进展及前景4.1 CMOS晶体管在太赫兹天线应用CMOS晶体管在太赫兹探测器中应用最多的就是在太赫兹探测器的天线组件部分,目前使用较多的天线是微带天线(如图1)[24]用12行×9列的探测器单元组成的微带天线(如图4),根据不同环境和情况可以进行调整,每个单元组成主要通过CMOS晶体的使用制作而成,并用量子级联激光器作为发射源,可以用于3 THz,根据[10]研究结论,目前实验研究探测器范围1 T~3.8 T之间.该天线用于步进式扫描图像.分辨率和成像效果好于其它成像天线.许多学者根据入射频率或是入射谱密度调整Patch天线的形状和内部结构,如把接收器形状变成菱形、圆形、椭圆形等,调整不同的内部结构,还有一些调整CMOS晶体管的衬底材料和内部结构性材料组成,这些都使原有的性能得到较大的提高.除了上面的主流微带天线之外还有更多的CMOS系列天线,如图5中是相关的几种天线,图5中的(a)single-dipole 天线, (b)dual-dipole 天线, (c)four-leaf-clover 天线,(d)bow-tie 天线4种天线的形状,其中以bow-tie antenna 为例[21],如图3所示用CMOS为基础元件建立的bow-tie 天线.通过以上4种天线的结构设定是根据CMOS衬底的材料为依据,再根据天线自身的寄存电容性的性能为基础的,所以每一种天线的架构都是有不同的限定.例如图3为例[22],首先要考虑到天线的基本参量,天线的阻抗、寄存电容、温度、入射频率、入射角度等等.所以根据以上参数的最佳量化可以计算出CMOS天线的基本结构参量,栅极和源极半径、漏极的长宽和相关的CMOS内部结构参数.研究探测器本身的判定的依据主要是等效噪声功率和探测器的响应度,这2个参数有跟输入阻抗、输入功率、温度、材料、CMOS的偏置电压等等有关系.天线仿真实验的输入阻抗一般取50 Ω[23].因为参数相互影响又相互关联,所以在仿真情况下要看那个参数对系统指标参数影响比较大,某些参数要选择固定值.目前对小型天线的研究还处于研发阶段[24],因为小型天线的滤波和天线本身的产生的噪声将直接影响到探测器接收信号的强度和信号的准确性,如果天线在1 THz 以上的高频信号使用性能有所改善,太赫兹探测器将会有很大的技术性突破.4.2 CMOS晶体管发展前景展望目前小型集成化电路不断的发展,同时要求CMOS晶体尺寸越来越小,功能也要求越来越多,达到通信、网络、电子器件等电子产品的小型化,但终端设备功能可以取代中心性通信,可以达到无中心化网络通信,所以太赫兹探测器本身不但有探测功能还应该有判断功能、存储功能,通信功能等等,从结构发展方向上,未来用三维集成体CMOS晶体管可以使器件变的更小、更稳定、工艺更为灵活,从材料发展方向上,未来使用石墨烯中的石墨烯量子使太赫兹吸收能量多、外加电源小、响应度高、噪声小、频谱宽、功耗小等优点,未来CMOS晶体的将实现集成最小化、稳定性能好、响应度高、等小功率高等优点,更好的应用于太赫兹探测器.参考文献:【相关文献】[1] BHOWMIK B, PATTANAIK M, SRIVASTAVA P. 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基于单个宽频CMOS探测器的太赫兹焦平面扫描成像系统
基于单个宽频CMOS探测器的太赫兹焦平面扫描成像系统林越;张辉;祁峰;刘朝阳【期刊名称】《集成电路与嵌入式系统》【年(卷),期】2024(24)5【摘要】太赫兹波是介于毫米波与红外光之间的电磁波,具有强穿透性、非电离性、高瞬时带宽等特点,在安全检查、无损检测、医疗成像等领域有着广阔的应用前景。
在成像系统中,探测器是至关重要的部分。
本文提出了一种将不同中心频率的窄带探测器输出结合实现宽频带探测的结构,为了减少面积,这些窄带探测器采用嵌套式结构,即高频窄带探测器被依次放置在低频窄带探测器的内部,每一个窄带探测器均包括环形天线、匹配网络和场效应晶体管检波电路。
该探测器由65 nm标准CMOS工艺制成,探测频率范围覆盖了100~1000 GHz。
基于该宽频探测器搭建实现了太赫兹焦平面成像系统,该系统主要包括太赫兹辐射源、聚四氟乙烯(PTFE)透镜、宽频CMOS探测器等。
实验结果表明,该成像系统在100 GHz、220 GHz和300 GHz频率下能够稳定成像,并且随着频率的提高,成像质量也明显提升。
通过对得到的成像结果使用形态学闭运算进行优化,解决了成像中信息缺失的问题,有效地改善了成像质量。
【总页数】7页(P35-41)【作者】林越;张辉;祁峰;刘朝阳【作者单位】沈阳建筑大学电气与控制工程学院;中国科学院光电信息处理重点实验室;中国科学院沈阳自动化研究所;辽宁省太赫兹成像与传感重点实验室【正文语种】中文【中图分类】TN42【相关文献】1.基于柱面镜的太赫兹阵列探测器扫描成像实验研究2.一种被动式焦平面太赫兹成像系统设计及仿真3.室温、高灵敏度单像元太赫兹探测器、太赫兹焦平面成像器件4.基于焦平面成像的被动式太赫兹人体成像技术因版权原因,仅展示原文概要,查看原文内容请购买。
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Design of THz Source and Detector in CMOSLeijun Xu,Zhijian XieSchool of Electrical and Information Engineering, Jiangsu UniversityOUTLINES11Background 12THz source design 13Fabrication & Measurement 14THz detector design Conclusion15Application: security, biomedical imaging, quality detection, etc.1. Background(a) THz-TDS (b) THz detection system based onsolid-state circuitsLow f maxOutput power, DC-to-THz efficiencyLimitsOn-chip antennaTHz detectorMatchingCMOS ChallengesSilicon substrate High lossSpecifications: Output power, DC-to-THz efficiency, Tuning range, etc.Source typesMultiplier OscillatorHarmonic OscillatorThe fundamental component is subtracted, while second harmonic is superimposed .Output of the V 1:Output of the V 2:Output of the oscillator:100()cos()n n V t a n t ωϕ∞=+∑200()co s()n n V t a n t n ωϕπ∞=++∑out 1202,4,...()=()()2cos()n n n V t V t V t a n t ωϕ∞=+=+∑Push-push oscillator Equivalent circuitY in1Y in2V out(t)Y LV 1(t)V 2(t)A◆Triple-push oscillator’s third harmonic is superimposed, which is similar to push -push structure.Our propsed Push-push VCO: (1) improved output power (2) bulk voltage controlSchematic of push-push VCO Output powerOn-chip antenna with rectangular slot (280~340GHz)Ground PlaneM10M1Model of the on-chip antenna with rectangular slot S11 of the on-chip antenna1×2 VCO arraySchematic of1×2 push-push VCOOn-chip antenna with T-shaped slot for 1×2 push-push VCOModel of the on-chip antenna with T-shaped slot S11 of the on-chip antenna2. THz source Design3. THz detector design Sensitivity is the most concerned for THz detector.DirectDetection modesHeterodynePrinciple of self-mixing detection for MOSFET.CMOS or HEMT0g ds ds i G V =(V )g g g =cos =cos +ds ds ds ds ds g g V V V V V V V V V V δδωδδδωφδ⎧⎧→+⎪⎪⇒⎨⎨→+⎪⎪⎩⎩() ()Background current Photon current 0g ds 0g g 1+cos 2ds ds i G G V δδφ=(V )V (V )V () a.Materials with higher electron mobility;b.An efficient THz antenna.Antenna efficiency3. THz detector design40nm CMOSDyakonov-Shur theory :()th gs RFV V V U --=∆42Principle of self-mixing detection for MOSFET.3. THz detector designDirect detector and serpentine on-chip antenna (300GHz)Schematic of direct detector Model of the serpentineon-chip antennaS11 of the on-chip antennaHeterodyne detector (RF/LO: 300GHz, IF : 0.1~17GHz)Schematic of heterodyne mixing structure Schematic of IF amplifierRing differential on-chip antenna for heterodyne detectorGround PlaneModel of the ring differential on-chip antenna S11 of the on-chip antennaTHz sources and detectors were fabricated in 40nm CMOS technologyHeterodyne Detector Direct DetectorPush-PushVCO1×2 Push-PushVCO ColpittsVCOPush-PushVCO (Probe)Die photo of the THz sources and detectors (Size: 1mm ×1mm)4. Fabrication & MeasurementBonding package of the chip and the PCB for testing Bonding package of the chip(Size: 2.3cm×2.3cm)PCB for testing(Size: 10cm×7cm)Radiation intensity measurement of 1×2 push-push VCORadiation intensity test of THz sourceThe intensity of radiationRadiated power measurement of THz sourceMeasurement setup for radiated power of THz sourceRadiation power measurementPlatform for THz source & detector self-testMeasurement setup for THz self-test system Test platformResults of THz detector responsivityResults of the THz detector voltage responseTHz sources and detectors designed in 40nm CMOS technology:•Push-push VCO with rectangular slot on-chip antenna (Size: 410μm×230μm)•1x2 push-push VCO with T-shaped slot on-chip antenna (Size: 360μm×300μm)•Heterodyne detector with ring differential on-chip antenna (Size: 670μm×360μm)•Direct detector with serpentine on-chip antenna (Size: 260μm×306μm)CMOS Tech.Freq.[GHz]P rad /P out [dBm]P dc [mW]Size [mm 2]Ref.65nm 101NA 11.90.0025[1]65nm 163-14330.0462[2]40nm 340.6-11.134.10.028[3]40nm 309-10640.016This workCMOS Tech.Freq.[GHz]R v [kV/W]NEP [pW/Hz 1/2]Size [mm 2]Ref.55nm 25800.041100NA [4](direct)180nm 650 5.59.10.0064[5](direct)65nm 490140 1.20.528[6](heterodyne)40nm30940 6.20.08This work(direct )Table 1Parameters comparison of THz oscillatorTable 2Parameters comparison of THz detectorReference[1]X. Yi, C. C. Boon, J. F. Lin, and W. M. Lim, “A 100 GHz transformer-based varactor-less VCO with 11.2% tuning range in 65nm CMOS technology,”in Proc. ESSCIRC, Bordeaux, 2012, pp. 293-296.[2]H. Koo, C. Kim, and S. Hong, “A G-band standing-wave push-push VCO using a transmission-line resonator,”IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 63, no. 3, pp. 1036-1045, March 2015, 10.1109/TMTT.2015. 2398445.[3]C. Li, C. Ko, C. Kuo, M. Kuo, and D. Chang, “A 340 GHz triple-push oscillator with differential output in 40 nm CMOS,” IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 24, no. 12, pp. 863-865, Dec. 2014,10.1109/LMWC.2014.2352936.[4]D. Shang, Y. Xing, and P. Sun, “Short-channel MOSFET for terahertz wave detection fabricated in 55 nm silicon CMOS process technology,” Electron. Lett., vol. 55, no. 25, pp. 1357-1358, 2019, 10.1049/el.2019.2879.[5]Q. Yang, X. Ji, Y. Xu, and F. 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