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基于标准CMOS工艺的UHFRFID标签片上集成太阳能电池设计

作　者: 侯贺刚
导　师: 张世林
学　校: 天津大学
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: 射频识别标签能量获取 CMOS兼容集成太阳能电池
分类号: TM914.4
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

射频识别（RFID）技术是一种新兴的无线识别技术，通过无线射频非接触的方式进行通信，无需人工干扰便可达到目标识别和数据交换的目的。UHF RFID标签作为射频识别技术中的关键部分，其能量获取技术一直被人们所关注。近年来有许多关于利用片上集成太阳能电池为RFID标签供电的研究。基于此目的，本文研制了一种可与RFID标签芯片集成的CMOS工艺兼容太阳能电池。文章首先对UHF RFID标签系统进行了分析，分析了无源UHF RFID标签的射频整流方式，提出了UHF RFID标签由片上集成太阳能电池供电的方式。其次，研究分析了标准CMOS工艺制造太阳能电池的可行性，提出了CMOS工艺兼容的太阳能电池模型，并对提出的CMOS工艺太阳能电池模型进行了器件级仿真分析。最后，分别使用UMC和CSMC两种标准CMOS工艺制造了不同尺寸和结构的CMOS工艺太阳能电池，并进行了光谱响应特性和伏安特性测试分析。测试结果显示，由于CMOS工艺存在衬底寄生效应，UMC0.18μm CMOS工艺制备的串联CMOS太阳能电池没有达到串联升压的效果；CSMC0.18μm CMOS工艺制备的单体尺寸为50μm×50μm的单级太阳能电池阵列具有相对较高的效率，在AM1.5、1000W/m2、25℃标准测试条件下测得其开路电压为0.49V，短路电流密度为76.61μA/mm2，可获得约29.435μW/mm2的输出功率，转换效率为2.943%。论文的创新之处在于设计实现了CMOS工艺太阳能电池，该太阳能电池阵列的制造与标准CMOS工艺相兼容，可与UHF RFID标签芯片集成实现片上供电，从而提高RFID标签的性能。这种片上集成太阳能电池技术在RFID标签、传感器节点、物联网等领域具有广泛的应用前景。

全文目录

摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-14
  1.1 前言  7-9
  1.2 RFID技术国内外发展  9-10
  1.3 RFID技术应用  10-11
  1.4 RFID技术发展面临的挑战  11-12
  1.5 课题研究意义及目标  12
  1.6 论文结构安排  12-14
第二章 UHF RFID标签系统  14-23
  2.1 RFID系统结构  14-15
  2.2 UHF RFID系统基本工作原理  15-17
    2.2.1 UHF RFID系统电磁场原理  15
    2.2.2 UHF RFID系统数据能量传输  15-17
  2.3 无源UHF RFID标签芯片  17-20
    2.3.1 无源UHF RFID标签芯片系统构成  17-18
    2.3.2 无源UHF RFID标签芯片能量获取  18-20
  2.4 太阳能电池供电的UHF RFID标签  20-23
第三章标准CMOS工艺兼容太阳能电池研究  23-43
  3.1 常规硅太阳能电池  23-26
    3.1.1 太阳能电池工作原理  23-24
    3.1.2 太阳能电池特性参数  24-26
  3.2 标准CMOS工艺  26-28
  3.3 CMOS工艺兼容太阳能电池设计  28-35
    3.3.1 基于NWELL/P-SUB型PN结的CMOS太阳能电池  29-31
    3.3.2 基于N+/P-SUB型PN结的CMOS太阳能电池  31
    3.3.3 基于N+/PWELL型PN结的CMOS太阳能电池  31-33
    3.3.4 基于P+/NWELL型PN结的CMOS太阳能电池  33-34
    3.3.5 基于P+/DNWELL型PN结的CMOS太阳能电池  34-35
  3.4 CMOS太阳能电池模型分析  35-38
  3.5 CMOS太阳能电池串联设计  38-43
    3.5.1 两级P+/NWELL型太阳能电池串联  38-40
    3.5.2 P+/NWELL型与N+/P-SUB型串联太阳能电池  40-41
    3.5.3 三级CMOS太阳能电池串联  41-43
第四章 CMOS太阳能电池模型仿真  43-51
  4.1 仿真软件介绍  43-45
  4.2 CMOS太阳电池器件仿真  45-50
    4.2.1 光照时间变化仿真  45-49
    4.2.2 光照强度变化仿真  49-50
  4.3 仿真结果总结  50-51
第五章 CMOS太阳能电池版图实现  51-56
  5.1 UMC 0.18μm CMOS工艺太阳能电池  51-53
    5.1.1 单级CMOS太阳能电池版图  52
    5.1.2 串联CMOS太阳能电池版图  52-53
  5.2 CSMC 0.18μm CMOS工艺太阳能电池  53-56
    5.2.1 单级CMOS太阳能电池版图  54-55
    5.2.2 串联CMOS太阳能电池版图  55-56
第六章 CMOS太阳能电池测试结果  56-66
  6.1 太阳能电池测试平台简介  56-57
  6.2 CMOS太阳能电池测试  57-66
    6.2.1 基于UMC 0.18μm CMOS工艺的太阳能电池测试  57-61
    6.2.2 基于CSMC 0.18μm CMOS工艺的太阳能电池测试  61-66
第七章总结与展望  66-68
参考文献  68-71
发表论文和参加科研情况说明  71-72
致谢  72

基于标准CMOS工艺的UHFRFID标签片上集成太阳能电池设计

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