@misc{10481/94929,
year = {2024},
url = {https://hdl.handle.net/10481/94929},
abstract = {In the rapidly evolving landscape of modern technology, the unprecedented expansion of
connectivity and communication demands innovative solutions. The advanced requirements
of 5G and future wireless communication systems, along with the proliferation of
Internet of Things (IoT) devices, are increasingly constrained by the physical limitations
of conventional electronic technologies. Consequently, the exploration of novel emerging
materials has become a crucial focus of research over the past two decades, driving
the development of next-generation high-frequency (HF) electronics.
Within this search, graphene, a two-dimensional material with great mechanical and
electrical properties, has revolutionized the electronic research world since its isolation
for the first time in 2004. Thanks to its high carrier mobility and saturation velocity,
it has been proofed to be a great candidate for the development of HF circuits, able
to provide high cutoff and maximum oscillation frequencies, two figures of merit that
evaluate the HF performance of a transistor.
In this context, this Thesis presents the design and assessment of two-dimensional
(2D) material-based radiofrequency (RF) circuits. The goal of the Thesis consists in
demonstrating different RF building-block circuits that profit and exploit the unique
properties of graphene for HF electronics, making use of two graphene-based electronic
devices: the graphene field-effect transistor (GFET), and the metal-insulator-graphene
(MIG) diode. More specifically, this Thesis demonstrates the analysis, design, and validation
of phase shifters, power gain amplifiers, frequency multipliers and oscillators.
For the phase shifter designs, one of the special properties of graphene, the so-called
graphene’s quantum capacitance tunability, is used, allowing to change the capacitance
of the device, either in a GFET or a MIG diode, with respect to the applied voltage. For
the design, two different topologies are proposed: in the case of the GFET, a commonsource
amplifier topology is adopted, where 3D maps of the transmission S parameter
with respect to drain to source and gate to source potentials are represented, showing
the ability to produce a phase shift on the input signal while keeping its amplitude
constant, and even providing gain. In the case of the MIG diode, a periodic structure
topology is proposed: a novel analysis of this type of structures is first shown, exposing
how the response of the structure can be controlled with the aim of maximizing the
phase shift, while keeping a minimum insertion loss (IL). The topology can also be
partially used in different circuit topologies like filters.
With respect to the power gain amplifier design, the objective is to demonstrate the
ability of GFETs to provide power gain at high frequencies even when their voltage gain
is lower than unity, due to the lack of a clear saturation region. For that matter, the
gain expressions used in the high frequency design procedures, such as the maximum available gain and the maximum stable gain, have been thoroughly analyzed, and it has
been shown that the dependence of the power gain on the output conductance is not as
strong as it is commonly considered. GFET-based power gain amplifier designs providing
HF power gain with the devices working at different high and low values of the output
conductance are demonstrated.
Graphene’s ambipolarity is also leveraged for a frequency multiplier design. First, it
is shown that it is possible to attain a frequency doubler by applying an input signal at
the gate of the GFET, if properly biased at the Dirac point, due to its V-shaped transfer
curve. Furthermore, the Dirac point shift is unveiled to depend on the drain plus the
source voltage, which displaces the minimum conduction point of the transfer curve.
This effect is exploited by series connecting two GFETs with a resistor in the middle,
which thus produces a different Dirac point on each transistor, producing a W-shaped
transfer curve in the circuit, which enables frequency tripling and quadrupling.
Finally, the design of a negative-resistance oscillator is demonstrated. This design,
addressed during a research stay at Chalmers University of Technology, demonstrates
the ability of GFETs to provide enough instability so to design an oscillator, which is an
indispensable block in any wireless transmitter or receiver. The circuit is designed in
the X-band, at 10 GHz, and includes a feedback inductor so as to increase the instability
of the transistor, a purely reactive terminating impedance, in order to minimize power
consumption, and a matching network which also serves as a low pass filter in order to
reduce higher order harmonics.
In addition to the design work, both devices used for the designs have been fabricated
and characterized as part of the development of the Thesis. In particular, GFETs were
fabricated through a research collaboration as part of an European project, the 2D Experimental
Pilot Line (2DEPL), and then characterized at the facilities of the Pervasive
Electronics Advanced Research Laboratory (PEARL), and for the MIG diode, the fabrication
was self-made during a research stay at the non-profit research company AMO
GmbH in Aachen, Germany. Devices theoretical description, fabrication process and
characterization is addressed.
In conclusion, this Thesis shows the possibility of designing RF circuits with graphenebased
devices, namely GFETs, and MIG diodes, paving the way towards the realization
of complete RF systems in this technology.},
abstract = {En el panorama en rápida evolución de la tecnología moderna, la expansión sin precedentes
de la conectividad y la comunicación exige soluciones innovadoras. Los avanzados
requisitos de las redes 5G y de los sistemas de comunicación inalámbrica futuros,
junto con la proliferación de dispositivos del Internet de las Cosas (IoT, por sus siglas en
inglés), están cada vez más limitados por las restricciones físicas de las tecnologías electrónicas
convencionales. En consecuencia, la exploración de nuevos materiales emergentes
se ha convertido en un punto crucial de investigación durante las últimas dos
décadas, impulsando el desarrollo de la próxima generación de electrónica de alta frecuencia
(HF, por sus siglas en inglés).
Dentro de esta búsqueda, el grafeno, un material bidimensional con excelentes propiedades
mecánicas y eléctricas, ha revolucionado el mundo de la investigación electrónica
desde su aislamiento por primera vez en 2004. Gracias a su alta movilidad de portadores
y velocidad de saturación, se ha demostrado que es un excelente candidato para el
desarrollo de circuitos de HF, capaces de proporcionar altas frecuencias de corte y de
oscilación máxima, dos figuras de mérito que evalúan el rendimiento en alta frecuencia
de un transistor.
En este contexto, esta Tesis presenta el diseño y evaluación de circuitos de radiofrecuencia
(RF) basados en materiales bidimensionales (2D). El objetivo de la Tesis consiste
en demostrar diferentes circuitos fundamentales de RF que aprovechen y exploten
las propiedades únicas del grafeno para la electrónica de alta frecuencia, utilizando
dos dispositivos electrónicos basados en grafeno: el transistor de efecto de campo de
grafeno (GFET, por sus siglas en inglés) y el diodo metal-aislante-grafeno (MIG, por sus
siglas en inglés). Más específicamente, se demuestra el análisis, diseño y validación de
desfasadores, amplificadores de ganancia de potencia, multiplicadores de frecuencia y
osciladores.
Para el diseño de los desfasadores, se utiliza una de las propiedades del grafeno, la
llamada sintonización de la capacidad cuántica del grafeno, que permite la modificación
de la capacidad del dispositivo, ya sea en un GFET o en un diodo MIG, en función del
voltaje aplicado. Para el diseño, se proponen dos topologías diferentes: en el caso del
GFET, se adopta una topología de amplificador de fuente común, donde se representan
mapas 3D del parámetro S con respecto a los potenciales de drenador a fuente y de
puerta a fuente, mostrando la posibilidad de producir un cambio de fase en la señal de
entrada mientras se mantiene constante su amplitud e incluso proporcionando ganancia.
En el caso del diodo MIG, se propone una topología de estructura periódica: primero se
muestra un novedoso análisis de este tipo de estructuras, exponiendo cómo se puede
controlar la respuesta de la estructura con el objetivo de maximizar el cambio de fase, manteniendo una mínima pérdida de inserción (IL). La topología planteada también
puede ser utilizada en diferentes tipos de circuitos, como por ejemplo en el diseño de
filtros.
Con respecto al diseño del amplificador, el objetivo es demostrar la capacidad de los
GFETs para proporcionar ganancia de potencia a altas frecuencias, incluso cuando, debido
a la falta de una región de saturación, su ganancia de voltaje es inferior a la unidad.
Para ello, se han analizado en detalle las expresiones de ganancia utilizadas en los procedimientos
de diseño de alta frecuencia, como la ganancia máxima disponible y la
ganancia máxima estable, y se ha demostrado que su dependencia con respecto a la
conductancia de salida no es tan fuerte como se considera comúnmente. Así, se demuestran
diseños de amplificadores basados en GFETs que proporcionan ganancia de
potencia a alta frecuencia para valores distintos, altos y bajos, de la conductancia de
salida. La ambipolaridad del grafeno también se aprovecha para el diseño de un multiplicador
de frecuencia. En primer lugar, se demuestra que es posible implementar un doblador
de frecuencia aplicando una señal de entrada en la puerta del GFET, si se polariza adecuadamente
en el punto de Dirac, debido a su curva de transferencia en forma de V.
Además, se muestra que el desplazamiento del punto de Dirac depende de la suma del
voltaje de drenador y de fuente, lo que desplaza el punto de mínima conducción de la
curva de transferencia. Este efecto se explota conectando en serie una resistencia entre
dos GFETs, lo que produce un punto de Dirac diferente en cada transistor, dando lugar
a una curva de transferencia en forma de W en el circuito. Polarizando adecuadamente,
esto permite triplicar y cuadruplicar la frecuencia de entrada.
Finalmente, se demuestra un oscilador de resistencia negativa. Este diseño, abordado
durante una estancia de investigación en la Universidad Tecnológica de Chalmers,
demuestra la capacidad de los GFETs para proporcionar suficiente inestabilidad para
diseñar un oscilador, un bloque indispensable en cualquier transmisor o receptor inalámbrico.
El circuito se diseña en la banda X, a 10 GHz, e incluye una bobina de
realimentación para aumentar la inestabilidad del transistor, una impedancia terminal
puramente reactiva, para minimizar el consumo de potencia, y una red de adaptación
que también actúa como un filtro paso bajo para reducir los armónicos de orden superior.
Además del trabajo de diseño, ambos dispositivos utilizados para los diseños han sido
fabricados y caracterizados como parte del desarrollo de la Tesis. En particular, los
GFETs se fabricaron a través de una colaboración de investigación como parte de un
proyecto europeo, la 2D Experimental Pilot Line (2DEPL), y luego se caracterizaron
en las instalaciones del Laboratorio de Investigación Avanzada en Electrónica Pervasiva
(PEARL, por sus siglas en inglés), y para el diodo MIG, la fabricación se realizó de
manera autónoma durante una estancia de investigación en la empresa de investigación
sin ánimo de lucro AMO GmbH en Aquisgrán, Alemania. Se aborda la descripción teórica
de los dispositivos, el proceso de fabricación y su caracterización.
En conclusión, esta Tesis muestra la posibilidad de diseñar circuitos de RF con dispositivos
basados en grafeno, a saber, GFETs y diodos MIG, allanando el camino hacia la
realización de sistemas RF completos en esta tecnología.},
organization = {Tesis Univ. Granada.},
publisher = {Universidad de Granada},
title = {Design and assessment of 2D material-based radiofrequency circuits},
author = {Medina Rull, Alberto},
}