Towards real-time terahertz passive imaging in silicon technologies
Creators: name: Andree, Marcel
Publisher: name: Bergische Universität Wuppertal
Year: 2023

description: Passive Bildgebung beschreibt die Bildkonstruktion durch Messung der natürlichen Wärmestrahlung einer Szene oder eines Objekts und wird häufig in der Radioastronomie oder bei Sicherheitsüberprüfungen eingesetzt. Die Empfindlichkeit eines passiven Bildgebungssystems wird als rauschäquivalente Temperaturdifferenz (NETD) ausgedrückt, welche der minimal auflösbaren Temperaturdifferenz entspricht. Im Infrarotbereich (IR) und Millimeterwellenbereich (mmWave) sind bereits kommerziell vermarktete Systeme erhältlich. Diese verfügen allerdings nicht über eine Auflösung im Submillimeterbereich oder eine ausreichende Eindringtiefe in gängige Materialien. Terahertz-Wellen (THz) im Frequenzbereich von 100~GHz bis 10~THz, die bekannt dafür sind verschiedene Materialen zu durchdringen, bieten beides. Daher sind sie ein perfekter Kandidat für die passive Bildgebung. Aufgrund der hohen Anforderungen an Empfindlichkeit und Bandbreite benötigen die meisten passiven THz Bildgebungssysteme eine kryogene Kühlung oder basieren auf vergleichsweise großen III-V Schaltungen integriert in Split-Block Wellenleitern. Diese Nachteile können durch Siliziumtechnologien überwunden werden, da sie kostengünstige, miniaturisierte integrierte Schaltungen (ICs) und eine hohe Ausbeute bieten. Zu diesem Zweck werden in dieser Arbeit die grundlegenden Anforderungen an die passive Bildgebung im THz-Frequenzbereich anhand der wichtigsten Systemparameter wie Bandbreite, rauschäquivalente Leistung (NEP) und Integrationszeit untersucht. Weitergehend wird die Realisierung und Analyse der grundsätzlichen Grenzen von passiven bildgebenden Systemen im THz-Frequenzbereich mit ungekühlten, inkohärenten, siliziumintegrierten Silizium-Germanium (SiGe) Heteroübergangs - Bipolartransistor (HBT) Empfängerschaltungen untersucht. Die zentralen Beiträge dieser Dissertation lassen sich in zwei technologieabhängige Teile gliedern.
description: Passive imaging describes the image construction by measuring a scene or an object's naturally occurring heat radiation and is often applied in radio astronomy or security screening. The sensitivity of such a passive imaging system is expressed as noise equivalent temperature difference (NETD), the minimum resolvable object temperature difference. Well-known systems are already commercially available in the infrared (IR) and millimeter wave (mmWave) frequency range, but either lack a sub-millimeter resolution or sufficient penetration depth into common materials. By providing both, Terahertz (THz) waves defined in the frequency range from 100~GHz to 10~THz, known for their 'see-through' capability through many common materials, are a perfect candidate for passive imaging. Due to the challenging demands in sensitivity and bandwidth, most THz passive imaging systems require cryogenic cooling or are bulky III-V-based split-block assemblies. These drawbacks can be overcome by silicon technologies, which offer low-cost, miniaturized integrated circuits (ICs) and a high yield. For this purpose, this thesis presents the fundamental requirements for passive imaging in the THz frequency range based on the most important system parameters such as bandwidth, noise equivalent power (NEP), and integration time. Further, the realization and analysis of the fundamental limitations of passive imaging systems operating in the THz frequency range with uncooled, incoherent, silicon-integrated silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistor (HBT) receiver circuits are studied. The central contributions of this work can be divided into two technology-dependent parts.