《電子技術應用》
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太赫茲固態放大器研究進展
2019年電子技術應用第8期
郭方金,王維波,陳忠飛,孫洪錚,周細磅,陶洪琪
南京電子器件研究所,江蘇 南京210016
摘要: 隨著半導體技術的發展,晶體管特征頻率不斷提高,已經進入到太赫茲(THz)頻段,使得固態器件可以在THz頻段工作。THz放大器可以將微弱的信號進行放大,在THz系統中起著關鍵作用。介紹了基于氮化鎵(Gallium Nitride,GaN)高電子遷移率晶體管(High Electron Mobility Transistor,HEMT)器件、磷化銦(Indium Phosphide,InP)HEMT器件和InP異質結雙極晶體管/雙異質結雙極晶體管(InP Heterojunction Bipolar Transistor/Double Heterojunction Bipolar Transistor,HBT/DHBT)器件的THz單片放大器研究進展。
中圖分類號: TN722.1
文獻標識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.199801
中文引用格式: 郭方金,王維波,陳忠飛,等. 太赫茲固態放大器研究進展[J].電子技術應用,2019,45(8):19-25.
英文引用格式: Guo Fangjin,Wang Weibo,Chen Zhongfei,et al. Research progress of THz solid state amplifier[J]. Application of Electronic Technique,2019,45(8):19-25.
Research progress of THz solid state amplifier
Guo Fangjin,Wang Weibo,Chen Zhongfei,Sun Hongzheng,Zhou Xibang,Tao Hongqi
Nanjing Electronic Devices Institute,Nanjing 210016,China
Abstract: With the development of semiconductor technology, characteristic frequency of transistors have been improving so far and into THz frequency range, which makes it possible for solid state devices to work in THz frequency range. THz amplifier plays a key role in THz system because of its function amplifying weak THz signals. This paper introduces the latest research progress of THz monolithic amplifier based on Gallium Nitride(GaN) High Electron Mobility Transistor(HEMT),Indium Phosphide(InP) HEMT and InP Heterojunction Bipolar Transistor/Double Heterojunction Bipolar Transistor(HBT/DHBT).
Key words : THz;solid state devices;monolithic amplifier

0 引言

    廣義上,太赫茲(THz)波指頻率處于100 GHz~10 THz(即對應波長為3 mm~30 ?滋m)范圍內的電磁波。太赫茲波處在毫米波到紅外之間的過渡區域,是宏觀經典理論向微觀量子理論的過渡,如圖1所示[1]。由于大功率源以及相關檢測設備的缺乏,這個頻段很長一段時間沒有被科學家和工程師進行相關研究,被稱為“太赫茲空隙”(THz gap)[1-6]

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    由于處于微波和光波之間的位置,太赫茲波綜合了電子學以及光子學的一些特征,同時又有著它獨特的特性:(1)穿透性:太赫茲波可以以不同的衰減率穿過不同介質。大氣對于太赫茲波有著復雜的吸收作用,在0.1 THz~1 THz之間的太赫茲頻段分布著多個大氣窗口,如140 GHz、220 GHz、340 GHz、410 GHz、667 GHz等頻率附近為大氣窗口。(2)分辨率:成像分辨率隨著電磁波波長減小而提高,將太赫茲波用于成像時分辨率好于微波。(3)光譜學:不同固體和氣體材料對0.5 THz~3 THz的太赫茲波有不同的光譜特征,許多生物蛋白、半導體中電子和納米結構共振頻率落在太赫茲頻段,使得太赫茲波可以用于材料無損檢測。(4)非電離性:因為太赫茲波光子能量低,并不會激發物體電離效應,使得太赫茲波應用具有安全性。

    正是因為以上特性,使得太赫茲波在太赫茲通信、太赫茲成像、無損探測、雷達、電子對抗和精確制導等方面有廣闊的應用空間。體積小并且能夠產生足夠輸出功率、頻率靈敏度的太赫茲源是太赫茲技術發展面臨的最大瓶頸之一。在電子學向光學過渡的太赫茲頻段,信號可以由電真空器件、固態器件以及光學技術等多種方法產生,如圖2所示[1]。其中電真空器件能產生足夠高的輸出功率,但是體積較大,工作需要高電壓,使用壽命和長期可靠性差;光學太赫茲源具有極寬的輸出頻譜,且可調諧性能較好,輸出功率也較高;而固態器件的主要優點是體積小、集成度高、可靠性高、規模化生產后成本低且供電要求低。

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    固態器件主要指采用基于半導體的固態電子器件構成的微電子集成電路,這些電路可以實現太赫茲源,以及對太赫茲信號進行混頻、倍頻和放大等功能,實現對特定頻率的太赫茲波的產生與探測。目前通過固態器件可以獲得頻率超過2 THz的太赫茲源和達到THz的信號探測和處理[6]。在太赫茲系統中,由于信號很微弱,因此增益和輸出功率是THz系統最為重要的資源。放大器可以將微弱的太赫茲信號進行放大,它決定了系統的作用距離、抗干擾能力以及通信質量和靈敏度,是太赫茲系統最關鍵的部件之一,用各類半導體實現的固態放大器可以使太赫茲系統集成度高、體積小、重量輕、能耗低。所以,太赫茲固態放大器成為了最具發展和應用前景的太赫茲電路。

    本文將介紹基于化合物半導體的太赫茲固態放大器的研究進展,重點介紹基于GaN HEMT工藝、InP HEMT工藝和InP HBT/DHBT工藝的太赫茲單片放大器研究進展。

1 半導體材料和器件分類

    按照時間順序,可以將以Ge、Si為代表的半導體劃為第一代半導體,第一代半導體以大的晶體尺寸和窄的線條寬度為技術水平標志,其產品以大規模、超大規模集成電路為代表,覆蓋了絕大部分的電子產品,推動了信息社會的快速發展。以砷化鎵(GaAs)、InP等Ⅲ-Ⅴ族化合物為代表的半導體可以劃為第二代半導體,第二代半導體以通信速度、信息容量和存儲密度為技術水平標志,其產品形式以微波、光發射和接收器件為主,大大推動了微波、光通信產業的發展。以碳化硅(SiC)、GaN、氮化鋁(AlN)以及金剛石為代表的化合物可以劃為第三代半導體,第三代半導體主要以寬禁帶材料為主,禁帶寬度一般介于2 eV~7 eV之間。表1列出了Si、鍺化硅(SiGe)、GaAs、InP以及GaN半導體材料的特性參數,可以看出,與第一代、第二代半導體相比,由于固有的寬禁帶寬度、高熱導率、高二維電子氣濃度、快的電子遷移率、高的擊穿電場等特性,使得以寬禁帶半導體材料為基礎的第三代半導體器件具有大功率密度、抗輻射、耐高溫、超高頻等優異性能[7-8]

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    用于太赫茲頻段放大器的半導體器件,可以按照半導體材料簡單地分成兩類,一類是Si基器件,另一類是Ⅲ-Ⅴ族化合物基器件。Si基器件主要為互補金屬氧化物半導體(Complementary Metal Oxide Semiconductor,CMOS)器件和SiGe雙極互補金屬氧化物半導體(Bipolar CMOS,BiCMOS)器件,Ⅲ-Ⅴ族化合物器件主要包括GaAs贗配型高電子遷移率晶體管(Pseudomorphic HEMT,PHEMT)器件、GaAs改性高電子遷移率晶體管(Metamorphic HEMT,MHEMT)器件、InP HEMT器件、InP HBT器件和GaN HEMT器件。

    在100 GHz以下頻段,尤其是RF頻段,Si基器件在半導體市場中占據主導地位,然而在太赫茲頻段應用時,Ⅲ-Ⅴ族化合物基器件比Si基器件更有優勢,主要表現在:

    (1)Ⅲ-Ⅴ族化合物基器件比Si基器件有更高的電子遷移率,所以使得化合物基器件可以工作在更高的頻率;

    (2)Ⅲ-Ⅴ族化合物基襯底材料電阻率比Si基襯底材料的電阻率高幾個數量級,所以在Ⅲ-Ⅴ族化合物基襯底上制作的傳輸線、電感等損耗更低,尤其對于功率放大器而言,低電阻率的襯底可以降低器件效率,由于趨膚效應引起的寄生參數和襯底損耗可以使得最大振蕩頻率fMAX下降至少36%~50%,也會降低器件在高頻的增益[9]

    (3)Ⅲ-Ⅴ族化合物基材料往往是寬帶隙材料,所以Ⅲ-Ⅴ族化合物基器件一般比Si器件具有更大的擊穿電壓。

    然而相比Si基器件,Ⅲ-Ⅴ族化合物基器件也有自己明顯的劣勢,主要表現在電路集成度低、成本高、長期可靠性差、器件模型不夠精確和可用仿真軟件少等。

    雖然Si基器件主要應用在100 GHz以下頻段,但是隨著工藝的進步,器件特征尺寸越來越小,器件最大振蕩頻率越來越高,使得Si基器件也可以應用在太赫茲頻段。另外,CMOS絕緣襯底上硅(Silicon on Insulator,SOI)技術和SiGe技術可以從很大程度上減少襯底損耗,并且SiGe器件也可以提供大的功率密度,這些改善都使得Si基器件在太赫茲頻段的應用非常有潛力,只不過目前從性能上來說,Ⅲ-Ⅴ族化合物基器件仍然優于Si基器件。

2 基于GaN HEMT器件的太赫茲放大器研究進展

    20世紀90年代中期GaN HEMT誕生。GaN是寬禁帶材料,具有電子飽和速度高、擊穿場強高、SiC襯底導熱性好、抗輻照等特點,且在AlGaN/GaN界面上存在自極化和壓電等新的物理效應,其二維電子氣密度高達2×1013 cm-2,因此GaN HEMT器件具有高功率密度的能力。但是,由于GaN相對較低的電子遷移率、頻率特性不是很好,因此GaN HEMT器件可以用來進行THz低頻段功率放大器的設計。

    美國HRL實驗室在GaN HEMT器件和電路的研究上處于國際領先地位,該實驗室報道的用于毫米波、THz頻段的GaN HEMT T型柵器件性能如表2所示,表中列出了3種不同柵長T型器件的電流增益截止頻率fT、最大振蕩頻率fMAX、擊穿電壓Vbrk和50 GHz處最小噪聲系數Fmin。其中T4A器件fT=329 GHz和fMAX=558 GHz為目前已知的具有最高電流增益截止頻率和最大振蕩頻率的GaN HEMT器件。

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    2014年,文獻[10]報道了HRL實驗室應用T3器件設計的單級G波段功率放大器,放大器測試結果表明,輸出功率密度296 mW/mm,電路增益4.5 dB,效率3.5%,這是報道的第一款GaN G波段功率放大器。文獻[11]報道了采用同樣的T3器件,實現了一款110~170 GHz的寬帶功率放大器,增益>25 dB,噪聲系數大約6 dB,飽和輸出功率12 dBm,可以看出GaN HEMT器件不僅具有高的飽和輸出功率,而且具有相對較小的噪聲系數。文獻[12]報道了采用T2器件設計的G波段功率放大器,電路采用4級電路結構,每級管芯大小為4 μm×25 μm,電路在149 GHz處有最大增益8.7 dB,測得芯片最大輸出功率為18.2 dBm,這是已報道的G波段最大輸出功率的GaN MMIC功放。

    應用GaN HEMT器件的太赫茲功率放大器報道很少,除了HRL實驗室的上述相關報道外,大部分報道集中在太赫茲頻段低端,也就是100 GHz附近。2006年,HRL實驗室在文獻[13]中第一次報道了W波段GaN功放,從此,關于W波段的GaN功放報道逐漸增多。2010年HRL實驗室報道了一款W波段功放,連續波條件下飽和輸出功率為842 mW,功率附加效率為14.7%,功率增益為9.3 dB[14]。2015年Quinstar公司報道了一款寬帶的W波段功放,電路工藝為HRL公司的T2工藝,芯片采用片上行波功率合成網絡,連續波工作條件下,在75~100 GHz頻段最小輸出功率為2 W,峰值輸出功率為3 W,脈沖工作狀態下峰值輸出功率為3.6 W。芯片照片如圖3所示[15]

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    2017年德國IAF(Fraunhofer Institute for Applied Solid-State Physics)研究所報道了第一款采用三維柵GaN HEMT器件的W波段功放,采用三維柵結構器件可以有效克服傳統平面柵引起的短溝道效應。報道的功放在86~94 GHz頻段輸出功率為30.6 dBm,功率附加效率為8%,功率增益為12 dB[16]

    2018年美國加州大學圣巴巴拉分校報道了一款N-ploar型GaN HEMT器件,器件柵長為75 nm,fT=113 GHz,fMAX=238 GHz,工作電壓20 V時,功率密度為8 W/[email protected] GHz,是目前為止報道的W波段最高功率密度的GaN器件[17]

    與國外相比,國內在太赫茲GaN功放研究方面也取得了一系列成果,與國外差距不大。2016年中國電科55所報道了一款W波段功放[18],采用0.1 μm GaN HEMT器件,器件fT=90 GHz,fMAX=210 GHz,芯片在90 GHz最大輸出功率為1.17 W,功率附加效率為13 %,功率增益為11 dB,輸出功率密度為2.3 W/mm。2017年中國電科55所又報道了一款平衡式W波段功放[19],功放采用0.1 μm GaN HEMT工藝制造,電路采用三級結構,在88~93 GHz頻段,小信號增益大于15 dB,輸出功率大于2.5 W,91 GHz實現峰值輸出功率3.1 W,輸出功率密度為3.23 W/mm,這是目前為止國內報道的最高功率的W波段功放,功放芯片圖和性能曲線如圖4所示。中國電科13所公布了一款G波段功放產品,在210~220 GHz頻段,小信號增益大于15 dB,輸出功率大于10 dBm。中國電科55所研制的一款G波段功放采用50 nm GaN HEMT工藝,在150~170 GHz頻段,小信號增益大于25 dB,是目前為止國內最高增益的G波段GaN功放。

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3 基于InP HEMT器件的太赫茲放大器研究進展

    InP是重要的Ⅲ-Ⅴ族化合物材料之一,是發展太赫茲頻段芯片的首選材料。由表1可以看出,相比其他材料,InP電子遷移率具有很大優勢,但是禁帶寬度較小,所以InP基器件可以用來進行THz高頻、高增益、低噪聲的小信號放大器設計。InP基器件主要分為InP HEMT和InP HBT兩種,憑借優異的頻率和增益性能,是用于THz芯片設計的最佳選擇。

    近年來基于InP HEMT器件的太赫茲技術發展迅速,已經開發出了100 nm、50 nm、35 nm、30 nm、25 nm柵長的典型器件,器件的fT、fMAX不斷提高,fMAX已經可以達到1.5 THz,已經研制了頻率在0.48 THz、0.67 THz、0.85 THz和大于1 THz的電路,在InP HEMT電路研究方面,美國諾格公司(Northrop Grumman)處在行業領先的位置。

    2008年德國IAF研究所采用50 nm柵工藝技術制備了210 GHz低噪聲單片電路。該工藝采用溝道InGaAs含量為0.8的MHEMT材料,制備的管芯最大電流密度及最大跨導分別達到1 200 mA/mm及1 800 mS/mm。其管芯的fT和fMAX分別可達380 GHz及500 GHz,該電路可在180 GHz~210 GHz頻段內增益達到16 dB,噪聲系數達到4.8 dB[20]。美國諾格公司(Northrop Grumman)2008年研制的35 nm InP HEMT器件,其fMAX達到了1.2 THz。2011年,諾格公司研制的0.65 THz低噪放在629~638 GHz增益達10 dB,在640 GHz其飽和輸出功率達到1.7 mW。該器件采用的是30 nm T型柵,材料是InAs/InGaAs組合溝道,管芯的最大電流密度和最大跨導分別達到900 mA/mm及2 300 mS/mm,其fT和fMAX分別為0.6 THz和1.2 THz[21]。2015年,諾格公司進一步研制的1 THz低噪放,器件采用的是25 nm T型柵,其fT和fMAX分別為0.61 THz和1.5 THz,在1 THz處最大可用增益為3.5 dB。采用該工藝制備的10級CPW集成電路放大器,每級采用2 μm×4 μm管芯結構,測試結果顯示在1 THz處放大器增益為9 dB,在1.05 THz處增益為7 dB,這是目前為止報道的第一款可以工作在大于1 THz的放大器,電路照片和測試結果如圖5所示。該結果表明InP HEMT基放大器在THz高頻段潛力巨大,是未來THz放大器發展的重要方向[22]。2010年諾格公司報道了一款采用亞50 nm InP HEMT工藝的功放,芯片采用8路片上功率合成的方式,在217.5 GHz~220 GHz實現了輸出功率大于50 mW,是目前已報道的最大輸出功率的InP HEMT功放[23]

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    國內在InP HEMT器件和電路方面也進行了許多卓有成效的工作,主要研究單位有中國電子科技集團公司第55、第13研究所、中國科學院微電子研究所等,2016年中國電科第55研究所報道了基于自主70 nm InP HEMT工藝的W波段低噪聲放大器,芯片在75~110 GHz頻段,增益大于20 dB,噪聲系數小于3.5 dB。中國電科55所目前已經成功開發了35 nm InP HEMT工藝,35 nm InP HEMT器件fT>400 GHz,fMAX>550 GHz。中國電科13所報道了基于90 nm InP HEMT工藝的220 GHz低噪聲放大器,增益為20 dB,噪聲系數為7.5 dB。

    總體上,相比國外,國內無論是在InP HEMT工藝水平還是電路性能上都差距比較大,今后還要加強在這一方向的研究。

4 基于InP HBT/DHBT器件的太赫茲放大器研究進展

    InP HBT/DHBT器件由發射極、集電極和基極組成,目前國外InP HBT器件發射極線寬已縮小到250 nm、200 nm、130 nm,fMAX>1 THz。InP HBT器件具有高頻率、高功率的特點,因而可以用來進行THz功放的設計,InP HBT器件還具有相位噪聲低、頻帶寬、集成能力高的特點,因而可以用來進行線性功放和超高速電路的設計,美國Teledyne公司在THz InP HBT電路研究方面處于行業領先的位置。

    2011年美國Teledyne公司報道了130 nm InP DHBT技術,發射區結面積為0.13 μm×2 μm,fT>520 GHz,fMAX>1.1 THz,共發射極擊穿電壓為3.5 V,這是當時HBT器件的最高水平[24]。2013年Teledyne公司報道了采用130 nm InP DHBT工藝研制的670 GHz InP HBT放大器,在600~680 GHz頻段增益為20 dB,在片功率測試表明,585 GHz下飽和輸出功率為-4 dBm,670 GHz時飽和輸出功率為-7.5 dBm,這是已報道的工作頻率最高的放大器[25]。2015年,NGAS公司報道了600 GHz功率放大器,在傳統的200 nm InP HBT器件工藝基礎上將器件結構從InP襯底轉移至SiC襯底,有效降低了HBT的結溫,提高了器件的高頻性能,制作的9級共發射極放大器小信號增益為9 dB,5級共基極放大器小信號增益為19 dB,這是目前報道的工作頻率最高的進行了襯底轉移的放大器[26]。2014年諾格公司報道了一款220 GHz頻段的功率放大器,芯片采用250 nm InP HBT工藝,總的發射極面積為18 μm2,放大器在210~230 GHz頻段實現增益大約5 dB,在210 GHz實現最大飽和輸出功率90 mW,功率附加效率10%,這是在該頻段報道的最大功率附加效率的放大器[27]。2014年Teledyne公司報道了一款200 GHz左右的功放,功放采用250 nm InP HBT工藝,采用低插損的威爾金森功分器實現了3級16路功率單元的合成,芯片在10 dBm注入功率條件下,在210 GHz實現了23.2 dBm的功率輸出,在235 GHz實現了21 dBm的功率輸出,功率增益大于11 dB,在206~243 GHz頻段小信號增益大于24 dB,這是到目前為止第一款報道的在200 GHz以上頻段實現大于200 mW的MMIC芯片,代表了目前THz頻段大功率單片的最高水平[28]

    國內在THz InP HBT/DHBT技術方面起步較晚,研制的電路主要集中在THz低頻段,研究單位主要包括中國科學院微電子研究所、中國電子科技集團公司第55、第13研究所。近年來,國內在InP HBT工藝和器件研究方面不斷進步,器件fT、fMAX不斷提高,InP HBT功率放大器頻率達330 GHz左右,中國電子科技集團公司第55研究所代表了國內最高水平[29]。2013年,55所報道了采用臺面結構和平面化技術在3英寸InP襯底上設計和制作了InGaAs/InP DHBT,fMAX=325 GHz,擊穿電壓為10.6 V,適合開發THz低頻段電路。2015年,該團隊制作出了共基極四指In-GaAs/InP DHBT,發射極線寬縮短為0.5 μm,fMAX提高到535 GHz,擊穿電壓降至4 V[30]。2016年,55所報道了一款140 GHz左右HBT功率放大器,芯片采用0.5 μm InP DHBT工藝,電路拓撲結構采用四級共射放大電路結構,采用威爾金森功分器進行四路功率合成,放大器在140~160 GHz頻段內,小信號增益大于20 dB,140 GHz時飽和輸出功率達13.6 dBm[31]。2018年,55所報道了一款工作在H波段的HBT功率放大器,芯片采用0.5 μm InP DHBT工藝,工作頻帶為275~310 GHz,在300 GHz增益大于7.4 dB,在280 GHz實現最大增益12.5 dB,這是國內報道的第一款工作在H波段的 InP HBT功放[32],芯片圖和S參數測試結果如圖6所示。

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5 結論

    THz固態放大器的發展是基于半導體技術和微波技術的共同進步,目前Ⅲ-Ⅴ族化合物基THz固態放大器的研究已經進入THz頻段,以GaN HEMT、InP HEMT和InP HBT為代表的Ⅲ-Ⅴ族化合物基器件的技術進步推動著固態放大器向THz頻域的不同方向發展。

    GaN HEMT基器件特征尺寸目前已經可以達到20 nm,器件最大振蕩頻率可以達到558 GHz,在G波段已經可以實現18.2 dBm的功率輸出。所以未來一段時間內,GaN HEMT基固態放大器的發展主要集中在THz的低頻段,包括W、D、G甚至H頻段。GaN HEMT基固態放大器除了可以實現高功率放大器外,還可以實現相比GaAs、InP等具有高P-1、耐大功率的低噪聲放大器,是未來實現THz收發一體多功能芯片的首選。

    InP HEMT基器件特征尺寸目前已經可以達到25 nm,器件最大振蕩頻率可以達到1.5 THz,在1 THz處已經研制成功了放大器芯片,增益為9 dB。所以未來InP HEMT基固態放大器是實現THz頻段高頻、低噪聲放大器芯片的第一選擇。另外,在THz低頻段,InP HEMT基固態放大器通過片內合成的方式,也可以實現小功率的放大器芯片。

    InP HBT基器件特征尺寸已經可以達到130 nm,器件最大振蕩頻率大于1.1 THz,已經實現670 GHz頻段 HBT芯片,另外InP HBT基放大器實現了200 GHz附近大于200 mW的功率輸出。所以未來在200 GHz~1 THz頻段進行高功率、高增益、寬帶、高線性放大器研究,InP HBT基放大器一定會成為優先選擇。

    國內在THz固態放大器研究上已經取得了一定的基礎和成果,但是與歐美等發達國家相比,還有很大差距,在THz半導體材料設計、THz器件結構設計、THz器件建模、THz電路設計、THz測試技術以及THz電路可靠性等一系列關鍵技術上,國內還有很大差距,目前國內還沒有可以批量工程化應用的THz芯片。未來,隨著5G/6G技術、物聯網、信息感知等技術的發展,太赫茲技術必將成為影響國民經濟、國防現代化的關鍵技術,未來需要太赫茲領域相關從業者不斷努力,共同推進國內太赫茲技術的進步。

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作者信息:

郭方金,王維波,陳忠飛,孫洪錚,周細磅,陶洪琪

(南京電子器件研究所,江蘇 南京210016)

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