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系統識別號 U0002-2708200915342500
中文論文名稱 線性微波天線之設計及其電漿 電性研究
英文論文名稱 Design of Linear Microwave Antenna and its Plasma Electrical Characteristics
校院名稱 淡江大學
系所名稱(中) 物理學系碩士班
系所名稱(英) Department of Physics
學年度 97
學期 2
出版年 98
研究生中文姓名 蕭明澤
研究生英文姓名 Ming-Ze Shiao
學號 695210418
學位類別 碩士
語文別 中文
口試日期 2009-07-17
論文頁數 67頁
口試委員 指導教授-林諭男
委員-張經霖
委員-鄭秀鳳
中文關鍵字 太陽電池  微波電漿輔助化學沉積  保角映射 
英文關鍵字 Solar Cells  MPECVD  Conformal Mapping 
學科別分類 學科別自然科學物理
中文摘要 薄膜太陽能電池鍍膜設備主要為PECVD (電漿輔助化學汽相沉積;Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition)設備,微波線型PECVD適合用於大面積鍍膜,並具有電漿密度高,離子能量低的優點,但也伴隨發生駐波效應、導波阻抗匹配與矽汙染的問題,本研究目標是設計新的線型微波天線來解決上述困難。
線型微波天線透過高頻結構模擬器(High Frequency Structure Simulator ; HFSS)模擬電場分佈情形,發現改變腔體體積與位置能避免駐波效應發生;並利用Conformal Mapping (保角變換)得到不同開口線性天線之特性阻抗,配合Waveguide-to-Coaxial Design (導波管到同軸設計)再搭配Chebyshev做阻抗匹配;最後設計石英雙層管得知加上擋板後能避免矽汙染並由流體模擬軟體Fluent觀察其氣流分佈。
線性微波天線電漿源之設計完成後,經由實作製造,可產生線性電漿。
感謝國家高速網路與計算中心提供軟硬體資源,使本研究得以順利進行。
英文摘要 The major equipment of thin film silicon cells is Plasma Enhance Chemical Vapor Deposition (PECVD). Microwave linear PECVD is used for large area deposition, and have advantages of high plasma density and low ion energy. But it follows some questions of standing wave effect, impedance matching and polluted silicon. The study is trying to design a new linear microwave antenna to solve these difficulties.
The filed distribution of linear microwave antenna simulated by High Frequency Structure Simulator (HFSS). The change of chamber volume and position can to avoid standing wave effect. Utilizing Conformal Mapping can get impedance of different angular slot linear antenna, then we can complete impedance matching by Waveguide-to-Coaxial Design and Chebyshev table. The last is to design a coaxial quartz tube, and add a partition to avoid polluted silicon, and getting gas distribution by Fluent.
After finishing linear microwave antenna design and making ,it can produce linear plasma.
We are grateful to the National Center for High-performance
Computing for computer time and facilities.
論文目次 目錄
第一章 緒論 1
1.1 研究目的 1
1.2 矽晶(c-Si)太陽電池發電原理簡介 2
1.3 矽薄膜型(a-Si:H)太陽電池發電原理簡介 6
第二章 電漿輔助化學汽相沉積(PECVD)設備研究與設計 10
2.1 線性微波電漿源 10
2.2 研究方向 12
2.3 設計概念 12
2.4 研究內容 13
第三章 線性天線之特性阻抗與電漿介電常數 15

3.2 電漿介電常數 19
第四章 模擬方式 20
4.1 線性天線電磁場模擬前處理 20
4.2 線性天線電磁場模擬後處理 21
4.3 石英雙層管流場模擬 24
第五章 模擬結果 26
5.1 線性天線之開口角度與輻射 26
5.2 階梯型與曲線型線性天線 32
5.3 線性天線在電漿環境下的電場分佈 35
5.4 Waveguide-to-Coaxial Design (導波管到同軸設計) 36
5.5 阻抗匹配 38
5.6 線性微波天線設計 40
5.7 石英雙層管之流體設計 44
5.8 線性微波天線電漿源 47
第六章 結果與討論 49
附錄A Conformal Mapping (保角映射)介紹 50
附錄B 電漿介電常數推導 63
參考文獻 66
圖表目錄
圖1.2.1 p型與n型半導體 3
圖1.2.2 (a)空乏區,(b)電子電洞的擴散與漂移 5
圖1.2.3 pn接面 5
圖1.3.1 懸浮鍵 6
圖1.3.2 矽薄膜吸收係數圖 8
圖1.3.3 多層矽薄膜太陽電池結構 9
圖2.1.1 線性微波電漿源系統 10
圖 2.1.2 線性微波電漿源簡視圖 11
圖 2.3.1 微波電漿源模型 13
圖 2.4.1 不同開口角度的線性微波天線 14
圖 2.4.2 單位長度之石英雙層管 14
圖 3.1.1 線性天線之特性阻抗計算流程圖 17
圖 3.1.2 SC Toolbox 使用步驟 17
圖 3.1.3 計算特性阻抗與文獻對照圖 18
圖 3.1.4 線性天線之特性阻抗 19
圖4.1.1 線性天線尺寸與其放在空氣腔體內邊界條件設置 20
圖 4.2.1 測量線量測之電場圖 21
圖4.2.2 開口180度的線性天線電場截面圖 22
圖4.2.3 S參數定義 23
圖4.3.1 單位長度石英雙層管剖面尺寸圖 24
圖 4.3.2 石英雙層管實際結構圖 25
圖 4.3.3 石英雙層管流場模擬結構圖 25
表1 線性天線不同開口角度之電場輻射 26
圖5.1.1 外導體半徑R=15 mm與開口15度之電場 27
圖5.1.2 外導體半徑R=15 mm與開口90度之電場 28
圖5.1.3 外導體半徑R=30 mm與開口15度之電場 29
圖5.1.4 外導體半徑R=30 mm與開口90度之電場 30
圖5.1.5 開口從30、60…300度的之電場強度 31
圖 5.2.1 (a) 階梯狀開口同軸電纜結構圖,(b) 電場分布圖 32
圖 5.2.2 不同觀察位置的相對電場圖 33
圖 5.2.3 不同角度曲線型線性天線電場分佈圖 34
圖5.3.1 (a)在開口下方2mm處量電場,(b)電場分佈情形 35
圖5.3.2 在開口下方2mm以下往x方向電場衰減情形 36
圖 5.4.1 Waveguide-to-Coaxial Design 37
圖 5.4.2 S21 分佈圖 38
圖 5.5.1 Conformal Mapping配合Chebyshev 39
圖5.6.1 Waveguide-to-Coaxial +梯型線性天線 40
圖5.6.2 電場分布圖 41
圖5.6.3 場形圖 41
圖5.6.4 Waveguide-to-Coaxial +曲線型線性天線 42
圖5.6.5 場形圖 42
圖5.6.6 兩種尺寸不同的金屬腔體 43
圖 5.7.1 壓力圖 45
圖 5.7.2 流速分析圖 45
圖 5.7.3 (a)加入擋板後,及其(b)流速圖 46
圖 5.8.1 線性微波天線電漿源細部結構圖 47
圖 5.8.2 (a)線性微波天線電漿源,(b)氬氣電漿 48
圖A.1.1 曲線映射 50
圖A.1.2 圓與線之間的映射 51
圖A.2.1 曲線C1與C2與C1’與C2’切線之夾角ϕ相同 53
圖A.2.2 圓區域與長方型區域的轉換 54
圖A.3.1 從Z平面的上半平面映射到多邊形的內部區域 55
圖A.4.1 上面有導體覆蓋之微帶線的截面 56
圖A.4.2 (a)在 w平面計算Cr考慮的部份,(b)從(a) w平面轉換到z
平面 57
圖A.4.3 容易計算Cr 的方型多邊形結構 59
參考文獻 參考文獻
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[15]David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Wiley; 3 edition, pp. 109-113.

[16]David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Wiley; 3 edition, p254.

[17]David M. Pozar, “Microwave Engineering”, Wiley; 3 edition, pp. 54-57.
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