АНАЛИЗ ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫХ СВОЙСТВ НАНОМЕТРОВЫХ МОП-ТРАНЗИСТОРОВ В ДИОДНОМ ВКЛЮЧЕНИИ ПРИ СВЕРХНИЗКИХ НАПРЯЖЕНИЯХ
Аннотация
Успехи микроэлектроники, особенно развитие КМОП-технологии, обеспечили возможность
создания приборов с чрезвычайно низкой потребляемой мощностью. Это позволило разрабатывать
автономные беспроводные приборы, которые обеспечивают с использованием радиоволн не только
прием, обработку и передачу информации, но и получение мощности питания от терминалов. Более
того, для беспроводного и безбатарейного питания может применяться собирание радиочастот-
ной энергии из окружающей среды: энергии излучения станций сотовой связи, радиотелевизионных
станций, СВЧ-печей, Wi-Fi, Bluetooth и др. источников. Для преобразования радиочастотной энергии
в напряжение питания чаще всего применяются выпрямители на основе нанометровых
МОП-транзисторов в диодном включении. Когда устройства с беспроводным питанием находятся
далеко от терминала или собирают энергию для питания из окружающей среды, плотность мощно-
сти электромагнитного поля и, следовательно, амплитуда входного напряжения может быть весь-
ма малой. Поэтому актуальной является задача разработки и исследования таких устройств, спо-
собных работать при очень низких входных напряжениях. Целью исследования является анализ вы-
прямительных свойств диодов на основе нанометровых МОП-транзисторов в режиме слабой инвер-
сии при сверхнизких входных напряжениях и выработка рекомендаций по выбору технологии и про-
ектированию микросхем с беспроводным питанием. Получены выражения для оценки коэффициен-
тов выпрямления диодов по току и по мощности. Выполнены расчеты по полученным выражениям и
моделирование с использованием модели BSIM4v4.8.2 вольтамперных характеристик и зависимостей
коэффициентов выпрямления диодов по току и по мощности от напряжения для типовой
КМОП-технологии 90 нм. Показана возможность построения выпрямителей на основе МОП-
транзисторов при сверхнизких напряжениях вплоть до единиц мВ. Даны рекомендации по обоснова-
нию технологических и конструктивных параметров при проектировании модулей преобразования и
собирания энергии беспроводных устройств.
Литература
perioda razvitiya radiosvyazi], ed. by prof. V.N. Ushakova. Saint Petersburg: Izd-vo SPbGETU
«LETI», 2008, 288 p.
2. Wang A., Calhoun B.H., Chandrakasan A.P. Sub-threshold Voltage Circuit Design for Ultra Low
Power Systems. New York: Springer, 2006, 209 p.
3. Reynders N., Dehaene W. Ultra-Low-Voltage Design of Energy-Efficient Digital Circuits. New York:
Springer, 2015, 192 p.
4. Shinohara N. Wireless Power Transfer via Radiowaves. London: ISTE Ltd., 2014, 238 p.
5. Tran L.-G., Cha H.-K., Park W.-T. RF power harvesting: a review on designing methodologies and
applications, Micro and Nano Systems Letters, 2017, Vol. 5, No. 14, pp. 1-16.
6. Clerckx B., Zhang R., Schober R., Ng D.W.K., Kim D.I., Poor H.V. Fundamentals of Wireless Information
and Power Transfer: From RF Energy Harvester Models to Signal and System Designs, IEEE
J. on selected areas in communications, 2019, Vol. 37, No. 1, pp. 4-33.
7. Smith J.R. Wirelessly Powered Sensor Networks and Computational RFID. New York: Springer,
2013, 271 p.
8. Luo Y., Pu L., Wang G., Zhao Y. RF Energy Harvesting Wireless Communications: RF Environment,
Device Hardware and Practical Issues, Sensors, 2019, Vol. 19, Article 3010, 28 p.
9. Visser H.J., Reniers A.C.F., Theeuwes J.A.C. Ambient RF Energy Scavenging: GSM and WLAN
Power Density Measurements, Proceedings of the 38th European Microwave Conference. October
2008, The Netherlands, Amsterdam, pp. 721-724.
10. Pinuela M., Mitcheson P.D., Lucyszyn S. Ambient RF Energy Harvesting in Urban and Semi-Urban
Environments, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2013, Vol. 61, No. 7,
pp. 2715-2726.
11. Alhekail Z.O., Hadi M.A., Alkanhal M.A. Public safety assessment of electromagnetic radiation exposure
from mobile base stations, J. of radiological protection, 2012, Vol. 32, pp. 325-337.
12. Pinuela M., Yates D. C., Mitcheson P.D., Lucyszyn S. London RF Survey for Radiative Ambient RF
Energy Harvesters and Efficient DC-load Inductive Power Transfer, 7th European Conference on Antennas
and Propagation (EUCAP 2013). IEEE, 2013, pp. 2839-2843.
13. Vyas R.J., Cook B.B., Kawahara Y., Tentzeris M.M. E-WEHP: A Batteryless Embedded Sensor-
Platform Wirelessly Powered from Ambient Digital-TV Signals, IEEE Transactions on microwave
theory and techniques, 2013, Vol. 61, No 6, pp. 2491-2505.
14. International Roadmap for Devices and Systems. More than Moore White Paper. IEEE, 2022, 56 p.
15. International Roadmap for Devices and Systems. Executive Summary. IEEE, 2022, 76 p.
16. Konoplev B.G., Sinyukin A.S. Issledovanie vypryamiteley na osnove nanorazmernykh MOPtranzistorov
dlya mikrosistem s besprovodnym pitaniem [Research of rectifiers based on nanoscale
MOS-devices for microsystems with wireless power supply], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki
[Izvestiya SFedU. Engineering Sciences], 2018, No. 2 (196), pp. 105-113.
17. Sinyukin A.S., Konoplev B.G. Issledovanie vliyaniya parametrov nanorazmernykh MOP-tranzistorov
na kharakteristiki preobrazovateley energii dlya passivnykh besprovodnykh ustroystv [Research of the
influence of parameters of nano-sized MOSFETs on the characteristics of energy converters for passive
wireless devices], Izvestiya YuFU. Tekhnicheskie nauki [Izvestiya SFedU. Engineering Sciences],
2019, No. 6 (208), pp. 15-24.
18. Sinyukin A.S., Konoplev B.G. Integrated CMOS Microwave Power Converter for Passive Wireless
Devices, Russian Microelectronics, 2021, Vol. 50, No. 3, pp. 189-196.
19. Shokrani M.R., Khoddam M., Hamidon M.N.B., Kamsani N.A., Rokhani F.Z., Shafie S.B. An RF Energy
Harvester System Using UHF Micropower CMOS Rectifier Based on a Diode Connected CMOS
Transistor, The Scientific Would Journal, 2014, Vol. 2014, Article 963709, 11 p.
20. Enz C.C., Krummenacher F., Vittoz E.A. An Analytical MOS Transistor Model Valid in All Regions
of Operation and Dedicated to Low-Voltage and Low-Current Applications, Analog Integrated Circuits
and Signal Processing, 1995, No. 8, pp. 83-114.
21. Enz C.C., Vittoz E.A. Modeling for Low-Voltage and Low-Power Analog IC Design, Microelectronic
Engineering, 1997, Vol. 39, pp. 59-76.
22. Enz C.C., Vittoz E.A. Charge-based MOS Transistor Modeling. The EKV model for low-power and
RF IC design. London: John Wiley & Sons Ltd., 2006, 303 p.
23. Roy K., Mukhopadhyay S., Mahmoodi-Meimand H. Leakage Current Mechanisms and Leakage Reduction
Techniques in Deep-Submicrometer CMOS Circuits, Proceedings of the IEEE, 2003, Vol. 91,
No. 2, pp. 305-327.
24. Hu C., Niknejad A.M., Chauhan S.Y. BSIM4v4.8.2 MOSFET Model – User’s Manual. USA, CA,
Berkeley: University of California, 2020, 176 p.
25. Sicard E., Bendhia S.D. Basics of CMOS Cell Design. USA: McGraw-Hill, 2007, 429 p.
