大信号DG-MOSFET造型为RFID整改

文摘

本文分析了整流器的无掺杂DG-MOSFETs能力操作对射频识别和无线电力传输(WPT)在微波频率。为了这个目的,一个大信号Verilog-A紧凑模型已经开发和实现。模型的数值验证了一个设备模拟器(Sentaurus)。发现阶段的数量达到要求的最优整流器性能不如传统mosfet。此外,直流输出电压可以增加使用适当mid-gap金属门,锡。小短沟道效应的影响(sc)整改也指出。

1。介绍

如今,SOI技术提供了晶片薄而均匀分布氧化层,表现出优良的电气绝缘和高质量氧化硅/接口。这些属性鼓励不同multiple-gate设备的设计(1- - - - - -4)和发展紧凑的模型来解释他们的表现(5- - - - - -7]。然而,缺乏论文应用这种类型的晶体管。这项工作的目的,基于电模拟,是演示使用双栅mosfet的可行性(DG-MOSFETs)整流电路的射频识别和无线电力传输(WPT)应用程序(8,9在微波频段。整流电路的应用这项技术尚未报道,据我们所知。

考虑整流器的拓扑结构如图1,两个声道输出晶体管,作为电荷泵,连接(10]。整流器转换射频输入直流输出功率,如图2表示。门和排水连接晶体管在饱和或截止政权。因此,当射频输入信号,在负半周,和阈值电压,晶体管的漏极电流DG-M1,,从地面流动耦合电容器,,晶体管DG-M2仍然。相反,在正半周DG-M2打开当前流动,滤波电容器,从输入终端,= 1 pF,剩下DG-M1。在另一起案件中,这两种电流,和是零。这个过程会一直重复,直到达到稳定状态,当生成一个直流输出电压(10]。

当DG-M2开关,可以通过负载电阻放电,导致输出波纹。在我们的研究中,我们将假定10 kΩ输出负载比较我们的结果与报告(11]。

本文的结构如下。节2紧凑的模型,实现在大信号等效电路,包括DG-MOSFETs固有电容。部分3致力于分析整流器的性能,通过数值模拟验证与Sentaurus [12]。技术和设计方面,用不同的金属门和数量的阶段,也分析了在这一节中。最后,一些结论在部分暴露4。

2。大信号等效电路

无掺杂DG-MOSFETs提出的大信号等效电路,用垫,如图3(13]。它是由内在的电流,从gate-to-source,电容,gate-to-drain,drain-to-source,外部源和漏电阻,Ω,外在的电感,H。

内在的电流,基于电荷控制模型(6),是由 与反演,,被评为 在哪里是热电压,,,和(以确保正确的行为高于阈值),在5]。

DG-M1和DG-M2不断流动,= 300巨细胞病毒⁻¹年代⁻¹、假设和门的长度,门的宽度,设置为0.18μm和3.6μm,分别,栅氧化层的厚度= 2 nm, n⁺多晶硅栅,= 20纳米的厚度nonintentionally掺杂硅层。

设置gate-to-drain偏压,,gate-to-source电容可以获得 在哪里是总通道电荷在6),

用(4)- (6)(3),,最终导致

以类似的方式,drain-to-source电容可以写成 在哪里总消耗费用(6]。然后,通过替换(5)(8),(见(6)),是由 与

最后,可以通过更换通过在(7),考虑到DG-MOSFET对称。因此,是由

注意,所有的电容和漏极电流可以明确表达的源极和漏极的电荷密度,和。

3所示。整流器的性能

我们实现了大信号等效电路的DG-MOSFET Keysight先进设计系统(广告),使用Verilog-A,行业标准建模语言模拟的电路(14]。

在考虑整流器(见图1),门和排水两DG-MOSFETs终端短路。因此,可以忽略,和只依靠drain-to-source电压,。另外,如图4所示,为了避免分歧问题由渐近线的响应接近于零,模仿电容和模仿电容(用符号表示)是由s形近似函数(用线条表示) 与,被拟合参数列于表1。

整流器的电流模拟与Sentaurus广告是通过数值模拟验证,会计的外在元素晶体管。因此,数据5(一个)和5 (b)显示动态漏极电流DG-M1 DG-M2,分别与1 V的射频输入信号幅度在1 GHz,经过10 ns(即。在稳定的值)。它可以注意到数值动态电流(符号)是正确模拟(线)在两个晶体管。DG-M2意外负模拟电流,被关闭,出现,当广告人为添加辅助阻力,门和源之间,促进融合。然而,它的时间短,不如0.1 ns,使直流输出电压偏差无关紧要。

此外,图6显示了数值(符号)和模型(线)直流输出电压,改变射频输入功率,在5 GHz,从−5 dBm 10 dBm。一个好的协议实现数据,最大相对误差为11.7%。此外,产生的电力转换效率(直流输出−射频输入功率比)类似报道(10),与传统mosfet。

一旦整流器性能数值验证,与广告图7比较电路输出电压的晶体管响应(广场),5 dBm 5 GHz的输入功率,用HSPICE的整流器实现与商业0.18μm-NMOS,德州仪器,相同的维度(实线)。注意,类似的约0.6 V的直流输出电压,即使NMOS的阈值电压0.18伏电压低于DG-MOSFET (0.55 V),这是补偿的双电流能力。

降低阈值电压时,通过使用替代金属门,预计整流输出电压高。使用氮化钛(锡)电影在MOS电容栅电极,在n型硅肖特基二极管(100)基板已经被报道在15),有一个工作270年4.2 eV和电阻率的函数μΩcm。因此,当使用锡作为DG-MOSFETs金属门,如图7表明,直流整流电压(虚线)的增长(0,25 V) 0.83 V。

另一方面,许多阶段的影响在整流输出电压进行了分析。在每一个阶段(单整流图1),DG-M2的来源必须连接到排水DG-M1的下一个阶段,与所有耦合电容连接到共同的射频输入信号。因此,输出电压(10 kΩ)的输出负载电压的总和之间的平滑参数的终端连接在系列。

图8显示电机的输出电压时不同的射频输入功率−5 dBm 10 dBm,不同数量的阶段:从1到5,与门金属锡5 GHz。注意,两个阶段,输出电压增加,减少额外的阶段:两个阶段的最优数量和DG-MOSFETs整流器。这个结果与报道的不同之处在于(10),与传统N-MOSFETs,六个阶段的最优配置。因此,小数量的阶段与传统mosfet和DG-MOSFETs必要产生的最大输出电压。

最后,它可以指出,短沟道效应(sc)优越的电流,因此,直流输出电压将会更高。然而,当将饱和速度,有效的流动,和沟道长度调制效应,如(5),一个小影响直流输出电压是欣赏,只会增加1.3%的输入功率高达5 dBm (5 GHz,锡),证明一个行列式与电路有关的拓扑结构的影响。

4所示。结论

DG-MOSFETs紧凑模型开发和实现广告,与Verilog-A执行电气模拟RFID整流器,已通过与Sentaurus数值模拟进行验证。

从瞬态模拟在微波频段,它被观察到,该整流器DG-MOSFETs有效地产生一个直流输出电压。此外,使用锡作为金属门,直流输出电压增加0.25 V,相比之下,得到n⁺多晶硅。我们还证明,只是两个阶段是必要的为了实现整流器的最优性能,与传统N-MOSFETs不到,sc直流输出电压产生轻微的影响。

相互竞争的利益

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

确认

这项工作是支持的西班牙国家研究项目tec2015 - 67883 r。

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