Ultra-low power circuits based on tunnel fets for energy harvesting applications
- Autores: David Manuel Nunes Cavalheiro
- Directores de la Tesis: Francesc Moll Echeto (dir. tes.), Stanimir Valtchev (codir. tes.)
- Lectura: En la Universitat Politècnica de Catalunya (UPC) ( España ) en 2017
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: Costin Anghel (presid.), Eduard Alarcon Cot (secret.), Pere Lluís Miribel Català (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Ingeniería Electrónica por la Universidad de las Illes Balears y la Universidad Politécnica de Catalunya
- Materias:
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- Resumen
Ha habido una tremenda evolución en la tecnología de circuitos integrados en las últimas décadas. Con el escalado de transistores de metal-óxido-semiconductor (CMOS), se han hecho posibles chips más rápidos, con menos consumo de energía y más complejos con menos área y esto ha posibilitado la existencia de los aparatos electrónicos que vemos en la actualidad.
La creciente demanda de portabilidad implica que el consumo de energía es un indicador clave en el diseño analógico y digital. Mientras que el consumo de potencia dinámica disminuye cuadráticamente con la disminución de la tensión de fuente de alimentación, la potencia de fugas presenta una limitación debido a la pendiente sub-umbral inverso (sub-threshold slope, SS). Una reducción de la tensión de alimentación implica una consecuente reducción de tensión umbral a fin de mantener las prestaciones que, dado el SS fijo, causa un aumento exponencial de la corriente de fuga. Esto plantea una limitación en la reducción de consumo de energía que es inherente a los transistores convencionales basados en inyección de portadores termoiónicos (MOSFETS y FinFETs). En transistores termoiónicos la SS a temperatura ambiente está limitado a 60 mV / dec.
Para eludir la limitación SS de transistores convencionales se requieren dispositivos con mecanismos diferentes de inyección de portadores. El transistor túnel de efecto campo (TFET) se presenta como la tecnología más prometedora debido a su mecanismo de inyección de portadores no térmico basado en el efecto Band-To-Band Tunneling (BTBT). Los TFETs se conocen como dispositivos de alta pendiente sub-umbral (SS <60 mV / dec a temperatura ambiente). Han sido ya demostradas ganancias de corriente elevadas (ION / IOFF> 10 ^ 5) en operación de baja tensión (sub-0,25 V) y una corriente de fugas extremadamente bajo, colocando los TFETs como serios candidatos para aplicaciones de circuitos eficientes de ultra-baja potencia y energía. Los TFETs se han explorado sobre todo en circuitos digitales y aplicaciones.
En esta tesis, el uso de TFETs se explora como una tecnología alternativa también para circuitos de potencia y de conversión de tensión ultra-bajas, adecuada para fuentes de energía del ambiente, usualmente muy limitadas en magnitud. Debido a que los TFETs están diseñados como diodos p-i-n en polarización inversa (hay diferente tipo de dopaje en las regiones fuente / drenador), sus características eléctricas particulares en condiciones de polarización inversa requieren cambios en las topologías de circuito convencionales. En la tesis, rectificadores, bombas de carga y circuitos de gestión de la energía (PMC) con TFETs se diseñan y analizan, realizando una evaluación de su rendimiento con la propuesta de nuevas topologías que extienden el rango de tensión y potencia de operación en comparación con tecnologías y topologías de circuitos actuales. Se proponen PMCs basados en TFET para fuentes de RF y DC y se identifican las limitaciones (con soluciones) de la utilización de TFETs en convertidores elevadores convencionales basados en inductores.
