Design-oriented MOSFET modelling applied to an ultra-low-power self-biased DC current source

Abstract

Este trabalho de conclusão de curso apresenta os estudos realizados durante um projeto de iniciação científica entre setembro de 2021 e agosto de 2022 no Laboratório de Circuitos Integrados (LCI) em Florianópolis e os estudos realizados entre outubro de 2023 e janeiro de 2024 no laboratório TIMA em Grenoble. O trabalho consiste de uma visão geral da modelagem com base física de transistores de efeito de campo metal-óxido-semicondutor (MOSFETs) usando o modelo Advanced Compact MOSFET (ACM), a partir do qual é projetada uma fonte de corrente auto-polarizada (SBCS) de ultra baixa potência visando 1 pA para dispositivos vestíveis. O circuito final foi implementado em simulação usando a ferramenta Virtuoso Layout Suite e o kit de design de processo (PDK) da tecnologia bulk CMOS de 180 nm da Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). O circuito final apresenta, para uma tensão de saída fixa em 1,8 V, uma corrente de saída de 1,45 pA, um consumo máximo de 184 pW e uma regulação de linha média variando entre 3,82 %/V e 4,68 %/V para diferentes tensões de saída. A sensibilidade térmica média do circuito na faixa de temperatura segura para contato prolongado com a pele é de 0,53 %/°C.

This undergraduate thesis presents the studies done during an undergraduate research project between September 2021 and August 2022 at the Integrated Circuits Laboratory (LCI) in Florianópolis and the studies done between October 2023 and January 2024 at the TIMA laboratory in Grenoble. The work consists of an overview of the physics-based modelling of Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistors (MOSFETs) using the Advanced Compact MOSFET (ACM) model, from which an ultra-low-power Self-Biased Current Source (SBCS) targeting 1 pA for wearable devices is designed. The final circuit was implemented via simulation using the Virtuoso Layout Suite and the Process Design Kit (PDK) for the 180 nm bulk CMOS node from Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). The finalised circuit shows, for an output voltage fixed at 1.8 V, an output current of 1.45 pA, a maximum power consumption of 184 pW, and a line regulation varying between 3.82 %/V and 4.68 %/V for different output voltages. The circuit’s average thermal sensibility on the safe temperature range for prolonged skin contact is 0.53 %/°C.

Ce projet de fin d’études présente les études réalisées lors d’un projet d’initiation scientifique entre septembre 2021 et août 2022 au Laboratoire de Circuits Intégrés (LCI) à Florianópolis, ainsi que les études réalisées entre octobre 2023 et janvier 2024 au laboratoire TIMA à Grenoble. Le travail consiste en une vue d’ensemble de la modélisation basée sur la physique des transistors à effet de champ métal-oxyde-semiconducteur (MOSFETs) en utilisant le modèle Advanced Compact MOSFET (ACM), à partir de laquelle est conçue une source de courant auto-polarisée (SBCS) ultra-basse consommation visant 1 pA pour les appareils portables. Le circuit final a été implémenté par simulation en utilisant l’outil Virtuoso Layout Suite et le kit de conception de processus (PDK) pour le nœud bulk CMOS de 180 nm de Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC). Le circuit finalisé présente, pour une tension de sortie fixée à 1,8 V, un courant de sortie de 1,45 pA, une consommation de puissance maximale de 184 pW et une régulation de ligne variant entre 3,82 %/V et 4,68 %/V pour différentes tensions de sortie. La sensibilité thermique moyenne du circuit dans la plage de température sûre pour un contact prolongé avec la peau est de 0,53 %/°C.