MOSFET柵漏電流噪聲分析

(4)柵電流噪聲電容等效電荷漲落模型。

　　FET溝道中的熱噪聲電壓漲落導(dǎo)致了溝道靜電勢(shì)分布的漲落。溝道成為MOS電容的一塊平板，柵電容之間的電壓漲落引起電荷漲落，將電荷漲落等效于柵電流漲落。在Van Der Ziel對(duì)JFET誘生柵噪聲的早期研究之后，Shoji建立了柵隧穿效應(yīng)的MOSFET模型，即是將MOS溝道作為動(dòng)態(tài)分布式的RC傳輸線。器件溝道位置x處跨越△x的電壓漲落驅(qū)動(dòng)兩處傳輸線：一處是從x=0展伸至x=x，另一處從x=x展伸至x=L。柵電流漲落作為相應(yīng)的漏一側(cè)電流漲落和源一側(cè)電流漲落之間的差異估算得出。在極端復(fù)雜的計(jì)算中保留Bessel函數(shù)解的首要條件，于器件飽和條件下，估算得出了柵電流漲落噪聲頻譜密度解析表達(dá)式為

　　2 模型分析與探討

　　實(shí)驗(yàn)表明，超薄柵氧MOSFET柵電流噪聲呈現(xiàn)出閃爍噪聲和白噪聲成分，測(cè)試曲線表明白噪聲接近于散粒噪聲(2qIG)。對(duì)于小面積(W×L=0.3×10 μm2)器件，1/f噪聲成分幾乎為柵電流IG的二次函數(shù)，柵電流噪聲頻譜密度SIG(f)與柵電流IG存在冪率關(guān)系，即SIG(f)∝IGγ。

　　超薄柵氧隧穿漏電流低頻噪聲模型適用于超薄柵氧化層MOSFET低頻段噪聲特性表征，與等效柵氧厚度為1.2 nm柵電流噪聲測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了其正確性。通過(guò)模型與實(shí)驗(yàn)噪聲測(cè)試結(jié)果及器件模擬的對(duì)比，可用于提取慢氧化層陷阱密度分布。

　　唯象模型利用勢(shì)壘高度漲落和源于二維電子氣溝道的柵極泄漏電流的洛侖茲調(diào)制散粒噪聲，來(lái)解釋過(guò)剩噪聲特征。低頻和高頻范圍內(nèi)，測(cè)量值和仿真值均有良好的一致性。模型將過(guò)剩噪聲解釋成1/f'伊噪聲和洛侖茲調(diào)制散粒噪聲之和，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)超薄柵氧化層的MOS晶體管的過(guò)剩噪聲性質(zhì)并適于在電路仿真中使用。

　　柵電流分量噪聲模型，模擬結(jié)果與低漏偏置下的1.5 nm柵氧厚度p-MOSFET的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。該模型適用于納米級(jí)MOSFET，僅限于描述由柵隧穿效應(yīng)引起的柵漏電流漲落。模型兩待定參數(shù)都可通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，可方便計(jì)算不同偏置下的點(diǎn)頻噪聲幅值。等效電容電荷漲落模型中，柵電流通過(guò)柵阻抗產(chǎn)生的電壓漲落經(jīng)由器件跨導(dǎo)在溝道處得到證實(shí)。該模型僅適用于器件飽和條件下，由于忽略了襯底效應(yīng)，誘生襯底電流和溝道中的高場(chǎng)效應(yīng)，其適用性和精確度均不高。

　　3 結(jié)束語(yǔ)

　　雖然已經(jīng)提出多種小尺寸MOSFET柵電流噪聲模型，但各模型均有局限性。等效電容電荷漲落模型局限性很大，超薄柵氧隧穿漏電流低頻噪聲模型可用于精確描述低頻噪聲特性。唯象模型和柵電流分量噪聲模型則主要取決于柵隧穿效應(yīng)。從噪聲特性看低頻段噪聲功率譜近似為柵電流的二次函數(shù)，在低溫環(huán)境白噪聲主要成分為散粒噪聲。這些噪聲模型主要針對(duì)隧穿機(jī)制，全面描述各種隧穿機(jī)制引起的柵漏電流模型還有待研究。