微電子器件第八章噪聲特性

微電子器件第八章噪聲特性1第一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日一、信噪比二、噪聲系數(shù)§8.1晶體管的噪聲和噪聲系數(shù)信號(hào)，噪聲噪聲限制了晶體管放大微弱信號(hào)的能力。噪聲疊加在不同的信號(hào)上將產(chǎn)生不同程度的影響為了衡量噪聲對(duì)信號(hào)影響程度而定義信噪比晶體管本身產(chǎn)生噪聲，因此其工作時(shí)，輸入、輸出端信噪比不同。定義噪聲系數(shù)反映晶體管本身產(chǎn)生噪聲的大小。2第二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日噪聲系數(shù)可看作：?jiǎn)挝还β试鲆嫦拢w管噪聲功率的放大系數(shù)。即晶體管無(wú)功率放大作用時(shí)，噪聲功率增大的倍數(shù)，總輸出噪聲功率與被放大的信號(hào)源噪聲功率之比。噪聲系數(shù)越接近于1，晶體管噪聲水平越低噪聲系數(shù)也可用分貝表示晶體管自身噪聲相當(dāng)大。例3AG47,NF<6db,F=4

輸出噪聲功率中75%來(lái)自于晶體管本身。3第三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.2晶體管的噪聲源一、熱噪聲(Thermalnoise)已知晶體管中的基本噪聲機(jī)構(gòu)有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲載流子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)疊加在規(guī)則的運(yùn)動(dòng)上形成熱噪聲也稱(chēng)約翰遜噪聲(Johnsonnoise)任何電子元件均有熱噪聲熱噪聲與溫度有關(guān)——溫度升高，熱運(yùn)動(dòng)加劇熱噪聲與電阻有關(guān)——載流子運(yùn)動(dòng)本身是電流，電阻大，電壓高載流子熱運(yùn)動(dòng)為隨機(jī)過(guò)程，平均值為零，用統(tǒng)計(jì)值——均方值表示頻譜密度與頻率無(wú)關(guān)的噪聲稱(chēng)為白噪聲，熱噪聲是白噪聲4第四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.2晶體管的噪聲源一、熱噪聲(Thermalnoise)已知晶體管中的基本噪聲機(jī)構(gòu)有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲尼奎斯公式(Nyquist)其中，ith—短路噪聲電流

uth—開(kāi)路噪聲電壓?jiǎn)挝活l率間隔內(nèi)的噪聲強(qiáng)度稱(chēng)為噪聲的頻譜密度噪聲電壓的功率譜密度噪聲電流的功率譜密度5第五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日熱噪聲等效電路尼奎斯公式條件：1、電子與晶格處于熱平衡狀態(tài)2、電子的能量分布服從波爾茲曼分布電場(chǎng)較強(qiáng)時(shí)，高能態(tài)電子數(shù)增多，可近似1、用電子溫度取代平衡溫度2、用隨電場(chǎng)強(qiáng)度變化的微分遷移率代替常數(shù)遷移率對(duì)尼奎斯公式修正，得增強(qiáng)約翰遜噪聲多能谷結(jié)構(gòu)材料中的谷間散射噪聲6第六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.2晶體管的噪聲源二、散粒噪聲(shotnoise)已知晶體管中的基本噪聲機(jī)構(gòu)有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲1918年肖特基發(fā)現(xiàn)于電子管中，起源于電子管陰極發(fā)射電子數(shù)目的無(wú)規(guī)則起伏。在半導(dǎo)體中，散粒噪聲通常指由于載流子的產(chǎn)生、復(fù)合的漲落使越過(guò)p-n結(jié)勢(shì)壘的載流子數(shù)目起伏所引起的噪聲。其功率譜密度與頻率無(wú)關(guān)，也屬白噪聲。~r0（無(wú)噪聲)r0（無(wú)噪聲)7第七頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.2晶體管的噪聲源三、閃爍噪聲（FlickerNoise）(1/f噪聲)已知晶體管中的基本噪聲機(jī)構(gòu)有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲由于其功率譜密度近似與頻率成反比，也稱(chēng)1/f噪聲。出現(xiàn)在106Hz的頻率范圍，普通硅平面管中，在103Hz以下明顯產(chǎn)生原因可能與晶體結(jié)構(gòu)的不完整性和表面穩(wěn)定性有關(guān)。晶格缺陷、位錯(cuò)、高濃度P、B擴(kuò)散造成晶體壓縮應(yīng)變等表面能級(jí)、界面熱應(yīng)力誘發(fā)缺陷、界面處帶電粒子移動(dòng)以及表面反型層的產(chǎn)生或變化。

產(chǎn)生-復(fù)合機(jī)構(gòu)引起的產(chǎn)生-復(fù)合過(guò)程8第八頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.2晶體管的噪聲源四、產(chǎn)生-復(fù)合噪聲（GenerationRecombinationNoise）已知晶體管中的基本噪聲機(jī)構(gòu)有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲另外還有：在一定物理?xiàng)l件下，半導(dǎo)體內(nèi)的載流子濃度雖有一定的平均值，但由于載流子的產(chǎn)生和復(fù)合都是隨機(jī)過(guò)程，所以材料內(nèi)各處的載流子濃度以及整個(gè)器件的載流子數(shù)均圍繞其平均值有起伏存在。器件中載流子濃度及數(shù)量的起伏導(dǎo)致其電導(dǎo)率的起伏，當(dāng)該半導(dǎo)體器件外加偏壓后，必引起器件內(nèi)電流及電壓也存在起伏，此即產(chǎn)生-復(fù)合噪聲，或?qū)憺镚-R噪聲。

9第九頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.2晶體管的噪聲源五、配分噪聲（PartitionNoise）已知晶體管中的基本噪聲機(jī)構(gòu)有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲另外還有：六、猝發(fā)噪聲（BurstNoise）源于電子管中電子束在兩個(gè)以上電極間的分離。雙極型晶體管發(fā)射極電流在基區(qū)中分離為集電極電流和基極電流，有一個(gè)由空穴-電子復(fù)合作用而定的電流分配系數(shù)。復(fù)合現(xiàn)象受到熱起伏效應(yīng)的影響使分配系數(shù)不恒定，其微小變化引起集電極電流的起伏，這就是晶體管的配分噪聲。表現(xiàn)為雙極型晶體管基極電流中的突然階躍或跳躍，或FET閾值電壓的階躍。這種噪聲出現(xiàn)在低頻（<1kHz）段，通常從每秒鐘發(fā)生數(shù)次到數(shù)分鐘才發(fā)生一次。能產(chǎn)生比1/f噪聲及白噪聲大幾倍甚至幾十倍的噪聲電流。由于通過(guò)揚(yáng)聲器播放出來(lái)時(shí)聽(tīng)起來(lái)類(lèi)似爆米花的聲音，這種噪聲也被稱(chēng)為爆米花噪聲和隨機(jī)電報(bào)信號(hào)（RTS）。認(rèn)為是由電荷陷阱或半導(dǎo)體材料中的微小缺陷引起的。其中重金屬原子污染是主要原因之一。發(fā)現(xiàn)與發(fā)射區(qū)中摻入Au、Fe、Cu和W等重金屬雜質(zhì)形成金屬-半導(dǎo)體結(jié)有關(guān)。10第十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.2晶體管的噪聲源已知晶體管中的基本噪聲機(jī)構(gòu)有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲另外還有：七、雪崩噪聲（AvalancheNoise）雪崩噪聲是p-n結(jié)中發(fā)生雪崩倍增時(shí)產(chǎn)生的一種噪聲類(lèi)型，是由于雪崩倍增過(guò)程中產(chǎn)生電子、空穴和無(wú)規(guī)則性所引起的，其性質(zhì)和散粒噪聲類(lèi)似。此外，晶體管的引線接觸不良而造成接觸電阻不穩(wěn)定會(huì)引起接觸噪聲。在正常情況下，接觸噪聲和雪崩噪聲是可以忽略的（利用雪崩倍增效應(yīng)工作的雪崩管除外）。11第十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.3p-n結(jié)二極管的噪聲p-n結(jié)二極管的噪聲主要有三種來(lái)源，即熱噪聲（Johnson噪聲）、散粒噪聲和閃爍噪聲（1/f噪聲）

p-n結(jié)的正向交流電阻很小，而反向電流又很小，所以熱噪聲也很弱（噪聲均方根電壓僅大約為4nV）。圖8-3p-n結(jié)中的電流熱噪聲散粒噪聲零偏時(shí)：理想p-n結(jié)：12第十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.3p-n結(jié)二極管的噪聲p-n結(jié)二極管的噪聲主要有三種來(lái)源，即熱噪聲（Johnson噪聲）、散粒噪聲和閃爍噪聲（1/f噪聲）

圖8-3p-n結(jié)中的電流散粒噪聲正偏時(shí)：反偏時(shí)：實(shí)際的p-n結(jié)中，除上述擴(kuò)散電流外，還存在著其他種類(lèi)的電流，如耗盡區(qū)的產(chǎn)生-復(fù)合電流、隧道電流、光電流、表面漏電流等。

13第十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日1.p-n結(jié)二極管的散粒噪聲假設(shè)全部電流是由空穴攜帶的分為三個(gè)分量：①由p區(qū)注入到n區(qū)，并被電極端收集的空穴②在n區(qū)產(chǎn)生，被自建場(chǎng)漂移到p區(qū)并被電極端收集的空穴③從p區(qū)注入n區(qū)，在n區(qū)復(fù)合或到達(dá)電極之前因擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)又返回p區(qū)的空穴，對(duì)電流沒(méi)有貢獻(xiàn)，但對(duì)高頻電導(dǎo)有貢獻(xiàn)p-n結(jié)中載流子擴(kuò)散和漂移的動(dòng)態(tài)平衡§8.3p-n結(jié)二極管的噪聲14第十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日二極管低頻電導(dǎo)：高頻下的本征導(dǎo)納：——隨頻率升高而增大①②受外加電壓調(diào)制，對(duì)電導(dǎo)的貢獻(xiàn)是g0與外加電壓無(wú)關(guān)，是自建場(chǎng)漂移作用，對(duì)電導(dǎo)沒(méi)有貢獻(xiàn)兩部分獨(dú)立起伏產(chǎn)生散粒噪聲15第十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日于是，p-n結(jié)二極管總的噪聲電流均方值為③引起兩個(gè)極性相反的脈沖，其間隔為空穴在n區(qū)無(wú)規(guī)則停留時(shí)間，因此受外加高頻電壓調(diào)制，對(duì)高頻本征電導(dǎo)有貢獻(xiàn)因擴(kuò)散過(guò)程是熱運(yùn)動(dòng)過(guò)程，故產(chǎn)生熱噪聲16第十六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.4雙極型晶體管的噪聲特性一、噪聲源1.熱噪聲2.散粒噪聲3.1/f噪聲4.其它噪聲源三個(gè)區(qū)的體電阻、三個(gè)電極接觸電阻都產(chǎn)生熱噪聲，但以rb影響最大，因?yàn)樘幱谳斎牖芈罚覕?shù)值最大。產(chǎn)生-復(fù)合作用對(duì)多子影響不大。雙極型晶體管以少子傳輸電流，其散粒噪聲通過(guò)發(fā)射效率和基區(qū)輸運(yùn)系數(shù)的不規(guī)則起伏反映到輸出端集電極反向飽和電流也產(chǎn)生散粒噪聲表面缺陷狀態(tài)、表面氧化硅膜中Na+及發(fā)射結(jié)附近缺陷都會(huì)產(chǎn)生1/f噪聲。此外，與重金屬雜質(zhì)摻入發(fā)射區(qū)有關(guān)的淬發(fā)噪聲引線接觸噪聲：引線接觸不良造成接觸電阻不穩(wěn)定雪崩噪聲：反偏太高，集電結(jié)的雪崩倍增引起配分噪聲17第十七頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日二、散粒噪聲與噪聲電流2.晶體管散粒噪聲僅考慮空穴的運(yùn)動(dòng)：①?gòu)陌l(fā)射極注入到基區(qū)的空穴②基區(qū)中產(chǎn)生并被發(fā)射極收集的空穴③發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)，未被收集或復(fù)合，又返回發(fā)射區(qū)的空穴④在基區(qū)產(chǎn)生并被集電極收集的空穴§8.4雙極型晶體管的噪聲特性18第十八頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日二、散粒噪聲與噪聲電流2.晶體管散粒噪聲低頻發(fā)射極噪聲電流均方值：為低頻發(fā)射結(jié)電導(dǎo)集電極噪聲電流均方值：§8.4雙極型晶體管的噪聲特性19第十九頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日三、晶體管的噪聲頻譜特性普遍規(guī)律：在噪聲頻譜特性曲線的低頻和高頻區(qū)，噪聲系數(shù)都有明顯變化，在中頻區(qū)，噪聲系數(shù)最小，且基本不隨頻率變化。定義：fL：低頻區(qū)噪聲轉(zhuǎn)角頻率。fH：高頻區(qū)噪聲轉(zhuǎn)角頻率。低頻區(qū)主要由1/f噪聲構(gòu)成。中頻區(qū)稱(chēng)為白噪聲區(qū)高頻區(qū)噪聲系數(shù)再次上升是由于功率增益下降所致§8.4雙極型晶體管的噪聲特性20第二十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日*噪聲系數(shù)與工作條件密切相關(guān)改善噪聲特性：1、降低白噪聲區(qū)2、提高高頻噪聲轉(zhuǎn)角頻率

rb、fa、hFE21第二十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.5JFET與MESFET的噪聲特性一、JFET與MESFET噪聲源（三）1/f噪聲二、JFET的噪聲性能（一）熱噪聲（二）散粒噪聲（一）低頻噪聲性能（二）中、高頻噪聲性能1.溝道熱噪聲2感應(yīng)柵噪聲（三）噪聲系數(shù)三、微波GaAsMESFET的噪聲性能（一）衡量GaAsMESFET噪聲性能的經(jīng)驗(yàn)公式（二）提高噪聲性能的途徑22第二十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.5JFET與MESFET的噪聲特性一、JFET與MESFET噪聲源3、1/f噪聲1、熱噪聲2、散粒噪聲溝道區(qū)存在電阻，產(chǎn)生溝道熱噪聲金屬電極、源和漏的串聯(lián)體電阻產(chǎn)生熱噪聲當(dāng)溝道電場(chǎng)較強(qiáng)，載流子遷移率下降，但未達(dá)到飽和速度時(shí)，計(jì)入增強(qiáng)約翰遜噪聲速度飽和區(qū)強(qiáng)場(chǎng)下，載流子與晶格碰撞，擴(kuò)散噪聲通過(guò)反偏柵結(jié)勢(shì)壘的電流起伏產(chǎn)生散粒噪聲起源于柵結(jié)勢(shì)壘區(qū)和溝道區(qū)載流子的產(chǎn)生-復(fù)合兩方面23第二十三頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日①柵結(jié)勢(shì)壘區(qū)復(fù)合中心發(fā)射與俘獲載流子，引起柵結(jié)耗盡層中電荷的起伏，導(dǎo)致耗盡層寬度的變化，調(diào)制溝道電導(dǎo)，形成漏極噪聲電流柵結(jié)勢(shì)壘區(qū)的產(chǎn)生-復(fù)合過(guò)程的起伏產(chǎn)生兩種噪聲：——通過(guò)調(diào)制耗盡層寬度形成漏極噪聲電流：1/f噪聲（缺陷產(chǎn)生復(fù)合中心的產(chǎn)生-復(fù)合——直接形成柵極噪聲電流：散粒噪聲（本征的產(chǎn)生-復(fù)合）②溝道區(qū)復(fù)合中心、溝道區(qū)施主或受主中心以及表面態(tài)均可能發(fā)射與俘獲載流子。這些過(guò)程的起伏直接造成載流子數(shù)目的起伏，產(chǎn)生漏極噪聲電流。24第二十四頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.5JFET與MESFET的噪聲特性二、JFET的噪聲性能1、低頻噪聲性能等效噪聲電阻Rn:實(shí)際測(cè)量噪聲電壓(均方值)含有各種成分，同時(shí)不同樣品電阻不同。統(tǒng)一用等效電阻來(lái)比較，即用熱噪聲的電阻來(lái)等效比較噪聲水平①低頻噪聲（噪聲等效電阻）與器件的幾何形狀密切相關(guān)②與復(fù)合中心密度、能級(jí)、俘獲幾率有密切關(guān)系

說(shuō)明低頻噪聲以柵結(jié)勢(shì)壘區(qū)復(fù)合中心的產(chǎn)生-復(fù)合噪聲為主。摻金后，由f-1—f-225第二十五頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日2、中、高頻噪聲性能①溝道熱噪聲器件工作在非飽和區(qū)時(shí)：gms為飽和區(qū)跨導(dǎo)（G0起作用）Q(VD,VG)為噪聲參量，反映工作偏壓對(duì)噪聲的影響。當(dāng)漏極電壓不太高，溝道夾斷區(qū)長(zhǎng)度遠(yuǎn)小于溝道區(qū)長(zhǎng)度時(shí)，上式也適用于飽和區(qū)。增加頻率修正項(xiàng)的結(jié)果，可見(jiàn)在fT之內(nèi)，頻率修正項(xiàng)作用不大。在飽和區(qū)26第二十六頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日2、中、高頻噪聲性能②感應(yīng)柵噪聲誘生柵極噪聲低頻下，柵噪聲主要來(lái)源于柵電流的散粒噪聲。在中、高頻范圍內(nèi)，則主要是溝道熱噪聲電動(dòng)勢(shì)通過(guò)柵電容耦合形成的柵極回路的噪聲電流，即感應(yīng)柵噪聲。導(dǎo)電溝道中所產(chǎn)生的噪聲電壓通過(guò)溝道電容耦合到柵極，引起柵結(jié)電壓起伏和耗盡層寬度的變化，在柵電極上感應(yīng)出相應(yīng)的補(bǔ)償電荷——起伏的柵極充電電流。27第二十七頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日3、噪聲系數(shù)硅JFET和MESFET的中、高頻噪聲系數(shù)為為輸入端電導(dǎo)將A=1時(shí)對(duì)應(yīng)的頻率定義為噪聲系數(shù)截止頻率，fnc28第二十八頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.5JFET與MESFET的噪聲特性三、微波GaAsMESFET的噪聲性能1、衡量GaAsMESFET噪聲性能的經(jīng)驗(yàn)公式由于：①GaAs中熱電子溫度隨場(chǎng)強(qiáng)變化劇烈②溝道中速度飽和區(qū)較長(zhǎng)，要考慮其中的強(qiáng)場(chǎng)擴(kuò)散噪聲③肖克萊溝道夾斷模型不適用，需用速度飽和模型分析計(jì)算整個(gè)溝道中的電場(chǎng)、電位分布和電流-電壓特性

故，微波GaAsMESFET的噪聲特性不同于硅FET。將溝道分為兩個(gè)區(qū)域：0~L1為常遷移率區(qū)，計(jì)算增強(qiáng)約翰遜噪聲L1~L

為速度飽和區(qū)，計(jì)算強(qiáng)場(chǎng)擴(kuò)散噪聲29第二十九頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日f(shuō)T、gms取零柵壓時(shí)的值，Kf=2.5經(jīng)驗(yàn)公式：半經(jīng)驗(yàn)公式：有效柵電阻：等效噪聲電阻的半經(jīng)驗(yàn)公式：源串聯(lián)電阻：30第三十頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.5JFET與MESFET的噪聲特性三、微波GaAsMESFET的噪聲性能2、提高噪聲性能的途徑①縮短溝道長(zhǎng)度：提高光刻水平；改進(jìn)結(jié)構(gòu)②提高溝道中載流子遷移率：加入緩沖層提高界面附近遷移率③采用非均勻溝道雜質(zhì)分布：界面附近ND大，有大的跨導(dǎo)④減小柵、源串聯(lián)電阻RG、RS：加厚柵金屬層；源極下加重?fù)诫s層；局部離子注入；凹槽結(jié)構(gòu)等31第三十一頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日32第三十二頁(yè)，共三十八頁(yè)，2022年，8月28日§8.6MOSFET的噪聲特性一、溝道熱噪聲MOSFET的主要噪聲源是溝道熱噪聲其次是1/f噪聲。由于p-n結(jié)反向電流很小，可忽略其散粒噪聲。溝道載流子的無(wú)規(guī)則熱運(yùn)動(dòng)在溝道電阻上產(chǎn)生噪聲電壓，該電壓使溝道電勢(shì)分布產(chǎn)生漲落，有效柵壓發(fā)生波動(dòng)，從而導(dǎo)致漏極電流出現(xiàn)漲落由此產(chǎn)生的噪聲為