微電子器件第八章噪聲特性

1、1第八章 噪聲特性8.1 晶體管的噪聲和噪聲系數(shù)晶體管的噪聲和噪聲系數(shù)8.2 晶體管的噪聲源晶體管的噪聲源8.3 p-n結二極管的噪聲結二極管的噪聲8.4 雙極型晶體管的噪聲特性雙極型晶體管的噪聲特性8.5 JFET與與MESFET的噪聲特性的噪聲特性8.6 MOSFET的噪聲特性的噪聲特性2一、信噪比一、信噪比二、噪聲系數(shù)二、噪聲系數(shù)NSPP噪聲功率噪聲功率信號功率信號功率信（號）噪（聲）比信（號）噪（聲）比NiPNTNipNoNoSoNiSiPKPPKPPPPPF1輸出端信噪比輸入端信噪比8.1 晶體管的噪聲和噪聲系數(shù)晶體管的噪聲和噪聲系數(shù)信號，噪聲信號，噪聲噪聲限制了晶體管放大微弱信號的

2、能力。噪聲限制了晶體管放大微弱信號的能力。噪聲疊加在不同的信號上將產生不同程度的影響噪聲疊加在不同的信號上將產生不同程度的影響為了衡量噪聲對信號影響程度而定義為了衡量噪聲對信號影響程度而定義信噪比信噪比 晶體管本身產生噪聲，因此其工作時，輸入、輸出端信晶體管本身產生噪聲，因此其工作時，輸入、輸出端信噪比不同。定義噪聲系數(shù)反映晶體管本身產生噪聲的大小。噪比不同。定義噪聲系數(shù)反映晶體管本身產生噪聲的大小。SNR10lgdBSNR20lgdBSSNNPVPV或者3噪聲系數(shù)可看作：噪聲系數(shù)可看作： 單位功率增益下，晶體管噪聲功率的放大系數(shù)。即晶體管無單位功率增益下，晶體管噪聲功率的放大系數(shù)。即晶體管無

3、功率放大作用時，噪聲功率增大的倍數(shù)，功率放大作用時，噪聲功率增大的倍數(shù)， 總輸出噪聲功率與被放大的信號源噪聲功率之比。總輸出噪聲功率與被放大的信號源噪聲功率之比。噪聲系數(shù)越接近于噪聲系數(shù)越接近于1，晶體管噪聲水平越低，晶體管噪聲水平越低噪聲系數(shù)也可用分貝表示噪聲系數(shù)也可用分貝表示FNFlg10 晶體管自身噪聲相當大。例晶體管自身噪聲相當大。例3AG47, NF6db, F=4 輸出噪聲功率中輸出噪聲功率中75%來自于晶體管本身。來自于晶體管本身。NiPNTNipNoNoSoNiSiPKPPKPPPPPF1輸出端信噪比輸入端信噪比48.2 晶體管的噪聲源晶體管的噪聲源一、熱噪聲一、熱噪聲(The

4、rmal noise)已知晶體管中的基本噪聲機構有三種：熱噪聲、散粒噪聲和已知晶體管中的基本噪聲機構有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲噪聲載流子的無規(guī)則熱運動疊加在規(guī)則的運動上形成熱噪聲載流子的無規(guī)則熱運動疊加在規(guī)則的運動上形成熱噪聲也稱約翰遜噪聲也稱約翰遜噪聲(Johnson noise)任何電子元件均有熱噪聲任何電子元件均有熱噪聲熱噪聲與溫度有關熱噪聲與溫度有關溫度升高，熱運動加劇溫度升高，熱運動加劇熱噪聲與電阻有關熱噪聲與電阻有關載流子運動本身是電流，電阻大，電壓高載流子運動本身是電流，電阻大，電壓高載流子熱運動為隨機過程，平均值為零，用統(tǒng)計值載流子熱運動為隨機過程，平均值為零，用統(tǒng)計

5、值均方值表示均方值表示頻譜密度與頻率無關的噪聲稱為白噪聲，熱噪聲是白噪聲頻譜密度與頻率無關的噪聲稱為白噪聲，熱噪聲是白噪聲58.2 晶體管的噪聲源晶體管的噪聲源一、熱噪聲一、熱噪聲(Thermal noise)已知晶體管中的基本噪聲機構有三種：熱噪聲、散粒噪聲和已知晶體管中的基本噪聲機構有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲噪聲尼奎斯公式尼奎斯公式(Nyquist)fSfkTRufSfkTGiVthith 4422其中，其中，ith短路噪聲電流短路噪聲電流 uth開路噪聲電壓開路噪聲電壓單位頻率間隔內的噪聲強度稱為噪聲的單位頻率間隔內的噪聲強度稱為噪聲的頻譜密度頻譜密度噪聲電壓的功率譜密度噪聲電

6、壓的功率譜密度噪聲電流的功率譜密度噪聲電流的功率譜密度kTGfiSkTRfuSthithV4422 6熱噪聲等效電路熱噪聲等效電路無無噪噪聲聲電電阻阻串串聯(lián)聯(lián)而而成成的的熱熱噪噪聲聲電電壓壓源源和和一一個個用用一一個個fkTR 4尼奎斯公式條件：尼奎斯公式條件：1、電子與晶格處于熱平衡狀態(tài)、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、電子的能量分布服從波爾茲曼分布電場較強時，高能態(tài)電子數(shù)增多，可近似電場較強時，高能態(tài)電子數(shù)增多，可近似1、用、用電子溫度電子溫度取代平衡溫度取代平衡溫度2、用隨電場強度變化的、用隨電場強度變化的微分遷移率微分遷移率代替常數(shù)遷移率代替常數(shù)遷移率 對尼

7、奎斯公式修正，得對尼奎斯公式修正，得增強約翰遜噪聲增強約翰遜噪聲 多能谷結構材料中的多能谷結構材料中的谷間散射噪聲谷間散射噪聲78.2 晶體管的噪聲源晶體管的噪聲源二、散粒噪聲二、散粒噪聲(shot noise)已知晶體管中的基本噪聲機構有三種：熱噪聲、散粒噪聲和已知晶體管中的基本噪聲機構有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲噪聲 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)目的無規(guī)則起伏。數(shù)目的無規(guī)則起伏。 在半導體中，在半導體中，散粒噪聲通常指由于載流子的產生、復合的漲散粒噪聲通常指由于載流子的產生、復合的漲落使越過落使越過p-n

8、結勢壘的載流子數(shù)目起伏所引起的噪聲。結勢壘的載流子數(shù)目起伏所引起的噪聲。fqIish 22 其功率譜密度與頻率其功率譜密度與頻率無關，也屬白噪聲。無關，也屬白噪聲。r0（無噪聲無噪聲)fkTrush 02 fqIish 2 r0（無噪聲無噪聲)fkTrush 022 88.2 晶體管的噪聲源晶體管的噪聲源三、閃爍噪聲（三、閃爍噪聲（Flicker Noise） (1/f 噪聲噪聲)已知晶體管中的基本噪聲機構有三種：熱噪聲、散粒噪聲和已知晶體管中的基本噪聲機構有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲噪聲由于其功率譜密度近似與頻率成反比，也稱由于其功率譜密度近似與頻率成反比，也稱1/f噪聲。噪聲。出現(xiàn)

9、在出現(xiàn)在106Hz的頻率范圍，普通硅平面管中，在的頻率范圍，普通硅平面管中，在103Hz以下明顯以下明顯ffKIinf 2產生原因可能與晶體結構的不完整性和表面穩(wěn)定性有關。產生原因可能與晶體結構的不完整性和表面穩(wěn)定性有關。 晶格缺陷、位錯、高濃度晶格缺陷、位錯、高濃度P、B擴散造成晶體壓縮應變等擴散造成晶體壓縮應變等 表面能級、界面熱應力誘發(fā)缺陷、界面處帶電粒子移動以及表面表面能級、界面熱應力誘發(fā)缺陷、界面處帶電粒子移動以及表面反型層的產生或變化。反型層的產生或變化。 產生產生-復合機構引起的產生復合機構引起的產生-復合過程復合過程98.2 晶體管的噪聲源晶體管的噪聲源四、產生四、產生-復合噪

10、聲（復合噪聲（Generation Recombination Noise） 已知晶體管中的基本噪聲機構有三種：熱噪聲、散粒噪聲和已知晶體管中的基本噪聲機構有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲噪聲另外還有：另外還有： 在一定物理條件下，半導體內的載流子濃度雖有一定的平均值，但由于載流子的產生和復合都是隨機過程，所以材料內各處的載流子濃度以及整個器件的載流子數(shù)均圍繞其平均值有起伏存在。器件中載流子濃度及數(shù)量的起伏導致其電導率的起伏，當該半導體器件外加偏壓后，必引起器件內電流及電壓也存在起伏，此即產生-復合噪聲，或寫為G-R噪聲。 108.2 晶體管的噪聲源晶體管的噪聲源五、配分噪聲（五、配分噪聲

11、（Partition Noise） 已知晶體管中的基本噪聲機構有三種：熱噪聲、散粒噪聲和已知晶體管中的基本噪聲機構有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲噪聲另外還有：另外還有：六、猝發(fā)噪聲（六、猝發(fā)噪聲（Burst Noise） 源于電子管中電子束在兩個以上電極間的分離。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，有一個由空穴-電子復合作用而定的電流分配系數(shù)。復合現(xiàn)象受到熱起伏效應的影響使分配系數(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（ 1 kHz）段，通常從每秒鐘發(fā)

12、生數(shù)次到數(shù)分鐘才發(fā)生一次。能產生比1/f噪聲及白噪聲大幾倍甚至幾十倍的噪聲電流。由于通過揚聲器播放出來時聽起來類似爆米花的聲音，這種噪聲也被稱為爆米花噪聲和隨機電報信號（RTS）。認為是由電荷陷阱或半導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等重金屬雜質形成金屬-半導體結有關。118.2 晶體管的噪聲源晶體管的噪聲源已知晶體管中的基本噪聲機構有三種：熱噪聲、散粒噪聲和已知晶體管中的基本噪聲機構有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲噪聲另外還有：另外還有：七、雪崩噪聲（七、雪崩噪聲（Avalanche Noise） 雪崩噪聲是p-n結中發(fā)生

13、雪崩倍增時產生的一種噪聲類型，是由于雪崩倍增過程中產生電子、空穴和無規(guī)則性所引起的，其性質和散粒噪聲類似。 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（利用雪崩倍增效應工作的雪崩管除外）。128.3 p-n結二極管的噪聲結二極管的噪聲 p-n結二極管的噪聲主要有三種來源，即熱噪聲（Johnson噪聲）、散粒噪聲和閃爍噪聲（1/f噪聲） p-n結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4 nV）。 圖8-3 p-n結中的電流0(e1)qVkTII222212shIIII 熱噪聲熱噪聲散粒噪聲散

14、粒噪聲204shIqIf零偏時：221102IIqIf 理想p-n結：138.3 p-n結二極管的噪聲結二極管的噪聲 p-n結二極管的噪聲主要有三種來源，即熱噪聲（Johnson噪聲）、散粒噪聲和閃爍噪聲（1/f噪聲） 圖8-3 p-n結中的電流散粒噪聲散粒噪聲正偏時：222121002 ()2 (2)shIIIq IIfqIIf 反偏時：202 (2)shIqIIf100IIII100IIIII 實際的p-n結中，除上述擴散電流外，還存在著其他種類的電流，如耗盡區(qū)的產生-復合電流、隧道電流、光電流、表面漏電流等。 141. p-n 結二極管的散粒噪聲結二極管的散粒噪聲假設全部電流是由空穴攜帶

15、的假設全部電流是由空穴攜帶的分為三個分量：分為三個分量：由由p區(qū)注入到區(qū)注入到n區(qū)，并被電極端區(qū)，并被電極端 收集的空穴收集的空穴在在n區(qū)產生，被自建場漂移到區(qū)產生，被自建場漂移到p區(qū)區(qū) 并被電極端收集的空穴并被電極端收集的空穴從從p區(qū)注入?yún)^(qū)注入n區(qū)，在區(qū)，在n區(qū)復合或到達電極之前因擴散運動又返回區(qū)復合或到達電極之前因擴散運動又返回p區(qū)的空區(qū)的空 穴，對電流沒有貢獻，但對高頻電導有貢獻穴，對電流沒有貢獻，但對高頻電導有貢獻) 1( kTqVRFeIIkTqVReIRI p-n結中載流子擴散和漂移的動態(tài)平衡結中載流子擴散和漂移的動態(tài)平衡8.3 p-n結二極管的噪聲結二極管的噪聲15二極管低頻電導

16、：二極管低頻電導：)(0RkTqVRIIkTqekTqIdVdIg 高頻下的本征導納：高頻下的本征導納：jXGjkTqIYppF 21)1 (2121)1 (21212122212122 隨頻率升高而增大隨頻率升高而增大kTqVReIRI 受外加電壓調制，對電導的貢獻是受外加電壓調制，對電導的貢獻是g0與外加電壓無關，是自建場漂移作用，對電導沒有貢獻與外加電壓無關，是自建場漂移作用，對電導沒有貢獻兩部分獨立起伏產生散粒噪聲兩部分獨立起伏產生散粒噪聲fIIqfqIfIIqRRR )2(22)(2 16于是，于是，p-n結二極管總的結二極管總的噪聲電流均方值噪聲電流均方值為為fqIkTGfgGkT

17、fIIqiRn )24()(4)2(202 引起兩個極性相反的脈沖，其間隔為空穴在引起兩個極性相反的脈沖，其間隔為空穴在n區(qū)無規(guī)則停留時區(qū)無規(guī)則停留時間，因此受外加高頻電壓調制，對高頻本征電導有貢獻間，因此受外加高頻電壓調制，對高頻本征電導有貢獻因擴散過程是熱運動過程，故產生熱噪聲因擴散過程是熱運動過程，故產生熱噪聲fgGkT )(40 )(0RIIkTqg )(000000npnpnpRpnnpkTqVLnqDLpqDAInnppeD ) 1)() 1(00 kTqVnpnpnpkTqVReLnqDLpqDAeII178.4 雙極型晶體管的噪聲特性雙極型晶體管的噪聲特性一、噪聲源一、噪聲源1

18、.熱噪聲熱噪聲2.散粒噪聲散粒噪聲3. 1/f噪聲噪聲4. 其它噪聲源其它噪聲源 三個區(qū)的體電阻、三個電極接觸電阻都產生熱噪聲，但以三個區(qū)的體電阻、三個電極接觸電阻都產生熱噪聲，但以rb影響影響最大，因為處于輸入回路，且數(shù)值最大。最大，因為處于輸入回路，且數(shù)值最大。 產生產生-復合作用對多子影響不大。雙極型晶體管以少子傳輸電流，復合作用對多子影響不大。雙極型晶體管以少子傳輸電流，其散粒噪聲通過發(fā)射效率和基區(qū)輸運系數(shù)的不規(guī)則起伏反映到輸出端其散粒噪聲通過發(fā)射效率和基區(qū)輸運系數(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生散粒噪聲集電極反向飽和電流也產生散粒噪聲 表面缺陷狀態(tài)、表面氧化硅膜中表

19、面缺陷狀態(tài)、表面氧化硅膜中Na+及發(fā)射結附近缺陷都會產生及發(fā)射結附近缺陷都會產生1/f噪聲。此外，與重金屬雜質摻入發(fā)射區(qū)有關的噪聲。此外，與重金屬雜質摻入發(fā)射區(qū)有關的淬發(fā)噪聲淬發(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，集電結的雪崩倍增引起雪崩噪聲：反偏太高，集電結的雪崩倍增引起配分噪聲配分噪聲18二、散粒噪聲與噪聲電流二、散粒噪聲與噪聲電流2.晶體管散粒噪聲晶體管散粒噪聲 僅考慮空穴的運動：僅考慮空穴的運動：從發(fā)射極注入到基區(qū)的空穴從發(fā)射極注入到基區(qū)的空穴基區(qū)中產生并被發(fā)射極收集的空穴基區(qū)中產生并被發(fā)射極收集的空穴發(fā)射區(qū)注

20、入到基區(qū)，未被收集或復合，又返回發(fā)射區(qū)的空穴發(fā)射區(qū)注入到基區(qū)，未被收集或復合，又返回發(fā)射區(qū)的空穴在基區(qū)產生并被集電極收集的空穴在基區(qū)產生并被集電極收集的空穴8.4 雙極型晶體管的噪聲特性雙極型晶體管的噪聲特性19二、散粒噪聲與噪聲電流二、散粒噪聲與噪聲電流2.晶體管散粒噪聲晶體管散粒噪聲低頻發(fā)射極噪聲電流均方值：低頻發(fā)射極噪聲電流均方值：)()24(002BEEeEeneIIkTqgfqIkTgi 為低頻發(fā)射結電導為低頻發(fā)射結電導集電極噪聲電流均方值：集電極噪聲電流均方值：fqIfIIIqiCBCBEEDCnc 2)(22 8.4 雙極型晶體管的噪聲特性雙極型晶體管的噪聲特性20三、晶體管的噪

21、聲頻譜特性三、晶體管的噪聲頻譜特性普遍規(guī)律：普遍規(guī)律： 在噪聲頻譜特性曲線的在噪聲頻譜特性曲線的低頻和高頻區(qū)，噪聲系數(shù)都低頻和高頻區(qū)，噪聲系數(shù)都有明顯變化，在中頻區(qū)，噪有明顯變化，在中頻區(qū)，噪聲系數(shù)最小，且基本不隨頻聲系數(shù)最小，且基本不隨頻率變化。率變化。定義：定義：fL：低頻區(qū)噪聲轉角頻率。低頻區(qū)噪聲轉角頻率。fH：高頻區(qū)噪聲轉角頻率。高頻區(qū)噪聲轉角頻率。低頻區(qū)主要由低頻區(qū)主要由1/f噪聲構成。噪聲構成。中頻區(qū)稱為白噪聲區(qū)中頻區(qū)稱為白噪聲區(qū)高頻區(qū)噪聲系數(shù)再次上升是由于功率高頻區(qū)噪聲系數(shù)再次上升是由于功率 增益下降所致增益下降所致8.4 雙極型晶體管的噪聲特性雙極型晶體管的噪聲特性21為共基極

22、截止頻率為共基極截止頻率為信號源內阻，為信號源內阻，其中，其中， fRrRrrRGfGhGRrRrffgegebgFEgegbHL2)()21(Hz1200500221 *噪聲系數(shù)與工作條件密切相關噪聲系數(shù)與工作條件密切相關改善噪聲特性：改善噪聲特性：1、降低白噪聲區(qū)、降低白噪聲區(qū)2、提高高頻噪聲轉角頻率、提高高頻噪聲轉角頻率 rb、f 、hFE228.5 JFET與與MESFET的噪聲特性的噪聲特性一、一、JFET與與MESFET噪聲源噪聲源（三）（三）1/f 噪聲噪聲二、二、JFET的噪聲性能的噪聲性能（一）熱噪聲（一）熱噪聲（二）散粒噪聲（二）散粒噪聲（一）低頻噪聲性能（一）低頻噪聲性能

23、（二）中、高頻噪聲性能（二）中、高頻噪聲性能 1.溝道熱噪聲溝道熱噪聲 2感應柵噪聲感應柵噪聲（三）噪聲系數(shù)（三）噪聲系數(shù)三、微波三、微波GaAs MESFET的噪聲性能的噪聲性能（一）衡量（一）衡量GaAs MESFET噪聲性能的經驗公式噪聲性能的經驗公式（二）提高噪聲性能的途徑（二）提高噪聲性能的途徑238.5 JFET與與MESFET的噪聲特性的噪聲特性一、一、JFET與與MESFET噪聲源噪聲源3、1/f 噪聲噪聲1、熱噪聲、熱噪聲2、散粒噪聲、散粒噪聲溝道區(qū)存在電阻，產生溝道熱噪聲溝道區(qū)存在電阻，產生溝道熱噪聲金屬電極、源和漏的串聯(lián)體電阻產生熱噪聲金屬電極、源和漏的串聯(lián)體電阻產生熱噪

24、聲當溝道電場較強，載流子遷移率下降，但未達到飽和速度時，計入當溝道電場較強，載流子遷移率下降，但未達到飽和速度時，計入 增強約翰遜噪聲增強約翰遜噪聲速度飽和區(qū)強場下，載流子與晶格碰撞，速度飽和區(qū)強場下，載流子與晶格碰撞，擴散噪聲擴散噪聲通過反偏柵結勢壘的電流起伏產生散粒噪聲通過反偏柵結勢壘的電流起伏產生散粒噪聲起源于起源于柵結勢壘區(qū)柵結勢壘區(qū)和和溝道區(qū)溝道區(qū)載流子的產生載流子的產生-復合兩方面復合兩方面24柵結勢壘區(qū)復合中心發(fā)射與俘獲載流子，引起柵結耗盡層中電荷的柵結勢壘區(qū)復合中心發(fā)射與俘獲載流子，引起柵結耗盡層中電荷的 起伏，導致耗盡層寬度的變化，調制溝道電導，形成漏極噪聲電流起伏，導致耗盡

25、層寬度的變化，調制溝道電導，形成漏極噪聲電流 柵結勢壘區(qū)的產生柵結勢壘區(qū)的產生-復合過程的起伏產生兩種噪聲：復合過程的起伏產生兩種噪聲： 通過調制耗盡層寬度形成漏極噪聲電流：通過調制耗盡層寬度形成漏極噪聲電流：1/f噪聲（缺陷產噪聲（缺陷產 生復合中心的產生生復合中心的產生-復合復合 直接形成柵極噪聲電流：散粒噪聲（本征的產生直接形成柵極噪聲電流：散粒噪聲（本征的產生-復合）復合）溝道區(qū)復合中心、溝道區(qū)施主或受主中心以及表面態(tài)均可能發(fā)射與溝道區(qū)復合中心、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。這些過程的起伏直接造成載流子數(shù)目的起伏，產生漏俘獲載流子。這些過程的起伏直接造成載流子

26、數(shù)目的起伏，產生漏 極噪聲電流。極噪聲電流。258.5 JFET與與MESFET的噪聲特性的噪聲特性二、二、JFET的噪聲性能的噪聲性能1、低頻噪聲性能、低頻噪聲性能等效噪聲電阻等效噪聲電阻Rn: 實際測量噪聲電壓實際測量噪聲電壓(均方值均方值)含含有各種成分，同時不同樣品電阻不有各種成分，同時不同樣品電阻不同。統(tǒng)一用等效電阻來比較，即用同。統(tǒng)一用等效電阻來比較，即用熱噪聲的電阻來等效比較噪聲水平熱噪聲的電阻來等效比較噪聲水平低頻噪聲（噪聲等效電阻）與器低頻噪聲（噪聲等效電阻）與器 件的幾何形狀密切相關件的幾何形狀密切相關與復合中心密度、能級、俘獲幾率有密切關系與復合中心密度、能級、俘獲幾率有

27、密切關系 說明低頻噪聲以柵結勢壘區(qū)復合中心的產生說明低頻噪聲以柵結勢壘區(qū)復合中心的產生-復合噪聲為主。復合噪聲為主。摻金后，由摻金后，由f-1f-2LWaRn3 262、中、高頻噪聲性能、中、高頻噪聲性能 溝道熱噪聲溝道熱噪聲),(42GDmsndVVQfkTgi 器件工作在非飽和區(qū)時：器件工作在非飽和區(qū)時：gms為飽和區(qū)跨導（為飽和區(qū)跨導（G0起作用起作用）Q(VD,VG)為噪聲參量，反映工為噪聲參量，反映工作偏壓對噪聲的影響。作偏壓對噪聲的影響。 當漏極電壓不太高，溝道當漏極電壓不太高，溝道夾斷區(qū)長度遠小于溝道區(qū)長度夾斷區(qū)長度遠小于溝道區(qū)長度時，上式也適用于飽和區(qū)。時，上式也適用于飽和區(qū)。

28、65. 0 QgRmsnMHz6 Tf增加頻率修正項的結果，可見在增加頻率修正項的結果，可見在fT之之內，頻率修正項作用不大。內，頻率修正項作用不大。在飽和區(qū)在飽和區(qū)272、中、高頻噪聲性能、中、高頻噪聲性能 感應柵噪聲感應柵噪聲誘生柵極噪聲誘生柵極噪聲 低頻下，柵噪聲主要來源于低頻下，柵噪聲主要來源于柵電流的散粒噪聲。柵電流的散粒噪聲。 在中、高頻范圍內，則主要在中、高頻范圍內，則主要是溝道熱噪聲電動勢通過柵電容是溝道熱噪聲電動勢通過柵電容耦合形成的柵極回路的噪聲電流，耦合形成的柵極回路的噪聲電流，即即感應柵噪聲感應柵噪聲。 導電溝道中所產生的噪聲電導電溝道中所產生的噪聲電壓通過溝道電容耦合

29、到柵極，引壓通過溝道電容耦合到柵極，引起柵結電壓起伏和耗盡層寬度的起柵結電壓起伏和耗盡層寬度的變化，在柵電極上感應出相應的變化，在柵電極上感應出相應的補償電荷補償電荷起伏的柵極充電電起伏的柵極充電電流。流。283、噪聲系數(shù)、噪聲系數(shù)硅硅JFET和和MESFET的中、高頻噪聲系數(shù)為的中、高頻噪聲系數(shù)為ingsnsmsnsnsnRCggggRAAAAF222min65. 0221 為輸入端電導為輸入端電導將將A=1時對應的頻率定義為時對應的頻率定義為噪聲系數(shù)截止頻率，噪聲系數(shù)截止頻率，fnc298.5 JFET與與MESFET的噪聲特性的噪聲特性三、微波三、微波GaAs MESFET的噪聲性能的噪

30、聲性能1、衡量、衡量GaAs MESFET噪聲性能的經驗公式噪聲性能的經驗公式由于：由于：GaAs中熱電子溫度隨場強變化劇烈中熱電子溫度隨場強變化劇烈溝道中速度飽和區(qū)較長，要考慮其溝道中速度飽和區(qū)較長，要考慮其 中的強場擴散噪聲中的強場擴散噪聲肖克萊溝道夾斷模型不適用，需用肖克萊溝道夾斷模型不適用，需用 速度飽和模型分析計算整個溝道中速度飽和模型分析計算整個溝道中 的電場、電位分布和電流的電場、電位分布和電流-電壓特性電壓特性 故，微波故，微波GaAsMESFET的噪聲特的噪聲特性不同于硅性不同于硅FET。將溝道分為兩個區(qū)域：將溝道分為兩個區(qū)域：0L1為常遷移率區(qū)，計算增強約翰遜噪聲為常遷移率

31、區(qū)，計算增強約翰遜噪聲L1L 為速度飽和區(qū)，計算強場擴散噪聲為速度飽和區(qū)，計算強場擴散噪聲30SGmsTfRRgffKF ()(10minfT、gms取零柵壓時的值，取零柵壓時的值，Kf=2.5SGmslRRgLfKF (10min經驗公式：經驗公式：半經驗公式：半經驗公式：有效柵電阻：有效柵電阻：等效噪聲電阻的半經驗公式：等效噪聲電阻的半經驗公式：)(17)(11732hLWnhLwnRRmG )(1 . 11 . 2182. 066. 05 . 021DssgDSSSNaaLNaWRRR 源串聯(lián)電阻：源串聯(lián)電阻：2030. 0msngR 318.5 JFET與與MESFET的噪聲特性的噪聲

32、特性三、微波三、微波GaAs MESFET的噪聲性能的噪聲性能2、提高噪聲性能的途徑、提高噪聲性能的途徑縮短溝道長度：提高光刻水平；改進結構縮短溝道長度：提高光刻水平；改進結構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采用非均勻溝道雜質分布：界面附近采用非均勻溝道雜質分布：界面附近ND大，有大的跨導大，有大的跨導減小柵、源串聯(lián)電阻減小柵、源串聯(lián)電阻RG、RS：加厚柵金屬層；源極下加重摻雜加厚柵金屬層；源極下加重摻雜 層；局部離子注入；凹槽結構等層；局部離子注入；凹槽結構等32338.6 MOSFET的噪聲特性的噪聲特性一、溝道熱噪聲

33、一、溝道熱噪聲MOSFET的主要噪聲源是溝道熱噪聲的主要噪聲源是溝道熱噪聲其次是其次是1/f噪聲。由于噪聲。由于p-n結反向電流很結反向電流很小，可忽略其散粒噪聲。小，可忽略其散粒噪聲。 溝道載流子的無規(guī)則熱運動在溝溝道載流子的無規(guī)則熱運動在溝道電阻上產生噪聲電壓，該電壓使溝道電阻上產生噪聲電壓，該電壓使溝道電勢分布產生漲落，有效柵壓發(fā)生道電勢分布產生漲落，有效柵壓發(fā)生波動，從而導致漏極電流出現(xiàn)漲落波動，從而導致漏極電流出現(xiàn)漲落由此產生的噪聲為由此產生的噪聲為溝道熱噪聲溝道熱噪聲。fIyVkTfdRkTuDth )(442溝道中，溝道中，y0處體元處體元dy的微分電阻的微分電阻dR上熱噪聲電壓

34、上熱噪聲電壓圖8-5 熱噪聲對溝道電位分布的影響 34fIyVkTfdRkTuDth )(442溝道中，溝道中，y0處體元處體元dy的微分電阻的微分電阻dR上熱噪聲電壓上熱噪聲電壓引起溝道電位分布和漏極電流的起伏，產生熱噪聲電流引起溝道電位分布和漏極電流的起伏，產生熱噪聲電流TGSDSdndVVVFFgfkTi ;)1)(2()1 (1)()(32432可見，溝道熱噪聲來源于溝道電阻，同時也是器件工作狀態(tài)的函數(shù)可見，溝道熱噪聲來源于溝道電阻，同時也是器件工作狀態(tài)的函數(shù)溝道熱噪聲電流的均方值比尼奎斯公式多一個因子溝道熱噪聲電流的均方值比尼奎斯公式多一個因子)(32 FdlndlDSgfkTiFV

35、 423)(, 02很很小小時時，當當說明在線性區(qū)，溝道熱噪聲電流確實產生于線性區(qū)的溝道電阻。說明在線性區(qū)，溝道熱噪聲電流確實產生于線性區(qū)的溝道電阻。)(32)( FyVuVthDS不不同同，故故有有因因子子引引起起的的增增大大，隨隨著著35將非飽和區(qū)漏導將非飽和區(qū)漏導)(DSTGSdsVVVg 帶入，得帶入，得)2()1 (132)()()(432 HHfVVVkTiDSTGSnd其其中中，)1)(32)(4)(32)(4 FfVVkTFfVVVVVVVkTTGSTGSDSTGSTGSmsg)( HmsndsTGSDSgfkTiHVVV32432)(12 ，時時（器器件件進進入入飽飽和和區(qū)區(qū)

36、）當當)(41 MOST4 222222mndnndnngmndngngndmndgifkTRifkTRugiuuigi 則則等等效效噪噪聲聲電電阻阻輸輸入入端端電電壓壓中中折折合合到到即即將將，又又關關系系寫寫成成按按將將)( HgggRmmsmn 36)( HgggRmmsmn 在飽和區(qū)在飽和區(qū)32 msngR計及漏極電壓和襯底摻雜對溝道載流子電荷的影響，有通用表達式計及漏極電壓和襯底摻雜對溝道載流子電荷的影響，有通用表達式子電荷子電荷為整個溝道區(qū)的總載流為整個溝道區(qū)的總載流為總柵極電容為總柵極電容其中，其中，WdyyQQWLCCVCQgRLnNoxotDSotNmn 0)( 可見，可見，Rngm隨隨VDS增加而迅速減小，飽和區(qū)最小增加而迅速減小，飽和區(qū)最小Rngms，且且與襯底雜質濃度密切相關。與襯底雜質濃度密切相關。37 可見，可見，Rngm隨隨VDS增加而增加而迅速減小，飽和區(qū)最小迅速減小，飽和區(qū)最小Rngms，且與襯底雜