微電子器件第八章噪聲特性

微電子器件第八章噪聲特性第一頁，共42頁。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，噪聲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(chǎn)生不同程度的影響為了衡量噪聲對信號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，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，共42頁。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。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大。例3AG47,NF<6db,F=4

輸出噪聲功率中75%來自于晶體管本身。3第三頁，共42頁?！?.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構(gòu)有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f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(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，熱運動加劇熱噪聲與電阻有關(guān)——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——均方值表示頻譜密度與頻率無關(guān)的噪聲稱為白噪聲，熱噪聲是白噪聲4第四頁，共42頁?！?.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—開路噪聲電壓單位頻率間隔內(nèi)的噪聲強度稱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，共42頁。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較強時，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、用隨電場強度變化的微分遷移率代替常數(shù)遷移率對尼奎斯公式修正，得增強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，共42頁?！?.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)目的無規(guī)則起伏。在半導體中，散粒噪聲通常指由于載流子的產(chǎn)生、復合的漲落使越過p-n結(jié)勢壘的載流子數(shù)目起伏所引起的噪聲。其功率譜密度與頻率無關(guān)，也屬白噪聲。~r0（無噪聲)r0（無噪聲)7第七頁，共42頁?！?.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、高濃度P、B擴散造成晶體壓縮應(yīng)變等表面能級、界面熱應(yīng)力誘發(fā)缺陷、界面處帶電粒子移動以及表面反型層的產(chǎn)生或變化。

產(chǎn)生-復合機構(gòu)引起的產(chǎn)生-復合過程8第八頁，共42頁?！?.2晶體管的噪聲源四、產(chǎn)生-復合噪聲（GenerationRecombinationNoise）已知晶體管中的基本噪聲機構(gòu)有三種：熱噪聲、散粒噪聲和1/f噪聲另外還有：在一定物理條件下，半導體內(nèi)的載流子濃度雖有一定的平均值，但由于載流子的產(chǎn)生和復合都是隨機過程，所以材料內(nèi)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(nèi)電流及電壓也存在起伏，此即產(chǎn)生-復合噪聲，或?qū)憺镚-R噪聲。

9第九頁，共42頁?！?.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(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(zhì)形成金屬-半導體結(jié)有關(guān)。10第十頁，共42頁?！?.2晶體管的噪聲源已知晶體管中的基本噪聲機構(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)生雪崩倍增時產(chǎn)生的一種噪聲類型，是由于雪崩倍增過程中產(chǎn)生電子、空穴和無規(guī)則性所引起的，其性質(zhì)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(yīng)工作的雪崩管除外）。11第十一頁，共42頁。§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：理想p-n結(jié)：12第十二頁，共42頁。§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：反偏時：實際的p-n結(jié)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(chǎn)生-復合電流、隧道電流、光電流、表面漏電流等。

13第十三頁，共42頁。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)復合或到達電極之前因擴散運動又返回p區(qū)的空穴，對電流沒有貢獻，但對高頻電導有貢獻p-n結(jié)中載流子擴散和漂移的動態(tài)平衡§8.3p-n結(jié)二極管的噪聲14第十四頁，共42頁。二極管低頻電導：高頻下的本征導納：——隨頻率升高而增大①②受外加電壓調(diào)制，對電導的貢獻是g0與外加電壓無關(guān)，是自建場漂移作用，對電導沒有貢獻兩部分獨立起伏產(chǎn)生散粒噪聲15第十五頁，共42頁。于是，p-n結(jié)二極管總的噪聲電流均方值為③引起兩個極性相反的脈沖，其間隔為空穴在n區(qū)無規(guī)則停留時間，因此受外加高頻電壓調(diào)制，對高頻本征電導有貢獻因擴散過程是熱運動過程，故產(chǎn)生熱噪聲16第十六頁，共42頁?！?.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.其它噪聲源三個區(qū)的體電阻、三個電極接觸電阻都產(chǎn)生熱噪聲，但以rb影響最大，因為處于輸入回路，且數(shù)值最大。產(chǎn)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，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(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，共42頁。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動：①從發(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，共42頁。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，共42頁。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，共42頁。*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，共42頁?！?.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)驗公式（二）提高噪聲性能的途徑22第二十二頁，共42頁?！?.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速度飽和區(qū)強場下，載流子與晶格碰撞，擴散噪聲通過反偏柵結(jié)勢壘的電流起伏產(chǎn)生散粒噪聲起源于柵結(jié)勢壘區(qū)和溝道區(qū)載流子的產(chǎn)生-復合兩方面23第二十三頁，共42頁。①柵結(jié)勢壘區(qū)復合中心發(fā)射與俘獲載流子，引起柵結(jié)耗盡層中電荷的起伏，導致耗盡層寬度的變化，調(diào)制溝道電導，形成漏極噪聲電流柵結(jié)勢壘區(qū)的產(chǎn)生-復合過程的起伏產(chǎn)生兩種噪聲：——通過調(diào)制耗盡層寬度形成漏極噪聲電流：1/f噪聲（缺陷產(chǎn)生復合中心的產(chǎn)生-復合——直接形成柵極噪聲電流：散粒噪聲（本征的產(chǎn)生-復合）②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(chǎn)生漏極噪聲電流。24第二十四頁，共42頁?！?.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:實際測量噪聲電壓(均方值)含有各種成分，同時不同樣品電阻不同。統(tǒng)一用等效電阻來比較，即用熱噪聲的電阻來等效比較噪聲水平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與復合中心密度、能級、俘獲幾率有密切關(guān)系

說明低頻噪聲以柵結(jié)勢壘區(qū)復合中心的產(chǎn)生-復合噪聲為主。摻金后，由f-1—f-225第二十五頁，共42頁。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：gms為飽和區(qū)跨導（G0起作用）Q(VD,VG)為噪聲參量，反映工作偏壓對噪聲的影響。當漏極電壓不太高，溝道夾斷區(qū)長度遠小于溝道區(qū)長度時，上式也適用于飽和區(qū)。增加頻率修正項的結(jié)果，可見在fT之內(nèi)，頻率修正項作用不大。在飽和區(qū)26第二十六頁，共42頁。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勢通過柵電容耦合形成的柵極回路的噪聲電流，即感應(yīng)柵噪聲。導電溝道中所產(chǎn)生的噪聲電壓通過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)的補償電荷——起伏的柵極充電電流。27第二十七頁，共42頁。3、噪聲系數(shù)硅JFET和MESFET的中、高頻噪聲系數(shù)為為輸入端電導將A=1時對應(yīng)的頻率定義為噪聲系數(shù)截止頻率，fnc28第二十八頁，共42頁?！?.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)驗公式由于：①GaAs中熱電子溫度隨場強變化劇烈②溝道中速度飽和區(qū)較長，要考慮其中的強場擴散噪聲③肖克萊溝道夾斷模型不適用，需用速度飽和模型分析計算整個溝道中的電場、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。將溝道分為兩個區(qū)域：0~L1為常遷移率區(qū)，計算增強約翰遜噪聲L1~L

為速度飽和區(qū)，計算強場擴散噪聲29第二十九頁，共42頁。fT、gms取零柵壓時的值，Kf=2.5經(jīng)驗公式：半經(jīng)驗公式：有效柵電阻：等效噪聲電阻的半經(jīng)驗公式：源串聯(lián)電阻：30第三十頁，共42頁?！?.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縮短溝道長度：提高光刻水平；改進結(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④減小柵、源串聯(lián)電阻RG、RS：加厚柵金屬層；源極下加重摻雜層；局部離子注入；凹槽結(jié)構(gòu)等31第三十一頁，共42頁。32第三十二頁，共42頁?！?.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。溝道載流子的無規(guī)則熱運動在溝道電阻上產(chǎn)生噪聲電壓，該電壓使溝道電勢分布產(chǎn)生漲落，有效柵壓發(fā)生波動，從而導致漏極電流出現(xiàn)漲落由此產(chǎn)生的噪聲為溝道熱噪聲。溝道中，y0處體元dy的微分電阻dR上熱噪聲電壓圖8-5熱噪聲對溝道電位分布的影響

33第三十三頁，共42頁。溝道中，y0處體元dy的微分電阻dR上熱噪聲電壓引起溝道電位分布和漏極電流的起伏，產(chǎn)生熱噪聲電流可見，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說明在線性區(qū)，溝道熱噪聲電流確實產(chǎn)生于線性區(qū)的溝道電阻。34第三十四頁，共42頁。將非飽和區(qū)漏導帶入，得35第三十五頁，共42頁。在飽和區(qū)計及漏極電壓和襯底摻雜對溝道載流子電荷的影響，有通用表達式可見，Rngm隨VDS增加而迅速減小，飽和區(qū)最小Rngms，且與襯底雜質(zhì)濃度密切相關(guān)。36第三十六頁，共42頁?？梢姡琑ngm隨VDS增加而迅速減小，飽和區(qū)最小Rngms，且與襯底