毫米波频段下MOSFET漏极电流噪声的统一模型

纳米级金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)精确的高频噪声模型是毫米波集成电路低功耗设计的重要基础,而现有的高频漏极噪声模型不仅没有融合器件的衬底效应和栅电阻效应,也没有充分考虑器件的频率和偏置依赖性。针对上述问题,基于纳米MOSFET器件的物理特性,并结合漂移扩散方程和有效栅极过载,建立统一表征强反区到弱反区的频率和偏置依赖性的漏极噪声模型,使之便于移植到先进设计系统(ADS)仿真设计。通过所建模型的仿真结果与实验测试结果进行比较,验证所建模型的准确性。同时比较所建模型对130 nm和40 nm MOSFET两种不同工艺器件的实用性,验证其对表征40 nm MOSFET的毫米波噪声特性的优越性。     

强反型区下纳米MOSFET的射频噪声机理分析

为了有效地表征纳米MOSFET强反型区下的射频噪声特性,研究了其噪声建模的方法。在分析45 nm MOSFET射频小信号等效电路参数提取结果的基础上,建立了该器件漏极电流噪声的简洁模型。该模型完整地表征了决定45 nm器件噪声机理的三个组成部分:本征漏极电流噪声、栅极管脚寄生电阻热噪声和栅漏衬底寄生电磁耦合噪声。噪声测量在验证所建模型准确性和精度的同时,还表明:45 nm MOSFET的本征漏极电流噪声为受抑制的散粒噪声,并且随着栅源偏压的降低受抑制性逐渐减弱直至消失。     

45 nm MOSFET毫米波小信号等效电路模型参数提取技术

为了有效地表征45 nm MOSFET毫米波频段下的电学特性,研究了其高频等效电路的建模方法。基于45 nm MOSFET的器件物理结构及其导纳参数分析,通过综合考虑器件的本征物理特性、管脚及测试寄生特性,提出了一种准静态近似的高频等效电路模型及其参数直接提取的高精度简化算法,以此来统一表征模型参数从强反型区到弱反型区的偏置依赖性,并使之在不同偏置条件下的特性表征具有良好的连续性,以便于移植到商业仿真设计自动化工具中。通过ADS2013仿真工具的散射参数模拟结果与测量数据的一致性比较,验证了所建模型的实用性及其参数提取算法的准确性, 并表征了45 nm器件的偏置依赖性。     

纳米MOSFET毫米波噪声的简洁模型

为了使复杂的纳米MOSFET毫米波噪声物理模型可用于工程设计,研究了其简洁模型的表达形式。通过器件的双端口相关噪声矩阵变换和分析,实现了复杂的噪声物理模型的简化。所提出的简洁模型不仅高精度地表征了器件的非准静态效应,并且可通过Verilog-A语言以四结点的形式,直接嵌入到ADS仿真设计工具,从而在保证精度的同时,大大降低了设计的复杂度。实验结果验证了所建模型在强反型区和弱反型区均比现有的三结点模型具有更高的准确性。     

纳米器件电流噪声的散射理论统一模型研究

传统散射理论在研究器件噪声特性时,并没有考虑非相干输运和库仑作用对散粒噪声的抑制,而在实际纳米器件中这两种效应不可忽略.本文基于散射区等效接触端模型推导了考虑上述两种效应的电流噪声散射理论统一模型,该模型适用于从相干输运到非相干输运的整个输运区,并同时考虑了泡利不相容原理和库仑作用对散粒噪声的抑制.本文也提出了一种基于统一模型的电流噪声数值模拟方法,该方法所得散射区特性与散射区等效接触端模型特性一致. 关键词： 电流噪声 散射理论 统一模型     

纳米尺度MOSFET过剩噪声的定性分析

最近实验表明纳米尺度MOSFET中的过剩噪声主要为散粒噪声,而此前研究认为MOSFET中不存在散粒噪声,短沟道MOSFET中的过剩噪声为热噪声. 本文基于器件电流模型分析散粒噪声取代热噪声成为过剩噪声主要成分的转变条件,根据该条件对纳米尺度MOSFET噪声特性的预测与文献报道的实验现象、模拟结果以及介观散粒噪声相关结论相符合. 关键词： 散粒噪声 过剩噪声 纳米尺度MOSFET     

短沟道金属-氧化物半导体场效应晶体管的散粒噪声模型

随着金属-氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件的尺寸进入到纳米量级,器件的噪声机理逐渐开始转变.传统的热噪声与漏源电流模型精度出现下降,散粒噪声成为器件噪声不可忽略的因素.本文通过求解能量平衡方程,推导了短沟道MOSFET器件的沟道电子温度和电子速度表达式,由此建立了漏源电流模型;基于漏源电流模型建立了适用于40 nm以下器件的散粒噪声模型和热噪声模型.研究了n型金属-氧化物半导体场效应晶体管(NMOSFET)器件在不同偏置电压下,器件尺寸对散粒噪声抑制因子和噪声机理的影响.研究表明:已有的热噪声模型与散粒噪声模型的精度随着器件尺寸的减小而下降,导致相应的散粒噪声抑制因子被高估.当NMOSFET器件的尺寸减小到10 nm时,器件的噪声需由热噪声与受抑制的散粒噪声共同表征.本文建立的短沟道器件散粒噪声模型可应用于纳米尺寸NMOSFET器件噪声性能的分析与建模.     

小尺寸MOSFET隧穿电流解析模型

基于表面势解析模型，通过将多子带等效为单子带，建立了耗尽/反型状态下小尺寸MOSFET直接隧穿栅电流解析模型.模拟结果与自洽解及实验结果均符合较好，表明此模型不仅可用于SiO₂、也可用于高介电常数(k)材料作为栅介质以及叠层栅介质结构MOSFET栅极漏电特性的模拟分析，计算时间较自洽解方法大大缩短，适用于MOS器件电路模拟. 关键词： 隧穿电流 MOSFET 量子机理 解析模型     

单轴应变SiNMOSFET源漏电流特性模型

本文在建立单轴应变Si NMOSFET迁移率模型和阈值电压模型的基础上, 基于器件不同的工作区域, 从基本的漂移扩散方程出发, 分别建立了单轴应变Si NMOSFET源漏电流模型. 其中将应力的影响显式地体现在迁移率和阈值电压模型中, 使得所建立的模型能直观地反映出源漏电流特性与应力强度的关系. 并且对于亚阈区电流模型, 基于亚阈区反型电荷, 而不是采用常用的有效沟道厚度近似的概念, 从而提高了模型的精度. 同时将所建模型的仿真结果与实验结果进行了比较, 验证了模型的可行性. 该模型已经被嵌入进电路仿真器中, 实现了对单轴应变Si MOSFET 器件和电路的模拟仿真.     

光电耦合器件闪烁噪声模型

对电应力前后光电耦合器件的闪烁噪声（1/f噪声）进行了实验和理论研究.实验发现,应力前后1/f噪声幅值随偏置电流均有相同的变化规律：在低电流区,1/f噪声幅值与偏置电流成正比,在高电流区,1/f噪声幅值与偏置电流的平方成正比,且应力后1/f噪声幅值增大了约7倍.理论分析表明,小电流时该器件的1/f噪声为扩散1/f噪声,大电流时为复合1/f噪声,应力在器件有源区诱生的陷阱是1/f噪声增大的根本原因.基于载流子数涨落和迁移率涨落机制,建立了一个光电耦合器件1/f噪声的定量分析模型,实验结果和模型符合良好.     

单轴应变硅N沟道金属氧化物半导体场效应晶体管电容特性模型

电容特性模型是单轴应变硅金属氧化物半导体场效应晶体管(Si MOSFET)和电路进行瞬态分析、交流小信号分析、噪声分析等的重要基础. 本文首先建立了单轴应变Si NMOSFET 的16 个微分电容模型, 并将微分电容的仿真结果与实验结果进行了比较, 验证了所建模型的正确性. 同时对其中的关键性栅电容C_gg 与应力强度、偏置电压、沟道长度、栅极掺杂浓度等的关系进行了分析研究. 结果表明, 与体硅器件相比, 应变的引入使得单轴应变Si NMOSFET器件的栅电容增大, 随偏置电压、沟道长度、栅极掺杂浓度的变化趋势保持不变.     

应变Si NMOSFET漏电流解析模型

基于应变Si/SiGe器件结构,本文建立了统一的应变Si NMOSFET漏电流解析模型. 该模型采用平滑函数,实现了应变Si NMOSFET漏电流及其导数,从亚阈值区到强反型区以及从线性区到饱和区的平滑性,解决了模型的连续性问题. 同时考虑了载流子速度饱和效应和沟道长度调制效应的影响,进一步提高了模型精度. 通过将模型的仿真结果和实验结果对比分析,验证了所建模型的有效性. 该模型可为应变Si数字集成电路和模拟集成电路分析、设计提供重要参考. 关键词： 应变Si NMOSFET 漏电流 解析模型     

准弹道输运纳米MOSFET散粒噪声的抑制研究

目前研究准弹道输运纳米MOSFET散粒噪声的抑制时, 采取了完全不考虑其抑制, 或只强调抑制的存在而并未给出抑制公式的方式进行研究. 本文基于Navid模型推导了准弹道输运纳米MOSFET散粒噪声, 并得到了其在费米作用、库仑作用和二者共同作用三种情形下的抑制因子. 在此基础上, 对各抑制因子随源漏电压、栅极电压、温度及源漏掺杂浓度的变化特性进行了研究. 两者共同作用的抑制因子随源漏电压和栅极电压变化特性与文献中给出的实验结论相符合, 从而对实验上得到两者共同作用下的抑制因子随源漏电压和栅极电压的变化特性给出了理论解释.     

一个圆柱形双栅场效应晶体管的物理模型

圆柱形双栅场效应晶体管(CSDG MOSFET)是在围栅MOSFET器件增加内部控制栅而形成,与双栅、三栅及围栅MOSFET器件相比,圆柱形双栅MOSFET提供了更好的栅控性能和输出特性.本文通过求解圆柱坐标系下的二维泊松方程,得到了圆柱形双栅MOSFET的电势模型;进一步对反型电荷沿沟道积分,建立其漏源电流模型.分析讨论了圆柱形双栅MOSFET器件的电学特性,结果表明:圆柱形双栅MOSFET外栅沿沟道的最小表面势和器件的阈值电压随栅介质层介电常数的增大而减小,其漏源电流和跨导随栅介质层介电常数的增大而增大;随着器件参数的等比例缩小,沟道反型电荷密度减小,其漏源电流和跨导也减小.     

金属氧化物半导体场效应管热载流子退化的1/fγ噪声相关性研究

研究了金属氧化物半导体(MOS)器件在高、中、低三种栅压应力下的热载流子退化效应及其1/fγ噪声特性.基于Si/SiO2界面缺陷氧化层陷阱和界面陷阱的形成理论,结合MOS器件1/f噪声产生机制,并用双声子发射模型模拟了栅氧化层缺陷波函数与器件沟道自由载流子波函数及其相互作用产生能级跃迁、交换载流子的具体过程.建立了热载流子效应、材料缺陷与电参量、噪声之间的统一物理模型.还提出了用噪声参数Sfγ表征高、中、低三种栅应力下金属氧化物半导体场效应管抗热载流子损伤能力的方法.根据热载流子对噪声影响的物理机制设计了实验并验证这个模型.实验结果与模型符合良好.     

N/P沟道MOSFET1/f噪声的统一模型

对n／p两种沟道类型、不同沟道尺寸MOSFET的1／f噪声特性进行了实验和理论研究.实验结 果表明，虽然nMOSFET的1／f噪声幅值比pMOSFET大一个数量级，但是其噪声幅值均表现出和 有效栅压的平方成反比、和漏压的平方成正比、和沟道面积成反比的规律.基于该实验结果 ，认为MOSFET的1/f噪声产生机理为位于半导体_氧化物界面附近几个纳米范围内的氧化层陷 阱通过俘获和发射过程与沟道交换载流子，在引起载流子数涨落的同时也通过库仑散射导致 沟道载流子迁移率的涨落.在这两种涨落机理的基础上，引入了氧化层陷阱的分布特征及其 与沟道交换载流子的隧穿和热激活两种方式，建立了MOSFET l／f噪声的统一模型.实验结果 和本文模型符合良好. 关键词： 1/f噪声 MOSFET 氧化层陷阱 涨落     

短波碲镉汞光伏器件的低频噪声研究

对所研制的短波光伏碲镉汞器件进行了变温电流-电压特性和低频噪声研究，测试温度范围255—293K.实验结果表明随着温度的下降，器件的优值因子R₀A从45×10³Ωcm²增加到7×10⁴Ωcm².器件在低频区的主要噪 声成分是1/f噪声和产生-复合噪声，在高频区主要是散粒噪声.在测试的偏压内，器件的1/f噪声功率谱密度与流过器件的电流的平方成正比，器件的Hooge系数为3×10^-4—7×10^-4.从噪声 功率谱密度曲线分析中得到产生-复合噪声的特征时间常数τ，通过τ的温度特性得到了器件的深能级. 关键词： 碲镉汞 优值因子 低频噪声 深能级     

发光二极管可靠性的噪声表征

通过对发光二极管内部结构的研究，发现N_t(界面态陷阱密度)和扩散电流比率 是影响发光二极管性能的重要因素，并与器件可靠性有密切关系.器件内部存在的多种噪声 中，低频1/f噪声可表征N_t和扩散电流比率.在深入研究发光二极管工作原理及1 /f噪声载流子数涨落理论和迁移率涨落理论的基础上，建立了发光二极管的电性能模型及1/ f噪声模型.在输入电流宽范围变化的条件下测量了器件的电学噪声，实验结果与理论模型符 合良好.通过对其测量结果分析，深入研究了噪声和发光二极管性能与可靠性的关系，证明 了噪声幅值越大，电流指数越接近于2，器件可靠性越差，失效率则显著增大. 关键词： 1/f噪声 发光二极管 陷阱 光功率     

异质多晶SiGe栅应变Si NMOSFET物理模型研究

结合了“栅极工程”和“应变工程”二者的优点, 异质多晶SiGe栅应变Si MOSFET, 通过沿沟道方向使用不同功函数的多晶SiGe材料, 在应变的基础上进一步提高了MOSFET的性能. 本文结合其结构模型, 以应变Si NMOSFET为例, 建立了强反型时的准二维表面势模型, 并进一步获得了其阈值电压模型以及沟道电流的物理模型. 应用MATLAB对该器件模型进行了分析, 讨论了异质多晶SiGe栅功函数及栅长度、衬底SiGe中Ge组分等参数对器件阈值电压、沟道电流的影响, 获得了最优化的异质栅结构. 模型所得结果与仿真结果及相关文献给出的结论一致, 证明了该模型的正确性. 该研究为异质多晶SiGe栅应变Si MOSFET的设计制造提供了有价值的参考. 关键词： 异质多晶SiGe栅 应变Si NMOSFET 表面势 沟道电流     

氢化非晶硅薄膜晶体管的低频噪声特性

针对氢化非晶硅薄膜晶体管(hydrogenated amorphous silicon thin film transistor,a-Si:H TFT)的低频噪声特性展开实验研究.由测量结果可知,a-Si:H TFT的低频噪声特性遵循1/f~γ(f为频率,γ≈0.92)的变化规律,主要受迁移率随机涨落效应的影响.基于与迁移率涨落相关的载流子数随机涨落模型(?N-?μ模型),在考虑源漏接触电阻、局域态俘获及释放载流子效应等情况时,对器件低频噪声特性随沟道电流的变化进行分析与拟合.基于a-Si:H TFT的亚阈区电流-电压特性提取器件表面能带弯曲量与栅源电压之间的关系,通过沟道电流噪声功率谱密度提取a-Si:H TFT有源层内局域态密度及其分布.实验结果表明:局域态在禁带内随能量呈e指数变化,两种缺陷态在导带底密度分别约为6.31×10~(18)和1.26×10~(18)cm~(-3)·eV~(-1),特征温度分别约为192和290 K,这符合非晶硅层内带尾态密度及其分布特征.最后提取器件的平均Hooge因子,为评价非晶硅材料及其稳定性提供参考.