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射频MOSFET噪声模型研究

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第28卷 第4期 2008年12月 固体电子学研究与进展 RESEARCH&PROGRESS OF SSE VoI.28.No.4 Dec.,2008 , 射频与微波 、 射频MOSFET噪声模型研究。 黄亚森 王 倩 袁 成 高建军“ (东南大学信息科学与工程学院,南京,210096) 2007—10—10收稿,2008—01—09收改稿 摘要:对0.13 tLm MOSFET噪声建模和参数提取技术进行了研究,在精确地提取了小信号模型参数之后,利用 噪声相关矩阵技术从测量的散射参数和射频噪声参数直接提取了栅极感应噪声电流《、沟道噪声电流 和它们的相 关系数,并用PRC模型中的参数来表示。将参数提取结果带人ADS中进行仿真,在2~8 GHz频段上仿真结果与测 量数据吻合良好。 关键词:金属氧化物半导体场效应晶体管;噪声模型;参数提取 中图分类号:TN386.1 文献标识码:A 文章编号:1000—3819(2008)04—5u—O5 Noise Modeling for RF MOSFETs HUANG Yasen WANG Qian YUAN Cheng GAO Jianjun (School of Information Science and Engineering,Southeast Uniz,ersity,Nanfing,210096,CHN) Abstract:In his paper,noise modeling and parameter extraction techniques for 0.13 m MOSFET device are presented and verified.On the basis of cross correlation matrix technique, the induced gate noise i:,channel noise i5 and their cross correlation were directly obtained from scattering and RF noise measurement in the form of PRC model parameters.The extracted model shows good agreement with measured noise parameters in 2~8 GHz regime. Key words:MOSFET;noise model;parameter extraction EEACC: 栅氧层电容耦合到栅极形成栅极感应噪声电流《, 1 引 言 这两种噪声电流都应包含在噪声模型中。由于提取 诱导栅极噪声及其相关系数比较困难,以前虽提出 过一些噪声模型[1 和仿真结果Is],但它们都不能用 由于现代深亚微米工艺MOSFET截止频率的 显著提高,MOSFET在无线通信领域已经得到广泛 提取出的噪声电流来直接仿真验证,因此由噪声测 量结果直接提取噪声电流对于深亚微米M0SFET 应用。准确的器件模型是集成电路设计的基础,因而 晶体管噪声模型的精度对电路设计、工艺水平的提 噪声建模是非常关键的。文中主要关注热噪声,考虑 高以及器件性能优化的重要性是不言而喻的。 MOSFET噪声建模以及模型参数提取技术已经成 为近几年国内外的研究热点。 M0SFET中最主要的噪声是沟道热噪声电流 i5,它由沟道内载流子的随机热运动产生,并会通过 了栅极电阻和衬底的影响,忽略了1/f噪声和栅极 隧穿噪声,对一种包括栅极感应噪声电流 沟道噪 声电流i5的M0SFET噪声模型进行了研究并提取 了模型参数。 基金项目:江苏省自然科学基金项和新世纪人才支持计划(NCET一05—0464) 1.联系作者:E—mail:jjgao@ee.ecnu.edu.cn ・512 固体电子学研究与进展 作为噪声模型参数提取的第一步,小信号模型 参数提取的精确与否对后续的噪声模型参数提取工 CPG)。Ccs是栅极和源极之间的电容,C 。是栅极和漏 极之间的电容,尺。是用来模拟高频时M0SFET栅 作有很大影响,文中使用半优化法来提取小信号模 极的分布电阻效应,尺n和R。代表漏极和源极轻掺 型参数L4]。传统的全局优化法仅仅是数学拟合而缺 乏明确的物理含义,而文中先基于经验值确定了串 联电阻RG、尺。和Rs的初值,再利用直接提取法计算 出晶体管内部小信号等效电路元件值,然后不断更 改串联电阻值使得等效电路仿真结果和测量结果高 度一致,从而找出正确的小信号模型参数。 在精确的小信号模型基础上,采用噪声相关矩 杂扩散区电阻,g 为跨导,尺Ds为输出阻抗, :和 5分 别为栅极感应噪声电流和沟道噪声电流。由于硅的 损耗特性和器件与衬底之间的不完全隔离,用R 和CsUe来表征硅工艺中不可避免的衬底耦合效应。 沟道中随机的电压变化AV “引起沟道噪声电流 i5,而这种电压变化又会通过栅氧层电容耦合到栅 极产生栅极噪声电流i ,因此这两种电流源是相关 的[4]。只有同时提取出这两种噪声源和它们的相关 阵技术进行噪声参数提取,首先使用散射参数和噪 声参数剥离外围焊盘元件,然后依次剥离串联电阻 和衬底网络,从而得到MOSFET本征结构的散射参 数和噪声参数。随后,在PRC噪声模型[s]的基础上, 系数,才能通过仿真准确的预测器件的噪声性能。 噪声参数提取首先要得到准确的射频小信号模 型元件值。传统的直接提取参数法利用器件的y参 数直接提取元件值,但在实际工作中仿真结果和测 量结果会出现较大的偏差且步骤复杂[6]。采用半优 化法,首先根据经验值确定三个串联电阻(尺。,、R。 和Rs)的初值,然后用直接提取法提取内部的小信 号参数(CDs、Ccs、cGD、g 和RDs)和衬底网络(尺suB和 Csun)L7],代人ADS仿真器将仿真结果与测量结果相 对比,如果曲线相似度不符合条件(曲线相对误差低 于5 )则改变串联电阻的值,重新计算内部元件值 描述了从本征器件的散射参数和射频噪声参数中提 取栅极感应噪声电流 沟道噪声电流i;和它们的相 关系数的详细步骤。将提取的参数代入ADS中仿真 得出噪声参数:最小噪声系数ⅣF 等效噪声电阻 R 和最佳噪声反射系数r (幅度和相位)。在2~8 GHz频段内将仿真得到的噪声参数和测量得到的 噪声参数相比较,可见仿真结果和测试结果吻合良 好。 2 包含噪声源的等效电路模型 精确的MOSFET小信号模型是噪声参数提取 的基础,图1是包含了焊盘寄生元件和内部噪声源 的MOSFET小信号等效电路图,它由三部分组成: 再进行仿真使拟合度达到规定条件。 图2给出了NMOSFET测量(点)和仿真(线)的 5参数。MOS器件叉指数16,沟道宽度2 m,沟道长 度0.13 m,偏置条件为VDS一1.0 V,VGs一0.8 V, 测试频率从2到20 GHz。小信号模型参数为Rc一4 Q,RD一15.8 Q,Rs一1 Q,CsuB一9 fF,RDs一481 Q, 本征元件(包括ccs、CGD、g—R‰cDs和噪声源i;、 、 外围元件(包括寄生电阻RG、RD、Rs和衬底网络 Rsu CsU )及焊盘寄生元件(氏,、 、Ls、CPGn、CPD和 CGs=31 fF,CGD一18.8 fF,CI)s一19.4 fF,RsuB一 586.5 Q,g 一29.6 ms, =0.055 ps。 图l含噪声源的NMOS小信号等效电路 Fig.1 NMOS small signal equivalent circuit with noise sources 4期 黄亚森等:射频MOSFET噪声模型研究 513 图2 2~20 GHz测量和模拟的S参数比较,偏置条件为 s=0.8 V, =1.0 V Fig.2 Comparison between the measured(circle)and the simulated(1ine)S parameters when VGS= 0.8 V, ∞=1.0 V,Freq:2~20 GHz 图2中 参数测量结果和仿真结果之间的相对 误差低于5 。最后将噪声模型仿真结果和测量结果 相比较,两者的良好吻合可进一步说明小信号参数 提取结果是准确的。 3 噪声参数提取 本征噪声参数可以用噪声相关矩阵技术来提 取【8]。在这种方法中,线性电路中的噪声由相关矩阵 而非电流和电压来表示,从而一个复杂的电路可被 看作是由很多简单的二端口器件连接而成。利用数 学中的相关矩阵技术可以将外围的二端口器件消去 从而得到本征器件的噪声参数。这种方法最大的好 处是可以方便地将器件内部的噪声源和噪声测量结 果联系起来,从而简化噪声模型参数提取和验证的 过程。 根据电路拓扑结构的不同,二端口噪声网络噪 声相关矩阵的表示方法有很多种,其中重要的有阻 抗噪声相关矩阵、导纳噪声相关矩阵、级联噪声相关 矩阵、S参数噪声相关矩阵和71参数噪声相关矩阵。 根据图1的电路结构,采用导纳噪声相关矩阵来剥 离焊盘和外围寄生元件,求出栅极感应噪声、沟道噪 声及其相关系数。图3中给出了导纳形式的噪声等 效电路模型。 』, (±) . Noisenetlewss ortwk o・port k(±) I 图3二端口噪声网络的导纳表示法 Fig.3 Two—port network of admittance representation 图3中 和, 为输入和输出端口的相关噪声 电流源,分别对应于图1中的 :和i5,其导纳噪声相 关矩阵可以表示成 [Cv]一 [ IN1* I; ̄2 >]㈣ 通过图1和图3对比可知,求晶体管内部噪声源 i:和 5可转化为求出晶体管本征部分的导纳形式噪 声相关矩阵系数。级联形式的噪声相关矩阵表示如 下: rC ]一 —— (y。 )。 2志丁 ——R y。 Iy。 1。 (2) 式中K为玻尔兹曼常数( 一1.380 650 3×10q。), 丁为器件温度(71:290 K),星号表示取复数共轭。 利用以上矩阵形式转换方法,剥离外围的焊盘 寄生元件c DG、c G、c 。、 、LD、 ,就得到了晶体 管的散射参数和噪声相关矩阵[C . ]。然后再分别 消去栅极、源极和漏极的寄生电阻Rc、尺s、Ro以及 衬底电容和电阻尺 队Csue,就可得到本征部分的z 参数矩阵zⅢ 和阻抗形式噪声相关矩阵[c ]。 将以上阻抗形式的噪声相关矩阵转化为级联形 式[c ]: [C 卜]一  c (3) c 然后从级联形式的噪声相关矩阵中计算噪声参数 NF R Your和 0PT: R ) ⅣF…一1+ 足』 (Re(c 1。一  2)+ √c 。 c 一[Im(c :)] } (5) √C ll C 2一(Im(C l2)) 一 Im(C l2) J OPT —————————————— —————————————一 (6) Fo町: 1-- ZoYoPT (7) Z。:50 Q 通过在图4对剥离前和剥离后的四个噪声参数 相对比.可以看出焊盘寄生元件对测量有很大影响。 此MOSFET栅长0.13/Jm,栅宽2 m,叉指数为16。 从剥离前后四个噪声参数的对比可看出,剥离 后 F…和R 都明显减小了,而rn t的幅度保持不 514 固体电子学3.5 3.O ∞2.5 2.0 0.5 O.O Frequency/GHz (a) Frequency/GHz (b) 1.2 暑1.0 彗0-8 I[   .0.6 [ Frequeney/GHz (c) O Frequency/GHz (d) 图4 剥离焊盘寄生元件前后噪声参数比较:(a)、(b)、 (c)、(d)分别为最小噪声系数、等效噪声阻抗、最佳 源反射系数的幅度相位 Fig.4 Comparison of noise parameters before and after de-embedding pad parasitic.Fig(a),(b),(c), (d)represent minimum noise figure,equivalent noise resistance,magnitude and angel of opti— mized source reflection coefficient respectively 变但角度减小很大,这是因为焊盘电路的影响。只有 剥离了寄生元件的才能得到晶体管自身的准确散射 参数和噪声参数。 4 PRC噪声模型参数提取 PRC噪声模型是场效应晶体管最常用的噪声 模型之一[9],其本征噪声源栅极感应噪声 和漏极 沟道噪声 的表达式为: :一4kTAf ̄o c R/g (8) 一4kTg PAf (9) 研究与进展 栅极感应噪声 和漏极沟道噪声习的相关噪声 o∞曼d/t口J 可以表示为:¨  ∞加∞加 m 0 一C√乏 =4kTAfo. ̄C 。C、/, (1o) 式中,R为栅极感应噪声因子,P为漏极沟道噪声因 子,C为相关噪声因子, 为噪声带宽,丁为热力学 温度(通常设置为290 K),因此该模型又通常称为 PRC模型。 根据图1电路结构,导纳噪声相关矩阵可以表 示为: C v—lrcvm cvC c j一  ]4志丁『 c C√PR R/gm—jox7g P  j (11) 由以上公式可知,拟合因子P、尺、C可以由导纳 形式噪声相关矩阵得出: P ('J Y,2 2 (12) R一 踟 (13) c一二! : (14) 4kTa ̄C √PR 式中cv 、cv 、cv 为导纳噪声相关矩阵参数。 由于测量散射参数和噪声参数基于不同的系 统,因而只对2~8 GHz频段进行噪声分析。从图5 可看出,P、R、C参数在所关注的频段中与频率无 关。取尸、R、C平均值之前应该将没有物理含义的点 去掉。比如相关因子ICl>1的点,因为噪声源不可 能过相关,或者说均方电流( >不可能为负。笔者 决定将偏离平均值超过5On n的点去掉,得到结 果为:P一2.8,R一1.44,C一0.96。由C很趋近于1 可知此器件中沟道噪声和栅极感应噪声之间相关性 很强。 4.0 3.5 3.O U 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 O.0 图5 P、R、C参数 Fig.5 P,R,C parameters 将小信号等效电路参数值和P、JR、C求出后,可 以直接调用ADS中MOSFET模型进行仿真,得出 4期 黄亚森等:射频M0SFET噪声模型研究 U/ opmI调∞uv 515 四个噪声参数。 基础上,利用噪声相关矩阵技术提取本征电路中的噪 图6对比了仿真和测量得到的四个噪声参数, 可以看出ⅣF 、尺 和 PT的幅度在2~8 GHz频段 吻合都非常好。但在仿真所得的 阿的相位与测量 值相比略大,潜在原因为测量5参数与噪声参数是 声电流源,并用PRC模型中的参数来表征,然后将这 种小信号模型和参数提取技术应用于0.13  ̄mMOSFET,仿真和测量结果的良好吻合证明了这 种方法的正确性。对噪声建模技术的研究为今后噪声 基于不同的测试系统。 要 Frequency/GHz (a) I1O 105 1O0 95 90 85 80 Fmquency/GHz (b) Frequency/GHz (c) % Fmquency/GHz (d) 图6 2~8 GHz测量与仿真噪声参数比较,(a)、(b)、 (c)、(d)分别为最小噪声系数,等效噪声阻抗,最佳 源反射系数的幅度和相位 Fig.6 Comparison of measured and simulated noise pa. rameters at 2~8 GHz:(a),(b),(c),(d)repre— sent minimum noise figure,equivalent noise re— sistance,magnitude and angel of optimized source reflection coefficient respectively 结 论 对MOSFET小信号噪声建模技术进行了研究, 在采用半优化法提取的MOSFET小信号模型参数 建模和开发射频频段的电路提供了指导。 参 考 文 献 [1] Van Der Ziel A.Gate noise in fieId・effect transistors at moderately high frequencies[J].Proc IEEE,1963, 51:461—467. 1-23 Triantis D P,Birbas A N,Kondis D.Thermal noise modeling for short—channel MOSFETs[J].IEEE Trans on Electron Devices,1996,4l(11):1 950一i 955. 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[93 Van Der Ziel A.Thermal noise in field effect transis— tor[J].Proc IRE,1963,51:461—467. 黄亚森(HUANG Yasen) 男,1983年出 生,硕士研究生,主要研究方向为半导体 器件的建模和参数提取。 高建军(GAO Jianjun) 男,1968年出生,教授,博士生导 师,主要研究方向为微波电路和高速光纤系统的计算机辅助 设计。 王 倩(WANG Qian) 女,1984年出生,硕士研究生,主要 研究方向是半导体器件的建模和参数提取。 

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