MOSFET柵漏電流噪聲分析

(4)柵電流噪聲電容等效電荷漲落模型。

　　FET溝道中的熱噪聲電壓漲落導致了溝道靜電勢分布的漲落。溝道成為MOS電容的一塊平板，柵電容之間的電壓漲落引起電荷漲落，將電荷漲落等效于柵電流漲落。在Van Der Ziel對JFET誘生柵噪聲的早期研究之后，Shoji建立了柵隧穿效應的MOSFET模型，即是將MOS溝道作為動態分布式的RC傳輸線。器件溝道位置x處跨越△x的電壓漲落驅動兩處傳輸線：一處是從x=0展伸至x=x，另一處從x=x展伸至x=L。柵電流漲落作為相應的漏一側電流漲落和源一側電流漲落之間的差異估算得出。在極端復雜的計算中保留Bessel函數解的首要條件，于器件飽和條件下，估算得出了柵電流漲落噪聲頻譜密度解析表達式為

　　2 模型分析與探討

　　實驗表明，超薄柵氧MOSFET柵電流噪聲呈現出閃爍噪聲和白噪聲成分，測試曲線表明白噪聲接近于散粒噪聲(2qIG)。對于小面積(W×L=0.3×10 μm2)器件，1/f噪聲成分幾乎為柵電流IG的二次函數，柵電流噪聲頻譜密度SIG(f)與柵電流IG存在冪率關系，即SIG(f)∝IGγ。

　　超薄柵氧隧穿漏電流低頻噪聲模型適用于超薄柵氧化層MOSFET低頻段噪聲特性表征，與等效柵氧厚度為1.2 nm柵電流噪聲測試結果的對比，驗證了其正確性。通過模型與實驗噪聲測試結果及器件模擬的對比，可用于提取慢氧化層陷阱密度分布。

　　唯象模型利用勢壘高度漲落和源于二維電子氣溝道的柵極泄漏電流的洛侖茲調制散粒噪聲，來解釋過剩噪聲特征。低頻和高頻范圍內，測量值和仿真值均有良好的一致性。模型將過剩噪聲解釋成1/f'伊噪聲和洛侖茲調制散粒噪聲之和，能夠準確預測超薄柵氧化層的MOS晶體管的過剩噪聲性質并適于在電路仿真中使用。

　　柵電流分量噪聲模型，模擬結果與低漏偏置下的1.5 nm柵氧厚度p-MOSFET的數值模擬結果和實驗數據一致。該模型適用于納米級MOSFET，僅限于描述由柵隧穿效應引起的柵漏電流漲落。模型兩待定參數都可通過實驗獲得，可方便計算不同偏置下的點頻噪聲幅值。等效電容電荷漲落模型中，柵電流通過柵阻抗產生的電壓漲落經由器件跨導在溝道處得到證實。該模型僅適用于器件飽和條件下，由于忽略了襯底效應，誘生襯底電流和溝道中的高場效應，其適用性和精確度均不高。

　　3 結束語

　　雖然已經提出多種小尺寸MOSFET柵電流噪聲模型，但各模型均有局限性。等效電容電荷漲落模型局限性很大，超薄柵氧隧穿漏電流低頻噪聲模型可用于精確描述低頻噪聲特性。唯象模型和柵電流分量噪聲模型則主要取決于柵隧穿效應。從噪聲特性看低頻段噪聲功率譜近似為柵電流的二次函數，在低溫環境白噪聲主要成分為散粒噪聲。這些噪聲模型主要針對隧穿機制，全面描述各種隧穿機制引起的柵漏電流模型還有待研究。