微电子器件第八章噪声特性

微电子器件第八章噪声特性1第一页，共三十八页，2022年，8月28日一、信噪比二、噪声系数§8.1晶体管的噪声和噪声系数信号，噪声噪声限制了晶体管放大微弱信号的能力。噪声叠加在不同的信号上将产生不同程度的影响为了衡量噪声对信号影响程度而定义信噪比晶体管本身产生噪声，因此其工作时，输入、输出端信噪比不同。定义噪声系数反映晶体管本身产生噪声的大小。2第二页，共三十八页，2022年，8月28日噪声系数可看作：单位功率增益下，晶体管噪声功率的放大系数。即晶体管无功率放大作用时，噪声功率增大的倍数，总输出噪声功率与被放大的信号源噪声功率之比。噪声系数越接近于1，晶体管噪声水平越低噪声系数也可用分贝表示晶体管自身噪声相当大。例3AG47,NF<6db,F=4

输出噪声功率中75%来自于晶体管本身。3第三页，共三十八页，2022年，8月28日§8.2晶体管的噪声源一、热噪声(Thermalnoise)已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声载流子的无规则热运动叠加在规则的运动上形成热噪声也称约翰逊噪声(Johnsonnoise)任何电子元件均有热噪声热噪声与温度有关——温度升高，热运动加剧热噪声与电阻有关——载流子运动本身是电流，电阻大，电压高载流子热运动为随机过程，平均值为零，用统计值——均方值表示频谱密度与频率无关的噪声称为白噪声，热噪声是白噪声4第四页，共三十八页，2022年，8月28日§8.2晶体管的噪声源一、热噪声(Thermalnoise)已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声尼奎斯公式(Nyquist)其中，ith—短路噪声电流

uth—开路噪声电压单位频率间隔内的噪声强度称为噪声的频谱密度噪声电压的功率谱密度噪声电流的功率谱密度5第五页，共三十八页，2022年，8月28日热噪声等效电路尼奎斯公式条件：1、电子与晶格处于热平衡状态2、电子的能量分布服从波尔兹曼分布电场较强时，高能态电子数增多，可近似1、用电子温度取代平衡温度2、用随电场强度变化的微分迁移率代替常数迁移率对尼奎斯公式修正，得增强约翰逊噪声多能谷结构材料中的谷间散射噪声6第六页，共三十八页，2022年，8月28日§8.2晶体管的噪声源二、散粒噪声(shotnoise)已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声1918年肖特基发现于电子管中，起源于电子管阴极发射电子数目的无规则起伏。在半导体中，散粒噪声通常指由于载流子的产生、复合的涨落使越过p-n结势垒的载流子数目起伏所引起的噪声。其功率谱密度与频率无关，也属白噪声。~r0（无噪声)r0（无噪声)7第七页，共三十八页，2022年，8月28日§8.2晶体管的噪声源三、闪烁噪声（FlickerNoise）(1/f噪声)已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声由于其功率谱密度近似与频率成反比，也称1/f噪声。出现在106Hz的频率范围，普通硅平面管中，在103Hz以下明显产生原因可能与晶体结构的不完整性和表面稳定性有关。晶格缺陷、位错、高浓度P、B扩散造成晶体压缩应变等表面能级、界面热应力诱发缺陷、界面处带电粒子移动以及表面反型层的产生或变化。

产生-复合机构引起的产生-复合过程8第八页，共三十八页，2022年，8月28日§8.2晶体管的噪声源四、产生-复合噪声（GenerationRecombinationNoise）已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声另外还有：在一定物理条件下，半导体内的载流子浓度虽有一定的平均值，但由于载流子的产生和复合都是随机过程，所以材料内各处的载流子浓度以及整个器件的载流子数均围绕其平均值有起伏存在。器件中载流子浓度及数量的起伏导致其电导率的起伏，当该半导体器件外加偏压后，必引起器件内电流及电压也存在起伏，此即产生-复合噪声，或写为G-R噪声。

9第九页，共三十八页，2022年，8月28日§8.2晶体管的噪声源五、配分噪声（PartitionNoise）已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声另外还有：六、猝发噪声（BurstNoise）源于电子管中电子束在两个以上电极间的分离。双极型晶体管发射极电流在基区中分离为集电极电流和基极电流，有一个由空穴-电子复合作用而定的电流分配系数。复合现象受到热起伏效应的影响使分配系数不恒定，其微小变化引起集电极电流的起伏，这就是晶体管的配分噪声。表现为双极型晶体管基极电流中的突然阶跃或跳跃，或FET阈值电压的阶跃。这种噪声出现在低频（<1kHz）段，通常从每秒钟发生数次到数分钟才发生一次。能产生比1/f噪声及白噪声大几倍甚至几十倍的噪声电流。由于通过扬声器播放出来时听起来类似爆米花的声音，这种噪声也被称为爆米花噪声和随机电报信号（RTS）。认为是由电荷陷阱或半导体材料中的微小缺陷引起的。其中重金属原子污染是主要原因之一。发现与发射区中掺入Au、Fe、Cu和W等重金属杂质形成金属-半导体结有关。10第十页，共三十八页，2022年，8月28日§8.2晶体管的噪声源已知晶体管中的基本噪声机构有三种：热噪声、散粒噪声和1/f噪声另外还有：七、雪崩噪声（AvalancheNoise）雪崩噪声是p-n结中发生雪崩倍增时产生的一种噪声类型，是由于雪崩倍增过程中产生电子、空穴和无规则性所引起的，其性质和散粒噪声类似。此外，晶体管的引线接触不良而造成接触电阻不稳定会引起接触噪声。在正常情况下，接触噪声和雪崩噪声是可以忽略的（利用雪崩倍增效应工作的雪崩管除外）。11第十一页，共三十八页，2022年，8月28日§8.3p-n结二极管的噪声p-n结二极管的噪声主要有三种来源，即热噪声（Johnson噪声）、散粒噪声和闪烁噪声（1/f噪声）

p-n结的正向交流电阻很小，而反向电流又很小，所以热噪声也很弱（噪声均方根电压仅大约为4nV）。图8-3p-n结中的电流热噪声散粒噪声零偏时：理想p-n结：12第十二页，共三十八页，2022年，8月28日§8.3p-n结二极管的噪声p-n结二极管的噪声主要有三种来源，即热噪声（Johnson噪声）、散粒噪声和闪烁噪声（1/f噪声）

图8-3p-n结中的电流散粒噪声正偏时：反偏时：实际的p-n结中，除上述扩散电流外，还存在着其他种类的电流，如耗尽区的产生-复合电流、隧道电流、光电流、表面漏电流等。

13第十三页，共三十八页，2022年，8月28日1.p-n结二极管的散粒噪声假设全部电流是由空穴携带的分为三个分量：①由p区注入到n区，并被电极端收集的空穴②在n区产生，被自建场漂移到p区并被电极端收集的空穴③从p区注入n区，在n区复合或到达电极之前因扩散运动又返回p区的空穴，对电流没有贡献，但对高频电导有贡献p-n结中载流子扩散和漂移的动态平衡§8.3p-n结二极管的噪声14第十四页，共三十八页，2022年，8月28日二极管低频电导：高频下的本征导纳：——随频率升高而增大①②受外加电压调制，对电导的贡献是g0与外加电压无关，是自建场漂移作用，对电导没有贡献两部分独立起伏产生散粒噪声15第十五页，共三十八页，2022年，8月28日于是，p-n结二极管总的噪声电流均方值为③引起两个极性相反的脉冲，其间隔为空穴在n区无规则停留时间，因此受外加高频电压调制，对高频本征电导有贡献因扩散过程是热运动过程，故产生热噪声16第十六页，共三十八页，2022年，8月28日§8.4双极型晶体管的噪声特性一、噪声源1.热噪声2.散粒噪声3.1/f噪声4.其它噪声源三个区的体电阻、三个电极接触电阻都产生热噪声，但以rb影响最大，因为处于输入回路，且数值最大。产生-复合作用对多子影响不大。双极型晶体管以少子传输电流，其散粒噪声通过发射效率和基区输运系数的不规则起伏反映到输出端集电极反向饱和电流也产生散粒噪声表面缺陷状态、表面氧化硅膜中Na+及发射结附近缺陷都会产生1/f噪声。此外，与重金属杂质掺入发射区有关的淬发噪声引线接触噪声：引线接触不良造成接触电阻不稳定雪崩噪声：反偏太高，集电结的雪崩倍增引起配分噪声17第十七页，共三十八页，2022年，8月28日二、散粒噪声与噪声电流2.晶体管散粒噪声仅考虑空穴的运动：①从发射极注入到基区的空穴②基区中产生并被发射极收集的空穴③发射区注入到基区，未被收集或复合，又返回发射区的空穴④在基区产生并被集电极收集的空穴§8.4双极型晶体管的噪声特性18第十八页，共三十八页，2022年，8月28日二、散粒噪声与噪声电流2.晶体管散粒噪声低频发射极噪声电流均方值：为低频发射结电导集电极噪声电流均方值：§8.4双极型晶体管的噪声特性19第十九页，共三十八页，2022年，8月28日三、晶体管的噪声频谱特性普遍规律：在噪声频谱特性曲线的低频和高频区，噪声系数都有明显变化，在中频区，噪声系数最小，且基本不随频率变化。定义：fL：低频区噪声转角频率。fH：高频区噪声转角频率。低频区主要由1/f噪声构成。中频区称为白噪声区高频区噪声系数再次上升是由于功率增益下降所致§8.4双极型晶体管的噪声特性20第二十页，共三十八页，2022年，8月28日*噪声系数与工作条件密切相关改善噪声特性：1、降低白噪声区2、提高高频噪声转角频率

rb、fa、hFE21第二十一页，共三十八页，2022年，8月28日§8.5JFET与MESFET的噪声特性一、JFET与MESFET噪声源（三）1/f噪声二、JFET的噪声性能（一）热噪声（二）散粒噪声（一）低频噪声性能（二）中、高频噪声性能1.沟道热噪声2感应栅噪声（三）噪声系数三、微波GaAsMESFET的噪声性能（一）衡量GaAsMESFET噪声性能的经验公式（二）提高噪声性能的途径22第二十二页，共三十八页，2022年，8月28日§8.5JFET与MESFET的噪声特性一、JFET与MESFET噪声源3、1/f噪声1、热噪声2、散粒噪声沟道区存在电阻，产生沟道热噪声金属电极、源和漏的串联体电阻产生热噪声当沟道电场较强，载流子迁移率下降，但未达到饱和速度时，计入增强约翰逊噪声速度饱和区强场下，载流子与晶格碰撞，扩散噪声通过反偏栅结势垒的电流起伏产生散粒噪声起源于栅结势垒区和沟道区载流子的产生-复合两方面23第二十三页，共三十八页，2022年，8月28日①栅结势垒区复合中心发射与俘获载流子，引起栅结耗尽层中电荷的起伏，导致耗尽层宽度的变化，调制沟道电导，形成漏极噪声电流栅结势垒区的产生-复合过程的起伏产生两种噪声：——通过调制耗尽层宽度形成漏极噪声电流：1/f噪声（缺陷产生复合中心的产生-复合——直接形成栅极噪声电流：散粒噪声（本征的产生-复合）②沟道区复合中心、沟道区施主或受主中心以及表面态均可能发射与俘获载流子。这些过程的起伏直接造成载流子数目的起伏，产生漏极噪声电流。24第二十四页，共三十八页，2022年，8月28日§8.5JFET与MESFET的噪声特性二、JFET的噪声性能1、低频噪声性能等效噪声电阻Rn:实际测量噪声电压(均方值)含有各种成分，同时不同样品电阻不同。统一用等效电阻来比较，即用热噪声的电阻来等效比较噪声水平①低频噪声（噪声等效电阻）与器件的几何形状密切相关②与复合中心密度、能级、俘获几率有密切关系

说明低频噪声以栅结势垒区复合中心的产生-复合噪声为主。掺金后，由f-1—f-225第二十五页，共三十八页，2022年，8月28日2、中、高频噪声性能①沟道热噪声器件工作在非饱和区时：gms为饱和区跨导（G0起作用）Q(VD,VG)为噪声参量，反映工作偏压对噪声的影响。当漏极电压不太高，沟道夹断区长度远小于沟道区长度时，上式也适用于饱和区。增加频率修正项的结果，可见在fT之内，频率修正项作用不大。在饱和区26第二十六页，共三十八页，2022年，8月28日2、中、高频噪声性能②感应栅噪声诱生栅极噪声低频下，栅噪声主要来源于栅电流的散粒噪声。在中、高频范围内，则主要是沟道热噪声电动势通过栅电容耦合形成的栅极回路的噪声电流，即感应栅噪声。导电沟道中所产生的噪声电压通过沟道电容耦合到栅极，引起栅结电压起伏和耗尽层宽度的变化，在栅电极上感应出相应的补偿电荷——起伏的栅极充电电流。27第二十七页，共三十八页，2022年，8月28日3、噪声系数硅JFET和MESFET的中、高频噪声系数为为输入端电导将A=1时对应的频率定义为噪声系数截止频率，fnc28第二十八页，共三十八页，2022年，8月28日§8.5JFET与MESFET的噪声特性三、微波GaAsMESFET的噪声性能1、衡量GaAsMESFET噪声性能的经验公式由于：①GaAs中热电子温度随场强变化剧烈②沟道中速度饱和区较长，要考虑其中的强场扩散噪声③肖克莱沟道夹断模型不适用，需用速度饱和模型分析计算整个沟道中的电场、电位分布和电流-电压特性

故，微波GaAsMESFET的噪声特性不同于硅FET。将沟道分为两个区域：0~L1为常迁移率区，计算增强约翰逊噪声L1~L

为速度饱和区，计算强场扩散噪声29第二十九页，共三十八页，2022年，8月28日fT、gms取零栅压时的值，Kf=2.5经验公式：半经验公式：有效栅电阻：等效噪声电阻的半经验公式：源串联电阻：30第三十页，共三十八页，2022年，8月28日§8.5JFET与MESFET的噪声特性三、微波GaAsMESFET的噪声性能2、提高噪声性能的途径①缩短沟道长度：提高光刻水平；改进结构②提高沟道中载流子迁移率：加入缓冲层提高界面附近迁移率③采用非均匀沟道杂质分布：界面附近ND大，有大的跨导④减小栅、源串联电阻RG、RS：加厚栅金属层；源极下加重掺杂层；局部离子注入；凹槽结构等31第三十一页，共三十八页，2022年，8月28日32第三十二页，共三十八页，2022年，8月28日§8.6MOSFET的噪声特性一、沟道热噪声MOSFET的主要噪声源是沟道热噪声其次是1/f噪声。由于p-n结反向电流很小，可忽略其散粒噪声。沟道载流子的无规则热运动在沟道电阻上产生噪声电压，该电压使沟道电势分布产生涨落，有效栅压发生波动，从而导致漏极电流出现涨落由此产生的噪声为