新型微波晶體管噪聲機(jī)理與噪聲模型研究.pdf

1、微波低噪聲放大器（LNA）的性能在很大程度上決定了整個(gè)接收機(jī)的靈敏度和動(dòng)態(tài)范圍。而晶體管作為L(zhǎng)NA的核心器件，對(duì)其噪聲特性的研究，對(duì)提升整個(gè)接收系統(tǒng)的性能具有重要意義。隨著半導(dǎo)體相關(guān)技術(shù)的不斷發(fā)展，出現(xiàn)了許多新材料和新結(jié)構(gòu)的晶體管，推動(dòng)著器件和電路性能不斷提高。目前傳統(tǒng)的硅基（Si）金屬-氧化物-半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的特征尺寸已經(jīng)進(jìn)入納米量級(jí)，衍生出多種新型的器件結(jié)構(gòu)形式，如多柵器件、無(wú)結(jié)型器件等。由于硅基納米MOSFET

2、器件的制作工藝能與基帶、數(shù)字信號(hào)處理模塊的加工工藝相兼容，因而研究其噪聲特性，對(duì)采用最新節(jié)點(diǎn)的硅基互補(bǔ)金屬-氧化物-半導(dǎo)體（CMOS）工藝設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)低成本、高性能、高復(fù)雜度的片上集成系統(tǒng)（SoC）具有重要意義；另一方面，基于寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN的高電子遷移率晶體管（HEMT）具有耐壓性能好、功率密度大、熱導(dǎo)率高以及電子飽和速率大等優(yōu)點(diǎn)，因而成為半導(dǎo)體器件研究的又一熱點(diǎn)，研究其噪聲特性對(duì)研制超寬帶、高魯棒性、高動(dòng)態(tài)范圍的微波低噪聲放大器

3、有著重要意義。因此，為了促進(jìn)新型微波晶體管在低噪聲領(lǐng)域的應(yīng)用，為設(shè)計(jì)和生產(chǎn)高性能的微波低噪聲器件及其低噪聲放大器電路提供理論和技術(shù)支持，急需對(duì)其噪聲機(jī)理和噪聲模型進(jìn)行研究。本文在晶體管噪聲理論基礎(chǔ)上，針對(duì)硅基納米MOSFET和GaNHEMT器件的特點(diǎn)，分別采用物理基、半物理基和經(jīng)驗(yàn)基的方法，對(duì)其噪聲特性進(jìn)行了研究。
　　1.基于蒙特卡洛方法的硅基納米雙柵MOSFET物理基噪聲特性研究
　　針對(duì)硅基納米MOSFET器件噪聲機(jī)理

4、尚不太明確的問(wèn)題，本文采用物理基的量子蒙特卡洛（MC）方法來(lái)研究器件噪聲特性，該方法可以直接模擬器件中載流子的運(yùn)動(dòng)軌跡，從本征上描述噪聲的起源。根據(jù)隨機(jī)信號(hào)的統(tǒng)計(jì)學(xué)原理，采用相關(guān)函數(shù)求功率譜密度的方法，從MC方法得到的Si MOSFET端口瞬時(shí)電流波動(dòng)中提取了柵極和漏極噪聲電流功率譜密度及其相關(guān)性，并計(jì)算了器件的噪聲參數(shù)，將計(jì)算結(jié)果同文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該方法的準(zhǔn)確性；然后將該MC方法用于研究30nm柵長(zhǎng)的硅基雙柵MOSFET器

5、件的靜態(tài)、小信號(hào)和噪聲特性。結(jié)果表明，相比于單柵器件，雙柵MOSFET具有更強(qiáng)的柵極控制能力、更高的溝道電子密度，因此它表現(xiàn)出更大的輸出跨導(dǎo)（gm）和電壓增益（Avo），同時(shí)也顯示出更優(yōu)異的噪聲性能。
　　2.基于蒙特卡洛方法的硅基納米無(wú)結(jié)型MOSFET物理基噪聲特性研究
　　本文首次采用量子MC方法研究了硅基納米無(wú)結(jié)型MOSFET器件的小信號(hào)和噪聲特性，并與傳統(tǒng)的有結(jié)型MOSFET器件性能進(jìn)行了對(duì)比。從晶體管溝道載流子受到

6、的散射機(jī)制的大小出發(fā)，研究了造成兩種器件溝道載流子濃度和速度分布差異的原因，以及它們對(duì)器件的直流、小信號(hào)和噪聲性能的影響。結(jié)果表明，無(wú)結(jié)型MOSFET器件的溝道電子受到較大的雜質(zhì)散射，因此相比于有結(jié)型器件，它的gm和截止頻率（ft）較低、最小噪聲系數(shù)（NFmin）較大，但由于它輸出電導(dǎo)（gds）更小，因而它具有更大的Avo和更高的最大振蕩頻率（fmax）。
　　3.新型的硅基納米無(wú)結(jié)型MOSFET器件噪聲特性研究
　　為提升

7、硅基納米無(wú)結(jié)型MOSFET的小信號(hào)和噪聲性能，本文首次提出了三種新型的無(wú)結(jié)型器件結(jié)構(gòu)，分別對(duì)無(wú)結(jié)型MOSFET器件的柵極金屬、溝道摻雜和柵下介質(zhì)隔離層進(jìn)行改進(jìn)。通過(guò)調(diào)整溝道中的電勢(shì)分布，在溝道中引入一個(gè)電場(chǎng)尖峰，從而提高溝道中電子的傳輸效率，達(dá)到提升器件性能的目的。本文以其中一種溝道梯度摻雜的贗無(wú)結(jié)型（GPJL）MOSFET器件為例，采用量子MC方法對(duì)其靜態(tài)、小信號(hào)和噪聲特性進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，相比于一般的無(wú)結(jié)型器件，GPJL MOS

8、FET表現(xiàn)出更優(yōu)異的小信號(hào)特性，比如其ft和Avo的最大值分別提高了11.6％和61%；同時(shí)，它也顯示出更優(yōu)異的噪聲性能，比如在40GHz時(shí)其N(xiāo)Fmin減小了約30%。
　　4.基于漂移-擴(kuò)散模型的GaN HEMT半物理基噪聲特性研究
　　本文針對(duì)寬禁帶半導(dǎo)體材料GaN的特性，研究了其HEMT低噪聲器件的工作機(jī)理；基于載流子的漂移-擴(kuò)散（DD）傳輸模型，建立了GaNHEMT器件的半物理基數(shù)值模型，采用阻抗場(chǎng)法模擬器件的噪聲性

9、能，通過(guò)與GaNHEMT的直流測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證了該數(shù)值模型的準(zhǔn)確性；采用該模型分別研究了凹柵GaNHEMT和新型InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)HEMT器件的小信號(hào)和噪聲性能，結(jié)果表明：相比于普通柵結(jié)構(gòu)的GaN HEMT，凹柵GaNHEMT增大了柵極對(duì)溝道的控制能力，顯示出更優(yōu)異的小信號(hào)和噪聲性能，比如其 ft和 fmax的最大值分別提高了18%和27%，在12GHz時(shí)，其N(xiāo)Fmin減小了0.2dB；相比于普通的AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)H

10、EMT器件，InAlN/GaN異質(zhì)結(jié)HEMT具有較大的柵極泄漏電流，它所引入的散粒噪聲將導(dǎo)致InAlN/GaN HEMT在低頻段的NFmin增大。
　　5.基于等效電路模型的GaN HEMT經(jīng)驗(yàn)基噪聲特性研究
　　本文針對(duì)GaN HEMT器件的噪聲特性，提出了一種簡(jiǎn)便的GaN HEMT噪聲等效電路模型，該模型用本征溝道電阻的熱噪聲電壓源代替了感應(yīng)柵極噪聲電流源，并計(jì)入了柵極泄漏電流引入的散粒噪聲；將模型計(jì)算結(jié)果與GaN HE