短沟道MOSFET散粒噪声测试方法研究

2010-01-28 13:54:35来源: 电子科技 关键字:散粒噪声  扩散电流  沟道噪声  低温装置

  近年来随着介观物理和纳米电子学对散粒噪声研究的不断深入,人们发现散粒噪声可以很好的表征纳米器件内部电子传输特性。由于宏观电子元器件中也会有介观或者纳米尺度的结构,例如缺陷、小孔隙和晶粒等,因而也会产生散粒噪声,并且可能携带内部结构的信息。这使人们对宏观电子元器件中散粒噪声研究产生了极大的兴趣。另一方面,随着器件尺寸的不断缩小,MOSFET器件中散粒噪声成分也越来越显著,已经严重影响器件以及电路的噪声水平,人们必须要了解电子元器件中散粒噪声的产生机理和特性,以便更好的抑制器件的散粒噪声,实现器件和电路的低噪声化。

  对于短沟道MOSFET器件,在室温条件下,散粒噪声被其他类型的噪声所淹没,一般在实验中很难观察到它的存在。目前国内外对于散粒噪声测试技术的研究取得了快速的进展,但是普遍存在干扰噪声大、测试仪器价格昂贵等问题,难以实现普及应用。文中所介绍的测试系统是在屏蔽环境下将被测器件置于低温装置内,抑制了外界电磁波和热噪声的干扰;同时使用低噪声前置放大器使散粒噪声充分放大,并显著降低系统背景噪声;通过提取噪声频谱高频段平均值,去除了低频1/f噪声的影响,使测试结果更加的准确。使用本系统测试短沟道MOSFET器件散粒噪声,得到了很好的测试结果。文中的工作为散粒噪声测试提供了一种方法,对短沟道MOSFET散粒噪声测试结果进行了讨论。

  1 测试原理

  对于短沟道MOSFET中散粒噪声的测试,主要影响因素包括:外界电磁干扰、低频1/f噪声、热噪声以及测试系统背景噪声等。散粒噪声属于微弱信号,在实际测试中外界电磁干扰对测试结果影响显著,将整个实验装置放置于电磁屏蔽环境下进行测试,这样就有效地抑制了外界电磁干扰。散粒噪声和热噪声均属于白噪声,在室温下由于热噪声的影响,一般很难测量到散粒噪声的存在,因此需要最大限度降低热噪声的影响。在测试中将待测器件置于液氮环境中,在此温度下器件热噪声相对于散粒噪声可以忽略。对于器件散粒噪声的测试,必须通过充分放大才能被数据采集卡所采集,所以要、求放大器要有足够的增益,同时要求不能引入太大的系统噪声,否则系统噪声会淹没所测器件的散粒噪声,因此采用低噪声高增益的前置放大器。对于短沟道MOSFET,其低频1/f噪声非常显著,它对散粒噪声的影响很大,由于1/f只是在低频部分明显,在高频部分很小,因而可以通过提取噪声高频部分的平均值来降低1/f噪声对测试的影响,使测试结果更加的准确。据此,设计了一种低温散粒噪声测试系统。

  2 测试系统设计及测试方案

  2.1 测试系统设计

  测试系统,如图1所示,主要由偏置电路、低噪声前置放大器、数据采集和噪声分析系统组成。将所有测试设备放置于双层金属网组成的屏蔽室内,可以有效的抑制外界电磁噪声的干扰;测试系统低温装置是一个装有液氮的杜瓦瓶,它可以提供77 K的测试温度,这样就有效的降低了热噪声的影响。Vcc1和Vcc2为电压可调的低噪声镍氢直流电池组,分别为器件提供栅源电压和漏源偏压,电池组不能用直流电源代替,因为直流电源的噪声比较大。

测试系统设计

  变阻器R1和R2均属于低噪声线绕电位器,最大阻值均为10 kΩ,分别用于栅源电压和漏源的调节。同时为了测试更加准确,变阻器R1和R2也一并置于液氮装置内,以降低其自身热噪声的影响。前置放大器采用美国 EG&G普林斯顿应用研究公司制造的PARC113型低噪声前置放大器,放大增益范围为20~80 dB,测试带宽为1~300 kHz,其背景噪声很低,满足实验的测试要求。

  数据采集和噪声分析软件为“XD3020电子元器件噪声-可靠性分析系统”软件,它包含5大功能:噪声频谱分析、器件可靠性筛选、噪声分析诊断、时频域子波分析、时域分析。对于散粒噪声分析,主要用到噪声频谱分析模块。

  通过具体测试对系统进行了验证。设置栅源电压为0.1 V,漏源电压为0.36 V,为了降低低频1/f噪声的干扰,提取电流噪声功率谱299~300 kHz高频段的平均值。如图2所示,从图中可以看出高频段是白噪声。在室温下,被测器件噪声幅值为1.2×10-15V2/Hz左右;而77 K时,在相同偏置条件下测试了样品的噪声,电流噪声幅值为1.5×10-16V2/Hz左右,对比室温和77 K时样品噪声,可以看出噪声幅值降了一个数量级,通过计算可知热噪声被减少大约90%,可见77 K时热噪声被明显抑制。同时测量了低温下系统的背景噪声,它的噪声幅值为4×10-17V2/Hz左右,而低温下样品的噪声幅值为1.5×1O- 16V2/Hz,因此低温下系统背景噪声相对较小,可以忽略。本测试系统能满足低温下散粒噪声测试的要求。

电流噪声功率谱

   2.2 测试方案

  实验样品选用0.18μm工艺nMOSFET器件,沟道宽长比为20μm/0.6μm,栅氧化层厚度为20 nm,阈值电压为0.7 V。分别测试器件在亚阈区、线性区和饱和区的源漏电流散粒噪声功率谱。具体步骤为,设置Vgs=0.1 V,使器件处在亚阈值区,Ids在0.055~1 mA变化,测试器件在不同沟道电流下的电流噪声功率谱值;再设置Vgs=1.2 V,使器件工作在反型区,测试Ids在0.055~1.5 mA变化时线性区和饱和区的电流噪声功率谱值。在功率谱提取时,取270~300 kHz频率段电流噪声功率谱的平均值,这样既可以去除低频1/f噪声对测试结果的影响,也可以通过平均值算法使分析的测试数据更加准确。

  3 测试结果及讨论

  图3和图4分别为器件工作在亚阈区和反型区条件下,电流噪声功率谱随漏源电流的变化情况。

电流噪声功率谱随漏源电流的变化情况

  由图中可以看出,在亚阈区,小漏源电流的条件下,沟道电流和电流噪声功率谱呈现线性关系,证明器件在此工作条件下存在散粒噪声。相比于长沟道MOSFET器件,短沟道器件沟道源区附件明显存在一个势垒,势垒高度随栅源电压的增大而增大,随漏源电压的增大而减小。在此偏置条件下,沟道内电场强度很小,扩散电流成分显著,扩散电流随机通过源极附近势垒,引起散粒噪声。随着漏源电压的增大,沟道内电场增强,势垒减小,漂移电流成为主要成分,散粒噪声随之被抑制。

  在反型区,小的漏源电流条件下,器件工作在线性区。如图4所示,与亚阈区类似,可以看到明显的散粒噪声成分。但是随着漏源电流的增大,在漏源电流大约为 0.5μA时,器件进入饱和区。此时源区势垒和沟道内扩散电流成分显著减小,因此导致由扩散电流引起的散粒噪声减小。但此时漏端沟道正好处在夹断点位置,载流子通过夹断点耗尽区是弹道传输模式,引起了散粒噪声的产生,导致散粒噪声再次随漏源电流的增大而增大。但随着漏源电流的继续增大,夹断区长度不断增加,载流子在夹断区散射增强,散粒噪声再次被抑制。

  4 结束语

  针对MOSFET散粒噪声难以测量的特点,文中提出了一种低温散粒噪声测试方法。在屏蔽环境下,将被测器件置于低温装置内,有效抑制了外界电磁波和热噪声的干扰。采用背景噪声充分低的放大器以及偏置器、适配器等,建立低温散粒噪声测试系统。应用本系统对短沟道MOSFET器件进行噪声测试,分析该器件散粒噪声的特性。文中的工作为器件散粒噪声测试提供了一种方法,对短沟道MOSFET散粒噪声特性进行了分析。

关键字:散粒噪声  扩散电流  沟道噪声  低温装置

编辑:金海 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/mndz/2010/0128/article_2031.html
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