哈工大器件原理第八章噪声特性.ppt

1,第八章 噪声特性,8.1 晶体管的噪声和噪声系数 8.2 晶体管的噪声源 8.3 双极型晶体管的噪声 8.4 JFET与MESFET的噪声特性 8.5 MOSFET的噪声特性,2,一、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。,3,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, NF6db, F=4 输出噪声功率中75%来自于晶体管本身。,4,§8.2 晶体管的噪声源,一、热噪声(Thermal noise),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(Johnson noise) 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,5,§8.2 晶体管的噪声源,一、热噪声(Thermal noise),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,6,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,7,§8.2 晶体管的噪声源,二、散粒噪声(shot noise),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。,8,§8.2 晶体管的噪声源,三、产生-复合噪声(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,(Generation-recombination noise)半导体器件特有的噪声 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,9,§8.3 双极型晶体管的噪声,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,10,§8.3 双极型晶体管的噪声,二、散粒噪声与噪声电流,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： 由p区注入到n区，并被电极端 收集的空穴 在n区产生，被自建场漂移到p区 并被电极端收集的空穴 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,11,二极管低频电导：,高频下的本征导纳：,随频率升高而增大,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,12,于是，p-n结二极管总的噪声电流均方值为,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,13,§8.3 双极型晶体管的噪声,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： 从发射极注入到基区的空穴 基区中产生并被发射极收集的空穴 发射区注入到基区，未被收集或复合，又返回发射区的空穴 在基区产生并被集电极收集的空穴,14,§8.3 双极型晶体管的噪声,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：,15,§8.3 双极型晶体管的噪声,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,16,*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、hFE,17,§8.4 JFET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GaAs MESFET的噪声性能,（一）衡量GaAs MESFET噪声性能的经验公式,（二）提高噪声性能的途径,18,§8.4 JFET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,19,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） 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。,20,§8.4 JFET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,低频噪声（噪声等效电阻）与器 件的几何形状密切相关 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-1f-2,21,2、中、高频噪声性能 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,22,2、中、高频噪声性能 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。,23,3、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，fnc,24,§8.4 JFET与MESFET的噪声特性,三、微波GaAs MESFET的噪声性能,1、衡量GaAs MESFET噪声性能的经验公式,由于： GaAs中热电子温度随场强变化剧烈 沟道中速度饱和区较长，要考虑其 中的强场扩散噪声 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： 0L1为常迁移率区，计算增强约翰逊噪声 L1L 为速度饱和区，计算强场扩散噪声,25,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：,26,§8.4 JFET与MESFET的噪声特性,三、微波GaAs MESFET的噪声性能,2、提高噪声性能的途径,缩短沟道长度：提高光刻水平；改进结构 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 采用非均匀沟道杂质分布：界面附近ND大，有大的跨导 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,27,28,§8.5 MOSFET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 由此产生的噪声为沟道热噪声。,沟道中，y0处体元dy的微分电阻dR上热噪声电压,29,沟道中，y0处体元dy的微分电阻dR上热噪声电压,引起沟道电位分布和漏极电流的起伏，产生热噪声电流,可见，沟道热噪声来源于沟道电阻，同时也是器件工作状态的函数 沟道热噪声电流的均方值比尼奎斯公式多一个因子,说明在线性区，沟道热噪声电流确实产生于线性区的沟道电阻。,30,将非饱和区漏导,带入，得,31,在饱和区,计及漏极电压和衬底掺杂对沟道载流子电荷的影响，有通用表达式,可见，Rngm随VDS增加而迅速减小，饱和区最小Rngms，且与衬底杂质浓度密切相关。,32,可见，Rngm随VDS增加而迅速减小，饱和区最小Rngms，且与衬底杂质浓度密切相关。,33,§8.5 MOSFET的噪声特性,二、诱生栅极噪声,沟道载流子无规则的热运动除产生沟道热噪声外，还将通过栅电容的中介作用将沟道内电位的起伏耦合到栅极，形成栅极回路的噪声电流ing。因由栅电容耦合而诱生，称诱生栅极噪声，也称感应栅噪声。,沟道电位的变化引起反型层电荷的相应变化量，通过栅-沟道电容的耦合，引起栅电极上等量的电荷变化量，对这些电荷的充放电电流形成栅极回路的噪声电流。,栅噪声电流随频率上升而增大。,34,§8.5 MOSFET的噪声特性,三、1/f 噪声,机理复杂： 论点1：在沟道与界面陷阱之间交换载流子而引起载流子浓度的波动 论点2：起因于迁移率的波动 论点3：栅下Si-SiO2界面存在高密度的界面态，俘获释放沟道中运 动的载流子而引起沟道载流子数目的起伏而产生低频噪声。,绝大多数器件倾向于遵守,利用电流-跨导-输入电压的关系，上式等效成输入电压的功率谱密度,1/f噪声电压正比于界面态电荷密度，因而（100）面制作器件噪声系数小,35,§8.5 MOSFET的噪声特性,四、MOSFET高频噪声系数,高频时，MOSFET的噪声主要来自热噪声，即沟道热噪声和诱生栅极噪声。 它们是相关的噪声源，但相关性不大，可近似视为两独立的噪声源。 当忽略其相关性时，高频最小噪声系数,可见，高频噪声系数取决于fT，fT与输入电容 CI的关系为,36,本课程内容到此全部结束。,谢谢！,