新型微波晶體管噪聲機理與噪聲模型研究.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接收機的靈敏度和動態(tài)范圍。而晶體管作為LNA的核心器件，對其噪聲特性的研究，對提升整個接收系統(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)體場效應(yīng)晶體管（MOSFET）的特征尺寸已經(jīng)進入納米量級，衍生出多種新型的器件結(jié)構(gòu)形式，如多柵器件、無結(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)字信號處理模塊的加工工藝相兼容，因而研究其噪聲特性，對采用最新節(jié)點的硅基互補金屬-氧化物-半導(dǎo)體（CMOS）工藝設(shè)計和實現(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，因而成為半導(dǎo)體器件研究的又一熱點，研究其噪聲特性對研制超寬帶、高魯棒性、高動態(tài)范圍的微波低噪聲放大器

3、有著重要意義。因此，為了促進新型微波晶體管在低噪聲領(lǐng)域的應(yīng)用，為設(shè)計和生產(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，急需對其噪聲機理和噪聲模型進行研究。本文在晶體管噪聲理論基礎(chǔ)上，針對硅基納米MOSFET和GaNHEMT器件的特點，分別采用物理基、半物理基和經(jīng)驗基的方法，對其噪聲特性進行了研究。
　　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
　　針對硅基納米MOSFET器件噪聲機理

4、尚不太明確的問題，本文采用物理基的量子蒙特卡洛（MC）方法來研究器件噪聲特性，該方法可以直接模擬器件中載流子的運動軌跡，從本征上描述噪聲的起源。根據(jù)隨機信號的統(tǒng)計學(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端口瞬時電流波動中提取了柵極和漏極噪聲電流功率譜密度及其相關(guān)性，并計算了器件的噪聲參數(shù)，將計算結(jié)果同文獻中的數(shù)據(jù)進行對比，驗證了該方法的準確性；然后將該MC方法用于研究30nm柵長的硅基雙柵MOSFET器

5、件的靜態(tài)、小信號和噪聲特性。結(jié)果表明，相比于單柵器件，雙柵MOSFET具有更強的柵極控制能力、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結(jié)型MOSFET器件的小信號和噪聲特性，并與傳統(tǒng)的有結(jié)型MOSFET器件性能進行了對比。從晶體管溝道載流子受到

6、的散射機制的大小出發(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，以及它們對器件的直流、小信號和噪聲性能的影響。結(jié)果表明，無結(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.新型的硅基納米無結(jié)型MOSFET器件噪聲特性研究
　　為提升

7、硅基納米無結(jié)型MOSFET的小信號和噪聲性能，本文首次提出了三種新型的無結(jié)型器件結(jié)構(gòu)，分別對無結(jié)型MOSFET器件的柵極金屬、溝道摻雜和柵下介質(zhì)隔離層進行改進。通過調(diào)整溝道中的電勢分布，在溝道中引入一個電場尖峰，從而提高溝道中電子的傳輸效率，達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結(jié)型（GPJL）MOSFET器件為例，采用量子MC方法對其靜態(tài)、小信號和噪聲特性進行了研究。結(jié)果表明，相比于一般的無結(jié)型器件，GPJL MOS

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

9、能，通過與GaNHEMT的直流測試數(shù)據(jù)進行對比，驗證了該數(shù)值模型的準確性；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增大了柵極對溝道的控制能力，顯示出更優(yōu)異的小信號和噪聲性能，比如其 ft和 fmax的最大值分別提高了18%和27%，在12GHz時，其NFmin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)驗基噪聲特性研究
　　本文針對GaN HEMT器件的噪聲特性，提出了一種簡便的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，并計入了柵極泄漏電流引入的散粒噪聲；將模型計算結(jié)果與GaN HE