微电子器件第八章噪声特性讲解

1、1 第八章 噪声特性 8.1 晶体管的噪声和噪声系数晶体管的噪声和噪声系数 8.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源 8.3 p-n结二极管的噪声结二极管的噪声 8.4 双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性 8.5 JFET与与MESFET的噪声特性的噪声特性 8.6 MOSFET的噪声特性的噪声特性 2 一、信噪比一、信噪比 二、噪声系数二、噪声系数 N S P P 噪声功率噪声功率 信号功率信号功率 信（号）噪（声）比信（号）噪（声）比 NiP NT Nip No NoSo NiSi PK P PK P PP PP F1 输出端信噪比 输入端信噪比 8.1 晶体管的噪声和噪声系数晶体管

2、的噪声和噪声系数 信号，噪声信号，噪声 噪声限制了晶体管放大微弱信号的能力。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为了衡量噪声对信号影响程度而定义信噪比信噪比 晶体管本身产生噪声，因此其工作时，输入、输出端信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。噪比不同。定义噪声系数反映晶体管本身产生噪声的大小。 SNR10lgdBSNR20lgdB SS NN PV PV 或者 3 噪声系数可看作：噪声系数可看作： 单位功率增益

3、下，晶体管噪声功率的放大系数。即晶体管无单位功率增益下，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，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。总输出噪声功率与被放大的信号源噪声功率之比。 噪声系数越接近于噪声系数越接近于1，晶体管噪声水平越低，晶体管噪声水平越低 噪声系数也可用分贝表示噪声系数也可用分贝表示 FN F lg10 晶体管自身噪声相当大。例晶体管自身噪声相当大。例3AG47, NF6db, F=4 输出噪声功率中输出噪声功率中75%来自于晶体管本身。来自于晶体管本身。 NiP NT Nip No NoSo NiS

4、i PK P PK P PP PP F1 输出端信噪比 输入端信噪比 4 8.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源 一、热噪声一、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 也称约翰逊噪声也称约翰逊噪声(Johnson noise) 任何电子元件均有热噪声任何电子元件均有热噪声 热噪声与温度有关热噪声与温度有关温度升高，热运动加剧温度升高，热运动加剧 热噪声与电阻有关热噪声与电阻有关载流子

5、运动本身是电流，电阻大，电压高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 晶体管的噪声源晶体管的噪声源 一、热噪声一、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噪声噪声 尼奎斯公式尼奎斯公式 (Nyquist) fSfkTRu fSfkTGi Vth ith 4 4 2 2

6、其中，其中，ith短路噪声电流短路噪声电流 uth开路噪声电压开路噪声电压 单位频率间隔内的噪声强度称为噪声的单位频率间隔内的噪声强度称为噪声的频谱密度频谱密度 噪声电压的功率谱密度噪声电压的功率谱密度 噪声电流的功率谱密度噪声电流的功率谱密度kTG f i S kTR f u S th i th V 4 4 2 2 6 热噪声等效电路热噪声等效电路 无无噪噪声声电电阻阻串串联联而而成成的的热热噪噪声声电电压压源源和和一一个个用用一一个个fkTR 4 尼奎斯公式条件：尼奎斯公式条件： 1、电子与晶格处于热平衡状态、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、电子的能量分布服从

7、波尔兹曼分布 电场较强时，高能态电子数增多，可近似电场较强时，高能态电子数增多，可近似 1、用、用电子温度电子温度取代平衡温度取代平衡温度 2、用随电场强度变化的、用随电场强度变化的微分迁移率微分迁移率代替常数迁移率代替常数迁移率 对尼奎斯公式修正，得对尼奎斯公式修正，得增强约翰逊噪声增强约翰逊噪声 多能谷结构材料中的多能谷结构材料中的谷间散射噪声谷间散射噪声 7 8.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源 二、散粒噪声二、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噪声噪声 1918年肖特基发现于电

8、子管中，起源于电子管阴极发射电子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。数目的无规则起伏。 在半导体中，在半导体中，散粒噪声通常指由于载流子的产生、复合的涨散粒噪声通常指由于载流子的产生、复合的涨 落使越过落使越过p-n结势垒的载流子数目起伏所引起的噪声。结势垒的载流子数目起伏所引起的噪声。 fqIish 2 2 其功率谱密度与频率其功率谱密度与频率 无关，也属白噪声。无关，也属白噪声。 r0（无噪声无噪声) fkTrush 0 2 fqIish 2 r0（无噪声无噪声) fkTrush 0 2 2 8 8.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源 三、闪烁噪声（三、闪烁噪

9、声（Flicker Noise） (1/f 噪声噪声) 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噪声噪声 由于其功率谱密度近似与频率成反比，也称由于其功率谱密度近似与频率成反比，也称1/f噪声。噪声。 出现在出现在106Hz的频率范围，普通硅平面管中，在的频率范围，普通硅平面管中，在103Hz以下明显以下明显 ffKIinf 2 产生原因可能与晶体结构的不完整性和表面稳定性有关。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、高浓度晶格缺陷、位错、高浓度P、B扩散造成晶体压缩应变等扩散造成晶体压缩应变等

10、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。反型层的产生或变化。 产生产生-复合机构引起的产生复合机构引起的产生-复合过程复合过程 9 8.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源 四、产生四、产生-复合噪声（复合噪声（Generation Recombination 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噪声噪声 另外还有：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

11、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。 10 8.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源 五、配分噪声（五、配分噪声（Partition 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噪声噪声 另外还有：另外还有： 六、猝发噪声（六、猝发噪声（Burst Noise） 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

12、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（ 1 kHz）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

13、掺入Au、Fe、Cu和W等重金属杂质形成金属-半导体结有关。 11 8.2 晶体管的噪声源晶体管的噪声源 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噪声噪声 另外还有：另外还有： 七、雪崩噪声（七、雪崩噪声（Avalanche Noise） 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）。 12

14、 8.3 p-n结二极管的噪声结二极管的噪声 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4 nV）。 图8-3 p-n结中的电流 0(e 1) qV kT II 2222 12sh IIII 热噪声热噪声 散粒噪声散粒噪声 2 0 4 sh IqIf 零偏时： 22 110 2IIqIf 理想p-n结： 13 8.3 p-n结二极管的噪声结二极管的噪声 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/

15、f噪声） 图8-3 p-n结中的电流 散粒噪声散粒噪声 正偏时： 222 12100 2 ()2 (2) sh IIIq IIfqIIf 反偏时： 2 0 2 (2) sh IqIIf 100 IIII 100 IIIII 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。 14 1. p-n 结二极管的散粒噪声结二极管的散粒噪声 假设全部电流是由空穴携带的假设全部电流是由空穴携带的 分为三个分量：分为三个分量： 由由p区注入到区注入到n区，并被电极端区，并被电极端 收集的空穴收集的空穴 在在n区产生，被自建场漂移到区产生

16、，被自建场漂移到p区区 并被电极端收集的空穴并被电极端收集的空穴 从从p区注入区注入n区，在区，在n区复合或到达电极之前因扩散运动又返回区复合或到达电极之前因扩散运动又返回p区的空区的空 穴，对电流没有贡献，但对高频电导有贡献穴，对电流没有贡献，但对高频电导有贡献 ) 1( kTqV RF eII kTqV Re I R I p-n结中载流子扩散和漂移的动态平衡结中载流子扩散和漂移的动态平衡 8.3 p-n结二极管的噪声结二极管的噪声 15 二极管低频电导：二极管低频电导： )( 0R kTqVR II kT q e kT qI dV dI g 高频下的本征导纳：高频下的本征导纳： jXG j

17、 kT qI Y pp F 2 1 )1 ( 2 1 2 1 )1 ( 2 1 212122212122 随频率升高而增大随频率升高而增大 kTqV Re I R I 受外加电压调制，对电导的贡献是受外加电压调制，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两部分独立起伏产生散粒噪声 fIIqfqIfIIq RRR )2(22)(2 16 于是，于是，p-n结二极管总的结二极管总的噪声电流均方值噪声电流均方值为为 fqIkTG fgGkTfIIqi Rn )24( )(4)2(2 0 2 引起两

18、个极性相反的脉冲，其间隔为空穴在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，故产生热噪声因扩散过程是热运动过程，故产生热噪声 fgGkT )(4 0 )( 0R II kT q g )( 00 0 0 0 0 n pn p np R p n n p kTqV L nqD L pqD AI n n p p e D ) 1)( ) 1( 00 kTqV n pn p np kTqV R e L nqD L pqD A eII 17 8.4 双极型晶体管

19、的噪声特性双极型晶体管的噪声特性 一、噪声源一、噪声源 1.热噪声热噪声 2.散粒噪声散粒噪声 3. 1/f噪声噪声 4. 其它噪声源其它噪声源 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影响影响 最大，因为处于输入回路，且数值最大。最大，因为处于输入回路，且数值最大。 产生产生-复合作用对多子影响不大。双极型晶体管以少子传输电流，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

20、噪声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噪声。此外，与重金属杂质掺入发射区有关的淬发噪声淬发噪声 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雪崩噪声：反偏太高，集电结的雪崩倍增引起 配分噪声配分噪声 18 二、散粒噪声与噪声电流二、散粒噪声与噪声电流 2.晶体管散粒噪声晶体管散粒噪声 仅考虑空穴的运动：仅考虑空穴的运动： 从发射极注入到基区的空穴从发射极

21、注入到基区的空穴 基区中产生并被发射极收集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双极型晶体管的噪声特性 19 二、散粒噪声与噪声电流二、散粒噪声与噪声电流 2.晶体管散粒噪声晶体管散粒噪声 低频发射极噪声电流均方值：低频发射极噪声电流均方值： )( )24( 0 0 2 BEEe Eene II kT q g fqIkTgi 为低频发射结电导为低频发射结电导 集电极噪声电流均方值：集电极噪声电流均方

22、值： fqIfIIIqi CBCBEEDCnc 2)(2 2 8.4 双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性 20 三、晶体管的噪声频谱特性三、晶体管的噪声频谱特性 普遍规律：普遍规律： 在噪声频谱特性曲线的在噪声频谱特性曲线的 低频和高频区，噪声系数都低频和高频区，噪声系数都 有明显变化，在中频区，噪有明显变化，在中频区，噪 声系数最小，且基本不随频声系数最小，且基本不随频 率变化。率变化。 定义：定义： fL：低频区噪声转角频率。低频区噪声转角频率。 fH：高频区噪声转角频率。高频区噪声转角频率。 低频区主要由低频区主要由1/f噪声构成。噪声构成。 中频区称为白噪声区中频区称为白噪声

23、区 高频区噪声系数再次上升是由于功率高频区噪声系数再次上升是由于功率 增益下降所致增益下降所致 8.4 双极型晶体管的噪声特性双极型晶体管的噪声特性 21 为共基极截止频率为共基极截止频率 为信号源内阻，为信号源内阻， 其中，其中， f R rR rrR G f G h G R r R r f f g eg ebg FEg e g b H L 2 )( ) 2 1 ( Hz1200500 2 2 1 *噪声系数与工作条件密切相关噪声系数与工作条件密切相关 改善噪声特性：改善噪声特性： 1、降低白噪声区、降低白噪声区 2、提高高频噪声转角频率、提高高频噪声转角频率 rb、f 、hFE 22 8.

24、5 JFET与与MESFET的噪声特性的噪声特性 一、一、JFET与与MESFET噪声源噪声源 （三）（三）1/f 噪声噪声 二、二、JFET的噪声性能的噪声性能 （一）热噪声（一）热噪声 （二）散粒噪声（二）散粒噪声 （一）低频噪声性能（一）低频噪声性能 （二）中、高频噪声性能（二）中、高频噪声性能 1.沟道热噪声沟道热噪声 2感应栅噪声感应栅噪声 （三）噪声系数（三）噪声系数 三、微波三、微波GaAs MESFET的噪声性能的噪声性能 （一）衡量（一）衡量GaAs MESFET噪声性能的经验公式噪声性能的经验公式 （二）提高噪声性能的途径（二）提高噪声性能的途径 23 8.5 JFET与与

25、MESFET的噪声特性的噪声特性 一、一、JFET与与MESFET噪声源噪声源 3、1/f 噪声噪声 1、热噪声、热噪声 2、散粒噪声、散粒噪声 沟道区存在电阻，产生沟道热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 增强约翰逊噪声增强约翰逊噪声 速度饱和区强场下，载流子与晶格碰撞，速度饱和区强场下，载流子与晶格碰撞，扩散噪声扩散噪声 通过反偏栅结势垒的电流起伏产生散粒噪声通过反偏栅结势垒的电流起伏产生散粒噪声

26、 起源于起源于栅结势垒区栅结势垒区和和沟道区沟道区载流子的产生载流子的产生-复合两方面复合两方面 24 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 栅结势垒区的产生栅结势垒区的产生-复合过程的起伏产生两种噪声：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：通过调制耗尽层宽度形成漏极噪声电流：1/f噪声（缺陷产噪声（缺陷产 生复合中心的产生生复合中心的产生-复合复合 直接形成栅极噪声电流

27、：散粒噪声（本征的产生直接形成栅极噪声电流：散粒噪声（本征的产生-复合）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。极噪声电流。 25 8.5 JFET与与MESFET的噪声特性的噪声特性 二、二、JFET的噪声性能的噪声性能 1、低频噪声性能、低频噪声性能 等效噪声电阻等效噪声电阻Rn: 实际测量噪声电压实际测量噪声电压(均方值均方值)含含 有各种成分，同时不同样品电阻不有各种成分，

28、同时不同样品电阻不 同。统一用等效电阻来比较，即用同。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）与器低频噪声（噪声等效电阻）与器 件的几何形状密切相关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。复合噪声为主。 掺金后，由掺金后，由f-1f-2 LWaRn 3 26 2、中、高频噪声性能、中、高频噪声性能 沟道热噪声沟道热噪声 ),(4 2 GDmsnd VVQfkTgi 器

29、件工作在非饱和区时：器件工作在非饱和区时： gms为饱和区跨导（为饱和区跨导（G0起作用起作用） Q(VD,VG)为噪声参量，反映工为噪声参量，反映工 作偏压对噪声的影响。作偏压对噪声的影响。 当漏极电压不太高，沟道当漏极电压不太高，沟道 夹断区长度远小于沟道区长度夹断区长度远小于沟道区长度 时，上式也适用于饱和区。时，上式也适用于饱和区。 65. 0 QgR msn MHz6 T f 增加频率修正项的结果，可见在增加频率修正项的结果，可见在fT之之 内，频率修正项作用不大。内，频率修正项作用不大。 在在饱和区饱和区 27 2、中、高频噪声性能、中、高频噪声性能 感应栅噪声感应栅噪声 诱生栅极

30、噪声诱生栅极噪声 低频下，栅噪声主要来源于低频下，栅噪声主要来源于 栅电流的散粒噪声。栅电流的散粒噪声。 在中、高频范围内，则主要在中、高频范围内，则主要 是沟道热噪声电动势通过栅电容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，耦合形成的栅极回路的噪声电流， 即即感应栅噪声感应栅噪声。 导电沟道中所产生的噪声电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变化，在栅电极上感应出相应的 补偿电荷补偿电荷起伏的栅极充电电起伏的栅极充电电 流。流。 28 3、噪

31、声系数、噪声系数 硅硅JFET和和MESFET的中、高频噪声系数为的中、高频噪声系数为 ingsns ms ns nsn RCg g g gRA AAAF 22 2 min 65. 0 221 为为输入端电导输入端电导 将将A=1时对应的频率定义为时对应的频率定义为噪声系数截止频率，噪声系数截止频率，fnc 29 8.5 JFET与与MESFET的噪声特性的噪声特性 三、微波三、微波GaAs MESFET的噪声性能的噪声性能 1、衡量、衡量GaAs MESFET噪声性能的经验公式噪声性能的经验公式 由于：由于： GaAs中热电子温度随场强变化剧烈中热电子温度随场强变化剧烈 沟道中速度饱和区较长

32、，要考虑其沟道中速度饱和区较长，要考虑其 中的强场扩散噪声中的强场扩散噪声 肖克莱沟道夹断模型不适用，需用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、电位分布和电流的电场、电位分布和电流-电压特性电压特性 故，微波故，微波GaAsMESFET的噪声特的噪声特 性不同于硅性不同于硅FET。 将将沟道分为两个区域：沟道分为两个区域： 0L1为常迁移率区，计算增强约翰逊噪声为常迁移率区，计算增强约翰逊噪声 L1L 为速度饱和区，计算强场扩散噪声为速度饱和区，计算强场扩散噪声 30 SGms T f RRg f f KF ()(1 0 min

33、fT、gms取零栅压时的值，取零栅压时的值，Kf=2.5 SGmsl RRgLfKF (1 0 min 经验公式：经验公式： 半半经验公式：经验公式： 有效栅电阻：有效栅电阻： 等效噪声电阻的半经验公式：等效噪声电阻的半经验公式： )( 17 )( 1 17 3 2 hL W nhL w n R R m G )( 1 . 1 1 . 2 1 82. 066. 05 . 0 21 Ds sg D SSS Naa L NaW RRR 源源串联电阻：串联电阻： 2 030. 0 ms n g R 31 8.5 JFET与与MESFET的噪声特性的噪声特性 三、微波三、微波GaAs MESFET的噪声

34、性能的噪声性能 2、提高噪声性能的途径、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：界面附近采用非均匀沟道杂质分布：界面附近ND大，有大的跨导大，有大的跨导 减小栅、源串联电阻减小栅、源串联电阻RG、RS：加厚栅金属层；源极下加重掺杂加厚栅金属层；源极下加重掺杂 层；局部离子注入；凹槽结构等层；局部离子注入；凹槽结构等 32 33 8.6 MOSFET的噪声特性的噪声特性 一、沟道热噪声一、沟道热噪声 MOSFET的

35、主要噪声源是沟道热噪声的主要噪声源是沟道热噪声 其次是其次是1/f噪声。由于噪声。由于p-n结反向电流很结反向电流很 小，可忽略其散粒噪声。小，可忽略其散粒噪声。 沟道载流子的无规则热运动在沟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波动，从而导致漏极电流出现涨落 由此产生的噪声为由此产生的噪声为沟道热噪声沟道热噪声。 f I yV kTfdRkTu D th )( 44 2 沟道中，沟道中，y0处体元处体元dy的微分电阻的微分电阻dR上热噪声电

36、压上热噪声电压 图8-5 热噪声对沟道电位分布的影响 34 f I yV kTfdRkTu D th )( 44 2 沟道中，沟道中，y0处体元处体元dy的微分电阻的微分电阻dR上热噪声电压上热噪声电压 引起沟道电位分布和漏极电流的起伏，产生热噪声电流引起沟道电位分布和漏极电流的起伏，产生热噪声电流 TGS DS dnd VV V F FgfkTi ; )1)(2( )1 (1 )( )( 3 2 4 3 2 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沟道热噪声电流的均方值比

37、尼奎斯公式多一个因子 )( 3 2 F dlndlDS gfkTiFV 4 2 3 )(, 0 2 很小时，很小时，当当 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。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。 )( 3 2 )( FyVuV thDS 不同，故有因子不同，故有因子引起的引起的增大，增大，随着随着 35 将非将非饱和区漏导饱和区漏导)( DSTGSds VVVg 带入，得带入，得 )2( )1 (1 3 2 )( )()(4 3 2 H HfVVVkTi DSTGSnd 其中，其中， )1)( 3 2 )(4 )( 3 2 )(4 FfVVkT Ff V

38、V VVV VVkT TGS TGS DSTGS TGS ms g )( H msnds TGSDS gfkTi HVVV 3 2 4 3 2 )(1 2 ，时（器件进入饱和区）时（器件进入饱和区）当当 )( 4 1 MOST 4 2 2 2 2 2 2 m nd n nd nng m nd ng ng nd mnd g i fkT R i fkTRu g i u u i gi 则等效噪声电阻则等效噪声电阻 输入端电压中输入端电压中折合到折合到即将即将 ，又，又关系写成关系写成按按将将 )( H g g gR m ms mn 36 )( H g g gR m ms mn 在在饱和区饱和区 3 2 msng R 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 子电荷子电荷为整个沟道区的总载流为整个沟道区的总载流 为总栅极电容为总栅极电容其中，其中， WdyyQQ WLCC VC Q gR L nN oxot DSot N mn 0 )( 可见，可见，Rngm随随VDS增加而迅速减小，饱和区最小增加而迅速减小，饱和区最小Rngms，且且 与衬底杂质浓度密切相关。与衬底杂质浓度密切相关。 37 可见，可见，Rngm随随VDS增加而增加而 迅速减小，饱和区最小迅速减小，饱和区最小Rngm