毫米波晶体管的四噪声参数模型的研究及应用

摘要

随着半导体工艺的快速发展，种种新工艺和新材料如雨后春笋般涌现，诸多新型的晶体管也应运而生。但是现在工艺和市场的需求，大多数都面向低压、低功耗及毫米波频段领域的进展，本文选取MOSFET是根据其可以很好适用于现实的需要，另外一个方面讲，该工艺不仅在向更高的频率发展而且反型区域也在朝着弱反型区域研究。虽然目前很多努力已投入表征和建模射频MOS晶体管，但是大多数文献过多集中关注于强反区的高性能和等效电路的建模。本文就现在成熟的工艺，对MOSFET小信号等效电路模型及噪声模型的噪声参数进行分析，在不同的反型区域，通过端口网络噪声理论，利用噪声的合成一步步得到噪声参数模型的解析表达式。 首先小信号等效电路模型和参数提取技术是毫米波电路设计的先决条件，是理解纳米级金属氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）物理机制和建立非线性等效电路模型的基础。本文简单研究了纳米MOSFET在毫米波频段的小信号等效电路模型与元件参数提取的方法；再者对小信号等效电路模型的噪声进行了分析，根据本文的等效噪声电路模型，着重研究了基于端口网络噪声理论推导强反型区域与中反型区域的四噪声参数的方法，根据分析不同反型区域噪声机理的变化情况，最终得到了三个不同反型区域的四噪声参数解析表达式。 本文通过分析130纳米MOSFET等效电路模型，提取所建立等效电路模型的元件参数值；并且利用所提取的元件值计算分析强中反型区域四噪声模型的结果，与参考文献的四噪声参数进行对比，以验证该方法及模型的可行性；最后实施四噪声参数推导的逆过程，拟合得到弱反型区域的噪声机理数值，并与文献中的值对比分析，以证明本文给出的四噪声参数模型的应用价值。

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1　绪论

1.1　选题背景

1.2 研究意义

1.3　毫米波晶体管的发展现状

1.4　本论文研究内容及结构

2 纳米MOSFET毫米波小信号等效电路模型

2.1 毫米波MOSFET小信号等效电路

2.1.1忽略衬底效应的小信号模型

2.1.2考虑衬底效应的小信号等效电路模型

2.1.3等效电路模型的确定

2.2 基于散射参数的等效电路参数提取方法

2.2.1电路的散射参数和噪声系数

2.2.2等效电路参数的直接提取法

2.3 等效电路的Y参数建模

2.4 本章小结

3　毫米波频段下的纳米MOSFET四噪声参数模型

3.1 MOSFET噪声的种类

3.2 基于小信号等效电路模型的四噪声参数模型推导

3.2.1含噪声源的小信号等效电路模型

3.2.2四噪声参数模型的推导方法

3.3 四噪声参数模型的推导结果

纳米级MOSFET的噪声机理在各个反型区是不同的，其中漏极电流噪声Sid的变化最明显。而在强反型区时

下面给出了MOSFET强反型区的Sid、Sig、Sigid*的数学表达式[44]：

（3-41）

（3-42）

（3-43）

3.4 本章小结

4　130纳米MOSFET四噪声参数的验证

4.1 纳米MOSFET小信号元件参数提取

4.1.1去嵌LC后的Y参数

4.1.2参数的直接提取的实现

4.1.3参数提取的过程及结果

4.2 强中反型区域的四噪声参数模型的验证

4.3 弱反型区域噪声机理的验证

4.4 本章小结

结　　论

致　　谢

参考文献

附　　录