面向超低电压射频低噪声设计的MOSFET表征方法

摘要

MOSFET高频噪声的建模是其在无线通信中应用的基础。面向低功耗、混合信号及高频应用的短沟道COMS技术，其最佳的高频特性已从低中反型区转移至弱反型区。器件的噪声特性相比于长沟道器件也发生了显著的变化，噪声模型的表征也更加复杂。　　目前，纳米MOSFET的噪声建模主要是基于器件的四噪声参数和散射参数测量，通过双端口噪声网络分析，提取器件的双端口等效噪声电流模型的原始数据，结合器件的小信号等效噪声电路分析，建立器件等效噪声电流源的数学物理模型。器件噪声数学物理建模的精度取决于对器件工艺特性的认识深度和测量系统的精度。精确的短沟道MOSFET噪声物理模型的数学表征非常复杂。为了使现有的短沟道MOSFET高频噪声数学物理模型可用于工程设计，本文研究了其简洁模型的表达形式，并进行了应用实验验证。　　本文工作包括以下三个方面：　　首先，明确了40纳米MOSFET的双端口等效噪声电流高频物理模型及其原始数据，确定了其小信号等效噪声电路的元件参数及其四噪声参数的原始数据，通过基于MATLAB的物理模型计算仿真与原始数据的对比，验证了本文所明确的高频噪声物理模型的有效性和准确性。　　其次，为了使复杂的纳米MOSFET高频噪声物理模型可用于工程设计，本文研究了其简洁模型的表达形式。通过器件的双端口相关噪声矩阵变换和分析，实现了复杂的噪声物理模型的简化。所提出的简洁模型不仅高精度地表征了器件的非准静态效应，并且可通过Verilog-A语言以四结点的形式，直接嵌入到ADS仿真设计工具，从而在保证精度的同时，大大降低了设计的复杂度。实验结果验证了所建简洁模型在强反型区和弱反型区均有较高的精度，比传统模型具有更高的准确性。　　最后，基于超低电压射频低噪声设计集中在MOSFET的弱、中反型区的工程实际，提出了基于反型系数（IC）的表征方式，并以具有偏置依赖性的元件参数举例，证明了该种表征方式在表征弱反型区时，具有更清晰更容易辨识MOSFET工作在超低电压时的特性。并且通过转换回VGS的表征方式，与原始数据进行对比，说明了该表征方法的可逆性与有效性。　　在工程设计中可以通过反型系数表征的MOSFET特性曲线选取最佳工作点，以此间接地选取物理偏置电压值，然后利用本文所建立的简洁模型进行仿真，这样可以使得设计更为准确和有效。

目录

声明

1 绪论

1.1选题背景

1.2国内外研究现状

1.3 本文研究内容及结构

2 40nm MOSFET高频噪声的物理模型表征

2.1 MOSFET高频过剩噪声机理的简介

2.2 40nm MOSFET双端口等效噪声电流源模型

2.2.1漏极电流噪声

2.2.2栅极电流噪声

2.2.3栅漏互相关电流噪声

2.3 40nm MOSFET小信号等效噪声模型

2.4 原始实验数据与验证

2.4.1原始数据的获取

2.4.2基于S参数的小信号等效元件参数的提取

2.4.3高频噪声物理模型的原始数据

2.5本章小结

3 40nm MOSFET高频噪声简洁模型的表征

3.1 简洁模型简介

3.2 简洁模型的建立

3.3.1初始模型的精度对比

3.3.2噪声功率谱密度的转换矩阵

3.3.3简洁模型的推导

3.4简洁模型的Verilog-A语言的实现

3.4 仿真与验证

3.5 本章小结

4 面向工程应用的反型系数表征

4.1 反型系数的简介

4.2 基于反型系数的四噪声参数的表征

4.3 反型系数表征方式的验证

4.4 本章小结

5 结论与展望

致谢

参考文献

附录

攻读学位期间取得的研究成果