一种改进的深亚微米MOSFET噪声模型

钭飒飒,高建军

(华东师范大学 信息科学与技术学院,上海 200241)

一种改进的深亚微米MOSFET噪声模型

钭飒飒,高建军

(华东师范大学 信息科学与技术学院,上海 200241)

提出一种基于小信号的噪声模型,在精确提取0.13 μm MOSFET的小信号参数后,结合Pospieszalsik和pucel模型,运用噪声相关矩阵转换技术提取出所有噪声参数。利用ADS建立噪声模型,在2～20 GHz频率范围内,仿真结果与测量结果吻合良好,验证了模型的准确性。

MOSFET;小信号模型;参数提取;噪声模型

随着无线通信技术的不断发展,射频集成电路的市场越发壮大,因而越来越多的人把目光放在了具有高集成度、低成本、低功耗的CMOS器件上。近年来CMOS的制造工艺不断进步,MOS场效应晶体管的特征频率已经超过100 GHz,这就使得CMOS器件成为了射频电路设计者的一个重要选择。为准确地预测和描述半导体器件的噪声性能,就要建立精确反应器件噪声特性的等效电路模型,因为它是设计低噪声电路的基础。因此,深入了解MOSFET噪声原理十分重要。一般的噪声模型都会同时考虑低频时的闪烁噪声以及高频噪声。比较经典的噪声模型,是在准确建立小信号模型的基础上增加高频噪声源,用来模拟场效应晶体管在工作时的噪声情况。

常用的噪声模型有Pospieszalsik温度噪声模型[1],以及Pucel噪声模型[2-4],其中Pucel模型用本征噪声源栅极感应噪声和漏极沟道噪声来表示,这两个噪声源都包含在小信号模型中,这就使这个模型变得简单方便。而Pospieszalsik温度噪声模型则考虑了各个寄生电阻的热噪声,并运用各个电阻的工作温度来求解噪声源。由于模型包含众多变量,使其噪声参数的准确求解变得困难。

本文将两种模型结合使用,先利用零偏置和冷偏置法求出小信号模型[5-6],再在其基础上用噪声矩阵转换技术[7]剥离外部电路的干扰,提取出本征噪声参数。最后将所有参数值代入ADS进行仿真,仿真结果显示,在2～20 GHz频率范围内与测量值吻合很好,验证了模型的准确性。

1 噪声模型等效电路

图1 MOSFET噪声模型等效电路

外围焊盘和测试时互连线引入的参数,可以通过开路短路法测得的S参数进行剥离求解,寄生电阻Rg,Rd,Rs则通过零偏置方法求解,衬底参数Rsub,Csub则是在MOSFET处于强反型时求解。综上所述,可得栅长0.13μm,栅宽2μm,栅指数为16,在偏置Vgs=Vds=1V条件下,完整的小信号模型参数,如表1所示。

表1 小信号模型参数

将所有参数代入ADS软件中进行仿真,可以得到如图2所示的S参数。从图2中可以看出MOSFET小信号模型的仿真结果与测试结果吻合良好,偏置条件为Vgs=Vds=1 V。

图2 2～20 GHz测量与仿真的S参数对比

2 噪声模型参数提取

得到准确的小信号模型以后,MOSFET的噪声参数则可以由噪声矩阵转换相关技术进行提取。提取的步骤如下:

(1)由测试条件下得到的噪声参数推导出噪声级联相关矩阵

(1)

(2)将噪声级联矩阵转换成噪声导纳矩阵,消除掉PAD网络的参数(Rpg,Rpd,Cpg,Cpd,Cpgd)的影响。

(3)把噪声导纳矩阵转换成噪声阻抗矩阵,消除掉串联参数Llg,Lld,Lls,Rg,Rd的影响。

(4)把噪声阻抗矩阵转换成噪声导纳矩阵,消除掉衬底部分Rsub和Csub的影响。

(5)最后将噪声导纳矩阵转换成噪声阻抗矩阵,消除掉Rs的影响。由此得到本征部分的噪声阻抗矩阵,将其转换成本征部分的噪声级联矩阵,即可求出本征部分的噪声参数。

经由以上的方法,得到了如下图所示测试与本征噪声参数的对比情况。

图3 本征噪声电阻Rn提取值测量值对比

图4 本征最小噪声系数NFmin提取值测量值对比

图5 本征最佳源导纳Gopt幅度提取值测量值对比

图6 本征最佳源导纳Gopt相位提取值测量值对比

如图1所示,该噪声模型同时包含了Pospieszalsik温度噪声模型,以及Pucel噪声模型。在Pospieszalsik模型中,等效噪声温度和分别由和的阻值决定。因此可以推出在Pucel噪声模型中噪声源的表达式

(2)

(3)

式中,K为玻尔兹曼常数;Δf是噪声带宽。由以上公式可以得到本征噪声导纳矩阵,如下所示

(4)

(5)

(6)

在Pucel噪声模型中,栅极和漏极的噪声源为

(7)

(8)

(9)

式中,T0是常温下的等效噪声温度290 K。在此,认为ωCgs≪1在频率范围内始终成立,则Pucel噪声模型可以由等效噪声温度表示

(10)

(11)

(12)

其余6个噪声源可由下式计算求解[9]

(13)

由式(4)～式(5)可以求出等效噪声温度Tg和Td的值为300 K和302 K。由式(10)～式(12)可得R为0.51,P为2.61,C为0.44。

3 噪声模型测试与仿真

求解出所有的噪声参数后,在ADS中建立MOSFET的等效噪声模型,其仿真与测量结果如图7所示。

图7 最小噪声系数NFmin以及噪声电阻Rn的仿真值

图8 最佳信源反射系数Γopt仿真值与测量值对比

如图7和图8所示,偏置条件为Vgs=Vds=1V时,在2～20GHz频率范围内模型的仿真值与测量值吻合良好,证明了此方法的准确性。

4 结束语

本文提出了一种改进的MOSFET小信号噪声模型,这种模型参数提取简便、对噪声测试要求不高,ADS中的仿真结果与测试结果匹配良好,验证了该模型的准确性。

[1]HeymannP.Experimentalevaluationofmicro-waveField-Effect-transistornoisemodels[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,1999,47(2):156-163.

[2]AvanderZiel.Thermalnoiseinfield-effecttransistor[J].ProceedingofIRE,1962,50(1):1808-1812.

[3]BrunckeWW,ZvanZiel.Thermalnoiseinjunctiongatefield-effect-transistor[J].ProceedingofIRE,1966,13(3):323-329.

[4]PucelRA,HausHA,TatzHS.Signalandnoiseproper-tiesofGaAsmicrowaveFET[M].NewYork:AcademicPressInAdvancesinElectronicsandElectronPhysics,1975.

[5]LaiYL,HsuKH.Anewpinch-offcold-FETmethodtodetermineparasiticcapacitancesofFETequivalentcircuits[J].IEEETransactonsonMicrowaveTheoryTech,2001,49(8):1410-1418.

[6]KjellOJeppson.ThreeandfourpointHamer-typeMOSFETparameterextractionmethodsrevisited[C].NewYork:InternationalConferenceofMicroelectronicTestStructures,1977.

[7]HillbrandH,RusserPH.Anefficientmethodforcomputeraidednoiseanalysisoflinearamplifiernetworks[J].IEEETransactionsCircuitsSystem,1976,CAS-23(4):235-238.

[8]LeeS,YuHK,KimCS,etal.Anovelapproachtoextractingsmall-signalmodelperametersofsiliconMOSFET’s[J].IEEEMicrowaveGuidedWaveLetter,1977,7(1):75-77.

[9]GaoJianjun.Scalablesmall-signalandnoisemodelingfordeep-submicrometerMOSFETs[J].IEEETransactionsonMicrowaveTheoryandTechniques,2009,57(4):737-744.

An Improved Noise Modeling for Deep-submicron MOSFETs

DOU Sasa,GAO Jianjun

(School of Information Science and Technology,East China Normal University,Shanghai 200241,China)

An new noise model based on the small-signal model is presented.All the noise parameters can be extracted by using the noise correlation matrix together with Pospieszalsik and Pucel models after the small-signal parameters of the 0.13 μm MOSFET are accurately extracted.A noise model is built through ADS.Within the range of 2～20 GHz the simulation result is in good agreement with the measured result,which verifies the accuracy of the model.

MOSFET;small-signal model;parameter extraction;noise model

2014- 10- 23

钭飒飒(1989—),女,硕士研究生。研究方向:半导体微波器件建模与参数提取技术。E-mail:dousasaecnu@163.com。高建军(1968—),男,教授,博士生导师。研究方向:微波有源与无源器件建模,光电子器件建模与微波射频测试技术。

10.16180/j.cnki.issn1007-7820.2015.05.017

TN386

A

1007-7820(2015)05-057-03