纳米MOSFET器件电流噪声测试方法研究

贾晓菲，陈文豪，丁 兵，何 亮

（1. 安康学院 电子与信息工程学院，陕西 安康 725000；2. 中国西南电子技术研究所，四川 成都 610063；3. 西安电子科技大学 先进材料与纳米科技学院，陕西 西安 710071）

纳米MOSFET器件电流噪声测试方法研究

贾晓菲1，陈文豪2，丁 兵1，何 亮3

（1. 安康学院 电子与信息工程学院，陕西 安康 725000；2. 中国西南电子技术研究所，四川 成都 610063；3. 西安电子科技大学 先进材料与纳米科技学院，陕西 西安 710071）

针对常规纳米尺度电子元器件的噪声特性，研究其噪声的基本测试条件，并建立测试系统。在屏蔽条件下采用低温装置和超低噪声前置放大器，能有效抑制外界干扰。应用该系统对实际纳米 MOSFET器件进行噪声测试得到其电流噪声，在测试基础上通过计算分别得到热噪声和散粒噪声，同时分析器件工作在亚阈区和反型区下的电流噪声随源漏电压和电流的变化关系。结果表明测试结果与理论分析吻合，验证了测试系统的准确性。

纳米MOSFET；噪声测试；低温装置；电流噪声；散粒噪声；热噪声

近些年来，随着介观物理与纳米电子学的发展，对电子元器件噪声及测试技术研究已成熟。众所周知，噪声可表征纳米尺度电子元器件内部载流子的传输特性[1-2]。随着器件尺寸的不断缩小，对于纳米尺度的MOSFET器件，其载流子的输运已由传统的漂移-扩散输运逐渐转为准弹道或者弹道输运，其电流噪声包含散粒噪声和热噪声[3-7]。文献[3]给出 20 nm的MOSFET电流噪声随源漏电流和电压的变化关系，其电流噪声特性介于热噪声和散粒噪声之间，故 20 nm的 MOSFET电流噪声为散粒噪声和热噪声。文献[5]通过模拟表明，60 nm的MOSFET电流噪声为受抑制的散粒噪声和热噪声。目前电流噪声已经严重影响器件的基本性能，使其构成的电路不能正常工作。因此必须研究电子元器件中电流噪声的产生机理及其特性，进而抑制器件噪声，这不仅可实现器件的低噪声化[8-9]，也对电子元器件的工作效率、寿命、可靠性等起到积极作用。

目前国内外的噪声测试技术研究快速发展，已取得热噪声和散粒噪声的测试技术，但对电流噪声的测试还没涉及到。另外，普遍存在干扰噪声大、测试仪器价格贵等问题，难以普及应用。对纳米电子元器件噪声的测试技术主要为超导量子干涉器件和约瑟夫森结的噪声测试技术[10-11]，但两者的超高灵敏特性和工作原理对测试技术条件要求很高，因此很难广泛应用。同时，这类敏感元件耦合距离短，要与被测器件制作在同一芯片上，因此不能开放式应用。传统的器件（如短沟道MOS、雪崩二极管等）的电流噪声[4,12-13]难与超导量子干涉器件和约瑟夫森结进行有效集成。文献[14]提出了短沟道MOSFET噪声测试方法，但没有考虑热噪声。热噪声与温度有关[15]，虽然整个测试装置在低温下进行，但热噪声仍然存在，不能忽略。

本文建立了纳米 MOSFET电流噪声的测试系统，提出了低温装置、屏蔽装置、低噪声偏置电路和低噪声放大器的测试系统，能有效降低背景噪声，很好抑制了外界电磁干扰及低频1/f噪声等的干扰，使测试结果更加准确。本系统不仅可以测试纳米尺度 MOSFET器件的电流噪声，也可分别得到其散粒噪声和热噪声。

1 实验

1.1 测试系统设计

噪声测试系统必须满足以下要求：

（1）低噪电源：为器件提供直流电压，必须具备极低的背景噪声，采用低自放电、低噪声电池组实现。

（2）偏置网络：对测试器件工作点进行调节，使其工作在特点状态。偏置网络采用元件也必须是低噪声器件，如电阻必须采用金属线绕电阻器，在偏置网络中不能引入有源等噪声大的器件。

（3）屏蔽箱：对外部电磁干扰进行屏蔽。

（4）低温系统：纳米MOSFET电流噪声中的散粒噪声测试受温度影响，因此必须采用低温（取77K）装置来抑制器件、偏置网络等热噪声，最大限度将热噪声对测试结果的影响降到最低。

（5）电流放大器：对微弱的散粒噪声电流进行放大，选用低噪声高带宽电流放大器。

（6）第二级放大器：由于一级放大倍数往往不能满足信号采集要求，因此需要进行第二级放大，使噪声信号进一步放大以便采集。

（7）数据采集分析系统：完成电流噪声信号的采集，并进行相应的屏蔽变换、消除干扰频率等数据的处理和最终结果的分析。

根据噪声测试系统结构要求，设计如图 1所示的纳米MOSFET电流噪声测试流程框图。

1.2 测试方案

实验选用90 nm MOSFET器件，其阈值电压为0.7 V。分别在低温条件下测试器件的噪声功率谱SI。设置使器件工作在亚阈值区，即栅极电压（VGS）为0.25 V，测试源漏电流（IDS）变化时，器件的噪声功率谱值。再设置栅极电压为1.2 V，器件工作在线性区，测试源漏电流变化时，器件的噪声功率谱值。具体步骤如图2。

图1 电流噪声测试框图Fig.1 Current noise test system

图2 电流噪声测试流程图Fig.2 Current noise test flow chart

经该噪声系统测试可得到纳米MOSFET的电流噪声。另外，由奈奎斯特热噪声公式计算。

式中：G为被测样品的电导；KB为玻尔兹曼常数；测试中温度为77 K，由此公式计算可以求出热噪声[17]。再由该实验系统测出的电流噪声减去热噪声就为散粒噪声。

2 结果与分析

图 3为器件工作在亚阈区时，噪声随源漏电流的变化关系（VGS为0.25 V），从图中可以看出，漏源电流小于0.6 mA时，与噪声功率谱呈现线性关系。随着源漏电流的增大，噪声值明显下降，这是因为漏源电压的增大导致沟道内电场增强、势垒高度减小，噪声中的散粒噪声被费米和库仑作用抑制[15-19]；同时，因为测试系统本身要满足低温条件，热噪声也受抑制，故电流噪声值减小。

图3 VGS= 0.25 V时噪声随源漏电流的测试结果Fig.3 The variation of noise with source-drain current（VGSis 0.25 V）

图 4为器件工作在反型区时，噪声随源漏电流的变化关系（VGS为1.2 V）。漏源电流（约小于0.4 mA）比较小时，器件工作在线性区，噪声功率谱与源漏电流呈线性关系。但是随着漏源电流的增大，器件进入饱和区，此时源区势垒高度降低、沟道内扩散电流减小，导致由扩散电流引起的散粒噪声受费米和库仑抑制，故电流噪声减小。同时，漏端区沟道处在夹断点的位置，载流子通过夹断点的耗尽区为弹道输运，费米和库仑作用减弱，又导致散粒噪声增大，故电流噪声又随漏源电流的增大而增大。但随着漏源电流的持续增大，夹断区长度不断增加，载流子散射增强，散粒噪声再次被抑制，电流噪声随之减小[15-19]。

图4 VGS= 1.2 V时噪声随源漏电流的测试结果Fig.4 The variation of noise with source-drain current（VGSis 1.2 V）

图 5为漏源电压与电流噪声功率谱之间的关系（VGS为0.25 V）。器件处在亚阈值工作区，当源漏电压较小时，电流噪声增加趋势不明显。这是因为此时载流子输运接近于扩散输运，电流噪声以热噪声为主，而测试在低温条件下，热噪声变化不明显，故电流噪声值也不明显。随着源漏电压的持续增加，沟道内电场增强，势垒高度减小，散粒噪声被费米和库仑作用抑制，电流噪声减小[15-19]。

图 6为器件工作在反型区时，噪声随源漏电压的变化关系。在栅极电压为1.2 V的反型区，当源漏电压增大到一定值时，为受费米和库仑抑制的散粒噪声。这是因为栅极电压的增大，导致源极结正向压降增大、耗尽区宽度变小。同时，势垒的高度也随栅极电压增大而降低。在强反型区，源区结势逐渐消失，费米和库仑作用减弱，散粒噪声抑制减小，电流噪声也随之减小[15-19]。

图5 VGS=0.25 V时噪声随源漏电压变化的测试结果Fig.5 The variation of noise with source-drain voltage（VGSis 0.25 V）

图6 VGS=1.2 V时噪声随源漏电压变化的测试结果Fig.6 The variation of noise with source-drain voltage（VGSis 1.2 V）

3 结论

建立了纳米MOSFET的噪声测试技术。在低温条件、屏蔽环境下，将被测元器件置于装置内，有效抑制了外界电磁干扰、低频1/f噪声以及测试系统背景噪声等的干扰。应用本系统对纳米尺度的MOSFET器件进行噪声测试，并分析该器件的噪声特性。结果表明，器件工作在亚阈区的噪声随源漏电压呈线性变化；在反型区，噪声受到费米和库仑抑制，噪声随源漏电压的增大而减小。该系统适合传统纳米尺度的电子元器件噪声测试。

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（编辑：曾革）

Current noise measurement methods in nano-MOSFET

JIA Xiaofei1, CHEN Wenhao2, DING Bing1, HE Liang3

(1. Department of Electronic and Information Engineering, Ankang University, Ankang 725000, Shanxi Province, China; 2. Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610063, China; 3. Advanced Materials and Nano Technology School, Xidian University, Xi’an 710071, China)

Noise performance of regular nano-scale electronic components was studied to analyze the basic noise testing conditions and establish the noise testing system. Taking low temperature and ultra-low noise preamplifier under shielding conditions can effectively suppress external interference. This system was used to test current noise in the actual nano-MOSFET devices, on the basis of which thermal noise and shot noise were respectively calculated and current noise was analyzed with variation of the source-drain voltage and current in the sub-threshold region and inversion region. The results show that the test results accord with theoretical analysis and accuracy of the measurement system is verified.

nano-MOSFET; noise measurement; low temperature device; current noise; shot noise; thermal noise

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.12.010

TN407

A

1001-2028（2016）12-0045-04

2016-10-10

贾晓菲

国家自然科学基金重点项目（No. 61076101）；陕西省教育厅科学研究计划项目（No. 16JK1016）

贾晓菲（1984-），女，陕西渭南人，讲师，主要从事电子元器件噪声研究，E-mail: jiaxiaofei-ab@163.com 。

时间：2016-11-29 11:30:55

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161129.1130.010.html