短溝道MOSFET散粒噪聲測試方法研究

　近年來隨著介觀物理和納米電子學對散粒噪聲研究的不斷深入，人們發現散粒噪聲可以很好的表征納米器件內部電子傳輸特性。由于宏觀電子元器件中也會有介觀或者納米尺度的結構，例如缺陷、小孔隙和晶粒等，因而也會產生散粒噪聲，并且可能攜帶內部結構的信息。這使人們對宏觀電子元器件中散粒噪聲研究產生了極大的興趣。另一方面，隨著器件尺寸的不斷縮小，MOSFET器件中散粒噪聲成分也越來越顯著，已經嚴重影響器件以及電路的噪聲水平，人們必須要了解電子元器件中散粒噪聲的產生機理和特性，以便更好的抑制器件的散粒噪聲，實現器件和電路的低噪聲化。

　　對于短溝道MOSFET器件，在室溫條件下，散粒噪聲被其他類型的噪聲所淹沒，一般在實驗中很難觀察到它的存在。目前國內外對于散粒噪聲測試技術的研究取得了快速的進展，但是普遍存在干擾噪聲大、測試儀器價格昂貴等問題，難以實現普及應用。文中所介紹的測試系統是在屏蔽環境下將被測器件置于低溫裝置內，抑制了外界電磁波和熱噪聲的干擾；同時使用低噪聲前置放大器使散粒噪聲充分放大，并顯著降低系統背景噪聲；通過提取噪聲頻譜高頻段平均值，去除了低頻1/f噪聲的影響，使測試結果更加的準確。使用本系統測試短溝道MOSFET器件散粒噪聲，得到了很好的測試結果。文中的工作為散粒噪聲測試提供了一種方法，對短溝道MOSFET散粒噪聲測試結果進行了討論。

　　1 測試原理

　　對于短溝道MOSFET中散粒噪聲的測試，主要影響因素包括：外界電磁干擾、低頻1/f噪聲、熱噪聲以及測試系統背景噪聲等。散粒噪聲屬于微弱信號，在實際測試中外界電磁干擾對測試結果影響顯著，將整個實驗裝置放置于電磁屏蔽環境下進行測試，這樣就有效地抑制了外界電磁干擾。散粒噪聲和熱噪聲均屬于白噪聲，在室溫下由于熱噪聲的影響，一般很難測量到散粒噪聲的存在，因此需要最大限度降低熱噪聲的影響。在測試中將待測器件置于液氮環境中，在此溫度下器件熱噪聲相對于散粒噪聲可以忽略。對于器件散粒噪聲的測試，必須通過充分放大才能被數據采集卡所采集，所以要、求放大器要有足夠的增益，同時要求不能引入太大的系統噪聲，否則系統噪聲會淹沒所測器件的散粒噪聲，因此采用低噪聲高增益的前置放大器。對于短溝道MOSFET，其低頻1／f噪聲非常顯著，它對散粒噪聲的影響很大，由于1／f只是在低頻部分明顯，在高頻部分很小，因而可以通過提取噪聲高頻部分的平均值來降低1/f噪聲對測試的影響，使測試結果更加的準確。據此，設計了一種低溫散粒噪聲測試系統。

　　2 測試系統設計及測試方案

　　2．1 測試系統設計

　　測試系統，如圖1所示，主要由偏置電路、低噪聲前置放大器、數據采集和噪聲分析系統組成。將所有測試設備放置于雙層金屬網組成的屏蔽室內，可以有效的抑制外界電磁噪聲的干擾；測試系統低溫裝置是一個裝有液氮的杜瓦瓶，它可以提供77 K的測試溫度，這樣就有效的降低了熱噪聲的影響。Vcc1和Vcc2為電壓可調的低噪聲鎳氫直流電池組，分別為器件提供柵源電壓和漏源偏壓，電池組不能用直流電源代替，因為直流電源的噪聲比較大。

　　變阻器R1和R2均屬于低噪聲線繞電位器，最大阻值均為10 kΩ，分別用于柵源電壓和漏源的調節。同時為了測試更加準確，變阻器R1和R2也一并置于液氮裝置內，以降低其自身熱噪聲的影響。前置放大器采用美國 EG&G普林斯頓應用研究公司制造的PARC113型低噪聲前置放大器，放大增益范圍為20～80 dB，測試帶寬為1～300 kHz，其背景噪聲很低，滿足實驗的測試要求。

　　數據采集和噪聲分析軟件為“XD3020電子元器件噪聲-可靠性分析系統”軟件，它包含5大功能：噪聲頻譜分析、器件可靠性篩選、噪聲分析診斷、時頻域子波分析、時域分析。對于散粒噪聲分析，主要用到噪聲頻譜分析模塊。

　　通過具體測試對系統進行了驗證。設置柵源電壓為0．1 V，漏源電壓為0．36 V，為了降低低頻1/f噪聲的干擾，提取電流噪聲功率譜299～300 kHz高頻段的平均值。如圖2所示，從圖中可以看出高頻段是白噪聲。在室溫下，被測器件噪聲幅值為1．2×10-15V2／Hz左右；而77 K時，在相同偏置條件下測試了樣品的噪聲，電流噪聲幅值為1．5×10-16V2／Hz左右，對比室溫和77 K時樣品噪聲，可以看出噪聲幅值降了一個數量級，通過計算可知熱噪聲被減少大約90％，可見77 K時熱噪聲被明顯抑制。同時測量了低溫下系統的背景噪聲，它的噪聲幅值為4×10-17V2／Hz左右，而低溫下樣品的噪聲幅值為1．5×1O- 16V2／Hz，因此低溫下系統背景噪聲相對較小，可以忽略。本測試系統能滿足低溫下散粒噪聲測試的要求。

　　2．2 測試方案

　　實驗樣品選用0．18μm工藝nMOSFET器件，溝道寬長比為20μm／0．6μm，柵氧化層厚度為20 nm，閾值電壓為0．7 V。分別測試器件在亞閾區、線性區和飽和區的源漏電流散粒噪聲功率譜。具體步驟為，設置Vgs=0．1 V，使器件處在亞閾值區，Ids在0．055～1 mA變化，測試器件在不同溝道電流下的電流噪聲功率譜值；再設置Vgs=1．2 V，使器件工作在反型區，測試Ids在0．055～1．5 mA變化時線性區和飽和區的電流噪聲功率譜值。在功率譜提取時，取270～300 kHz頻率段電流噪聲功率譜的平均值，這樣既可以去除低頻1／f噪聲對測試結果的影響，也可以通過平均值算法使分析的測試數據更加準確。

　　3 測試結果及討論

　　圖3和圖4分別為器件工作在亞閾區和反型區條件下，電流噪聲功率譜隨漏源電流的變化情況。

　　由圖中可以看出，在亞閾區，小漏源電流的條件下，溝道電流和電流噪聲功率譜呈現線性關系，證明器件在此工作條件下存在散粒噪聲。相比于長溝道MOSFET器件，短溝道器件溝道源區附件明顯存在一個勢壘，勢壘高度隨柵源電壓的增大而增大，隨漏源電壓的增大而減小。在此偏置條件下，溝道內電場強度很小，擴散電流成分顯著，擴散電流隨機通過源極附近勢壘，引起散粒噪聲。隨著漏源電壓的增大，溝道內電場增強，勢壘減小，漂移電流成為主要成分，散粒噪聲隨之被抑制。

　　在反型區，小的漏源電流條件下，器件工作在線性區。如圖4所示，與亞閾區類似，可以看到明顯的散粒噪聲成分。但是隨著漏源電流的增大，在漏源電流大約為 0．5μA時，器件進入飽和區。此時源區勢壘和溝道內擴散電流成分顯著減小，因此導致由擴散電流引起的散粒噪聲減小。但此時漏端溝道正好處在夾斷點位置，載流子通過夾斷點耗盡區是彈道傳輸模式，引起了散粒噪聲的產生，導致散粒噪聲再次隨漏源電流的增大而增大。但隨著漏源電流的繼續增大，夾斷區長度不斷增加，載流子在夾斷區散射增強，散粒噪聲再次被抑制。

　　4 結束語

　　針對MOSFET散粒噪聲難以測量的特點，文中提出了一種低溫散粒噪聲測試方法。在屏蔽環境下，將被測器件置于低溫裝置內，有效抑制了外界電磁波和熱噪聲的干擾。采用背景噪聲充分低的放大器以及偏置器、適配器等，建立低溫散粒噪聲測試系統。應用本系統對短溝道MOSFET器件進行噪聲測試，分析該器件散粒噪聲的特性。文中的工作為器件散粒噪聲測試提供了一種方法，對短溝道MOSFET散粒噪聲特性進行了分析。