近年來隨著介觀物理和納米電子學(xué)對(duì)散粒噪聲研究的不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)散粒噪聲可以很好的表征納米器件內(nèi)部電子傳輸特性,。由于宏觀電子元器件中也會(huì)有介觀或者納米尺度的結(jié)構(gòu),，例如缺陷,、小孔隙和晶粒等,，因而也會(huì)產(chǎn)生散粒噪聲,，并且可能攜帶內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息。這使人們對(duì)宏觀電子元器件中散粒噪聲研究產(chǎn)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(jīng)嚴(yán)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(chǎn)生機(jī)理和特性,，以便更好的抑制器件的散粒噪聲,，實(shí)現(xiàn)器件和電路的低噪聲化。
對(duì)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(shí)驗(yàn)中很難觀察到它的存在,。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)于散粒噪聲測(cè)試技術(shù)的研究取得了快速的進(jìn)展,，但是普遍存在干擾噪聲大、測(cè)試儀器價(jià)格昂貴等問題,，難以實(shí)現(xiàn)普及應(yīng)用,。文中所介紹的測(cè)試系統(tǒng)是在屏蔽環(huán)境下將被測(cè)器件置于低溫裝置內(nèi)，抑制了外界電磁波和熱噪聲的干擾,；同時(shí)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(tǒng)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(cè)試結(jié)果更加的準(zhǔn)確,。使用本系統(tǒng)測(cè)試短溝道MOSFET器件散粒噪聲，得到了很好的測(cè)試結(jié)果,。文中的工作為散粒噪聲測(cè)試提供了一種方法,，對(duì)短溝道MOSFET散粒噪聲測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了討論。
1 測(cè)試原理
對(duì)于短溝道MOSFET中散粒噪聲的測(cè)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(cè)試系統(tǒng)背景噪聲等,。散粒噪聲屬于微弱信號(hào),，在實(shí)際測(cè)試中外界電磁干擾對(duì)測(cè)試結(jié)果影響顯著，將整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置放置于電磁屏蔽環(huán)境下進(jìn)行測(cè)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(cè)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(cè)試中將待測(cè)器件置于液氮環(huán)境中,，在此溫度下器件熱噪聲相對(duì)于散粒噪聲可以忽略,。對(duì)于器件散粒噪聲的測(cè)試，必須通過充分放大才能被數(shù)據(jù)采集卡所采集,，所以要,、求放大器要有足夠的增益，同時(shí)要求不能引入太大的系統(tǒng)噪聲,，否則系統(tǒng)噪聲會(huì)淹沒所測(cè)器件的散粒噪聲,，因此采用低噪聲高增益的前置放大器。對(duì)于短溝道MOSFET,，其低頻1／f噪聲非常顯著,，它對(duì)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(duì)測(cè)試的影響，使測(cè)試結(jié)果更加的準(zhǔn)確,。據(jù)此,，設(shè)計(jì)了一種低溫散粒噪聲測(cè)試系統(tǒng)。
2 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)及測(cè)試方案
2．1 測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)
測(cè)試系統(tǒng),，如圖1所示,，主要由偏置電路、低噪聲前置放大器、數(shù)據(jù)采集和噪聲分析系統(tǒng)組成,。將所有測(cè)試設(shè)備放置于雙層金屬網(wǎng)組成的屏蔽室內(nèi),，可以有效的抑制外界電磁噪聲的干擾；測(cè)試系統(tǒng)低溫裝置是一個(gè)裝有液氮的杜瓦瓶,，它可以提供77 K的測(cè)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(diào)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?yàn)橹绷麟娫吹脑肼暠容^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(diào)節(jié),。同時(shí)為了測(cè)試更加準(zhǔn)確,，變阻器R1和R2也一并置于液氮裝置內(nèi)，以降低其自身熱噪聲的影響,。前置放大器采用美國(guó)EG&G普林斯頓應(yīng)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(cè)試帶寬為1～300 kHz,，其背景噪聲很低,，滿足實(shí)驗(yàn)的測(cè)試要求。
數(shù)據(jù)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(tǒng)”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(shí)頻域子波分析、時(shí)域分析,。對(duì)于散粒噪聲分析,，主要用到噪聲頻譜分析模塊。
通過具體測(cè)試對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證,。設(shè)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(cè)器件噪聲幅值為1．2×10-15V2／Hz左右；而77 K時(shí)，在相同偏置條件下測(cè)試了樣品的噪聲,，電流噪聲幅值為1．5×10-16V2／Hz左右,，對(duì)比室溫和77 K時(shí)樣品噪聲，可以看出噪聲幅值降了一個(gè)數(shù)量級(jí),，通過計(jì)算可知熱噪聲被減少大約90％,，可見77 K時(shí)熱噪聲被明顯抑制。同時(shí)測(cè)量了低溫下系統(tǒng)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(tǒng)背景噪聲相對(duì)較小,，可以忽略,。本測(cè)試系統(tǒng)能滿足低溫下散粒噪聲測(cè)試的要求。
2．2 測(cè)試方案
實(shí)驗(yàn)樣品選用0．18μm工藝nMOSFET器件,，溝道寬長(zhǎng)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(cè)試器件在亞閾區(qū),、線性區(qū)和飽和區(qū)的源漏電流散粒噪聲功率譜。具體步驟為,，設(shè)置Vgs=0．1 V,，使器件處在亞閾值區(qū)，Ids在0．055～1 mA變化,，測(cè)試器件在不同溝道電流下的電流噪聲功率譜值,；再設(shè)置Vgs=1．2 V，使器件工作在反型區(qū),，測(cè)試Ids在0．055～1．5 mA變化時(shí)線性區(qū)和飽和區(qū)的電流噪聲功率譜值,。在功率譜提取時(shí)，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(duì)測(cè)試結(jié)果的影響,，也可以通過平均值算法使分析的測(cè)試數(shù)據(jù)更加準(zhǔn)確。
3 測(cè)試結(jié)果及討論
圖3和圖4分別為器件工作在亞閾區(qū)和反型區(qū)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(qū),，小漏源電流的條件下,，溝道電流和電流噪聲功率譜呈現(xiàn)線性關(guān)系，證明器件在此工作條件下存在散粒噪聲,。相比于長(zhǎng)溝道MOSFET器件,，短溝道器件溝道源區(qū)附件明顯存在一個(gè)勢(shì)壘，勢(shì)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(nèi)電場(chǎng)強(qiáng)度很小，擴(kuò)散電流成分顯著,，擴(kuò)散電流隨機(jī)通過源極附近勢(shì)壘,，引起散粒噪聲。隨著漏源電壓的增大,，溝道內(nèi)電場(chǎng)增強(qiáng),，勢(shì)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(qū)，小的漏源電流條件下,，器件工作在線性區(qū),。如圖4所示，與亞閾區(qū)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(shí),，器件進(jìn)入飽和區(qū),。此時(shí)源區(qū)勢(shì)壘和溝道內(nèi)擴(kuò)散電流成分顯著減小，因此導(dǎo)致由擴(kuò)散電流引起的散粒噪聲減小,。但此時(shí)漏端溝道正好處在夾斷點(diǎn)位置,，載流子通過夾斷點(diǎn)耗盡區(qū)是彈道傳輸模式，引起了散粒噪聲的產(chǎn)生,，導(dǎo)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(xù)增大，夾斷區(qū)長(zhǎng)度不斷增加,，載流子在夾斷區(qū)散射增強(qiáng),，散粒噪聲再次被抑制。
4 結(jié)束語
針對(duì)MOSFET散粒噪聲難以測(cè)量的特點(diǎn),，文中提出了一種低溫散粒噪聲測(cè)試方法。在屏蔽環(huán)境下,，將被測(cè)器件置于低溫裝置內(nèi),，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(cè)試系統(tǒng)。應(yīng)用本系統(tǒng)對(duì)短溝道MOSFET器件進(jìn)行噪聲測(cè)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(cè)試提供了一種方法,，對(duì)短溝道MOSFET散粒噪聲特性進(jìn)行了分析。