文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.2017.03.007
中文引用格式: 王丹丹,,王軍,王林. 45 nm MOSFET射頻小信號噪聲等效電路建模直接提取方法[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,,43(3):33-35,39.
英文引用格式: Wang Dandan,,Wang Jun,,Wang Lin. RF small-signal noise equivalent circuit modeling of 45 nm MOSFET[J].Application of Electronic Technique,2017,,43(3):33-35,,39.
0 引言
由于溝道縮比技術(shù)持續(xù)快速發(fā)展,,使CMOS具有了提供非常低的功耗且實現(xiàn)極高的單位增益頻率的優(yōu)勢。為了滿足超低功耗越來越高的需求,,超低電壓和亞閾值RF應(yīng)用設(shè)計開發(fā)成為國內(nèi)外的研究熱點[1-2],。雖然為深亞微米MOSFET的RF噪聲表征和建模已被廣泛研究[3-5],工作頻率大多僅限于幾個赫茲,,并且可能沒有足夠用于毫米波應(yīng)用,,迫切需要重新表征和建模RF噪聲行為。文獻(xiàn)[6]對深亞微米MOSFET模型和等效電路進(jìn)行了歸類和討論,,可以看出現(xiàn)有的模型由于沒有考慮分別對輸入電導(dǎo)Y11和輸出電導(dǎo)Y22有重要影響的柵極電阻Rg和襯底電阻,,從而低估了高頻噪聲特性。文獻(xiàn)[7]雖然能夠提供精確描述130 nm MOSFET小信號RF行為統(tǒng)一的模型,,而隨著工作頻率提升到毫米波階段,,寄生元件效應(yīng)變得越來越顯著,對45 nm RF MOSFET高頻噪聲特性會導(dǎo)致較大的誤差,,缺乏足夠的準(zhǔn)確性,,因此有必要對納米尺寸射頻MOSFET噪聲等效電路的建模進(jìn)行改進(jìn)。
本文使用考慮了本征元件,、外圍元件及焊盤寄生元件組成的射頻模型,,不同于文獻(xiàn)[7]所采用的小信號RF模型,,集總RC網(wǎng)絡(luò)重新對襯底元件高頻行為進(jìn)行建模。首先采用標(biāo)準(zhǔn)的開路/短路虛擬測試結(jié)構(gòu)對測量的S參數(shù)進(jìn)行PAD電容和互連寄生參數(shù)進(jìn)行剝離處理,,剝離后的S參數(shù)測量結(jié)果轉(zhuǎn)換為Y參數(shù),。從射頻小信號等效電路推導(dǎo)出能夠描述45 nm MOSFET行為的Y參數(shù)一階分析表達(dá)式,使用這些分析表達(dá)式從實測值直接提取小信號模型參數(shù),。
在精確的射頻小信號模型基礎(chǔ)上,,基于雙端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲相關(guān)矩陣和多端口噪聲理論[8],使用描述本征器件的溝道熱噪聲和感應(yīng)柵極噪聲模型,,嵌入所有對射頻熱噪聲有貢獻(xiàn)的元件,,分析推導(dǎo)出符合實際射頻噪聲測量的四噪聲參數(shù)詳細(xì)步驟。在2 ~18 GHz頻段內(nèi),,四噪聲參數(shù)分析模型結(jié)果與測量結(jié)果吻合良好,,表明分析模型能夠預(yù)測深亞微米MOSFET噪聲性能。
1 包含噪聲源的射頻MOSFET小信號等效電路模型
圖1為單個手指NMOS晶體管的橫截面示意圖,。高頻MOSFET等效電路包括本征晶體管,、端電阻(柵極電阻Rg、源/漏極串聯(lián)電阻Rs,、Rd),、襯底電阻(Rdsb、Rsb,、Rdb),、交疊電容(Cgdo、Cgso),、結(jié)二極管(Dsb,、Ddb)以及柵極、漏極及柵極和漏極之間的寄生焊盤PAD電容(Cpg,、Cpd,、Cpdg)和引線寄生電感(Lg、Ld,、Ls),。
為了消除焊盤和焊盤與器件之間的金屬互連線對測量結(jié)果的影響,首先要對測量結(jié)果進(jìn)行剝離,。由于在晶圓S參數(shù)測試需要使用焊盤和互連線與晶體管(被測器件)相連,,而這些元件的引入必然帶來一些寄生效應(yīng)。隨著器件尺寸的減小,,這些寄生元件對晶體管特性的影響不斷增加,,對測得的S參數(shù)有很大的影響。為了得到晶體管本身的特性,,需要一個準(zhǔn)確的剝離方法將晶體管從被測結(jié)構(gòu)中剝離出來,。這里采用文獻(xiàn)[9]標(biāo)準(zhǔn)的開路/短路測試結(jié)構(gòu)對PAD電容和互連寄生電阻進(jìn)行剝離處理,。
圖2為飽和區(qū)RF MOSFET準(zhǔn)靜態(tài)射頻小信號等效電路,為了精確地模擬設(shè)備特性,,利用直接提取法計算晶體管內(nèi)部小信號模型參數(shù),。
表1為M=6,Nf=10,,W=2 μm,,L=45 nm nMOS本文提取的小信號等效電路參數(shù)值,從表中觀察到Cgd,,Rg,,Rs和Rd呈現(xiàn)弱Vg偏壓的依賴,其他所有的射頻模型參數(shù)顯示出較強Vg偏壓的依賴,。
2 射頻噪聲參數(shù)提取
高頻噪聲由4個噪聲參數(shù)表征,,即最小噪聲系數(shù)NFmin,等效噪聲電阻Rn和最佳源導(dǎo)納Yopt(Yopt=Gopt+jBopt),?;陔p端口網(wǎng)絡(luò)的噪聲相關(guān)矩陣和多端口噪聲理論,使用溝道熱噪聲和感應(yīng)柵極噪聲模型嵌入所有對射頻熱噪聲有貢獻(xiàn)的元件,,分析推導(dǎo)出符合實際射頻噪聲測量的四噪聲參數(shù),。圖2等效電路分為內(nèi)部和外部兩部分。注意噪聲分析時,,漏極/源極電阻忽略,,因為兩者的數(shù)值只有零點幾歐姆,噪聲貢獻(xiàn)很小,。
晶體管內(nèi)部噪聲源可以轉(zhuǎn)化求出晶體管內(nèi)部部分的導(dǎo)納形式噪聲相關(guān)矩陣系數(shù),及對內(nèi)部部分進(jìn)行Y參數(shù)分析,。
式中k為玻爾茲曼常數(shù)(k=1.380 650 3×10-23),,T為器件溫度(T=290 K),星號表示去復(fù)數(shù)共軛,。
3 結(jié)果及分析
為驗證本文所建立的納米級MOSFET射頻四噪聲分析模型的準(zhǔn)確性,,首先將直接提取的小信號參數(shù)代入分析模型后,利用MATLAB進(jìn)行仿真,,然后將仿真結(jié)果與實驗測量結(jié)果相比較來驗證射頻四噪聲分析模型的準(zhǔn)確性,,同時分析了不同溝道長度下的器件射頻四噪聲特性。
圖3為VGS=0.9 V,,VDS=1.1 V偏置條件下,,不同溝道長度的射頻四噪聲參數(shù)關(guān)于頻率變化的曲線。使用小信號等效電路參數(shù)的提取值和射頻噪聲模型參數(shù),,分析模型(9,,10,,11)與測量結(jié)果進(jìn)行比較。圖3(b)中分析結(jié)果與實測結(jié)果之間存在差異,,特別是幾兆赫的低頻段,,主要由于Rn僅取決于由γnD表征的溝道熱噪聲,而噪聲參數(shù)γnD受到速度飽和,、熱載流子,、遷移率退化、溝道長度調(diào)制效應(yīng)影響,。本文中沒有對受短溝道效應(yīng)的γnD進(jìn)行精確建模造成這樣差異的存在,。圖3(a)、圖3(c),、圖3(d)所建模NFmin和Yopt結(jié)果與測量結(jié)果數(shù)據(jù)吻合良好,,精確捕捉不同溝道長度NMOS射頻噪聲行為,表明分析模型能夠預(yù)測深亞微米MOSFET噪聲性能,。
4 結(jié)論
對射頻MOSFET等效電路建模技術(shù)進(jìn)行了研究,,在采用直接提取的MOSFET小信號模型參數(shù)基礎(chǔ)上,利用本征電路的噪聲電流源,,嵌入所有對射頻噪聲有貢獻(xiàn)的元件,,推導(dǎo)出四噪聲參數(shù)分析模型,然后將這種小信號模型和參數(shù)提取技術(shù)應(yīng)用到45 nm MOSFET,,仿真計算和測量結(jié)果的良好吻合證明了這種方法的正確性,。對納米尺寸射頻MOSFET建模技術(shù)的研究為今后深亞微米噪聲建模和開發(fā)射頻頻段的電路提供了指導(dǎo)。
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作者信息:
王丹丹,,王 軍,王 林
(西南科技大學(xué) 信息工程學(xué)院,,四川 綿陽621010)