mos管漏电流与VGS的关系及MOSFET栅漏电流噪声分析

mos管漏电流与VGS呈指数关系

至此，所考虑的(de)MOS晶体管的(de)工作，都是栅极(ji)(ji)—源(yuan)极(ji)(ji)间(jian)电压(ya)VGS比(bi)阈值电压(ya)VT大(da)时的(de)状(zhuang)(zhuang)况(kuang)。当VGS比(bi)VT大(da)很(hen)多时，在(zai)(zai)栅氧化膜下方构成(cheng)反型层（沟道），在(zai)(zai)漏(lou)极(ji)(ji)-源(yuan)极(ji)(ji)间(jian)有电流活动，这(zhei)种状(zhuang)(zhuang)态称为(wei)强反型状(zhuang)(zhuang)态。

但是，即便MOS晶体(ti)管(guan)的栅极，源极间电压VGS处在阈值电压VT以下，漏极电流也并不等(deng)于(yu)0，依(yi)然有(you)微小的电流活(huo)动，这时MOS晶体(ti)管(guan)的工作状态(tai)叫做(zuo)弱反型(xing)(weak inversion)，工作区(qu)域叫做(zuo)弱反型(xing)区(qu)。

在(zai)弱反型区，漏极(ji)电流(liu)关于VGS呈(cheng)指数关系增加，电流(liu)表达式为下式：

式(shi)中，Io是与制造(zao)工艺有(you)关(guan)的参数；”叫(jiao)做斜率因子(slope factor)，由耗尽层电(dian)容Cd与栅氧化膜电(dian)容Cox之比按(an)下式(shi)计算求得：

n的(de)普通值是(shi)(shi)1～1.5。另外，n值还(hai)能够(gou)从图2.8中曲(qu)(qu)线(xian)(xian)的(de)斜(xie)率(lv)(lv)求得。这个曲(qu)(qu)线(xian)(xian)的(de)横轴(zhou)(zhou)是(shi)(shi)VGS，纵轴(zhou)(zhou)取(qu)logID。n越(yue)(yue)(yue)小，logID-VGS。曲(qu)(qu)线(xian)(xian)在(zai)弱(ruo)反型区中直线(xian)(xian)局(ju)部的(de)斜(xie)率(lv)(lv)就越(yue)(yue)(yue)陡，MOS晶体(ti)管的(de)漏电流就越(yue)(yue)(yue)小。这个斜(xie)率(lv)(lv)的(de)倒数叫做亚阈摆动(sub-threshold swing)或者亚阈斜(xie)率(lv)(lv)(subthreshold slope)，其定(ding)义式如下：

亚(ya)阈摆(bai)动S表示弱(ruo)反型区中漏极电(dian)(dian)流变(bian)化(hua)1个数(shu)量级所需求的栅极-源极间电(dian)(dian)压。应用式(2.12)，能够(gou)得(de)到：

其单(dan)位通(tong)常用(mV/dec)表示。亚(ya)阈(yu)摆动(dong)小的(de)MOS晶体管，意味着OFF时的(de)漏电流小。当(dang)n=1时，室温下(xia)(xia)下(xia)(xia)面求弱反型(xing)区中的(de)跨导gm。

由(you)式(2.1)和式(2.l2)能(neng)够得到(dao)由(you)该式能(neng)够看出，弱反(fan)型区中跨导与漏极电流(liu)成比例。

mos管漏电流-MOSFET栅漏电流噪声分析

分(fen)析问题：MOSFET的栅漏(lou)电流噪声模型 MOSFET的栅漏(lou)电流噪声模型分(fen)析与探(tan)讨

解决(jue)方案(an)：超薄栅(zha)氧隧穿漏电流低(di)频噪(zao)声(sheng)模(mo)型 栅(zha)电流噪(zao)声(sheng)电容等效电荷涨落模(mo)型 CMOS器件的(de)等比(bi)例缩小发(fa)展趋势，导(dao)致(zhi)了栅(zha)等效氧化层厚(hou)度(du)(du)(du)、栅(zha)长度(du)(du)(du)和栅(zha)面(mian)积都(dou)急剧减小。对于常规体MOSFET，当氧化层厚(hou)度(du)(du)(du)<2 nm时，大量载(zai)流子以不同机制通过栅(zha)介质形(xing)成显。

由(you)BSIM4提(ti)出的简易MOS模型的栅(zha)极电流分量模型

其中(zhong)，JG是(shi)栅(zha)极(ji)(ji)(ji)电流密(mi)度(du)(du)(du)，L是(shi)沟(gou)道(dao)长度(du)(du)(du)，W是(shi)沟(gou)道(dao)宽度(du)(du)(du)，x是(shi)沿沟(gou)道(dao)的(de)位置(源极(ji)(ji)(ji)处(chu)x=0，漏极(ji)(ji)(ji)处(chu)x=L)，IGS和IGD是(shi)栅(zha)极(ji)(ji)(ji)电流的(de)栅(zha)／源和栅(zha)／漏分量。通过(guo)线性化栅(zha)电流密(mi)度(du)(du)(du)与位置的(de)关(guan)系，简(jian)化这些等价(jia)噪(zao)声(sheng)电流分析表达(da)式，所得的(de)总栅(zha)极(ji)(ji)(ji)电流噪(zao)声(sheng)表达(da)式为：

常数KG可通过低(di)频噪声实验测试获得，IG可通过直(zhi)流测试得到。

(2)栅电(dian)流噪声电(dian)容等效(xiao)电(dian)荷(he)涨落模型

FET沟(gou)道中的(de)(de)热噪声(sheng)电(dian)压涨(zhang)落(luo)(luo)导致(zhi)了(le)沟(gou)道静电(dian)势分布(bu)的(de)(de)涨(zhang)落(luo)(luo)。沟(gou)道成为MOS电(dian)容的(de)(de)一块平板(ban)，栅(zha)(zha)电(dian)容之间的(de)(de)电(dian)压涨(zhang)落(luo)(luo)引起电(dian)荷(he)涨(zhang)落(luo)(luo)，将电(dian)荷(he)涨(zhang)落(luo)(luo)等效于栅(zha)(zha)电(dian)流涨(zhang)落(luo)(luo)。在(zai)Van Der Ziel对JFET诱生栅(zha)(zha)噪声(sheng)的(de)(de)早期研究之后，Shoji建立了(le)栅(zha)(zha)隧穿(chuan)效应的(de)(de)MOSFET模型(xing)，即是将MOS沟(gou)道作为动态分布(bu)式(shi)的(de)(de)RC传输线。

器(qi)(qi)件沟道(dao)位(wei)置(zhi)x处(chu)跨越△x的(de)(de)电压(ya)涨(zhang)(zhang)落(luo)驱动两处(chu)传输线：一(yi)(yi)处(chu)是从(cong)x=0展伸至(zhi)x=x，另一(yi)(yi)处(chu)从(cong)x=x展伸至(zhi)x=L。栅电流涨(zhang)(zhang)落(luo)作为相应的(de)(de)漏一(yi)(yi)侧(ce)电流涨(zhang)(zhang)落(luo)和源一(yi)(yi)侧(ce)电流涨(zhang)(zhang)落(luo)之(zhi)间的(de)(de)差异(yi)估算得出。在极端复杂(za)的(de)(de)计算中保留Bessel函数解的(de)(de)首要条(tiao)件，于器(qi)(qi)件饱(bao)和条(tiao)件下，估算得出了栅电流涨(zhang)(zhang)落(luo)噪(zao)声频谱密度解析表(biao)达式(shi)为：

模型分析与探讨

mos管漏电流，MOSFET栅漏电流噪声(sheng)(sheng)(sheng)模型分(fen)(fen)析与探讨(tao)。实验表(biao)明(ming)(ming)，超薄(bo)栅氧MOSFET栅电流噪声(sheng)(sheng)(sheng)呈现出闪烁噪声(sheng)(sheng)(sheng)和白噪声(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)分(fen)(fen)，测试曲线表(biao)明(ming)(ming)白噪声(sheng)(sheng)(sheng)接(jie)近于(yu)散(san)粒噪声(sheng)(sheng)(sheng)(2qIG)。对于(yu)小面(mian)积 (W×L=0．3×10 μm2)器件(jian)，1／f噪声(sheng)(sheng)(sheng)成(cheng)分(fen)(fen)几(ji)乎为(wei)栅电流IG的二次函(han)数，栅电流噪声(sheng)(sheng)(sheng)频谱密度SIG(f)与栅电流IG存在幂率关系，即SIG(f)∝IGγ。

超薄栅氧(yang)隧(sui)穿漏电(dian)(dian)流低频噪(zao)声(sheng)(sheng)(sheng)模(mo)型适用于(yu)超薄栅氧(yang)化(hua)层MOSFET低频段噪(zao)声(sheng)(sheng)(sheng)特性表(biao)征(zheng)，与(yu)等效栅氧(yang)厚度为(wei)1．2 nm栅电(dian)(dian)流噪(zao)声(sheng)(sheng)(sheng)测试(shi)(shi)结(jie)果的对比，验(yan)(yan)证(zheng)了其正确(que)性。通过模(mo)型与(yu)实验(yan)(yan)噪(zao)声(sheng)(sheng)(sheng)测试(shi)(shi)结(jie)果及器件(jian)模(mo)拟的对比，可用于(yu)提取(qu)慢氧(yang)化(hua)层陷阱密(mi)度分布。

唯象模型(xing)利(li)用(yong)势垒(lei)高度涨落和(he)源于二(er)维电子气沟道的(de)栅极泄(xie)漏电流的(de)洛仑兹(zi)调(diao)制散(san)粒噪声(sheng)(sheng)，来解释(shi)过(guo)剩(sheng)噪声(sheng)(sheng)特(te)征。低频(pin)和(he)高频(pin)范围内，测量值和(he)仿真值均有良好的(de)一致性(xing)。模型(xing)将(jiang)过(guo)剩(sheng)噪声(sheng)(sheng)解释(shi)成1/f''''''''''''''''伊(yi)噪声(sheng)(sheng)和(he)洛仑兹(zi)调(diao)制散(san)粒噪声(sheng)(sheng)之和(he)，能够准确预测超(chao)薄(bo)栅氧(yang)化层的(de)MOS晶体(ti)管的(de)过(guo)剩(sheng)噪声(sheng)(sheng)性(xing)质并适于在电路仿真中使用(yong)。

栅(zha)(zha)电流分(fen)量噪(zao)(zao)声模型(xing)，模拟(ni)结果与低漏偏置下(xia)的1．5 nm栅(zha)(zha)氧(yang)厚度p-MOSFET的数值(zhi)模拟(ni)结果和实(shi)验(yan)数据(ju)一致。该模型(xing)适用于(yu)纳米级MOSFET，仅限于(yu)描述由栅(zha)(zha)隧穿效应引起的栅(zha)(zha)漏电流涨落。模型(xing)两待定参(can)数都可通过实(shi)验(yan)获得(de)，可方便计算不(bu)同偏置下(xia)的点频噪(zao)(zao)声幅值(zhi)。

等效(xiao)电(dian)容(rong)电(dian)荷(he)涨(zhang)落模型中，栅电(dian)流(liu)(liu)通过栅阻抗(kang)产生的电(dian)压涨(zhang)落经(jing)由(you)器件(jian)跨(kua)导在(zai)沟道(dao)处得到(dao)证(zheng)实(shi)。该模型仅适(shi)用于器件(jian)饱和(he)条件(jian)下，由(you)于忽略了(le)衬底(di)效(xiao)应，诱生衬底(di)电(dian)流(liu)(liu)和(he)沟道(dao)中的高场(chang)效(xiao)应，其适(shi)用性和(he)精确度均不高。

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