MOS晶体管的噪声

MOS晶体管自身产生(sheng)的噪声中(zhong)，特别重要的是热噪声和闪烁噪声（1／f噪声）。

沟道电阻产生的热噪声

电(dian)子(zi)在(zai)电(dian)阻(zu)巾作(zuo)随(sui)机(ji)运动(dong)，因此电(dian)阻(zu)的两端会产(chan)生(sheng)噪(zao)声电(dian)压，这种(zhong)噪(zao)声电(dian)压称(cheng)为(wei)热噪(zao)声。MOS晶体(ti)管(guan)的沟道具有电(dian)阻(zu)成分，所以会产(chan)牛热噪(zao)声。

如图1. 34(a)所示，MOS晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)的(de)(de)热(re)噪(zao)声可以(yi)用不含(han)热(re)噪(zao)声的(de)(de)MOS晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)以(yi)及(ji)与栅极连接(jie)的(de)(de)电压源束(shu)表示。这时(shi)，强反(fan)型的(de)(de)饱(bao)和区中MOS晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)的(de)(de)热(re)噪(zao)声

用(yong)下(xia)式表示(shi)：

式(shi)中，R为波尔兹曼(man)常数(shu)（1. 38X10-23.]/K）；T为绝(jue)对温度，△f为带宽；gm为MOS晶体管的跨导。

频谱(pu)密度ν2nt△与频率没有关系(xi)，是一定(ding)的，显示出白噪声(sheng)特性。

图1. 34(b)是用与不含热(re)噪(zao)声的M()S晶(jing)体管并联电流源表(biao)示的热(re)噪(zao)声模型。这(zhei)时MOS晶(jing)体管的热(re)噪(zao)声电流由下(xia)式出：

MOS晶体管的热噪声频谱密度ν2nt／△与频率没有关系，是一定的，显示出白噪声特性。

OP放大器(qi)IC等商品中，噪声电(dian)压νnt或(huo)噪声电(dian)流int往往是作为每Hz值表示的。不过可以看iH，给Hi的是式(shi)(1.22)或(huo)者(zhe)式(shi)(1.23)平(ping)方(fang)根。

闪烁噪声（1／f噪声）

所(suo)谓(wei)闪(shan)烁(shuo)就是起伏的意(yi)思。闪(shan)烁(shuo)噪(zao)(zao)声与频率的倒(dao)数（]/f）成比例，所(suo)以也称为1/f噪(zao)(zao)声。这种噪(zao)(zao)声起伏的起因主要来自两(liang)方面(mian)。

1．载流子数目的起伏

在(zai)Si晶体内部相邻(lin)原(yuan)子(zi)是靠(kao)电子(zi)共(gong)有(you)的(de)(de)(de)(de)共(gong)价键结合(he)起来的(de)(de)(de)(de)。但是在(zai)Si与SiO2的(de)(de)(de)(de)界面上，存(cun)在(zai)没(mei)有(you)构成共(gong)价键的(de)(de)(de)(de)悬(xuan)挂键。这些悬(xuan)挂键俘获电子(zi)或(huo)者释放(fang)电子(zi)的(de)(de)(de)(de)过程(cheng)是随(sui)机地(di)反复进行的(de)(de)(de)(de)，因此使漏(lou)极电流(liu)产生起伏(fu)(fu)，这就(jiu)是载流(liu)子(zi)数目的(de)(de)(de)(de)起伏(fu)(fu)。

如(ru)图1. 35所示(shi)，MOS晶体管1/f噪(zao)声(sheng)(sheng)可(ke)以(yi)用(yong)(yong)不含噪(zao)声(sheng)(sheng)的(de)MOS晶体管以(yi)及接(jie)在栅(zha)极上的(de)电压(ya)源来表示(shi)，这时(shi)栅(zha)极换算噪(zao)声(sheng)(sheng)电压(ya)tνnf用(yong)(yong)下式(shi)给出：

式中，K1是(shi)噪(zao)声系(xi)数。

2．迁移率的起伏

裁流子与(yu)起伏(fu)的(de)(de)品格之间的(de)(de)相互作用，被(bei)认为是(shi)载流子迁(qian)移率(lv)发生起伏(fu)的(de)(de)原(yuan)因，这(zhei)叫做迁(qian)移率(lv)起伏(fu)。这(zhei)种迁(qian)移率(lv)起伏(fu)引起的(de)(de)栅(zha)极换算噪声电压νnf用下式表示：式中，K2是(shi)与(yu)VGS有依赖关系(xi)的(de)(de)噪声系(xi)数(与(yu)前面(mian)的(de)(de)K1的(de)(de)单位不相同)。

NMOS晶体管巾载流子的起伏是主要的，而PMOS晶体管中迁移率的起伏处于支配地位。不论哪种场合，]／f噪声都与频率f以及MOS晶体管的面积(WXL)成反比。

PMOS晶体管的l/f噪声小

n+多(duo)晶(jing)硅栅的NMOS晶(jing)体管(guan)(guan)中，在Si/Si02界面(mian)附(fu)近的Si表(biao)面(mian)上会产生沟(gou)道，叫(jiao)做表(biao)面(mian)沟(gou)道。而n+多(duo)晶(jing)硅栅的PMOS晶(jing)体管(guan)(guan)，在离开Si/SiO2界面(mian)附(fu)近的Si内部会产生沟(gou)道，这叫(jiao)做埋(mai)入沟(gou)道。

表面沟(gou)(gou)道(dao)晶体管中(zhong)载流子比较容易(yi)被存(cun)在于Si/Si02界面上的(de)界面能(neng)级俘获，而埋人沟(gou)(gou)道(dao)晶体管中(zhong)的(de)沟(gou)(gou)道(dao)距离Si/Si0：界面比较远(yuan)，所以俘获载流子比较困难。

因此，一(yi)般(ban)来说，PMOS晶(jing)体管的1／f噪(zao)声要比(bi)尺寸相同的NMOS晶(jing)体管小。

降低l/f噪声的要点

同时考虑热噪声和1／f噪声时，MOS晶体管的噪声电压可表示为

图1. 36示出其噪声频谱密度的频率特性。

MOS晶(jing)体(ti)管(guan)的(de)1／f噪声比(bi)双极晶(jing)体(ti)管(guan)大，所以(yi)如何抑(yi)制(zhi)l／f噪声对于(yu)CMOS模拟电路就非常(chang)重要。降低MOS晶(jing)体(ti)管(guan)的(de)1／f噪声的(de)方法可以(yi)归纳(na)为以(yi)下几点(dian)：

(])增大MOS晶体管的面积(WXL)。

(2)对(dui)于电(dian)路的噪声特性影响大的晶体管（例如(ru)差动(dong)放大电(dian)路的输入差动(dong)对(dui)），采用PMOS晶体管。

(3)单位面积(ji)栅电容大的晶(jing)体管的l／f噪(zao)声小。就是(shi)说减(jian)薄(bo)栅氧化膜的厚(hou)度，有利于(yu)降低l/f噪(zao)声。