MOS晶体管的噪声

MOS晶体管自身产生的噪(zao)(zao)声中，特别重要的是热噪(zao)(zao)声和闪烁噪(zao)(zao)声（1／f噪(zao)(zao)声）。

沟道电阻产生的热噪声

电(dian)(dian)(dian)子在电(dian)(dian)(dian)阻(zu)巾(jin)作随(sui)机运动，因此电(dian)(dian)(dian)阻(zu)的两端会产(chan)生噪(zao)声(sheng)(sheng)电(dian)(dian)(dian)压(ya)，这(zhei)种噪(zao)声(sheng)(sheng)电(dian)(dian)(dian)压(ya)称为热噪(zao)声(sheng)(sheng)。MOS晶体管的沟(gou)道具有电(dian)(dian)(dian)阻(zu)成分，所以会产(chan)牛热噪(zao)声(sheng)(sheng)。

如图1. 34(a)所(suo)示，MOS晶体(ti)管的热(re)噪声(sheng)(sheng)可以用不(bu)含热(re)噪声(sheng)(sheng)的MOS晶体(ti)管以及与栅极连接(jie)的电压(ya)源束表示。这时，强(qiang)反型的饱和区中MOS晶体(ti)管的热(re)噪声(sheng)(sheng)

用(yong)下式表示：

式(shi)中(zhong)，R为波尔兹曼(man)常(chang)数（1. 38X10-23.]/K）；T为绝(jue)对(dui)温度，△f为带(dai)宽；gm为MOS晶体管的跨导。

频谱密度ν2nt△与(yu)频率没有关系(xi)，是(shi)一定的，显示出白噪声(sheng)特性。

图1. 34(b)是用(yong)与不含热(re)(re)噪(zao)声(sheng)的M()S晶体(ti)管并联电(dian)流源表示的热(re)(re)噪(zao)声(sheng)模型。这时MOS晶体(ti)管的热(re)(re)噪(zao)声(sheng)电(dian)流由下式出：

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IC等商品中(zhong)，噪(zao)(zao)声(sheng)电压νnt或噪(zao)(zao)声(sheng)电流int往(wang)往(wang)是(shi)(shi)作(zuo)为每Hz值表示的。不(bu)过可以(yi)看(kan)iH，给Hi的是(shi)(shi)式(1.22)或者式(1.23)平方根。

闪烁噪声（1／f噪声）

所谓(wei)闪烁(shuo)就(jiu)是起伏(fu)(fu)的意思(si)。闪烁(shuo)噪声与频率的倒数（]/f）成比例，所以也(ye)称为(wei)1/f噪声。这种噪声起伏(fu)(fu)的起因主要来自两(liang)方(fang)面。

1．载流子数目的起伏

在Si晶体内(nei)部相(xiang)邻原子(zi)(zi)是(shi)靠电子(zi)(zi)共(gong)有的(de)共(gong)价(jia)键结合起(qi)来的(de)。但是(shi)在Si与SiO2的(de)界(jie)面(mian)上，存在没有构(gou)成共(gong)价(jia)键的(de)悬挂键。这些(xie)悬挂键俘(fu)获电子(zi)(zi)或者释放电子(zi)(zi)的(de)过程是(shi)随机地反复(fu)进行的(de)，因(yin)此使漏极电流产生起(qi)伏(fu)，这就是(shi)载流子(zi)(zi)数(shu)目的(de)起(qi)伏(fu)。

如图1. 35所(suo)示(shi)，MOS晶(jing)体(ti)管1/f噪声(sheng)可以用不含噪声(sheng)的(de)MOS晶(jing)体(ti)管以及接在栅极(ji)上(shang)的(de)电(dian)压源来表示(shi)，这时栅极(ji)换算噪声(sheng)电(dian)压tνnf用下式(shi)给出：

式中，K1是噪声系数。

2．迁移率的起伏

裁流子(zi)与(yu)起(qi)(qi)伏(fu)(fu)的品(pin)格(ge)之间的相互作(zuo)用(yong)，被认为是载流子(zi)迁(qian)(qian)移(yi)率发生(sheng)起(qi)(qi)伏(fu)(fu)的原因，这叫做迁(qian)(qian)移(yi)率起(qi)(qi)伏(fu)(fu)。这种迁(qian)(qian)移(yi)率起(qi)(qi)伏(fu)(fu)引(yin)起(qi)(qi)的栅极(ji)换(huan)算噪(zao)声电压(ya)νnf用(yong)下式表(biao)示：式中，K2是与(yu)VGS有依赖关(guan)系的噪(zao)声系数(shu)(与(yu)前(qian)面的K1的单(dan)位不(bu)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(zha)的(de)NMOS晶(jing)体(ti)管中，在(zai)Si/Si02界(jie)面(mian)附近(jin)的(de)Si表(biao)面(mian)上会产生沟(gou)道，叫做表(biao)面(mian)沟(gou)道。而(er)n+多(duo)晶(jing)硅栅(zha)的(de)PMOS晶(jing)体(ti)管，在(zai)离开Si/SiO2界(jie)面(mian)附近(jin)的(de)Si内部会产生沟(gou)道，这叫做埋入沟(gou)道。

表面沟道晶(jing)体(ti)管中(zhong)(zhong)载流子比较(jiao)容(rong)易被存在(zai)于Si/Si02界面上的(de)(de)界面能(neng)级俘(fu)获(huo)，而埋人沟道晶(jing)体(ti)管中(zhong)(zhong)的(de)(de)沟道距离Si/Si0：界面比较(jiao)远，所(suo)以(yi)俘(fu)获(huo)载流子比较(jiao)困难。

因(yin)此，一般(ban)来说，PMOS晶体管的1／f噪声要比尺寸相同的NMOS晶体管小(xiao)。

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晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)的(de)1／f噪声比双极晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)大，所以(yi)如何(he)抑制l／f噪声对于CMOS模拟电路(lu)就非常(chang)重要。降(jiang)低MOS晶体(ti)(ti)管(guan)(guan)的(de)1／f噪声的(de)方法可以(yi)归纳为以(yi)下(xia)几点(dian)：

(])增大MOS晶体管的(de)面积(WXL)。

(2)对于电路的噪声特(te)性影响大的晶体管（例(li)如差动放(fang)大电路的输(shu)入(ru)差动对），采(cai)用(yong)PMOS晶体管。

(3)单位面(mian)积栅(zha)电(dian)容大(da)的晶体管的l／f噪(zao)声(sheng)小。就是说减薄(bo)栅(zha)氧化膜的厚(hou)度，有利于降低l/f噪(zao)声(sheng)。