mos管漏電流與VGS的關(guān)系及MOSFET柵漏電流噪聲分析

mos管漏電流與VGS呈指數(shù)關(guān)系

至此，所考慮的MOS晶體管的工作，都是柵極—源極間電壓VGS比閾值電壓VT大時(shí)的狀況。當(dāng)VGS比VT大很多時(shí)，在柵氧化膜下方構(gòu)成反型層（溝道），在漏極-源極間有電流活動(dòng)，這種狀態(tài)稱為強(qiáng)反型狀態(tài)。

但是，即便MOS晶體管的柵極，源極間電壓VGS處在閾值電壓VT以下，漏極電流也并不等于0，依然有微小的電流活動(dòng)，這時(shí)MOS晶體管的工作狀態(tài)叫做弱反型(weak inversion)，工作區(qū)域叫做弱反型區(qū)。

在弱反型區(qū)，漏極電流關(guān)于VGS呈指數(shù)關(guān)系增加，電流表達(dá)式為下式：

式中，Io是與制造工藝有關(guān)的參數(shù)；”叫做斜率因子(slope factor)，由耗盡層電容Cd與柵氧化膜電容Cox之比按下式計(jì)算求得：

n的普通值是1～1.5。另外，n值還能夠從圖2.8中曲線的斜率求得。這個(gè)曲線的橫軸是VGS，縱軸取logID。n越小，logID-VGS。曲線在弱反型區(qū)中直線局部的斜率就越陡，MOS晶體管的漏電流就越小。這個(gè)斜率的倒數(shù)叫做亞閾擺動(dòng)(sub-threshold swing)或者亞閾斜率(subthreshold slope)，其定義式如下：

亞閾擺動(dòng)S表示弱反型區(qū)中漏極電流變化1個(gè)數(shù)量級(jí)所需求的柵極-源極間電壓。應(yīng)用式(2.12)，能夠得到：

其單位通常用(mV/dec)表示。亞閾擺動(dòng)小的MOS晶體管，意味著OFF時(shí)的漏電流小。當(dāng)n=1時(shí)，室溫下下面求弱反型區(qū)中的跨導(dǎo)gm。

由式(2.1)和式(2.l2)能夠得到由該式能夠看出，弱反型區(qū)中跨導(dǎo)與漏極電流成比例。

mos管漏電流-MOSFET柵漏電流噪聲分析

分析問(wèn)題：MOSFET的柵漏電流噪聲模型 MOSFET的柵漏電流噪聲模型分析與探討

解決方案：超薄柵氧隧穿漏電流低頻噪聲模型 柵電流噪聲電容等效電荷漲落模型 CMOS器件的等比例縮小發(fā)展趨勢(shì)，導(dǎo)致了柵等效氧化層厚度、柵長(zhǎng)度和柵面積都急劇減小。對(duì)于常規(guī)體MOSFET，當(dāng)氧化層厚度<2 nm時(shí)，大量載流子以不同機(jī)制通過(guò)柵介質(zhì)形成顯。

由BSIM4提出的簡(jiǎn)易MOS模型的柵極電流分量模型

其中，JG是柵極電流密度，L是溝道長(zhǎng)度，W是溝道寬度，x是沿溝道的位置(源極處x=0，漏極處x=L)，IGS和IGD是柵極電流的柵／源和柵／漏分量。通過(guò)線性化柵電流密度與位置的關(guān)系，簡(jiǎn)化這些等價(jià)噪聲電流分析表達(dá)式，所得的總柵極電流噪聲表達(dá)式為：

常數(shù)KG可通過(guò)低頻噪聲實(shí)驗(yàn)測(cè)試獲得，IG可通過(guò)直流測(cè)試得到。

(2)柵電流噪聲電容等效電荷漲落模型

FET溝道中的熱噪聲電壓漲落導(dǎo)致了溝道靜電勢(shì)分布的漲落。溝道成為MOS電容的一塊平板，柵電容之間的電壓漲落引起電荷漲落，將電荷漲落等效于柵電流漲落。在Van Der Ziel對(duì)JFET誘生柵噪聲的早期研究之后，Shoji建立了柵隧穿效應(yīng)的MOSFET模型，即是將MOS溝道作為動(dòng)態(tài)分布式的RC傳輸線。

器件溝道位置x處跨越△x的電壓漲落驅(qū)動(dòng)兩處傳輸線：一處是從x=0展伸至x=x，另一處從x=x展伸至x=L。柵電流漲落作為相應(yīng)的漏一側(cè)電流漲落和源一側(cè)電流漲落之間的差異估算得出。在極端復(fù)雜的計(jì)算中保留Bessel函數(shù)解的首要條件，于器件飽和條件下，估算得出了柵電流漲落噪聲頻譜密度解析表達(dá)式為：

模型分析與探討

mos管漏電流，MOSFET柵漏電流噪聲模型分析與探討。實(shí)驗(yàn)表明，超薄柵氧MOSFET柵電流噪聲呈現(xiàn)出閃爍噪聲和白噪聲成分，測(cè)試曲線表明白噪聲接近于散粒噪聲(2qIG)。對(duì)于小面積 (W×L=0．3×10 μm2)器件，1／f噪聲成分幾乎為柵電流IG的二次函數(shù)，柵電流噪聲頻譜密度SIG(f)與柵電流IG存在冪率關(guān)系，即SIG(f)∝IGγ。

超薄柵氧隧穿漏電流低頻噪聲模型適用于超薄柵氧化層MOSFET低頻段噪聲特性表征，與等效柵氧厚度為1．2 nm柵電流噪聲測(cè)試結(jié)果的對(duì)比，驗(yàn)證了其正確性。通過(guò)模型與實(shí)驗(yàn)噪聲測(cè)試結(jié)果及器件模擬的對(duì)比，可用于提取慢氧化層陷阱密度分布。

唯象模型利用勢(shì)壘高度漲落和源于二維電子氣溝道的柵極泄漏電流的洛侖茲調(diào)制散粒噪聲，來(lái)解釋過(guò)剩噪聲特征。低頻和高頻范圍內(nèi)，測(cè)量值和仿真值均有良好的一致性。模型將過(guò)剩噪聲解釋成1/f''''''''''''''''伊噪聲和洛侖茲調(diào)制散粒噪聲之和，能夠準(zhǔn)確預(yù)測(cè)超薄柵氧化層的MOS晶體管的過(guò)剩噪聲性質(zhì)并適于在電路仿真中使用。

柵電流分量噪聲模型，模擬結(jié)果與低漏偏置下的1．5 nm柵氧厚度p-MOSFET的數(shù)值模擬結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)一致。該模型適用于納米級(jí)MOSFET，僅限于描述由柵隧穿效應(yīng)引起的柵漏電流漲落。模型兩待定參數(shù)都可通過(guò)實(shí)驗(yàn)獲得，可方便計(jì)算不同偏置下的點(diǎn)頻噪聲幅值。

等效電容電荷漲落模型中，柵電流通過(guò)柵阻抗產(chǎn)生的電壓漲落經(jīng)由器件跨導(dǎo)在溝道處得到證實(shí)。該模型僅適用于器件飽和條件下，由于忽略了襯底效應(yīng)，誘生襯底電流和溝道中的高場(chǎng)效應(yīng)，其適用性和精確度均不高。

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