短沟道MOSFET散粒噪声测试方法研究

    近年来随着介观物理和纳米电子学对散粒噪声研究的不断深入，人们发现散粒噪声可以很好的表征纳米器件内部电子传输特性。由于宏观电子元器件中也会有介观或者纳米尺度的结构，例如缺陷、小孔隙和晶粒等，因而也会产生散粒噪声，并且可能携带内部结构的信息。这使人们对宏观电子元器件中散粒噪声研究产生了极大的兴趣。另一方面，随着器件尺寸的不断缩小，MOSFET器件中散粒噪声成分也越来越显著，已经严重影响器件以及电路的噪声水平，人们必须要了解电子元器件中散粒噪声的产生机理和特性，以便更好的抑制器件的散粒噪声，实现器件和电路的低噪声化。
    对于短沟道MOSFET器件，在室温条件下，散粒噪声被其他类型的噪声所淹没，一般在实验中很难观察到它的存在。目前国内外对于散粒噪声测试技术的研究取得了快速的进展，但是普遍存在干扰噪声大、测试仪器价格昂贵等问题，难以实现普及应用。文中所介绍的测试系统是在屏蔽环境下将被测器件置于低温装置内，抑制了外界电磁波和热噪声的干扰；同时使用低噪声前置放大器使散粒噪声充分放大，并显著降低系统背景噪声；通过提取噪声频谱高频段平均值，去除了低频1/f噪声的影响，使测试结果更加的准确。使用本系统测试短沟道MOSFET器件散粒噪声，得到了很好的测试结果。文中的工作为散粒噪声测试提供了一种方法，对短沟道MOSFET散粒噪声测试结果进行了讨论。

1 测试原理
    对于短沟道MOSFET中散粒噪声的测试，主要影响因素包括：外界电磁干扰、低频1/f噪声、热噪声以及测试系统背景噪声等。散粒噪声属于微弱信号，在实际测试中外界电磁干扰对测试结果影响显著，将整个实验装置放置于电磁屏蔽环境下进行测试，这样就有效地抑制了外界电磁干扰。散粒噪声和热噪声均属于白噪声，在室温下由于热噪声的影响，一般很难测量到散粒噪声的存在，因此需要最大限度降低热噪声的影响。在测试中将待测器件置于液氮环境中，在此温度下器件热噪声相对于散粒噪声可以忽略。对于器件散粒噪声的测试，必须通过充分放大才能被数据采集卡所采集，所以要、求放大器要有足够的增益，同时要求不能引入太大的系统噪声，否则系统噪声会淹没所测器件的散粒噪声，因此采用低噪声高增益的前置放大器。对于短沟道MOSFET，其低频1／f噪声非常显著，它对散粒噪声的影响很大，由于1／f只是在低频部分明显，在高频部分很小，因而可以通过提取噪声高频部分的平均值来降低1/f噪声对测试的影响，使测试结果更加的准确。据此，设计了一种低温散粒噪声测试系统。

2 测试系统设计及测试方案
2．1 测试系统设计
    测试系统，如图1所示，主要由偏置电路、低噪声前置放大器、数据采集和噪声分析系统组成。将所有测试设备放置于双层金属网组成的屏蔽室内，可以有效的抑制外界电磁噪声的干扰；测试系统低温装置是一个装有液氮的杜瓦瓶，它可以提供77 K的测试温度，这样就有效的降低了热噪声的影响。Vcc1和Vcc2为电压可调的低噪声镍氢直流电池组，分别为器件提供栅源电压和漏源偏压，电池组不能用直流电源代替，因为直流电源的噪声比较大。

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    变阻器R1和R2均属于低噪声线绕电位器，最大阻值均为10 kΩ，分别用于栅源电压和漏源的调节。同时为了测试更加准确，变阻器R1和R2也一并置于液氮装置内，以降低其自身热噪声的影响。前置放大器采用美国EG&G普林斯顿应用研究公司制造的PARC113型低噪声前置放大器，放大增益范围为20～80 dB，测试带宽为1～300 kHz，其背景噪声很低，满足实验的测试要求。
    数据采集和噪声分析软件为“XD3020电子元器件噪声-可靠性分析系统”软件，它包含5大功能：噪声频谱分析、器件可靠性筛选、噪声分析诊断、时频域子波分析、时域分析。对于散粒噪声分析，主要用到噪声频谱分析模块。
    通过具体测试对系统进行了验证。设置栅源电压为0．1 V，漏源电压为0．36 V，为了降低低频1/f噪声的干扰，提取电流噪声功率谱299～300 kHz高频段的平均值。如图2所示，从图中可以看出高频段是白噪声。在室温下，被测器件噪声幅值为1．2×10-15V2／Hz左右；而77 K时，在相同偏置条件下测试了样品的噪声，电流噪声幅值为1．5×10-16V2／Hz左右，对比室温和77 K时样品噪声，可以看出噪声幅值降了一个数量级，通过计算可知热噪声被减少大约90％，可见77 K时热噪声被明显抑制。同时测量了低温下系统的背景噪声，它的噪声幅值为4×10-17V2／Hz左右，而低温下样品的噪声幅值为1．5×1O-16V2／Hz，因此低温下系统背景噪声相对较小，可以忽略。本测试系统能满足低温下散粒噪声测试的要求。

2．2 测试方案
    实验样品选用0．18μm工艺nMOSFET器件，沟道宽长比为20μm／0．6μm，栅氧化层厚度为20 nm，阈值电压为0．7 V。分别测试器件在亚阈区、线性区和饱和区的源漏电流散粒噪声功率谱。具体步骤为，设置Vgs=0．1 V，使器件处在亚阈值区，Ids在0．055～1 mA变化，测试器件在不同沟道电流下的电流噪声功率谱值；再设置Vgs=1．2 V，使器件工作在反型区，测试Ids在0．055～1．5 mA变化时线性区和饱和区的电流噪声功率谱值。在功率谱提取时，取270～300 kHz频率段电流噪声功率谱的平均值，这样既可以去除低频1／f噪声对测试结果的影响，也可以通过平均值算法使分析的测试数据更加准确。

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3 测试结果及讨论
    图3和图4分别为器件工作在亚阈区和反型区条件下，电流噪声功率谱随漏源电流的变化情况。

    由图中可以看出，在亚阈区，小漏源电流的条件下，沟道电流和电流噪声功率谱呈现线性关系，证明器件在此工作条件下存在散粒噪声。相比于长沟道MOSFET器件，短沟道器件沟道源区附件明显存在一个势垒，势垒高度随栅源电压的增大而增大，随漏源电压的增大而减小。在此偏置条件下，沟道内电场强度很小，扩散电流成分显著，扩散电流随机通过源极附近势垒，引起散粒噪声。随着漏源电压的增大，沟道内电场增强，势垒减小，漂移电流成为主要成分，散粒噪声随之被抑制。
    在反型区，小的漏源电流条件下，器件工作在线性区。如图4所示，与亚阈区类似，可以看到明显的散粒噪声成分。但是随着漏源电流的增大，在漏源电流大约为0．5μA时，器件进入饱和区。此时源区势垒和沟道内扩散电流成分显著减小，因此导致由扩散电流引起的散粒噪声减小。但此时漏端沟道正好处在夹断点位置，载流子通过夹断点耗尽区是弹道传输模式，引起了散粒噪声的产生，导致散粒噪声再次随漏源电流的增大而增大。但随着漏源电流的继续增大，夹断区长度不断增加，载流子在夹断区散射增强，散粒噪声再次被抑制。

4 结束语
    针对MOSFET散粒噪声难以测量的特点，文中提出了一种低温散粒噪声测试方法。在屏蔽环境下，将被测器件置于低温装置内，有效抑制了外界电磁波和热噪声的干扰。采用背景噪声充分低的放大器以及偏置器、适配器等，建立低温散粒噪声测试系统。应用本系统对短沟道MOSFET器件进行噪声测试，分析该器件散粒噪声的特性。文中的工作为器件散粒噪声测试提供了一种方法，对短沟道MOSFET散粒噪声特性进行了分析。