納米MOSFET器件電流噪聲測試方法研究

賈曉菲，陳文豪，丁 兵，何 亮

（1. 安康學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，陜西 安康 725000；2. 中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610063；3. 西安電子科技大學(xué) 先進材料與納米科技學(xué)院，陜西 西安 710071）

納米MOSFET器件電流噪聲測試方法研究

賈曉菲1，陳文豪2，丁 兵1，何 亮3

（1. 安康學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院，陜西 安康 725000；2. 中國西南電子技術(shù)研究所，四川 成都 610063；3. 西安電子科技大學(xué) 先進材料與納米科技學(xué)院，陜西 西安 710071）

針對常規(guī)納米尺度電子元器件的噪聲特性，研究其噪聲的基本測試條件，并建立測試系統(tǒng)。在屏蔽條件下采用低溫裝置和超低噪聲前置放大器，能有效抑制外界干擾。應(yīng)用該系統(tǒng)對實際納米 MOSFET器件進行噪聲測試得到其電流噪聲，在測試基礎(chǔ)上通過計算分別得到熱噪聲和散粒噪聲，同時分析器件工作在亞閾區(qū)和反型區(qū)下的電流噪聲隨源漏電壓和電流的變化關(guān)系。結(jié)果表明測試結(jié)果與理論分析吻合，驗證了測試系統(tǒng)的準(zhǔn)確性。

納米MOSFET；噪聲測試；低溫裝置；電流噪聲；散粒噪聲；熱噪聲

近些年來，隨著介觀物理與納米電子學(xué)的發(fā)展，對電子元器件噪聲及測試技術(shù)研究已成熟。眾所周知，噪聲可表征納米尺度電子元器件內(nèi)部載流子的傳輸特性[1-2]。隨著器件尺寸的不斷縮小，對于納米尺度的MOSFET器件，其載流子的輸運已由傳統(tǒng)的漂移-擴散輸運逐漸轉(zhuǎn)為準(zhǔn)彈道或者彈道輸運，其電流噪聲包含散粒噪聲和熱噪聲[3-7]。文獻[3]給出 20 nm的MOSFET電流噪聲隨源漏電流和電壓的變化關(guān)系，其電流噪聲特性介于熱噪聲和散粒噪聲之間，故 20 nm的 MOSFET電流噪聲為散粒噪聲和熱噪聲。文獻[5]通過模擬表明，60 nm的MOSFET電流噪聲為受抑制的散粒噪聲和熱噪聲。目前電流噪聲已經(jīng)嚴(yán)重影響器件的基本性能，使其構(gòu)成的電路不能正常工作。因此必須研究電子元器件中電流噪聲的產(chǎn)生機理及其特性，進而抑制器件噪聲，這不僅可實現(xiàn)器件的低噪聲化[8-9]，也對電子元器件的工作效率、壽命、可靠性等起到積極作用。

目前國內(nèi)外的噪聲測試技術(shù)研究快速發(fā)展，已取得熱噪聲和散粒噪聲的測試技術(shù)，但對電流噪聲的測試還沒涉及到。另外，普遍存在干擾噪聲大、測試儀器價格貴等問題，難以普及應(yīng)用。對納米電子元器件噪聲的測試技術(shù)主要為超導(dǎo)量子干涉器件和約瑟夫森結(jié)的噪聲測試技術(shù)[10-11]，但兩者的超高靈敏特性和工作原理對測試技術(shù)條件要求很高，因此很難廣泛應(yīng)用。同時，這類敏感元件耦合距離短，要與被測器件制作在同一芯片上，因此不能開放式應(yīng)用。傳統(tǒng)的器件（如短溝道MOS、雪崩二極管等）的電流噪聲[4,12-13]難與超導(dǎo)量子干涉器件和約瑟夫森結(jié)進行有效集成。文獻[14]提出了短溝道MOSFET噪聲測試方法，但沒有考慮熱噪聲。熱噪聲與溫度有關(guān)[15]，雖然整個測試裝置在低溫下進行，但熱噪聲仍然存在，不能忽略。

本文建立了納米 MOSFET電流噪聲的測試系統(tǒng)，提出了低溫裝置、屏蔽裝置、低噪聲偏置電路和低噪聲放大器的測試系統(tǒng)，能有效降低背景噪聲，很好抑制了外界電磁干擾及低頻1/f噪聲等的干擾，使測試結(jié)果更加準(zhǔn)確。本系統(tǒng)不僅可以測試納米尺度 MOSFET器件的電流噪聲，也可分別得到其散粒噪聲和熱噪聲。

1 實驗

1.1 測試系統(tǒng)設(shè)計

噪聲測試系統(tǒng)必須滿足以下要求：

（1）低噪電源：為器件提供直流電壓，必須具備極低的背景噪聲，采用低自放電、低噪聲電池組實現(xiàn)。

（2）偏置網(wǎng)絡(luò)：對測試器件工作點進行調(diào)節(jié)，使其工作在特點狀態(tài)。偏置網(wǎng)絡(luò)采用元件也必須是低噪聲器件，如電阻必須采用金屬線繞電阻器，在偏置網(wǎng)絡(luò)中不能引入有源等噪聲大的器件。

（3）屏蔽箱：對外部電磁干擾進行屏蔽。

（4）低溫系統(tǒng)：納米MOSFET電流噪聲中的散粒噪聲測試受溫度影響，因此必須采用低溫（取77K）裝置來抑制器件、偏置網(wǎng)絡(luò)等熱噪聲，最大限度將熱噪聲對測試結(jié)果的影響降到最低。

（5）電流放大器：對微弱的散粒噪聲電流進行放大，選用低噪聲高帶寬電流放大器。

（6）第二級放大器：由于一級放大倍數(shù)往往不能滿足信號采集要求，因此需要進行第二級放大，使噪聲信號進一步放大以便采集。

（7）數(shù)據(jù)采集分析系統(tǒng)：完成電流噪聲信號的采集，并進行相應(yīng)的屏蔽變換、消除干擾頻率等數(shù)據(jù)的處理和最終結(jié)果的分析。

根據(jù)噪聲測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)要求，設(shè)計如圖 1所示的納米MOSFET電流噪聲測試流程框圖。

1.2 測試方案

實驗選用90 nm MOSFET器件，其閾值電壓為0.7 V。分別在低溫條件下測試器件的噪聲功率譜SI。設(shè)置使器件工作在亞閾值區(qū)，即柵極電壓（VGS）為0.25 V，測試源漏電流（IDS）變化時，器件的噪聲功率譜值。再設(shè)置柵極電壓為1.2 V，器件工作在線性區(qū)，測試源漏電流變化時，器件的噪聲功率譜值。具體步驟如圖2。

圖1 電流噪聲測試框圖Fig.1 Current noise test system

圖2 電流噪聲測試流程圖Fig.2 Current noise test flow chart

經(jīng)該噪聲系統(tǒng)測試可得到納米MOSFET的電流噪聲。另外，由奈奎斯特?zé)嵩肼暪接嬎恪?/p>

式中：G為被測樣品的電導(dǎo)；KB為玻爾茲曼常數(shù)；測試中溫度為77 K，由此公式計算可以求出熱噪聲[17]。再由該實驗系統(tǒng)測出的電流噪聲減去熱噪聲就為散粒噪聲。

2 結(jié)果與分析

圖 3為器件工作在亞閾區(qū)時，噪聲隨源漏電流的變化關(guān)系（VGS為0.25 V），從圖中可以看出，漏源電流小于0.6 mA時，與噪聲功率譜呈現(xiàn)線性關(guān)系。隨著源漏電流的增大，噪聲值明顯下降，這是因為漏源電壓的增大導(dǎo)致溝道內(nèi)電場增強、勢壘高度減小，噪聲中的散粒噪聲被費米和庫侖作用抑制[15-19]；同時，因為測試系統(tǒng)本身要滿足低溫條件，熱噪聲也受抑制，故電流噪聲值減小。

圖3 VGS= 0.25 V時噪聲隨源漏電流的測試結(jié)果Fig.3 The variation of noise with source-drain current（VGSis 0.25 V）

圖 4為器件工作在反型區(qū)時，噪聲隨源漏電流的變化關(guān)系（VGS為1.2 V）。漏源電流（約小于0.4 mA）比較小時，器件工作在線性區(qū)，噪聲功率譜與源漏電流呈線性關(guān)系。但是隨著漏源電流的增大，器件進入飽和區(qū)，此時源區(qū)勢壘高度降低、溝道內(nèi)擴散電流減小，導(dǎo)致由擴散電流引起的散粒噪聲受費米和庫侖抑制，故電流噪聲減小。同時，漏端區(qū)溝道處在夾斷點的位置，載流子通過夾斷點的耗盡區(qū)為彈道輸運，費米和庫侖作用減弱，又導(dǎo)致散粒噪聲增大，故電流噪聲又隨漏源電流的增大而增大。但隨著漏源電流的持續(xù)增大，夾斷區(qū)長度不斷增加，載流子散射增強，散粒噪聲再次被抑制，電流噪聲隨之減小[15-19]。

圖4 VGS= 1.2 V時噪聲隨源漏電流的測試結(jié)果Fig.4 The variation of noise with source-drain current（VGSis 1.2 V）

圖 5為漏源電壓與電流噪聲功率譜之間的關(guān)系（VGS為0.25 V）。器件處在亞閾值工作區(qū)，當(dāng)源漏電壓較小時，電流噪聲增加趨勢不明顯。這是因為此時載流子輸運接近于擴散輸運，電流噪聲以熱噪聲為主，而測試在低溫條件下，熱噪聲變化不明顯，故電流噪聲值也不明顯。隨著源漏電壓的持續(xù)增加，溝道內(nèi)電場增強，勢壘高度減小，散粒噪聲被費米和庫侖作用抑制，電流噪聲減小[15-19]。

圖 6為器件工作在反型區(qū)時，噪聲隨源漏電壓的變化關(guān)系。在柵極電壓為1.2 V的反型區(qū)，當(dāng)源漏電壓增大到一定值時，為受費米和庫侖抑制的散粒噪聲。這是因為柵極電壓的增大，導(dǎo)致源極結(jié)正向壓降增大、耗盡區(qū)寬度變小。同時，勢壘的高度也隨柵極電壓增大而降低。在強反型區(qū)，源區(qū)結(jié)勢逐漸消失，費米和庫侖作用減弱，散粒噪聲抑制減小，電流噪聲也隨之減小[15-19]。

圖5 VGS=0.25 V時噪聲隨源漏電壓變化的測試結(jié)果Fig.5 The variation of noise with source-drain voltage（VGSis 0.25 V）

圖6 VGS=1.2 V時噪聲隨源漏電壓變化的測試結(jié)果Fig.6 The variation of noise with source-drain voltage（VGSis 1.2 V）

3 結(jié)論

建立了納米MOSFET的噪聲測試技術(shù)。在低溫條件、屏蔽環(huán)境下，將被測元器件置于裝置內(nèi)，有效抑制了外界電磁干擾、低頻1/f噪聲以及測試系統(tǒng)背景噪聲等的干擾。應(yīng)用本系統(tǒng)對納米尺度的MOSFET器件進行噪聲測試，并分析該器件的噪聲特性。結(jié)果表明，器件工作在亞閾區(qū)的噪聲隨源漏電壓呈線性變化；在反型區(qū)，噪聲受到費米和庫侖抑制，噪聲隨源漏電壓的增大而減小。該系統(tǒng)適合傳統(tǒng)納米尺度的電子元器件噪聲測試。

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（編輯：曾革）

Current noise measurement methods in nano-MOSFET

JIA Xiaofei1, CHEN Wenhao2, DING Bing1, HE Liang3

(1. Department of Electronic and Information Engineering, Ankang University, Ankang 725000, Shanxi Province, China; 2. Southwest China Institute of Electronic Technology, Chengdu 610063, China; 3. Advanced Materials and Nano Technology School, Xidian University, Xi’an 710071, China)

Noise performance of regular nano-scale electronic components was studied to analyze the basic noise testing conditions and establish the noise testing system. Taking low temperature and ultra-low noise preamplifier under shielding conditions can effectively suppress external interference. This system was used to test current noise in the actual nano-MOSFET devices, on the basis of which thermal noise and shot noise were respectively calculated and current noise was analyzed with variation of the source-drain voltage and current in the sub-threshold region and inversion region. The results show that the test results accord with theoretical analysis and accuracy of the measurement system is verified.

nano-MOSFET; noise measurement; low temperature device; current noise; shot noise; thermal noise

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.12.010

TN407

A

1001-2028（2016）12-0045-04

2016-10-10

賈曉菲

國家自然科學(xué)基金重點項目（No. 61076101）；陜西省教育廳科學(xué)研究計劃項目（No. 16JK1016）

賈曉菲（1984-），女，陜西渭南人，講師，主要從事電子元器件噪聲研究，E-mail: jiaxiaofei-ab@163.com 。

時間：2016-11-29 11:30:55

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161129.1130.010.html