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

針對常規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。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。應用該系統對實際納米 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和反型區下的電流噪聲隨源漏電壓和電流的變化關系。結果表明測試結果與理論分析吻合，驗證了測試系統的準確性。

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的發展，對電子元器件噪聲及測試技術研究已成熟。眾所周知，噪聲可表征納米尺度電子元器件內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的漂移-擴散輸運逐漸轉為準彈道或者彈道輸運，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。目前電流噪聲已經嚴重影響器件的基本性能，使其構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生機理及其特性，進而抑制器件噪聲，這不僅可實現器件的低噪聲化[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。

目前國內外的噪聲測試技術研究快速發展，已取得熱噪聲和散粒噪聲的測試技術，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，難以普及應用。對納米電子元器件噪聲的測試技術主要為超導量子干涉器件和約瑟夫森結的噪聲測試技術[10-11]，但兩者的超高靈敏特性和工作原理對測試技術條件要求很高，因此很難廣泛應用。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，因此不能開放式應用。傳統的器件（如短溝道MOS、雪崩二極管等）的電流噪聲[4,12-13]難與超導量子干涉器件和約瑟夫森結進行有效集成。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[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，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，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，使測試結果更加準確。本系統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 測試系統設計

噪聲測試系統必須滿足以下要求：

（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。

（2）偏置網絡：對測試器件工作點進行調節，使其工作在特點狀態。偏置網絡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，在偏置網絡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：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、偏置網絡等熱噪聲，最大限度將熱噪聲對測試結果的影響降到最低。

（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）數據采集分析系統：完成電流噪聲信號的采集，并進行相應的屏蔽變換、消除干擾頻率等數據的處理和最終結果的分析。

根據噪聲測試系統結構要求，設計如圖 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。設置使器件工作在亞閾值區，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。再設置柵極電壓為1.2 V，器件工作在線性區，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

經該噪聲系統測試可得到納米MOSFET的電流噪聲。另外，由奈奎斯特熱噪聲公式計算。

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

2 結果與分析

圖 3為器件工作在亞閾區時，噪聲隨源漏電流的變化關系（VGS為0.25 V），從圖中可以看出，漏源電流小于0.6 mA時，與噪聲功率譜呈現線性關系。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致溝道內電場增強、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時，噪聲隨源漏電流的變化關系（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，噪聲功率譜與源漏電流呈線性關系。但是隨著漏源電流的增大，器件進入飽和區，此時源區勢壘高度降低、溝道內擴散電流減小，導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，漏端區溝道處在夾斷點的位置，載流子通過夾斷點的耗盡區為彈道輸運，費米和庫侖作用減弱，又導致散粒噪聲增大，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增大，夾斷區長度不斷增加，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系（VGS為0.25 V）。器件處在亞閾值工作區，當源漏電壓較小時，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增加，溝道內電場增強，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時，噪聲隨源漏電壓的變化關系。在柵極電壓為1.2 V的反型區，當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，導致源極結正向壓降增大、耗盡區寬度變小。同時，勢壘的高度也隨柵極電壓增大而降低。在強反型區，源區結勢逐漸消失，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果Fig.6 The variation of noise with source-drain voltage（VGSis 1.2 V）

3 結論

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

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