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                            MOS晶體管自身產生的噪聲中,特別重要的是熱噪聲和閃爍噪聲

                            信息來源:本站 日期:2017-08-16 

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                            MOS晶體管的噪聲

                            MOS晶體管自身產生的噪聲中,特別重要的是熱噪聲和閃爍噪聲(1/f噪聲)。


                            溝道電阻產生的熱噪聲


                            電子在電阻巾作隨機運動,因此電阻的兩端會產生噪聲電壓,這種噪聲電壓稱為熱噪聲。MOS晶體管的溝道具有電阻成分,所以會產牛熱噪聲。

                            如圖1. 34(a)所示,MOS晶體管的熱噪聲可以用不含熱噪聲的MOS晶體管以及與柵極連接的電壓源束表示。這時,強反型的飽和區中MOS晶體管的熱噪聲

                            用下式表示:

                            式中,R為波爾茲曼常數(1. 38X10-23.]/K);T為絕對溫度,△f為帶寬;gm為MOS晶體管的跨導。

                            頻譜密度ν2nt△與頻率沒有關系,是一定的,顯示出白噪聲特性。

                            圖1. 34(b)是用與不含熱噪聲的M()S晶體管并聯電流源表示的熱噪聲模型。這時MOS晶體管的熱噪聲電流由下式出:

                            MOS晶體管的熱噪聲頻譜密度ν2nt/△與頻率沒有關系,是一定的,顯示出白噪聲特性。

                            OP放大器IC等商品中,噪聲電壓νnt或噪聲電流int往往是作為每Hz值表示的。不過可以看iH,給Hi的是式(1.22)或者式(1.23)平方根。

                            閃爍噪聲(1/f噪聲)

                            所謂閃爍就是起伏的意思。閃爍噪聲與頻率的倒數(]/f)成比例,所以也稱為1/f噪聲。這種噪聲起伏的起因主要來自兩方面。

                            1.載流子數目的起伏

                            在Si晶體內部相鄰原子是靠電子共有的共價鍵結合起來的。但是在Si與SiO2的界面上,存在沒有構成共價鍵的懸掛鍵。這些懸掛鍵俘獲電子或者釋放電子的過程是隨機地反復進行的,因此使漏極電流產生起伏,這就是載流子數目的起伏。

                            如圖1. 35所示,MOS晶體管1/f噪聲可以用不含噪聲的MOS晶體管以及接在柵極上的電壓源來表示,這時柵極換算噪聲電壓tνnf用下式給出:

                            式中,K1是噪聲系數。

                            2.遷移率的起伏

                            裁流子與起伏的品格之間的相互作用,被認為是載流子遷移率發生起伏的原因,這叫做遷移率起伏。這種遷移率起伏引起的柵極換算噪聲電壓νnf用下式表示:式中,K2是與VGS有依賴關系的噪聲系數(與前面的K1的單位不相同)。

                            NMOS晶體管巾載流子的起伏是主要的,而PMOS晶體管中遷移率的起伏處于支配地位。不論哪種場合,]/f噪聲都與頻率f以及MOS晶體管的面積(WXL)成反比。

                            PMOS晶體管的l/f噪聲小

                            n+多晶硅柵的NMOS晶體管中,在Si/Si02界面附近的Si表面上會產生溝道,叫做表面溝道。而n+多晶硅柵的PMOS晶體管,在離開Si/SiO2界面附近的Si內部會產生溝道,這叫做埋入溝道。

                            表面溝道晶體管中載流子比較容易被存在于Si/Si02界面上的界面能級俘獲,而埋人溝道晶體管中的溝道距離Si/Si0:界面比較遠,所以俘獲載流子比較困難。

                            因此,一般來說,PMOS晶體管的1/f噪聲要比尺寸相同的NMOS晶體管小。

                            降低l/f噪聲的要點

                            同時考慮熱噪聲和1/f噪聲時,MOS晶體管的噪聲電壓可表示為

                            圖1. 36示出其噪聲頻譜密度的頻率特性。

                            MOS晶體管的1/f噪聲比雙極晶體管大,所以如何抑制l/f噪聲對于CMOS模擬電路就非常重要。降低MOS晶體管的1/f噪聲的方法可以歸納為以下幾點:

                            (])增大MOS晶體管的面積(WXL)。

                            (2)對于電路的噪聲特性影響大的晶體管(例如差動放大電路的輸入差動對),采用PMOS晶體管。

                            (3)單位面積柵電容大的晶體管的l/f噪聲小。就是說減薄柵氧化膜的厚度,有利于降低l/f噪聲。