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《电子科技大学》 2014年
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新型微波晶体管噪声机理与噪声模型研究

陈勇波  
【摘要】:微波低噪声放大器(LNA)的性能在很大程度上决定了整个接收机的灵敏度和动态范围。而晶体管作为LNA的核心器件,对其噪声特性的研究,对提升整个接收系统的性能具有重要意义。随着半导体相关技术的不断发展,出现了许多新材料和新结构的晶体管,推动着器件和电路性能不断提高。目前传统的硅基(Si)金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)的特征尺寸已经进入纳米量级,衍生出多种新型的器件结构形式,如多栅器件、无结型器件等。由于硅基纳米MOSFET器件的制作工艺能与基带、数字信号处理模块的加工工艺相兼容,因而研究其噪声特性,对采用最新节点的硅基互补金属-氧化物-半导体(CMOS)工艺设计和实现低成本、高性能、高复杂度的片上集成系统(SoC)具有重要意义;另一方面,基于宽禁带半导体材料GaN的高电子迁移率晶体管(HEMT)具有耐压性能好、功率密度大、热导率高以及电子饱和速率大等优点,因而成为半导体器件研究的又一热点,研究其噪声特性对研制超宽带、高鲁棒性、高动态范围的微波低噪声放大器有着重要意义。因此,为了促进新型微波晶体管在低噪声领域的应用,为设计和生产高性能的微波低噪声器件及其低噪声放大器电路提供理论和技术支持,急需对其噪声机理和噪声模型进行研究。本文在晶体管噪声理论基础上,针对硅基纳米MOSFET和GaN HEMT器件的特点,分别采用物理基、半物理基和经验基的方法,对其噪声特性进行了研究。 1.基于蒙特卡洛方法的硅基纳米双栅MOSFET物理基噪声特性研究 针对硅基纳米MOSFET器件噪声机理尚不太明确的问题,本文采用物理基的量子蒙特卡洛(MC)方法来研究器件噪声特性,该方法可以直接模拟器件中载流子的运动轨迹,从本征上描述噪声的起源。根据随机信号的统计学原理,采用相关函数求功率谱密度的方法,从MC方法得到的Si MOSFET端口瞬时电流波动中提取了栅极和漏极噪声电流功率谱密度及其相关性,并计算了器件的噪声参数,将计算结果同文献中的数据进行对比,验证了该方法的准确性;然后将该MC方法用于研究30nm栅长的硅基双栅MOSFET器件的静态、小信号和噪声特性。结果表明,相比于单栅器件,双栅MOSFET具有更强的栅极控制能力、更高的沟道电子密度,因此它表现出更大的输出跨导(gm)和电压增益(Avo),同时也显示出更优异的噪声性能。 2.基于蒙特卡洛方法的硅基纳米无结型MOSFET物理基噪声特性研究 本文首次采用量子MC方法研究了硅基纳米无结型MOSFET器件的小信号和噪声特性,并与传统的有结型MOSFET器件性能进行了对比。从晶体管沟道载流子受到的散射机制的大小出发,研究了造成两种器件沟道载流子浓度和速度分布差异的原因,以及它们对器件的直流、小信号和噪声性能的影响。结果表明,无结型MOSFET器件的沟道电子受到较大的杂质散射,因此相比于有结型器件,它的gm和截止频率(ft)较低、最小噪声系数(NFmin)较大,但由于它输出电导(gds)更小,因而它具有更大的Avo和更高的最大振荡频率(fmax)。 3.新型的硅基纳米无结型MOSFET器件噪声特性研究 为提升硅基纳米无结型MOSFET的小信号和噪声性能,本文首次提出了三种新型的无结型器件结构,分别对无结型MOSFET器件的栅极金属、沟道掺杂和栅下介质隔离层进行改进。通过调整沟道中的电势分布,在沟道中引入一个电场尖峰,从而提高沟道中电子的传输效率,达到提升器件性能的目的。本文以其中一种沟道梯度掺杂的赝无结型(GPJL)MOSFET器件为例,采用量子MC方法对其静态、小信号和噪声特性进行了研究。结果表明,相比于一般的无结型器件,GPJLMOSFET表现出更优异的小信号特性,比如其ft和Avo的最大值分别提高了11.6%和61%;同时,它也显示出更优异的噪声性能,比如在40GHz时其NFmin减小了约30%。 4.基于漂移-扩散模型的GaN HEMT半物理基噪声特性研究 本文针对宽禁带半导体材料GaN的特性,研究了其HEMT低噪声器件的工作机理;基于载流子的漂移-扩散(DD)传输模型,建立了GaN HEMT器件的半物理基数值模型,采用阻抗场法模拟器件的噪声性能,通过与GaN HEMT的直流测试数据进行对比,验证了该数值模型的准确性;采用该模型分别研究了凹栅GaNHEMT和新型InAlN/GaN异质结HEMT器件的小信号和噪声性能,结果表明:相比于普通栅结构的GaN HEMT,凹栅GaN HEMT增大了栅极对沟道的控制能力,显示出更优异的小信号和噪声性能,比如其ft和fmax的最大值分别提高了18%和27%,在12GHz时,其NFmin减小了0.2dB;相比于普通的AlGaN/GaN异质结HEMT器件,InAlN/GaN异质结HEMT具有较大的栅极泄漏电流,它所引入的散粒噪声将导致InAlN/GaN HEMT在低频段的NFmin增大。 5.基于等效电路模型的GaN HEMT经验基噪声特性研究 本文针对GaN HEMT器件的噪声特性,提出了一种简便的GaN HEMT噪声等效电路模型,该模型用本征沟道电阻的热噪声电压源代替了感应栅极噪声电流源,并计入了栅极泄漏电流引入的散粒噪声;将模型计算结果与GaN HEMT噪声参数测试数据进行对比,验证了该模型的准确性;用该模型分析了GaN HEMT器件中各个噪声源对器件噪声系数的贡献大小,并研究了栅极泄漏电流大小对各个噪声参数的影响;针对国内GaN工艺线生产的凹栅GaN HEMT器件,建立了噪声等效电路模型,并采用建立的模型设计并制作了一款2~8GHz低噪声放大器,测试结果表明,该LNA在设计频带内增益大于11.5dB,噪声系数小于2.1dB。
【学位授予单位】:电子科技大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2014
【分类号】:TN386

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