中心議題：

• 短溝道MOSFET中散粒噪聲測試原理
• 短溝道MOSFET中散粒噪聲的測試係統設計及測試方案
• 短溝道MOSFET中散粒噪聲的測試結果及討論

對於短溝道MOSFETqijian，zaishiwentiaojianxia，sanlizaoshengbeiqitaleixingdezaoshengsuoyanmei，yibanzaishiyanzhonghennanguanchadaotadecunzai。muqianguoneiwaiduiyusanlizaoshengceshijishudeyanjiuqudelekuaisudejinzhan，danshipubiancunzaiganraozaoshengda

、測(ce)試(shi)儀(yi)器(qi)價(jia)格(ge)昂(ang)貴(gui)等(deng)問(wen)題(ti)，難(nan)以(yi)實(shi)現(xian)普(pu)及(ji)應(ying)用(yong)。文(wen)中(zhong)所(suo)介(jie)紹(shao)的(de)測(ce)試(shi)係(xi)統(tong)是(shi)在(zai)屏(ping)蔽(bi)環(huan)境(jing)下(xia)將(jiang)被(bei)測(ce)器(qi)件(jian)置(zhi)於(yu)低(di)溫(wen)裝(zhuang)置(zhi)內(nei)，抑(yi)製(zhi)了(le)外(wai)界(jie)電(dian)磁(ci)波(bo)和(he)熱(re)噪(zao)聲(sheng)的(de)幹(gan)擾(rao)
；同時使用低噪聲前置放大器使散粒噪聲充分放大，並顯著降低係統背景噪聲；通過提取噪聲頻譜高頻段平均值
，去除了低頻1/f噪聲的影響
，使測試結果更加的準確。使用本係統測試短溝道MOSFET器件散粒噪聲
，得到了很好的測試結果。文中的工作為散粒噪聲測試提供了一種方法，對短溝道MOSFET散粒噪聲測試結果進行了討論。

1 測試原理

對於短溝道MOSFET中散粒噪聲的測試，主要影響因素包括：外界電磁幹擾
、低頻1/f噪聲、熱re噪zao聲sheng以yi及ji測ce試shi係xi統tong背bei景jing噪zao聲sheng等deng。散san粒li噪zao聲sheng屬shu於yu微wei弱ruo信xin號hao，在zai實shi際ji測ce試shi中zhong外wai界jie電dian磁ci幹gan擾rao對dui測ce試shi結jie果guo影ying響xiang顯xian著zhu，將jiang整zheng個ge實shi驗yan裝zhuang置zhi放fang置zhi於yu電dian磁ci屏ping蔽bi環huan境jing下xia進jin行xing測ce試shi
，這zhe樣yang就jiu有you效xiao地di抑yi製zhi了le外wai界jie電dian磁ci幹gan擾rao。散san粒li噪zao聲sheng和he熱re噪zao聲sheng均jun屬shu於yu白bai噪zao聲sheng
，在zai室shi溫wen下xia由you於yu熱re噪zao聲sheng的de影ying響xiang

，一yi般ban很hen難nan測ce量liang到dao散san粒li噪zao聲sheng的de存cun在zai
，因yin此ci需xu要yao最zui大da限xian度du降jiang低di熱re噪zao聲sheng的de影ying響xiang。在zai測ce試shi中zhong將jiang待dai測ce器qi件jian置zhi於yu液ye氮dan環huan境jing中zhong
，在zai此ci溫wen度du下xia器qi件jian熱re噪zao聲sheng相xiang對dui於yu散san粒li噪zao聲sheng可ke以yi忽hu略lve。對dui於yu器qi件jian散san粒li噪zao聲sheng的de測ce試shi，必bi須xu通tong過guo充chong分fen放fang大da才cai能neng被bei數shu據ju采cai集ji卡ka所suo采cai集ji，所suo以yi要yao、求(qiu)放(fang)大(da)器(qi)要(yao)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)增(zeng)益(yi)
，同(tong)時(shi)要(yao)求(qiu)不(bu)能(neng)引(yin)入(ru)太(tai)大(da)的(de)係(xi)統(tong)噪(zao)聲(sheng)，否(fou)則(ze)係(xi)統(tong)噪(zao)聲(sheng)會(hui)淹(yan)沒(mei)所(suo)測(ce)器(qi)件(jian)的(de)散(san)粒(li)噪(zao)聲(sheng)，因(yin)此(ci)采(cai)用(yong)低(di)噪(zao)聲(sheng)高(gao)增(zeng)益(yi)的(de)前(qian)置(zhi)放(fang)大(da)器(qi)。對(dui)於(yu)短(duan)溝(gou)道(dao)MOSFET，其低頻1/f 噪聲非常顯著，它對散粒噪聲的影響很大


，由於1/f 隻是在低頻部分明顯，在高頻部分很小
，因而可以通過提取噪聲高頻部分的平均值來降低1/f 噪聲對測試的影響
，使測試結果更加的準確。據此
，設計了一種低溫散粒噪聲測試係統。

2 測試係統設計及測試方案

2．1 測試係統設計
測試係統，如圖1所示，主要由偏置電路、低噪聲前置放大器、數據采集和噪聲分析係統組成。將所有測試設備放置於雙層金屬網組成的屏蔽室內

，可以有效的抑製外界電磁噪聲的幹擾
；測試係統低溫裝置是一個裝有液氮的杜瓦瓶，它可以提供77 K的測試溫度，這樣就有效的降低了熱噪聲的影響。Vcc1和Vcc2為電壓可調的低噪聲鎳氫直流電池組，分別為器件提供柵源電壓和漏源偏壓，電池組不能用直流電源代替，因為直流電源的噪聲比較大。

變阻器R1和R2均屬於低噪聲線繞電位器
，最大阻值均為10 kΩ，分別用於柵源電壓和漏源的調節。同時為了測試更加準確，變阻器R1和R2也一並置於液氮裝置內，以降低其自身熱噪聲的影響。前置放大器采用美國EG&G普林斯頓應用研究公司製造的PARC113型低噪聲前置放大器
，放大增益範圍為20～80 dB，測試帶寬為1～300 kHz
，其背景噪聲很低，滿足實驗的測試要求。

數據采集和噪聲分析軟件為“XD3020電子元器件噪聲-可靠性分析係統”軟件，它包含5大功能：噪聲頻譜分析、器件可靠性篩選
、噪聲分析診斷
、時頻域子波分析、時域分析。對於散粒噪聲分析
，主要用到噪聲頻譜分析模塊。
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通過具體測試對係統進行了驗證。設置柵源電壓為0．1 V
，漏源電壓為0．36 V，為了降低低頻1/f噪聲的幹擾
，提取電流噪聲功率譜299～300 kHz高頻段的平均值。如圖2所示，從圖中可以看出高頻段是白噪聲。在室溫下，被測器件噪聲幅值為1．2×10-15V2／Hz左右
；而77 K時
，在相同偏置條件下測試了樣品的噪聲，電流噪聲幅值為1．5×10-16V2／Hz左右，對比室溫和77 K時樣品噪聲，可以看出噪聲幅值降了一個數量級，通過計算可知熱噪聲被減少大約90％
，可見77 K時熱噪聲被明顯抑製。同時測量了低溫下係統的背景噪聲
，它的噪聲幅值為4×10-17V2／Hz左右，而低溫下樣品的噪聲幅值為1．5×1O-16V2／Hz，因此低溫下係統背景噪聲相對較小，可以忽略。本測試係統能滿足低溫下散粒噪聲測試的要求。

2．2 測試方案
實驗樣品選用0．18μm工藝nMOSFET器件，溝道寬長比為20μm／0．6μm，柵氧化層厚度為20 nm，閾值電壓為0．7 V。分別測試器件在亞閾區、線性區和飽和區的源漏電流散粒噪聲功率譜。具體步驟為，設置Vgs=0．1 V，使器件處在亞閾值區，Ids在0．055～1 mA變化，測試器件在不同溝道電流下的電流噪聲功率譜值；再設置Vgs=1．2 V，使器件工作在反型區，測試Ids在0．055～1．5 mA變化時線性區和飽和區的電流噪聲功率譜值。在功率譜提取時
，取270～300 kHz頻率段電流噪聲功率譜的平均值，這樣既可以去除低頻1／f噪聲對測試結果的影響，也可以通過平均值算法使分析的測試數據更加準確。
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3 測試結果及討論

圖3和圖4分別為器件工作在亞閾區和反型區條件下，電流噪聲功率譜隨漏源電流的變化情況。

youtuzhongkeyikanchu，zaiyayuqu，xiaolouyuandianliudetiaojianxia
，goudaodianliuhedianliuzaoshenggonglvpuchengxianxianxingguanxi，zhengmingqijianzaicigongzuotiaojianxiacunzaisanlizaosheng。xiangbiyuchanggoudaoMOSFETqijian，duangoudaoqijiangoudaoyuanqufujianmingxiancunzaiyigeshilei，shileigaodusuizhayuandianyadezengdaerzengda，suilouyuandianyadezengdaerjianxiao。zaicipianzhitiaojianxia，goudaoneidianchangqiangduhenxiao，kuosandianliuchengfenxianzhu，kuosandianliusuijitongguoyuanjifujinshilei，yinqisanlizaosheng。suizhelouyuandianyadezengda，goudaoneidianchangzengqiang，shileijianxiao，piaoyidianliuchengweizhuyaochengfen
，sanlizaoshengsuizhibeiyizhi。

在反型區，小的漏源電流條件下，器件工作在線性區。如圖4所示
，與亞閾區類似
，可以看到明顯的散粒噪聲成分。但是隨著漏源電流的增大，在漏源電流大約為0．5μA時shi，器qi件jian進jin入ru飽bao和he區qu。此ci時shi源yuan區qu勢shi壘lei和he溝gou道dao內nei擴kuo散san電dian流liu成cheng分fen顯xian著zhu減jian小xiao，因yin此ci導dao致zhi由you擴kuo散san電dian流liu引yin起qi的de散san粒li噪zao聲sheng減jian小xiao。但dan此ci時shi漏lou端duan溝gou道dao正zheng好hao處chu在zai夾jia斷duan點dian位wei置zhi，載zai流liu子zi通tong過guo夾jia斷duan點dian耗hao盡jin區qu是shi彈dan道dao傳chuan輸shu模mo式shi，引yin起qi了le散san粒li噪zao聲sheng的de產chan生sheng，導dao致zhi散san粒li噪zao聲sheng再zai次ci隨sui漏lou源yuan電dian流liu的de增zeng大da而er增zeng大da。但dan隨sui著zhe漏lou源yuan電dian流liu的de繼ji續xu增zeng大da，夾jia斷duan區qu長chang度du不bu斷duan增zeng加jia，載zai流liu子zi在zai夾jia斷duan區qu散san射she增zeng強qiang，散san粒li噪zao聲sheng再zai次ci被bei抑yi製zhi。

4 結束語

針對MOSFETsanlizaoshengnanyiceliangdetedian，wenzhongtichuleyizhongdiwensanlizaoshengceshifangfa。zaipingbihuanjingxia，jiangbeiceqijianzhiyudiwenzhuangzhinei，youxiaoyizhilewaijiedianciboherezaoshengdeganrao。caiyongbeijingzaoshengchongfendidefangdaqiyijipianzhiqi、適配器等，建立低溫散粒噪聲測試係統。應用本係統對短溝道MOSFET器件進行噪聲測試

，分析該器件散粒噪聲的特性。文中的工作為器件散粒噪聲測試提供了一種方法，對短溝道MOSFET散粒噪聲特性進行了分析。