基于Boltzmann方程的纳米MOSFET高频噪声计算

论文摘要

不同沟道长度的MOSFET器件的噪声机理是不同的,目前已探明工艺技术成熟的长沟道MOSFET的高频本征噪声机理为热噪声。但对于工艺技术有待进一步成熟的短沟道MOSFET新型器件而言,通过噪声计算等虚拟模拟手段预测其噪声扰动规律,对预评估器件性能和指导新型器件研发具有重要的意义。传统的半导体器件参数模拟工具主要采用漂移扩散模型和流体动力学模型,无法模拟沟道长度小于100的纳米器件的射频噪声性能。因此本文基于Boltzmann方程求解仿真计算了沟道长度为40纳米的MOSFET的本征漏极电流噪声的高频功率谱密度,并据此分析了其受抑制的散粒噪声特性。其中,Boltzmann方程求解是目前半导体器件小信号和噪声特性精确模拟的主流方法,虽然计算复杂,但计算精度远优于计算相对简单的Monte Carlo方法。本文工作包括以下三个方面:首先,明确了Boltzmann方程仿真求解MOSFET高频噪声原始数据的流程。具体包括:在Boltzmann方程的傅立叶谐波展开基础上,利用Newton迭代法稳态求解Boltzmann方程,获取器件的静态输出量,通过观察其直流特性,实现仿真分析有效性的初步验证;通过Boltzmann方程的频域求解,实现器件的小信号分析,从而进一步检验仿真分析的有效性;通过利用Langevin-Source算法求解Boltzmann方程,获取器件噪声的原始仿真数据。其次,利用所明确的器件噪声的仿真分析流程,模拟了40纳米MOSFET高频噪声的原始数据,并据此计算了其本征漏极电流噪声的高频功率谱密度。通过分析仿真计算的结果,初步认识到40纳米MOSFET在强反型区的高频噪声机理为受抑制的散粒噪声,并且散粒噪声的受抑制程度随着栅极电压的降低单调递减。最后,为了验证有关40纳米MOSFET强反型区下的高频噪声机理的仿真分析结果,研究了其噪声建模的实验方法。在分析40纳米MOSFET射频小信号等效电路参数提取结果的基础上,建立了该器件漏极电流噪声的简洁模型。该模型完整地表征了决定40纳米器件噪声机理的三个组成部分:本征漏极电流噪声、栅极管脚寄生电阻热噪声和栅漏衬底寄生电磁耦合噪声。噪声测量在验证所建模型准确性和精度的同时,还表明:40纳米MOSFET的本征漏极电流噪声为受抑制的散粒噪声,并且散粒噪声的受抑制程度随着栅极电压的降低单调递减。

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文章来源

类型: 硕士论文

作者: 彭小梅

导师: 王军

关键词: 方程,纳米,漏极电流噪声,强反型区,受抑制散粒噪声

来源: 西南科技大学

年度: 2019

分类: 基础科学,信息科技

专业: 数学,无线电电子学

单位: 西南科技大学

分类号: TN386;O242.23

总页数: 53

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