MOS管知識介紹|分析MOSFET中的噪聲

MOSFET中的噪聲

噪聲源

MOS器件的本底噪聲是器件中電壓和電流的自發(fā)漲落，與電子電荷的離散性緊密相關(guān)。

噪聲的影響受器件及其所在電路放大能力的限制。

外界噪聲可以通過適當?shù)钠帘翁幚磉M行減弱或消除，但是本底噪聲由器件自發(fā)產(chǎn)生，不能完全消除。

MOSFET中的噪聲:MOS器件的本底噪聲包括熱噪聲(Thermal Noise) 、散粒噪聲(Shot Noise) 和閃爍噪聲(Flicker noise）

溝道的熱噪聲會產(chǎn)生誘生柵極噪聲。

熱噪聲

熱噪聲(Thermal Noise)在任何熱平衡的電阻中都存在。其物理本質(zhì)是電子與熱激發(fā)原子的隨機碰撞，類似于小顆粒在液體中的布朗運動。

對于布朗運動的處理，采用平衡態(tài)統(tǒng)計力學處理。

散粒噪聲

散粒噪聲(Shot Noise) 與隨機越過勢壘的載流子有關(guān)。

在半導體器件中，越過PN結(jié)的載流子的隨機擴散以及電子空穴對的隨機產(chǎn)生和復合導致流過勢壘的電流在其平均值附近隨機漲落，引起散粒噪聲。

散粒噪聲存在于真空管和半導體器件中。

肖特基推導了散粒噪聲電流公式：

IDC為通過勢壘的平均直流電流。

同樣，散粒噪聲譜密度與頻豐無關(guān)，所有頻率上具有相同的噪聲功率，散粒噪聲同樣也是白噪聲。

散粒噪聲只與通過勢壘的平均直流電流有關(guān)。因此，為了減少散粒噪聲的不利影響，流過器件的直流電流應越小越好，尤其是放大器的前置級。

閃爍噪聲

電子器件的閃爍噪聲(Flicker Noise)是由兩種導體的接觸點電導的隨機漲落引起的。

凡是有導體接觸不理想的器件都存在閃爍噪聲，所以又稱為接觸噪聲。由于其功率譜密度正比于1/f,頻率越低噪聲越嚴重，所以又稱為1/f噪聲或低頻噪聲。

1925年，J.B.Johnson 在“低頻電路中的肖特基效應”的論文中第一次提出了“1/f噪聲”這一術(shù)語。在考查肖特基效應時,J.B.Johnson發(fā)現(xiàn)除了散粒噪聲以外,在低頻部分還有較強烈的電流噪聲。若使用氧化物陰極，該電流就更大。

經(jīng)過進一步的實驗，J.B.Johnson 還發(fā)現(xiàn)這個在低頻部分的電流噪聲的功率譜密度和頻率f成反比，因此，他把這種噪聲稱作“1/f噪聲”，即閃爍噪聲。

1/f噪聲在自然界中廣泛存在，不僅出現(xiàn)在半導體、金屬薄膜、電解液中，還以非電子形式出現(xiàn)在機械和生物系統(tǒng)中。

人在安靜狀態(tài)下的心跳周期的波動規(guī)律以及α腦波的波動規(guī)律與1/f波動規(guī)律相吻合，因此1/f波動作用在人身上會令人感到舒服。

自然風的頻譜符合1/f波動規(guī)律，使人感覺輕松舒適。

詳細的噪聲源機制尚不完全清楚，但一般來講，半導體器件中的1/f噪聲是由晶體結(jié)構(gòu)中雜質(zhì)的缺陷引起的各種效應產(chǎn)生的。在MOS結(jié)構(gòu)中，1/f噪聲與定期捕獲和釋放載流子的氧化物表面狀態(tài)有關(guān)。

MOS中的閃爍噪聲由晶體缺陷、表面態(tài)或表面不穩(wěn)定性產(chǎn)生。其功率譜密度S(f)一般滿足關(guān)系

K、EF為常數(shù)，一般情況下EF≈1,即閃爍噪聲與頻率成反比。

閃爍噪聲在所有半導體器件甚至電阻等無源器件中均存在，其發(fā)生沒有統(tǒng)一的物理機制解釋。因此，需要通過實驗確定K和EF。

對于的MOS中的閃爍噪聲，已經(jīng)有一定研究進展。

MOSFET中的噪聲特性總結(jié)

主要噪聲源:

①溝道熱噪聲(與頻率無關(guān));

②誘生柵極噪聲(與頻率的平方成正比);

③與表面等有關(guān)的1/f噪聲(與頻率成反比)。

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