MOS晶體管的噪聲

MOS晶體管自身產(chǎn)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(chǎn)生的熱噪聲

電子在電阻巾作隨機(jī)運(yùn)動，因此電阻的兩端會產(chǎn)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(chǎn)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(shí)，強(qiáng)反型的飽和區(qū)中MOS晶體管的熱噪聲

用下式表示：

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

頻譜密度ν2nt△與頻率沒有關(guān)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(lián)電流源表示的熱噪聲模型。這時(shí)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(guān)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(shù)（]/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(shù)目的起伏

在Si晶體內(nèi)部相鄰原子是靠電子共有的共價(jià)鍵結(jié)合起來的。但是在Si與SiO2的界面上，存在沒有構(gòu)成共價(jià)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(jī)地反復(fù)進(jìn)行的，因此使漏極電流產(chǎn)生起伏，這就是載流子數(shù)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(shí)柵極換算噪聲電壓tνnf用下式給出：

式中，K1是噪聲系數(shù)。

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(rèn)為是載流子遷移率發(fā)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(guān)系的噪聲系數(shù)(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(chǎn)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(nèi)部會產(chǎn)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(yuǎn)，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(diǎn)

同時(shí)考慮熱噪聲和1／f噪聲時(shí)，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(diǎn)：

(])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。